La physique quantique révèle que les choses n'existent pas.
L'individualité n'existe pas dans le monde quantique.
La physique quantique ne se contente pas de réécrire nos équations ; elle bouleverse notre ontologie. De l’incertitude à l’intrication, cette théorie remet en cause la conception classique d’un monde composé d’objets individuels dotés d’identités et de propriétés. Dans le monde quantique, soutient la philosophe des sciences Olimpia Lombardi, il n’existe pas d’entités séparées, seulement un tout indivisible. Au niveau le plus fondamental, l’individu n’existe pas.
Quand on parle de ce qui constitue le monde, on évoque souvent les " éléments constitutifs " de la réalité. Lorsqu'on s'interroge sur leur nature – leur ontologie – et sur leurs propriétés, on peut se représenter des éléments individuels solides et distincts, comme des particules, qui forment la trame de la réalité. Ce sont précisément ces caractéristiques qui s'effondrent lorsqu'on aborde les systèmes quantiques. Peut-on encore concevoir les objets comme étant individuels, parfaitement définis et discernables lorsqu'on observe le monde à travers le prisme de la physique quantique ? Plusieurs raisons incitent à répondre par la négative.
catégories ontologiques
La théorie quantique introduit une rupture profonde avec la conception classique de la réalité. Pour en comprendre l'ampleur, il convient d'abord de rappeler ce qu'est une catégorie ontologique.
Une catégorie n'est pas une classe définie par un concept, comme " jaune " ou " rond ", regroupant des objets en fonction de propriétés communes. Ce n'est pas non plus un taxon, comme " mammifère ", classant les objets en catégories bien définies. Les catégories sont antérieures à la classification, car elles confèrent à la réalité une structure particulière : les conditions de possibilité de toute classification.
La conception métaphysique la plus traditionnelle qui sous-tend la physique classique est celle d'une ontologie des individus et des propriétés. La mécanique quantique remet en cause cette conception en raison de quatre caractéristiques : l'incertitude, la contextualité, la non-séparabilité et l'indiscernabilité.
Les catégories ontologiques se manifestent à travers la structure du langage, nous indiquant si la réalité est constituée d'objets individuels , de propriétés, de relations et de liens causaux. La catégorie ontologique d'individu trouve son corrélat linguistique dans les termes singuliers (" ceci ", " elle ", " la personne la plus riche ", etc.) qui servent de sujets logiques, complétés par des propriétés représentées par des prédicats linguistiques. La conception métaphysique la plus traditionnelle sous-tendant la physique classique est celle d'une ontologie des individus et des propriétés. La mécanique quantique remet en question cette conception en raison de quatre caractéristiques : l'incertitude, la contextualité, la non-séparabilité et l'indiscernabilité.
Incertitude
Le premier défi provient de l'incertitude quantique. Le principe d'incertitude d'Heisenberg peut s'exprimer très simplement : les systèmes quantiques possèdent toujours des propriétés incompatibles, c'est-à-dire des propriétés qui ne peuvent acquérir simultanément des valeurs précises. Ce n'est pas anodin ; l'incompatibilité entre les propriétés est une caractéristique essentiellement quantique, totalement absente du monde classique.
L'exemple paradigmatique de propriétés incompatibles en physique quantique est le couple position-impulsion (masse multipliée par la vitesse). En mécanique classique, l'état d'un système à un instant donné est donné par sa position et son impulsion, qui sont toutes deux parfaitement déterminées. L'état à un instant donné fixe de manière unique l'état à tous les instants ultérieurs, de sorte que la trajectoire du système est entièrement déterminée par son état initial. En mécanique quantique, en revanche, le principe de Heisenberg stipule que si la valeur de la position d'un système quantique est déterminée, la valeur de son impulsion (et donc de sa vitesse) ne l'est pas, et réciproquement. Par conséquent, il est impossible d'attribuer des trajectoires définies aux systèmes quantiques. Prenons l'exemple d'un électron à un instant initial donné : son état à cet instant ne détermine pas simultanément les valeurs de sa position et de son impulsion ; par conséquent, le mouvement de l'électron ne peut être " suivi " dans l'espace et le temps de manière à ce que l'on puisse affirmer que, si l'électron se trouvait à une position précise à l'instant initial, il se trouvera à une autre position précise ultérieurement.
Le résultat de Kochen et Specker est un théorème relevant du formalisme de la mécanique quantique et, par conséquent, si l'on accepte la théorie quantique, il faut également accepter que le principe d'incertitude n'est pas l'expression d'une connaissance imparfaite.
Le principe d'Heisenberg est également connu sous le nom de " principe d'incertitude ". Il confère au phénomène d'incompatibilité une connotation épistémique : si l'on connaît avec précision la valeur d'une propriété, on ne peut connaître avec précision la valeur d'une propriété incompatible. Par exemple, si l'on sait exactement où se trouve un électron, on ne peut pas savoir comment il se déplace, ce qui exprime une limitation de la connaissance et non une caractéristique ontologique du domaine quantique. L'interprétation épistémique du principe, répandue aux débuts de la théorie, se heurte à un obstacle lié à un résultat formel démontré en 1967, bien après les premières formulations de la théorie.
contextualité
Le second défi concerne les propriétés contextuelles. Selon l'interprétation épistémique du principe d'Heisenberg, la mécanique quantique pourrait toujours être complétée en attribuant des valeurs définies à toutes ses propriétés ; c'était l'idée d'Einstein en 1935, lorsqu'il affirmait l'" incomplétude " de la mécanique quantique. Le coup de grâce porté à l'idée d'incomplétude fut le théorème de Kochen-Specker de 1967 , qui démontra l'impossibilité logique de compléter la théorie en attribuant des valeurs définies à toutes les propriétés du système.
Il ne s'agit pas simplement d'une limitation épistémique que l'on pourrait surmonter en attribuant des valeurs définies à des propriétés incompatibles ; au contraire, toute attribution de valeurs définies à toutes les propriétés conduit à une contradiction logique . Cette caractéristique formelle de la mécanique quantique, non perçue par les pères fondateurs de la théorie, découle de sa structure mathématique. Le résultat de Kochen et Specker est un théorème relevant du formalisme de la mécanique quantique et, par conséquent, si l'on accepte la théorie quantique, il faut également admettre que le principe d'incertitude n'est pas l'expression d'une connaissance imparfaite. Il est regrettable qu'Einstein soit décédé lors de la formulation de ce théorème, car nous ne connaîtrons jamais sa réaction à ce résultat, qui est plus fort que le principe d'Heisenberg.
Comparons les objets classiques et quantiques en ce qui concerne cette caractéristique quantique. Pour un objet classique, s'il possède la propriété de position, il occupe nécessairement une position définie : même si l'on peut ignorer sa position exacte, on ne doute pas qu'il se trouve à un endroit donné, quelles que soient ses autres propriétés. Cependant, dans le cas quantique, étant donné l'incompatibilité des propriétés de position et d'impulsion, si le système possède une valeur définie pour son impulsion cinétique, il ne possède pas de valeur définie pour sa position. Le système n'a pas de position définie, car lui en attribuer une, quelle qu'elle soit, engendrerait une contradiction logique au sein de la théorie.
Cela signifie-t-il qu'il est impossible d'attribuer simultanément des valeurs définies aux propriétés d'un système quantique, quelles que soient les circonstances ? Non : cela est possible pour les propriétés d'un système compatibles entre elles, celles qui forment un " contexte ". En mécanique quantique, l'attribution de valeurs définies aux propriétés ne peut être effectuée globalement, c'est-à-dire simultanément à toutes les propriétés du système, mais elle est toujours contextuelle .
Selon le théorème de Kochen-Specker, un système quantique possède toujours des propriétés déterminables qui ne sont pas déterminées, c'est-à-dire qui n'ont pas de valeurs précises.
Cette caractéristique quantique engendre une grande perplexité ontologique car elle contrevient au " principe de détermination omnimode ", historiquement largement accepté en philosophie. L’idée est que, dans tout objet individuel, toutes ses propriétés déterminables sont déterminées : si la propriété déterminable " couleur " s’applique à un objet, cet objet possède nécessairement une certaine couleur déterminée, par exemple rouge, indépendamment de ses autres propriétés déterminées telles que ronde, pleine, etc., et indépendamment de notre connaissance de cette couleur déterminée. Si ce principe intuitif se vérifie dans le monde classique, la contextualité quantique le met en crise : selon le théorème de Kochen-Specker, un système quantique possède toujours des propriétés déterminables qui ne sont pas déterminées, c’est-à-dire qui n’ont pas de valeurs précises.
Non-séparabilité
Le troisième défi concerne l'intrication quantique. Certaines interactions entre systèmes quantiques engendrent un état du système composite, résultant de l'interaction, qui ne peut être décomposé en états des systèmes composants. Dans ces cas, l'état est dit " intriqué ", et donc " non séparable ". Cette caractéristique fondamentale de la mécanique quantique entraîne des conséquences complexes .
L'intrication quantique induit des corrélations surprenantes entre les propriétés de systèmes distants non interagissants, comme ceux de la célèbre expérience d'Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) . À première vue, les corrélations EPR suggèrent fortement la non-localité, c'est-à -dire des influences non locales entre des systèmes spatialement distants, c'est-à-dire des systèmes entre lesquels aucun signal lumineux ne peut se propager. Cependant, cette idée étant incompatible avec la relativité restreinte, qui stipule qu'aucune influence causale ne peut se propager plus vite que la lumière, la nature exacte de ces corrélations quantiques fait l'objet d'un débat permanent.
On a prétendu que l'intrication prouvait que l'univers entier avait une priorité ontologique par rapport à ses parties : les parties tirent leur identité et leurs propriétés du tout, et non l'inverse.
Selon certaines interprétations, les corrélations EPR impliquent une forme d'action à distance qui, toutefois, ne permet pas la transmission d'informations à une vitesse supraluminique. D'un autre point de vue, ces corrélations découlent de la nature holistique des systèmes quantiques. La séparabilité implique que, si un objet physique est construit par assemblage de ses parties, ses propriétés physiques sont entièrement déterminées par les propriétés de ces parties et leurs relations. L'holisme, en revanche, caractérise les objets physiques qui ne sont pas composés de parties, mais qui sont des touts indivisibles ; les corrélations EPR sont donc des corrélations entre les propriétés d'un seul objet holistique. Dans cette perspective, il a été avancé que l'intrication quantique prouve que l'univers tout entier a une priorité ontologique sur ses parties : les parties tirent leur identité et leurs propriétés du tout, et non l'inverse.
Les termes " localité " et " séparabilité " se distinguent clairement. Le " principe de localité " affirme que l’état d’un système n’est pas affecté par des événements survenant dans des régions de l’univers si éloignées de ce système qu’aucun signal physique ne pourrait les relier. Le principe de localité vise à exclure les actions à distance physiquement inacceptables. Le " principe de séparabilité ", en revanche, est un principe ontologique fondamental : il affirme que l’existence d’un intervalle d’espace-temps non nul est une condition suffisante à l’individuation des systèmes physiques. L’insatisfaction d’Einstein à l’égard de la mécanique quantique est étroitement liée à la violation du principe de séparabilité : " Si l’on renonce à l’hypothèse que ce qui est présent dans différentes parties de l’espace possède une existence réelle et indépendante, alors je ne vois absolument pas ce que la physique est censée décrire. "
Indiscernabilité
Le défi final concerne des particules identiques. Comme nous l'avons vu, la contextualité quantique se manifeste au sein d'un système quantique unique, et la non-séparabilité quantique apparaît lorsque deux systèmes interagissent et que leurs états s'intriquent. L'indiscernabilité quantique , quant à elle, se manifeste lorsque des conclusions statistiques sont tirées à propos d'un ensemble de nombreux systèmes.
La plupart des discussions sur les implications ontologiques de la mécanique quantique portent sur le défi posé par l'indiscernabilité des " particules identiques " — des particules possédant les mêmes propriétés indépendantes de l'état — au regard de la catégorie ontologique d'individu. L'approche classique consiste à dénombrer les distributions possibles de deux particules identiques sur deux états. La réponse classique est apportée par la statistique de Maxwell-Boltzmann, qui admet quatre distributions possibles de deux individus sur deux états, chacune ayant une probabilité de 1/4. En revanche, en statistique quantique (Bose-Einstein et Fermi-Dirac), l'échange de particules identiques ne modifie pas leur distribution puisqu'elles sont " indiscernables ". Bien que la théorie dispose de ressources formelles pour traiter la statistique quantique, le problème conceptuel consiste à expliquer pourquoi, dans le cas quantique, l'échange de particules ne constitue pas une distribution différente .
Considérons le cas de deux photons, répartis sur deux états. Il n'existe alors que trois distributions possibles : (i) soit les deux photons sont dans le premier état, (ii) soit les deux sont dans le second état, soit (iii) soit chaque photon est dans un état différent. Chacune de ces trois distributions quantiques a une probabilité de 1/3. Cela signifie que les particules sont indiscernables : on ne peut pas dire qu'une particule particulière est dans un état et l'autre dans l'autre ; on peut seulement dire qu'il y en a une dans chaque état.
La mécanique quantique constitue un défi de taille à la validité de ce principe traditionnel de la métaphysique, pour des raisons qui ne sont pas exclusivement métaphysiques.
L'indiscernabilité ne peut être considérée comme une simple limitation de notre connaissance de l'identité des particules car, si tel était le cas, il existerait encore quatre façons de répartir les deux systèmes sur deux états (voir l'exemple classique de la figure 1). L'indiscernabilité quantique est une propriété ontologique des systèmes quantiques : il ne s'agit pas d'une simple indiscernabilité épistémique, puisqu'une propriété épistémique ne peut avoir de conséquences concrètes sur le comportement statistique des systèmes physiques.physique quantique et fin de l'individualité copie
Classique Quantique
stade 1 stade 2 stade 1 stade 2
rouge vert rouge rouge
vert rouge rouge/rouge
rouge/vert rouge/rouge
vert/rouge
Figure 1.
C’est précisément la nature ontologique de l’indiscernabilité quantique qui a conduit de nombreux auteurs à affirmer que des particules quantiques identiques, étant indiscernables, violent le " principe d’identité des indiscernables ". Ce principe stipule que si deux objets individuels partagent toutes leurs propriétés, alors ils sont en réalité le même objet : en l’absence de toute différence réelle entre eux, leur distinction numérique est dénuée de fondement. La mécanique quantique remet fortement en question la validité de ce principe métaphysique classique, pour des raisons qui ne sont pas exclusivement métaphysiques.
La mécanique quantique remet en question la catégorie ontologique d’" individu " de la métaphysique traditionnelle : contrairement aux systèmes classiques, les systèmes quantiques ne s’intègrent pas aisément dans une telle catégorie.
Du fait de cette indiscernabilité, qui n'est pas seulement épistémique, les particules quantiques ne peuvent être nommées, c'est-à-dire identifiées par des étiquettes : il est impossible de parler de la particule " a " et de la particule " b " ; on peut seulement dire qu'il y a, par exemple, deux particules. C'est précisément pour cette raison que les systèmes logiques traditionnels, qui utilisent des variables et des constantes individuelles, ne permettent pas de décrire des particules indiscernables.
Sur la catégorie ontologique des systèmes quantiques
Après cet examen des défis ontologiques de la mécanique quantique, nous pouvons revenir à la question initiale : quel type d’entités sont les systèmes quantiques ?
Les systèmes classiques peuvent aisément être subsumés sous la catégorie ontologique d’" individu ". Un individu est une entité qui possède des propriétés, mais qui requiert des caractéristiques supplémentaires pour être considérée comme telle. Parmi celles-ci, la principale est l’" identité numérique ", relation qu’un objet entretient uniquement avec lui-même. L’identité numérique se manifeste de deux manières : par l’" identité synchronique ", qui identifie un individu en le distinguant de tous les autres à un instant donné, et par l’" identité diachronique ", qui réidentifie un individu au fil du temps. Par ailleurs, chez un individu, toutes les propriétés déterminables sont toujours déterminées : il est impossible qu’un individu soit dépourvu de toutes les propriétés déterminées correspondant à une propriété déterminable. Les individus forment des agrégats, au sein desquels ils peuvent être dénombrés. Dans le cas des objets matériels individuels, ils peuvent être identifiés par leur position spatiale et temporelle : sous l’hypothèse d’impénétrabilité, deux objets matériels ne peuvent se trouver au même endroit au même moment.
La mécanique quantique remet en question la catégorie ontologique d’" individu " de la métaphysique traditionnelle : contrairement aux systèmes classiques, les systèmes quantiques ne s’y intègrent pas aisément. On ne peut leur attribuer ni identité synchronique ni identité diachronique : identité synchronique, car une particule ne peut être nommée ou étiquetée pour la distinguer des autres en cas d’indiscernabilité ; identité diachronique, car le principe d’Heisenberg empêche le système de posséder une trajectoire définie permettant sa réidentification au cours du temps. La contextualité quantique conduit inévitablement à ce que les systèmes quantiques possèdent des propriétés déterminables qui ne le sont pas. La non-séparabilité et l’intrication constituent des obstacles à l’identification d’un système quantique par sa position spatiale et temporelle. Enfin, lorsque des particules quantiques sont agrégées, elles ne peuvent être réidentifiées au sein de l’agrégat et, par conséquent, ne peuvent être dénombrées : à proprement parler, un agrégat de particules quantiques ne peut être représenté par un ensemble dans la théorie des ensembles classique.
En conclusion, la catégorie ontologique d'individu se révèle inadéquate pour appréhender les systèmes quantiques. Différentes stratégies ont été mises en œuvre pour tenter de la réhabiliter ; toutefois, chacune d'elles se concentre généralement sur un problème particulier et propose une solution spécifique à ce problème. Il est probable que, si l'on considérait simultanément tous les défis ontologiques posés par la mécanique quantique et que l'on recherchait une solution globale unique, il serait bien plus difficile de conserver la catégorie d'individu pour le domaine ontologique quantique.