Des incompatibilites entre Relativite Generale et Mecanique Quantique, ou plus precisement entre dilatation du temps et Principe d'Incertitude, a un paradoxe de la masse croissante, il apparait que nous avons bien peu compris l'Espace-Temps et la matiere. Au cours de cette breve presentation, il sera demontre que le Principe d'Incertitude et le concept de dilatation du temps temps ne sont, en l'etat, pas conciliables et que, dans la continuite des travaux de Pound, la conservation de la matiere est relative, detachant encore une fois la Relativite du Modele Standard. Sera alors demontree et exposee ici la necessite de reconcevoir l'Espace-Temps et/ou la matiere, par la mise en œuvre d'une quantification de l'Espace-Temps ou, de maniere plus speculative encore, par une reinterpretation du concept de geometrie de l'Espace-Temps. Bien sur, cette contribution n'apportera en realite que des questions.
Des incompatibilites entre Relativite Generale et Mecanique Quantique, ou plus precisement entre dilatation du temps et Principe d'Incertitude, a un paradoxe de la masse croissante, il apparait que nous avons bien peu compris l'Espace-Temps et la matiere. Au cours de cette breve presentation, il sera demontre que le Principe d'Incertitude et le concept de dilatation du temps temps ne sont, en l'etat, pas conciliables et que, dans la continuite des travaux de Pound, la conservation de la matiere est relative, detachant encore une fois la Relativite du Modele Standard. Sera alors demontree et exposee ici la necessite de reconcevoir l'Espace-Temps et/ou la matiere, par la mise en œuvre d'une quantification de l'Espace-Temps ou, de maniere plus speculative encore, par une reinterpretation du concept de geometrie de l'Espace-Temps. Bien sur, cette contribution n'apportera en realite que des questions.
Nous examinons les relations possibles entre la relativité générale et la mécanique quantique, du point de vue des représentations qu'elles se font de l'espace et du temps, qui sont différentes. Nous nous rapportons à notre propre compréhension des concepts d'espace et de temps, construits en opposition l'un à l'autre à partir des phénomènes physiques, et non constituant un cadre extérieur a priori. Dans le cadre d'une pensée relationnelle, on ne peut que comparer des phénomènes à d'autres phénomènes, et de cette confrontation naissent les repères d'espace-temps, dessinés par les trajectoires de certains phénomènes considérés arbitrairement de façon privilégiée. C'est dans ce cadre qu'il faut penser la possible association de la relativité générale (qui n'a pas le monopole de l'espace et du temps) et de la mécanique quantique (qui n'a pas le monopole de la quantification, cette dernière devant être comprise par la comparaison de deux classes de phénomènes dans une vision probabiliste). La question générale à se poser est celle d'échanges possibles entre les différents points de vue, appuyés sur les divers phénomènes possibles, c'est-à-dire ceux sur lesquels espace et le temps sont définis, et les autres. Ce ne sont pas l'espace et le temps qui disparaissent, ce sont les points de vue qui s'échangent. Ces échanges sont rendus possibles en représentant espace et temps, comme les autres phénomènes, par une paire de champs (r, t) ; r et t sont des vecteurs dans un espace à trois dimensions (le temps est marqué par la position d'un point mobile dans le même espace que celui qui définit la position des points), en opposition aux paires de champs (f, g) associées aux autres phénomènes (comme l'est la paire des champs électrique et magnétique). On peut in fine envisager une quantification de l'espace et du temps ; on peut envisager encore la définition de temps et espace par la seule mécanique quantique. Un cadre préliminaire et qualitatif est ici présenté comme base de futures recherches quantitatives.
La physique quantique a sa part d'étrangeté par rapport à la physique classique. La quantification, l'indéterminisme, la superposition d'états, l'intrication, ne sont pas réputés avoir d'équivalents classiques. Nous apportons ici des éléments modifiant ces affirmations, et permettant d'entrevoir un point de vue unifié sur la physique quantique et la physique classique. Nous nous plaçons pour cela dans un cadre élargi quant à l'appréhension de l'espace et du temps. Les grandes lignes de la physique quantique sont généralement écrites dans un cadre d'espace-temps établi, comme l'est la physique classique. Dans nos travaux, dès le stade de la physique classique, les concepts eux-mêmes d'espace et de temps sont questionnés et construits en opposition l'un à l'autre, selon une analyse prolongeant la théorie de la relativité. Cette construction relève d'une épistémologie relationnelle : les objets de pensée ne sont pas saisis indépendamment les uns des autres et des conditions de leur observation dans l'espace et le temps. Nous devons nous poser la question de l'espace et du temps aussi du côté de la physique quantique. Un angle d'attaque est celui des relations d'indétermination d'Heisenberg, de rôle pivot dans sa construction : selon une épistémologie relationnelle elles révèlent tout autant une indétermination de l'espace et du temps. Des relations de facture semblable peuvent être dérivées du côté classique (nous les nommons relations d'a-certitude), où la transformation de Lorentz est pleinement impliquée. Sur la base des propositions précédentes, l'interprétation de la physique quantique doit être reprise. L'abandon du déterminisme, le hasard fondamental, ne sont pas l'apanage de la théorie quantique, mais propres à toute théorie physique pour laquelle les variables d'espace et de temps sont mal déterminées. La non-localité et la non-temporalité sont les autres noms de cette indétermination. La discrétisation, ou quantification, d'une grandeur peut se comprendre de façon relationnelle comme la faible probabilité, ou le faible étalement spatio-temporel, des valeurs sautées par rapport à l'étendue des valeurs observées. Une meilleure symétrie entre les variables d'espace et celles fondant le temps permet en théorie quantique de mettre ce dernier au même niveau que l'espace (formulation d'un opérateur temps et des relations connexes). Divers caractères des théories classique et quantique sont examinés (relations entre physique quantique et relativité générale ; possible quantification de l'espace et du temps dans un cadre classique). Il ne nous apparaît pas qu'une frontière infranchissable doive séparer ce que l'on dénomme classique et ce que l'on dénomme quantique en physique. Envisager ces théories en associant étroitement leur fonctionnement à la co-construction de l'espace et du temps les met sur le même plan. Le texte offre un cadre préliminaire et qualitatif comme base de futures recherches quantitatives.
La pensée physique - et, jusqu'à un certain point, la pensée mathématique, du moins géométrique - s'est toujours appuyée sur la notion d'espace, comme par exemple le concept de dimension spatiale qui a donné l'idée de grandeur physique mathématisée. Jusqu'à la théorie de la relativité générale, celle-ci comprise, les conceptions des systèmes physiques et des phénomènes dont ils sont le siège ou l'origine ont été tributaires d'une pensée de l'espace, et ces phénomènes et ces systèmes sont, en général, pensés dans l'espace, même s'ils ont contribué à modifier la pensée de l'espace et s'ils ont obligé à reformuler notre «intuition spatiale». La physique quantique a remis en question cette certitude tranquille en mettant la pensée de l'espace et dans l'espace devant le dilemme suivant : ou bien garder le concept d'espace physique dans le sens précédent qui nous semble naturel et renoncer à l'idée que les «systèmes quantiques» pourraient être représentés directement dans cet espace comme des systèmes dotés de propriétés qui leur soient propres ; ou bien admettre que cela a un sens de parler de systèmes quantiques ayant des propriétés et enlever à l'espace son rôle premier dans la représentation de ces systèmes. En prenant ce second point de vue, on est amené à penser la physique autrement que «dans l'espace» au sens habituel ; et cependant, on a toujours, à un moment ou à un autre, à envisager les systèmes physiques quantiques en référence à cet espace, qui est celui des corps macroscopiques et du cosmos dans son état actuel. Se demander comment une telle pensée est possible amène donc en même temps à s'interroger sur le rapport entre le monde quantique et l'espace physique de notre expérience. Cette interrogation passe par un inventaire des modifications du concept d'espace requises par la description physique des systèmes quantiques. On concluera en évoquant l'idée d'une émergence du concept d'espace à partir des phénomènes quantiques, tant du point de vue épistémologique (émergence d'un certain niveau de réalité à partir de niveaux sous-jacents) que du point de vue cosmogénétique (formation et expansion de l'espace physique des objets macroscopiques).
La physique newtonienne introduit un espace et un temps continus, mais considère la matière, décrite en termes corpusculaires, comme discontinue. Les théories de la relativité représentent aussi l'espace-temps comme un continuum. La nature de la lumière a été source de discussions depuis avant le XVIIème siècle : est-elle constituée de particules, comme le suggérait Newton, ou bien d'ondes ? Cette dernière conception impliquait cependant l'existence d'un éther électromagnétique, dont les propriétés restaient indéterminées. Telle était la version électromagnétique du débat continu / discontinu. Au début du XIXème siècle, l'interférométrie suggéra de considérer la lumière comme une onde, plus précisément une onde électromagnétique : une victoire de la vision continue. Mais au début du XIXème siècle, la révolution quantique introduisit une vision entièrement nouvelle, qui rendit caduque les descriptions de la lumière en termes d'ondes [classiques] ou de particules. Il fallait la décrire par de nouvelles entités, fonctions d'onde ou champs quantiques. Il apparut ensuite que l'on devait décrire la matière de la même manière. Dans un sens, le débat continu / discontinu était résolu : les deux aspects étaient présents dans la matière ou dans le rayonnement, tous deux quantifiés. Du point de vue mathématique, la situation peut être décrite géométriquement, sous forme de la géométrie non commutative, ou bien algébriquement, par l'emploi d'opérateurs. L'histoire ne se termine pas là. Différents arguments suggèrent que notre description actuelle de la nature n'est pas satisfaisante, et que nous devons chercher une théorie physique plus complète et plus unifiée. La plupart des physiciens estiment qu'elle doit impliquer une quantification de la gravitation, sous une forme ou sous une autre. Celle-ci pourrait se présenter comme une quantification de la géométrie elle-même. Ceci motive une grande part de la recherche actuelle en physique fondamentale, qui considère différentes approches : géométrie quantique, gravité en boucles, réseaux de spin ou réseaux causaux, triangulation dynamiques ... Chacune introduit de nouvelles conceptions de l'espace et du temps, ou ces entités géométriques apparaissent quantifiées ; comme la matière dans la théorie quantique originale, elles incorporent des caractéristiques continues et discontinues. Nous ne savons pas si l'une de ces théories se révélera adéquate. Les travaux continuent.
Notre propos se focalise sur l’aspect « mesure » des probabilités qui renvoie toujours concrètement, pour un problème donné, à des comparaisons de morceaux d’espace et/ou de temps occupés par les divers événements discutés. Et nous savons par ailleurs (cf. nos travaux) que les mesures d’espace et de temps sont établies à travers la confrontation entre différents phénomènes physiques et supposent des choix arbitraires (laissés au libre arbitre) quant à la définition des étalons. Nous proposons ainsi une approche relationnelle de la notion de probabilité, le caractère relationnel des uns (espace, temps) retentissant nécessairement sur les autres (hasard, probabilités). Le modèle probabiliste attaché à telle série d’événements, que nous qualifions d’ « apparents », se construit en opposition à, ou en composition avec, un autre modèle probabiliste, concernant un ensemble d’événements « cachés » ; ceux-ci servent de jauge et leur loi est uniforme (les probabilités de leurs différents événements sont égales). Les deux points de vue peuvent être échangés, en s’appuyant, pour définir la jauge, sur les événements initiaux du modèle de probabilité non uniforme : on leur accorde alors une loi uniforme, et, par comparaison, on définit de nouvelles mesures pour le modèle caché initialement uniforme. Nous parlons de formulation duale du problème, par opposition à sa formulation primale initiale. Suivant les circonstances, suivant l’histoire, on peut être amené à changer d’étalon. On voit ainsi un caractère inéluctable de récursivité dans la démarche : c’est sur cet aspect relationnel, révisable, de discussion et de choix des étalons au sein même des probabilités que nous nous focalisons. Cela nous permet de contribuer au débat entre fréquentistes et bayésiens (il n’y a pas de probabilité intangible sans nécessité d’aucun choix) et de formuler quelques considérations générales sur le hasard, indéfinissable de façon substantielle : on ne peut qu’opposer des situations plus hasardeuses, ouvrant de façon égale à un ensemble d’éventualités (auxquelles on attache de façon révisable un caractère d’étalon dans une loi uniforme), à des situations moins hasardeuses où telle ou telle éventualité a davantage de poids (ou à la limite, reste seule). A ce stade de notre travail, nous ne donnons pas d’axiomatique rigoureuse ni complète de nos propositions ; nous présentons des pistes, illustrées par de petits exemples, en vue de travaux ultérieurs. Une des applications potentielles de ce travail se rapporte à un problème de physique fondamentale, à savoir la conciliation conceptuelle de la relativité générale et de la mécanique quantique, où interviennent des fonctions à caractère probabiliste. Les sauts qui y sont observés sont compris comme des intervalles de valeurs des grandeurs de faible probabilité, c’est-à-dire de faible occupation de l’espace et du temps.
L'avenement de la physique moderne (i.e. la physique a partir du debut du 20eme siecle) a necessite la revision de concepts fondamentaux de la physique newtonienne. Ainsi, l'emergence de la theorie de la relativite a necessite une refonte des concepts d'espace et de temps et la mecanique quantique a apporte un nouveau eclairage sur les notions de determinisme, de causalite et de separabilite. Ces considerations font que la mecanique quantique et la relativite heurtent le bon sens et, en tout cas, presentent des problemes de comprehension pour les etudiants. Notre experience d'enseignement de ces matieres nous a montre que la transposition du savoir a enseigner est, pour une bonne part, la cause de ces difficultes. En plus, les programmes donnent trop de priorite au formalisme mathematique, au detriment de la discussion des principes sur lesquels reposent les theories en question. Dans le but d’etablir un diagnostic precis des obstacles rencontres par les etudiants, nous avons elabore un questionnaire que nous avons soumis a plusieurs echantillons d’etudiants de 3eme et 5eme annees de licence a l’E.N.S.-Kouba (Alger). Nous partons de l’hypothese que ces obstacles sont dus essentiellement a une comprehension insuffisante des principes et concepts de base de la physique quantique (nous n’avons pas inclus la relativite dans la presente etude). Nous pensons que l'incorporation dans les programmes d'elements d'histoire des sciences et d'epistemologie de la physique serait susceptible de rendre plus efficace l'enseignement de la physique moderne dans le cycle considere.