Le statut des expériences en physique est plus complexe qu'il n'y paraît, même au stade où l'on admet la validité du résultat expérimental. Car, ce résultat admis, se pose la question de sa signification. Pour l'empirisme (de l'empirisme logique à ses formes plus récentes), la question de la signification ne se pose pas au niveau du résultat expérimental lui-même, puisque c'est à lui que sont rapportées, fût-ce indirectement, les significations des propositions théoriques. Pourtant, si l'on pense qu'il y a une différence entre des énoncés qui expriment seulement des résultats d'expérience (par exemple, certains types de lois), et les théories, qui sont des constructions conceptuelles en forme de systèmes, et si l'on considère, dans cette perspective, qu'une théorie physique n'est pas simplement un ‘système formel interprété', mais un système de concepts qui comprend les interprétations comme un effet de l'organisation systémique même, il faut admettre que le résultat expérimental ne porte pas lui-même sa signification. Comment justifier que ce soit de l'instance théorique qu'il la reçoive? et sous quelles modalités?
Le statut des expériences en physique est plus complexe qu'il n'y paraît, même au stade où l'on admet la validité du résultat expérimental. Car, ce résultat admis, se pose la question de sa signification. Pour l'empirisme (de l'empirisme logique à ses formes plus récentes), la question de la signification ne se pose pas au niveau du résultat expérimental lui-même, puisque c'est à lui que sont rapportées, fût-ce indirectement, les significations des propositions théoriques. Pourtant, si l'on pense qu'il y a une différence entre des énoncés qui expriment seulement des résultats d'expérience (par exemple, certains types de lois), et les théories, qui sont des constructions conceptuelles en forme de systèmes, et si l'on considère, dans cette perspective, qu'une théorie physique n'est pas simplement un ‘système formel interprété', mais un système de concepts qui comprend les interprétations comme un effet de l'organisation systémique même, il faut admettre que le résultat expérimental ne porte pas lui-même sa signification. Comment justifier que ce soit de l'instance théorique qu'il la reçoive? et sous quelles modalités?
Le débat sur l'interprétation de la mécanique quantique est, aujourd'hui, sensiblement différent de ce qu'il était dans la période de «fondation» de cette théorie. Cette modification tient à deux causes : l'ancrage des conceptions quantiques dans la pensée des physiciens, favorisé par l'utilisation systématique et fructueuse de la théorie quantique en physique atomique et subatomique, d'une part et, d'autre part, les développements théoriques et expérimentaux survenus au cours des vingt dernières années, qui ont amené à considérer comme des faits physiques des énoncés qui paraissaient naguère relever davantage de l'interprétation, avec liberté d'options, voire de la spéculation. Quelle est la signification des énoncés et des concepts théoriques de la physique quantique ? et comment celle-ci s'est-elle modifiée ? Qu'entend-on par «interprétation» ? Telles sont les questions qui servent de guide à ce travail. Nous nous proposons de clarifier ce qui, dans les questions de signification, relève respectivement de la physique (essentiellement les contenus conceptuels et théoriques), et de perspectives philosophiques. Cette distinction est plus nette aujourd'hui qu'elle ne l'était au moment de l'établissement de la mécanique quantique, ce qui permet d'approfondir notre compréhension de chacun de ces deux aspects, qui s'enrichissent mutuellement de cette clarification. Nous nous interrogeons, pour terminer, sur ce que peut être une conception réaliste en termes d'un «monde d'objets quantiques».
Les théories physiques sont aujourd'hui très mathématisées, et ce que les scientifiques manipulent pour décrire, prédire et contrôler les phénomènes, ce sont (entre autres) des équations, comportant de nombreux symboles mathématiques. Ces objets mathématiques n'ont pas de signification physique en eux-mêmes : ils ne « parlent » pas d'eux-mêmes des phénomènes. Une interprétation est nécessaire. Ce qui nous intéresse dans cet article est ainsi l'interprétation dont une théorie physique doit faire l'objet pour remplir son rôle. Nous commençons par expliciter une distinction traditionnelle : l'interprétation « pauvre » (simple instrument permettant d'assigner aux symboles de la théorie un sens physique strictement limité aux résultats des expériences) diffère de l'interprétation « riche » (laquelle compose une image du monde compatible avec la façon dont la théorie décrit mathématiquement les résultats des expériences). Notre but dans cet article est de montrer que cette distinction doit être amendée. Nous nous appuyons sur l'exemple de la mécanique quantique, mais la distinction se veut valable en général pour toute théorie physique.
Comprendre les phénomènes quantiques Les théories physiques classiques peuvent être interpretées comme représentant le monde en termes d'intéractions causales à la fois locales et déterministiques entre des systèmes characterisés par des propriétés bien définies. Il est bien connu que la mécanique quantique orthodoxe, qui se trouve être une de nos théories les mieux confirmées, ne peut pas être interprétée dans les termes du cadre décrit ci-dessus. Au début des années soixante, John Bell a démontré que toute théorie représentant son domaine dans les termes du cadre classique ci-dessus satisfait une série d'inégalités, les inégalités de Bell. Certains physiciens ont développé des théories alternatives à la théorie quantique orthodoxe, théories dont les interprétations associées abandonnent au moins une des charactéristiques du cadre classique. Les philosophes s'efforcent d'interpreter ce resultat de la physique contemporaine, i.e. s'efforcent de comprendre à quoi peut ressembler le monde s'il est vrai que les interactions entre les systèmes physiques sont soit non-locales, soit non-déterministiques, ou bien que ces systèmes physiques ne possèdent pas de propriétés définies. Cette ligne de pensée a atteint son apogée avec la "métaphysique expérimentale" qui s'est développée après que la violation des inégalités de Bell par l'expérience a été observée. L'interprétation orthodoxe est que les expériences de type Bell nous forcent à accepter certaines formes d'interactions non-locales, et peut- être non causales, au niveau fondamental. Dans cette thèse, j'évalue dans quelle mesure l'investigation philosophique de nos meilleures théories scientifiques peut nous aider à décider de ce que peut être le monde au niveau fondamental. J'étudie cette question en considérant le domaine quantique, et en particulier les phénomènes de type Bell. Mes conclusions pointent dans la direction d'une vue plus modeste du rôle possible de la philosophie de la physique que celle que les programmes de métaphysique expérimentale suggèrent. Dans une première partie, j'étudie le rôle que la philosophie de la physique peut légitimement jouer dans le développement et l'évaluation des différentes theories quantiques. Je soutiens que le rôle de la philosophie de la physique ne consiste pas à imposer des critères d'acceptabilité pour les théories physiques en plus des critères usuels de cohérence interne et d'adéquation empirique. Un rôle à la fois important et légitime que peut jouer la philosophie de la physique consiste à distinguer clairement, pour nos théories et leurs interprétations, ce qui est imposé par les phénomènes et les théories de ce que relèvent de nos choix et préférences. Je soutiens enfin qu'un tel travail d'analyse peut se faire sur la base de l'analyse structurelle de nos théories et de nos modèles de données. Dans la seconde partie de la thèse, j'étudie spécifiquement le cas de l'interprétation des théorèmes de Bell et des expériences associées. J'évalue systématiquement l'interprétation orthodoxe selon laquelle les résultats de ces expériences nous force à accepter une forme "bénigne" de non-localité, ``bénigne" parce que de type non-causal. Je montre que l'interprétation orthodoxe comprends trois thèses différentes, la première portant sur la question de la localité, la seconde portant sur la question de la causalité et la troisième concernant le holisme. Je fournis des cadres théoriques rigoureux afin d'évaluer ces trois thèses. Le résultat de mon analyse concernant la question de la localité est que l'interprétation orthodoxe peut être défendue. En revanche, concernant les questions de causalité, aucun des cadres théoriques existant ne permet de soutenir l'interprétation orthodoxe, si cette dernière est comprise dans sa version forte de métaphysique expérimentale. Dans les deux cas cependant, une version faible peut être défendue. En particulier, un résultat important de ma thèse est que l'interprétation orthodoxe peut être défendue rigoureusement au niveau empirique.
L'idée de déterminisme, proposée pour étendre et généraliser la causalité physique, ajoutant en particulier la considération des conditions initiales, se constitua dès lors comme la référence idéale et considérée comme indépassable de toute connaissance scientifique. Cet idéal devait toutefois se voir dépassé dans plusieurs directions. D'une part, la causalité physique classique se transforma en causalité relativiste, comportant des restrictions sur les possibilités des rapports spatio-temporels et suscitant, avec la relativité générale, l'idée de complétude théorique, méta-concept qui permet de formuler des conditions internes de perfectionnement théorique. D'autre part, le déterminisme proprement dit devait connaître des limitations de sa portée en physique classique même, avec la considération des systèmes dynamiques «non linéaires», déterministes, mais dont le comportement peut être totalement non-prévisible à terme. Enfin, la causalité et le déterminisme se sont vus remis radicalement en question avec l'élaboration de la physique quantique. Le sens exact de ces remises en cause est directement lié aux questions d'interprétation de la théorie quantique : équation causale et problème de la « réduction » de la fonction d'état, d'un côté, prédictions probabilistes, d'un autre côté. Les deux aspects se retrouvent dans la question de la limitation des représentations spatio-temporelles et de sa signification du point de vue théorique. Il faut donc concevoir les problèmes d'interprétation de la théorie quantique en termes du rapport entre la causalité, le déterminisme, et les grandeurs qui portent les contenus physiques effectifs. On est ainsi amené à s'interroger sur un sens directement physique des grandeurs mathématiques de la théorie et, si un tel sens est assignable, à considérer les catégories en question par rapport aux concepts théoriques réellement appropriés, avec comme effet de les « remettre sur leurs pieds ». Cela est du moins possible pour la causalité, ainsi que pour la complétude. Quant au déterminisme, il ne peut être, dans sa formulation usuelle, que statistique, et reste ainsi très en-deçà des possibilités des perspectives théoriques. Ces transformations laissent entrevoir l'impératif d'une autre catégorie, plus fondamentale qu'elles car indépendante des choix conceptuels et théoriques, et pourtant souvent omise dans les débats : celle de nécessité, régulatrice des autres catégories et systèmes de concepts.
Le problème typique du physicien théoricien, tel qu'il peut être décrit dans certains manuels scolaires, consiste à rendre compte de faits expérimentaux et d'observations à l'aide d'un modèle théorique. L'expérimentateur (qui peut être la même personne) quant à lui valide ou invalide le modèle au moyen de nouvelles expériences. Pour le physicien et épistémologiste Thomas S. Kuhn (''La structure des révolutions scientifiques'', 1960), cette vision du progrès scientifique qui suppose, notons le en passant, que l'on ait affaire à des théories réfutables au sens de Popper, est quelque peu naïve. En effet, expérimentateurs et théoriciens sont déjà de connivence pour accepter les mêmes paradigmes au sens de Kuhn, c'est-à-dire en particulier qu'il y a accord, en général tacite, sur les problèmes susceptibles d'être formulés. Ils répondent malgré eux à des questions qu'ils ne se sont pas posés. Notre travail s'inscrit dans le cadre orthodoxe de la théorie quantique. Nous avons cependant tenté de répondre à quelques questions que l'on omet généralement de poser. Ceci aussi bien au niveau des méthodes et des concepts de la chimie théorique qu'au niveau de l'analyse de données expérimentales. Par exemple, dans nos travaux théoriques nous nous sommes demandé si la définition de certains concepts tenus pour fondamentaux était véritablement indépendante de toute approximation ou représentation arbitraire, et inversement si d'autres concepts supposés liés à une approximation particulière, ne pouvaient pas être étendus ou avoir une signification plus profonde que celle qu'on leur accorde habituellement (cas des surfaces de Born-Oppenheimer). Dans nos travaux d'analyse de données nous avons tenté de remonter à des données expérimentales aussi brutes que possible pour éviter les biais que peuvent introduire les traitements qu'elles subissent. Ces traitements sont fonctions des modèles physiques auxquels les données sont supposées se conformer et que nous avons remis en question. Depuis notre thèse, nous nous sommes efforcé de maintenir un équilibre entre une recherche fondamentale tournée vers la théorie et permettant de voir de façon plus synthétique ou plus critique, certains aspects de la chimie quantique, et une recherche tournée vers l'expérience et les applications astrophysiques. La présentation de nos travaux s'articulera donc naturellement sur deux volets. Notons aussi que cette présentation n'est pas exhaustive. En particulier nous n'aborderons pas ici nos travaux sur les hydrocarbones polycycliques aromatiques qui entrent dans une des thématiques traditionnelles de notre laboratoire. Notre exposé se limitera aux principaux projets de recherches dont nous avons eu l'initiative et qui ont donné lieu à des collaborations, (à l'exception de notre travail sur les bases flottantes dont il ne sera pas non plus question dans cette présentation). Ce choix nous a paru conforme à l'esprit de l'habilitation à diriger des recherches.
Il y a un paradoxe de la mécanique quantique : voilà une théorie considérable de la physique contemporaine dont on est bien en peine de dire sur quoi elle porte et ce qu’elle signifie, car cela même ne va pas de soi. Le but de ce livre est de tenter d’élucider ce paradoxe. Pour cela, il convient de refaire table rase. Dans un premier temps, l’auteur entend n’appuyer sa construction que sur les certitudes tacites et les normes qui conditionnent la vie, la communication, et le travail au laboratoire. Cette façon de reconduire l’œuvre théorique aux gestes élémentaires du chercheur doit cependant éviter de n’aboutir qu’à un « empirisme dénué de sens » (Einstein). L’ouvrage apporte deux sortes de réponses à une telle critique. D’une part, on s’aperçoit que la forme de la théorie, loin d’être conditionnée par la seule nécessité de sauver les phénomènes, reflète de manière contraignante les conditions de possibilités d’un certain mode très général d’anticipation et d’objectivation des résultats expérimentaux. La quantification et les effets ondulatoires apparaissent pouvoir découler de ces conditions. D’autre part, si la référence, l’acte de visée vers un au-delà des manipulations instrumentales, ont été bloqués d’abord, ce n’était que pour mieux dégager les critères du choix qui peut être effectué ensuite entre plusieurs représentations de l’objet supposé de la physique quantique. Date de première édition : 1996.