Les artistes s!intéressent à la représentation et à la relation de la représentation à la réalité. Or la physique quantique déclare que l!information de l!univers est peut-être la seule chose qui soit réelle, que la réalité que je perçois, ma réalité, n!est que le résultat de mes pensées, que l!espace, le temps, la matière et la lumière que l’on perçoit ne sont peut-être que des représentations de quelque chose qui dépasse notre entendement. Nous –scientifiques et artistes mais finalement tout un chacun– avons cherché à arrêter des définitions de l!espace, du temps et de la matière, pour établir de façon fixe et définitive des repères dans un monde qui ne cesse d’évoluer selon des lois mystérieuses. Mais il se pourrait bien que ces découvertes qu’avance la physique, depuis l!intervention de Max Plank devant l'Académie des Sciences de Berlin sur le corps noir, le 14 décembre 1900, aient déjà d!une certaine façon été pressenties dans les sociétés traditionnelles dans les cosmogonies desquelles elles avaient été intégrées ; elles ont donné les principes d!impermanence, de vibration de l!univers, d’équivalence ou de correspondance entre les corps et les manifestations de l!invisible, de continuité du monde.
Les artistes s!intéressent à la représentation et à la relation de la représentation à la réalité. Or la physique quantique déclare que l!information de l!univers est peut-être la seule chose qui soit réelle, que la réalité que je perçois, ma réalité, n!est que le résultat de mes pensées, que l!espace, le temps, la matière et la lumière que l’on perçoit ne sont peut-être que des représentations de quelque chose qui dépasse notre entendement. Nous –scientifiques et artistes mais finalement tout un chacun– avons cherché à arrêter des définitions de l!espace, du temps et de la matière, pour établir de façon fixe et définitive des repères dans un monde qui ne cesse d’évoluer selon des lois mystérieuses. Mais il se pourrait bien que ces découvertes qu’avance la physique, depuis l!intervention de Max Plank devant l'Académie des Sciences de Berlin sur le corps noir, le 14 décembre 1900, aient déjà d!une certaine façon été pressenties dans les sociétés traditionnelles dans les cosmogonies desquelles elles avaient été intégrées ; elles ont donné les principes d!impermanence, de vibration de l!univers, d’équivalence ou de correspondance entre les corps et les manifestations de l!invisible, de continuité du monde.
Avant-proposLa mécanique quantique est une théorie étonnante dans tous les sens du terme.C'est un lieu commun que de faire remarquer qu'elle est peu intuitive, souvent contraire à toute représentation des phénomènes physiques issue de notre expérience journalière.Mais elle est également étonnante par le contraste qu'elle présente entre ses triomphes et ses difficultés.D'une part, de toutes les théories scientifiques, la mécanique quantique est probablement l'une des plus couronnées de succès.Inventée initialement dans le cadre de la physique atomique, elle a rapidement débordé dans de très nombreux domaines, permettant de concevoir et de réaliser maintes expériences en optique, en physique du solide, des liquides, en astrophysique, etc. Plus qu'une simple théorie, c'est ainsi devenu une méthode générale, un cadre qui a permis de développer la théorie des fluides et des solides, celle des champs, celle des particules élémentaires et l'unification des interactions en physique.Elle a ainsi très largement dépassé les objectifs initiaux de ses inventeurs sans qu'il soit nécessaire, ce qui est vraiment remarquable, de modifier les principes généraux de la théorie qu'ils avaient élaborée.Ses applications sont multiples, peuplant notre environnement au XXI e siècle de multiples dispositifs qui auraient été inimaginables il y a 50 ans.D'autre part, cependant, cette théorie reste relativement fragile du fait des difficultés conceptuelles et d'interprétation qu'elle présente, sans d'ailleurs que cela n'affecte son efficacité.Ce n'est pas que les physiciens aient voulu ignorer ou occulter ces difficultés, bien au contraire !En témoigne le nombre important d'interprétations de la théorie qui ont été proposées au cours des décennies, mettant en jeu des méthodes d'approche et des techniques mathématiques souvent très diverses.C'est une situation rare dans l'histoire des sciences : un consensus général se dégage concernant une approche des phénomènes et des méthodes de calcul, dont la puissance prédictive est extraordinaire ; et cependant, presque un siècle après l'introduction de ces méthodes, le même consensus est loin d'être obtenu en ce qui concerne l'interprétation de la théorie, sa base en quelque sorte.On retrouve l'image du colosse d'airain aux pieds d'argile.L'essentiel des difficultés fondamentales de la mécanique quantique tient au vecteur d'état |Ψ qu'elle utilise pour décrire les systèmes physiques.Alors qu'en mécanique classique un système est décrit de façon directe par des
Avant-proposLa mécanique quantique est une théorie étonnante dans tous les sens du terme.C'est un lieu commun que de faire remarquer qu'elle est peu intuitive, souvent contraire à toute représentation des phénomènes physiques issue de notre expérience journalière.Mais elle est également étonnante par le contraste qu'elle présente entre ses triomphes et ses difficultés.D'une part, de toutes les théories scientifiques, la mécanique quantique est probablement l'une des plus couronnées de succès.Inventée initialement dans le cadre de la physique atomique, elle a rapidement débordé dans de très nombreux domaines, permettant de concevoir et de réaliser maintes expériences en optique, en physique du solide, des liquides, en astrophysique, etc. Plus qu'une simple théorie, elle est ainsi devenue une méthode générale, un cadre qui a permis de développer la théorie des fluides et des solides, celle des champs, celle des particules élémentaires et l'unification des interactions en physique.Elle a ainsi très largement dépassé les objectifs initiaux de ses inventeurs sans qu'il soit nécessaire, ce qui est vraiment remarquable, de modifier les principes généraux de la théorie qu'ils avaient élaborée.Ses applications sont multiples, peuplant notre environnement au XXI e siècle de multiples dispositifs qui auraient été inimaginables il y a 50 ans.D'autre part, cependant, cette théorie reste relativement fragile du fait des difficultés conceptuelles et d'interprétation qu'elle présente, sans d'ailleurs que cela affecte son efficacité.Ce n'est pas que les physiciens aient voulu ignorer ou occulter ces difficultés, bien au contraire !En témoigne le nombre important d'interprétations de la théorie qui ont été proposées au cours des décennies, mettant en jeu des méthodes d'approche et des techniques mathématiques souvent très diverses.C'est une situation rare dans l'histoire des sciences : un consensus général se dégage concernant une approche des phénomènes et des méthodes de calcul, dont la puissance prédictive est extraordinaire ; et cependant, presque un siècle après l'introduction de ces méthodes, le même consensus est loin d'être obtenu en ce qui concerne l'interprétation de la théorie, sa base en quelque sorte.On retrouve l'image du colosse d'airain aux pieds d'argile.L'essentiel des difficultés fondamentales de la mécanique quantique tient au vecteur d'état |Ψ qu'elle utilise pour décrire les systèmes physiques.Alors
Même si un dormeur peut sembler inerte, son cerveau traverse des états créatifs subconscients. Le sommeil avec mouvements oculaires non rapides, en particulier, est associé à une moindre perception de soi et de son environnement. Durant cette étape, des échanges intenses se produisent entre les régions du cerveau. Le cerveau est une entité insondable qui implique des milliards de neurones interconnectés échangeant des signaux électriques, chimiques et physiques. L'activité électronique est décrite par l'équation de Schrödinger de la mécanique quantique qui régit la fonction d'onde associée aux électrons répartis parmi toutes les cellules. La dualité onde-particule s'applique et, selon l'appareil de mesure qui définit l'observable quantique choisie, les électrons peuvent être observés sous forme de motif d'onde cohérent qui couvre de grandes régions du cerveau ou sous forme de particules localisées sur des neurones individuels. Ainsi, les pensées et les rêves appartiennent à l'espace des fonctions d'ondes, ni ondulatoires ni corpusculaires, et toute mesure correspond à une projection arbitraire. Les ondes alpha, bêta… delta mesurées par électroencéphalogramme ressemblent à des observables quantiques, utilisées pour projeter un état d'esprit infiniment complexe sur une représentation simple prédéterminée. Mais que perd-on ou gagne-t-on à utiliser un abécédaire aussi simple ? Dans le but d'explorer la richesse de l'activité cérébrale durant le sommeil, l'artiste du sommeil Virgile Novarina, en collaboration avec l'artiste numérique Walid Breid, s'est associé à l'artiste et physicien Jean-Marc Chomaz et à l'architecte et designer Laurent Karst du collectif LABOFACTORY, concepteur d'installations artistiques interrogeant notre relation aux éléments, vent, nuages, vagues ou océans. « Full fathom five thy father lies, [À cinq brasses sous les eaux ton père est gisant] »,[mfn]William Shakespeare. La Tempête, acte I, scène 2. La brasse (« fathom » en anglais) est une unité de mesure marine [NDLT]. [/mfn] l'océan, début et fin, limbes et linceul. L'océan absorbe toute lumière et ondes électromagnétiques en quelques mètres de profondeur. Des mesures en profondeur peuvent être collectées à distance par réflexion et dispersion de son ou in situ par des sondes descendues en profondeur depuis des navires, des bouées ou des planeurs sous-marins. Ces données montrent que l'océan profond est animé de courants, tourbillons et vagues à toutes les échelles. Les masses d'eau transportées par les courants de surface se refroidissent en se dirigeant au nord. Plus salées car venant de zones plus chaudes, elles deviennent plus denses que les eaux environnantes et plongent en profondeur. Cette circulation, appelée thermohaline, car induite par les variations de température et de salinité, parcourt en une seule grande boucle, en surface et en profondeur, tous les océans, et son voyage dure mille ans. Actuellement, l'eau abyssale a quitté la surface il y a plusieurs centaines d'années et elle garde la mémoire des conditions climatiques au moment de sa plongée. Sa lente remontée tempère le réchauffement climatique. Mais son sort dans un monde en mutation reste inconnu. La circulation thermohaline est-elle en train de ralentir ? Et peut-elle alors conduire à un nouvel épisode d'anoxie, un océan profond immobile dépourvu d'oxygène et de vie, comme ce fut le cas au cours de périodes géologiques anciennes ? Rêve quantique, le jour où j'ai imaginé l'océan, conçu comme une installation immersive, crée des connexions entre le cerveau et l'océan, tous deux insondables. La mesure de l'activité cérébrale modifie les tensions du vent à la surface de l'océan miniature, comme si littéralement, l'esprit soufflait à la surface des eaux. Cette installation conserve l'idée quantique de la projection sur des observables qui définissent un système d'états, semblables dans leur sémantique concernant l'océan et le cerveau : vagues, vortex, courants et pulsations. Que se passerait-il si la sémantique d'un univers était traduite dans un autre, dans une sorte d'écriture automatique de l'intérieur vers l'extérieur ? Le visiteur qui entre dans le monde transcodé se sentirait-il plongé dans le rêve ou tomberait-il dans l'océan ? Ou la réalité elle-même serait-elle subjuguée, le visiteur noyé dans son propre inconscient ? Le documentaire retrace la genèse du projet et les recherches qui ont été engagées. Le film réunit deux mondes infinis et inaccessibles : le sommeil et l'océan. Il constitue une exploration visuelle de l'espace ouvert par le déséquilibre entre les dimensions poétiques du projet, la connaissance et les faits scientifiques ainsi que l'expérience humaine de la recherche commune. Le documentaire interroge également l'expérience d'une visiteuse qui entre dans l'espace intime et étrange d'un dormeur dans son lit, à proximité d'une sorte de phare qui renferme un océan miniature. En se rapprochant, elle remarque le bandeau, le téléphone portable qui surveille les ondes cérébrales. Au sol, elle observe la projection graphique des ombres des mouvements océaniques internes qui forment un cercle lumineux et changeant de quatre mètres de diamètre. Quel est le rapport ? Les artistes ont patiemment construit un abécédaire d'états d'ondes delta à partir de mesures. La série temporelle de différents états forme une phrase sans fin transcodée en direct dans un deuxième abécédaire afin de contrôler un dispositif motorisé à la surface de l'océan qui imite l'entraînement par le vent. La visiteuse pouvait-elle le percevoir ? Ou se perdre dans la traduction, rêver avec l'océan, flotter avec le dormeur ?
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.
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.
La physique quantique n'est pas seulement à la base de nombreuses inventions de pointe. Elle constitue aussi une révolution conceptuelle de grande ampleur.Bien que ses implications pratiques comme ses conséquences philosophiques soient immenses, la physique quantique est encore mal connue des non-spécialistes, en partie à cause des difficultés qu'il y a à exposer ses fondements.Or c'est justement la gageure réussie de cet ouvrage. En un style clair, enjoué et dépourvu d'équations, Etienne Klein nous guide dans les profondeurs de la matière. Nous découvrons avec lui des expériences aussi étranges que celle des fentes de Young ", qui montre que la matière est à la fois onde et corpuscule et que ses caractéristiques sont en partie liées... à notre propre existence en tant qu'observateur humain! Après avoir pris connaissance de paradoxes surprenants comme celui du chat de Schrödinger _ un chat à la fois mort et vivant! _ nous abordons la mystérieuse question de la " non-séparabilité ", sorte d'influence qui se joue de l'espace et du temps.Prenant le relais, Bernard d'Espagnat nous montre les impressionnantes conséquences de ces découvertes; comment il en résulte que la physique ne donne accès qu'à une allégorie de ce réel dont elle maîtrise si admirablement les apparences. Notre vision du monde s'en trouve transformée et vivifiée. Loin d'apparaître comme la grande mécanique que paraissait décrire la physique classique, ce réel _ voilé et non séparable _ laisse entrevoir une profondeur et un mystère qui semblaient avoir disparu. La quête immémoriale d'un " être " qui soit plus que les matériaux qui le composent retrouve ainsi une pertinence que la science avait un moment paru nier.Ensemble, ils nous proposent un livre clair et vigoureux qui, non seulement nous initie à la physique moderne mais réhabilite aussi la dimension contemplative du métier de physicien.Bernard d'Espagnat, ancien directeur du Laboratoire de physique théorique et particules élémentaires de l'université d'Orsay, a enseigné la philosophie des sciences à la Sorbonne et fut le premier physicien théoricien en poste au CERN à Genève. De renommée internationale, il est l'auteur de plusieurs livres de référence, dont A la recherche du réel.< I>Etienne Klein est un jeune chercheur du CEA, qui travaille actuellement au CERN. Il enseigne la physique quantique à l'Ecole Centrale."