Notre groupe de recherche travaille depuis deux ans sur les difficultés épistémologiques et ontologiques rencontrées dans le cadre de l’enseignement de la physique quantique en classe de Terminale Scientifique (TS) en France. La physique quantique fait apparaître dans les années 1920, la double nature, à la fois ondulatoire et corpusculaire, des objets microscopiques. Mais cette « dualité onde-corpuscule » est un obstacle pour l’enseignement, si on les réfère aux concepts de la physique classique. Bachelard montre dans le Nouvel esprit scientifique (1934) qu’il n’y a pas continuité, mais rupture épistémologique dans la signification de ces concepts, qui consacre l’avènement d’une physique contre-intuitive. On montrera en s’appuyant sur des documents de manuels scolaires, que le récit de fiction, avec l’exemple d’un rêve de Mr Tompkins aux prises avec un tigre quantique, peut permettre de décrire des mondes contre-intuitifs possibles, cohérent avec les principes fondamentaux de la physique quantique. Notre étude postule que l’enseignement de la physique nouvelle nécessite de former les élèves à une imaginaire épistémologique apte à construire une variété de configurations possibles dans l’approche des phénomènes scientifiques, mais aussi de leur contexte culturel et social.
Notre groupe de recherche travaille depuis deux ans sur les difficultés épistémologiques et ontologiques rencontrées dans le cadre de l’enseignement de la physique quantique en classe de Terminale Scientifique (TS) en France. La physique quantique fait apparaître dans les années 1920, la double nature, à la fois ondulatoire et corpusculaire, des objets microscopiques. Mais cette « dualité onde-corpuscule » est un obstacle pour l’enseignement, si on les réfère aux concepts de la physique classique. Bachelard montre dans le Nouvel esprit scientifique (1934) qu’il n’y a pas continuité, mais rupture épistémologique dans la signification de ces concepts, qui consacre l’avènement d’une physique contre-intuitive. On montrera en s’appuyant sur des documents de manuels scolaires, que le récit de fiction, avec l’exemple d’un rêve de Mr Tompkins aux prises avec un tigre quantique, peut permettre de décrire des mondes contre-intuitifs possibles, cohérent avec les principes fondamentaux de la physique quantique. Notre étude postule que l’enseignement de la physique nouvelle nécessite de former les élèves à une imaginaire épistémologique apte à construire une variété de configurations possibles dans l’approche des phénomènes scientifiques, mais aussi de leur contexte culturel et social.
La physique quantique est de nouveau enseignée en classe de Terminale scientifique depuis 2012 en France. L'objet quantique présente des propriétés incompatibles avec celles de la physique classique, dont la fiction du chat de Schrödinger formule le caractère paradoxal. De nombreux récits littéraires et de science-fiction mettent en scène cette fiction pour en faire le moteur de leur intrigue. A travers deux textes choisis, on montrera comment ils projettent et amplifient la structure problématique de l'objet quantique sous la forme d'un monde quantique à part entière. Nous proposons un guide de lecture et d'analyse formulant un questionnement épistémologique autour des rapports entre monde quantique et monde empirique. Cette analyse est un préalable à un travail didactique coopératif entre enseignants de différentes disciplines.
Dans l’enseignement supérieur en France, en troisième année de licence de physique, l’enseignement de la mécanique quantique est essentiellement quantitatif et le formalisme est présenté dans le cadre de l’interprétation standard. Par ailleurs, certaines universités proposent également une introduction à la mécanique quantique en deuxième année avec un enseignement davantage conceptuel. Nous proposons dans cet article d’introduire un questionnement épistémologique sur les concepts physiques mis en jeu dans la mécanique quantique, au niveau de la deuxième année, en nous intéressant au délicat problème de la mesure. Nous faisons l’hypothèse que les enseignants pourraient s’emparer de ce questionnement au travers d’un récit de fiction réaliste, le roman Isolation de Greg Egan. Nous employons un cadre théorique, issu des travaux du philosophe David Lewis, en vue de montrer la pertinence de ce roman pour une utilisation dans un cours de mécanique quantique en deuxième année de licence.
Dans l’enseignement supérieur en France, en troisième année de licence de physique, l’enseignement de la mécanique quantique est essentiellement quantitatif et le formalisme est présenté dans le cadre de l’interprétation standard. Par ailleurs, certaines universités proposent également une introduction à la mécanique quantique en deuxième année avec un enseignement davantage conceptuel. Nous proposons dans cet article d’introduire un questionnement épistémologique sur les concepts physiques mis en jeu dans la mécanique quantique, au niveau de la deuxième année, en nous intéressant au délicat problème de la mesure. Nous faisons l’hypothèse que les enseignants pourraient s’emparer de ce questionnement au travers d’un récit de fiction réaliste, le roman Isolation de Greg Egan. Nous employons un cadre théorique, issu des travaux du philosophe David Lewis, en vue de montrer la pertinence de ce roman pour une utilisation dans un cours de mécanique quantique en deuxième année de licence.
La notion de dualité onde-particule a été centrale dans le développement de la mécanique quantique. Introduite principalement par Louis DE BROGLIE dans sa thèse de 1924, elle a permis à ce dernier d’ébaucher une nouvelle théorie pour décrire le monde microscopique : la mécanique ondulatoire. Néanmoins, cette description mécanique ainsi que sa forme plus rigoureuse, nommée théorie de la double solution, ont été rapidement abandonnées en raison de leur complexité, en faveur du formalisme quantique moderne et de l’interprétation de l’École de Copenhague.Un regain d’intérêt pour ces questions est survenu au cours des deux dernières décennies, qui ont vu apparaître des expériences mettant en œuvre de possibles analogues macroscopiques de la mécanique quantique. On pense en particulier aux expériences de Yves COUDER de 2005, ayant permis de reproduire une forme de dualité onde-particule, ainsi que les phénomènes quantiques associés. L’objectif de cette thèse est donc double : d’une part, construire un modèle analogue de la dualité onde-particule, qui sera entièrement classique et mécanique et, d’autre part, utiliser ce modèle pour poursuivre les travaux de Louis DE BROGLIE sur la mécanique ondulatoire, en cherchant à construire une théorie d’onde pilote couplant deux ondes à une particule.Nous explorerons ainsi, à la fois les considérations mécaniques d’un tel modèle et les généralisations et abstractions nécessaires pour appliquer ce modèle macroscopique à l’échelle des particules quantiques. Ce second point nous permettra d’aborder des discussions plus fondamentales, sur la question de l’interprétation de la mécanique quantique, dans le contexte du théorème de Bell, des expériences d’Aspect, ainsi que de la théorie de de Broglie-Bohm.
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».
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).