Définition du déterminisme étendu
à partir de propriétés de l'Univers

Mise à jour : 23/06/2008

Nous avons vu dans "Il faut mettre à jour la définition du déterminisme" que la définition du déterminisme traditionnel a des aspects critiquables, car contraires à des lois naturelles d'évolution ; c'est le cas, par exemple, de l'irréversibilité thermodynamique et des mesures en physique quantique.

Ce texte montre comment l'uniformité des lois de l'Univers oblige à enrichir la définition du déterminisme. Les détails et la justification de ses affirmations se trouvent dans le livre "Le déterminisme étendu pour mieux comprendre et prévoir - Un pont entre science et philosophie"

Remarque liminaire sur la définition du déterminisme

D'habitude, une définition décrit la signification d'un mot. Ne pouvant me contenter d'une telle définition descriptive pour le déterminisme étendu, j'utilise ci-dessous une définition constructive permettant une extension infinie de cette notion déduite de propriétés des lois de l'Univers.

Uniformité des lois de la nature

Rappel de postulats

§ Conformément à la doctrine matérialiste, nous postulons que la réalité (l'Univers) existe indépendamment de l'homme qui se la représente, et que celui-ci peut la comprendre par une démarche scientifique.

§ Le postulat de causalité (détails ci-dessous) est un principe qui gouverne, dans le cadre de la réalité comme dans celui d'une représentation mentale de cette réalité, l'évolution d'une cause vers sa conséquence.

Propriétés des lois de l'Univers

Nous savons que la nature que les lois physiques décrivent est uniforme. Cette uniformité de l'Univers a des conséquences fondamentales, comme la conservation de la quantité de mouvement, du moment cinétique et de l'énergie. Voici des caractéristiques de cette uniformité.

§ L'espace est homogène et isotrope : il a les mêmes propriétés en tout point et dans toutes les directions.

L'homogénéité et l'isotropie de l'Univers peu après le « Big Bang » sont prouvées avec une très grande précision par la découverte en 1965 du fond diffus cosmologique : la densité d'énergie de l'Univers primitif était la même en tous ses points, mais il se produisait (et il se produit toujours) des fluctuations quantiques. La théorie de l'inflation explique l'extrême homogénéité constatée aujourd'hui à grande échelle et la présence des galaxies, nées des fluctuations.

§ Il existe des constantes fondamentales de l'Univers, dont la valeur est (et a toujours été) la même partout et en toutes circonstances. Exemples :

· la vitesse de la lumière dans le vide, c ;

· la charge électrique de l'électron, e, et sa masse au repos, m_e ;

· la constante de Planck, h ; etc.

§ Les lois physiques sont stables (invariantes) dans le temps et l'espace. On le voit par exemple en astronomie : regarder loin, à 1 milliard d'années-lumière, c'est voir à cet endroit-là ce qui se passait il y a un milliard d'années ; et on constate, alors, que les lois physiques étaient les mêmes que sur Terre aujourd'hui.

Même lorsqu'une loi varie avec le temps il y a toujours une loi stable qui décrit ou même explique cette variation. Exemple : le rayon de l'Univers varie ; on s'en est aperçu en 1927 en découvrant son expansion, matérialisée par une vitesse d'éloignement des galaxies lointaines qui croît avec leur distance, mais reste constante dans toutes les directions. Puis on s'est aperçu que la loi de croissance de ce rayon variait elle-même : l'expansion de l'Univers est de plus en plus rapide. Enfin, on a prouvé par raisonnement qu'au commencement de l'Univers, une petite fraction de seconde après le « Big Bang » et pendant un court instant, sa vitesse d'expansion a été extraordinairement rapide pendant un temps très court, des milliards de fois plus rapide que la vitesse de la lumière.

(Remarque : la vitesse d'une expansion de l'espace n'est en rien limitée par celle de la lumière, c, car elle ne déplace ni matière ni énergie.)

Les lois scientifiques de l'Univers sont cohérentes (non contradictoires). Elles se complètent sans jamais se contredire. Elles respectent les trois principes fondamentaux de la logique, formulés par induction à partir des observations de la nature.

§ Principe de contradiction : une loi de la nature est vraie ou fausse, pas en même temps vraie et fausse ; il y a une exigence de non-contradiction : aucune loi nouvelle ne peut être vraie si elle contredit une loi existante sans la remplacer.

§ Principe du tiers exclu : une loi de la nature (dont l'énoncé doit être falsifiable, pour respecter les exigences du rationalisme critique, expliqué dans le livre) est soit vraie - et alors elle n'a jamais encore été contredite - soit fausse, si elle a été contredite ne serait-ce qu'une fois ; elle ne peut être parfois vraie et parfois fausse, avoir une probabilité d'être vraie ou ne pas s'appliquer dans certains cas imprévus.

§ Principe d'identité : une loi (ou une situation, ou une évolution) est ce qu'elle est, exactement ce qu'elle est ; elle ne peut être autre que ce qu'elle est.

Complétude des lois de la nature. Non seulement la nature est uniforme, elle est aussi complète, la complétude étant une reformulation du postulat de causalité :

§ La nature a toutes les lois qu'il faut pour expliquer tous les phénomènes ; c'est le postulat de détermination complète de Kant.

· Mais rien ne prouve qu'on puisse toutes les découvrir, même avec assez de temps, de chercheurs et d'aptitudes. Néanmoins, puisque nos connaissances scientifiques progressent, nous avons des raisons de poursuivre les recherches ;

· En outre, toute connaissance scientifique est basée sur une axiomatique, donc des vérités premières et des lois de déduction admises à priori.

§ Aucun phénomène ne se produit sans cause, ou sans respecter une loi stable de la nature ; cela exclut la possibilité d'interventions transcendantes ou surnaturelles.

§ Une loi est toujours respectée, sans quoi ce n'est pas une loi : si des circonstances données se reproduisent à l'identique, leurs conséquences seront toujours les mêmes, aucun phénomène « n'oubliera » de se produire, aucun ne se produira « autrement » ; en somme les mêmes causes produisent toujours les mêmes effets.

Simplement, lorsqu'une cause a produit un ensemble d'effets (le livre en montre des cas) et que la nature doit n'en retenir qu'un seul, il se peut que son choix soit aléatoire et qu'on ne puisse connaître d'avance que la probabilité de choix de chaque effet de l'ensemble.

Conséquence : il n'y a pas de loi assortie d'une probabilité d'être vraie ou de s'appliquer.

Origine du postulat de causalité

Certaines lois physiques décrivent des évolutions faisant passer un système d'un état initial à un état final. Leur existence et leur stabilité dans le temps et l'espace nous suggèrent le postulat de causalité : l'existence d'un état initial donné et l'action d'une loi donnée étant toujours suivies d'un état final qui ne dépend que de l'état initial et de la loi, on peut postuler par induction que cette évolution est régie par un principe d'application générale, le postulat de causalité, qu'on peut résumer sous la forme :

Tout ce qui existe ou se produit dans l'Univers a une cause et obéit à des lois.

Ce postulat est légitime dans la mesure où il est vérifié par d'innombrables expériences et n'est contredit par aucune. D'après la définition de la vérité scientifique du rationalisme critique, ce postulat peut être considéré comme une loi de causalité jusqu'à preuve du contraire.

Le fait que certains phénomènes soient inexpliqués ne contredit pas ce postulat, il nous incite à faire des efforts de recherche pour les comprendre ; il nous incite aussi à rester vigilants pour le cas où la découverte d'un fait inexplicable dans le cadre d'une loi de calcul ou d'évolution censée l'expliquer, ou qui la contredit, nous oblige à modifier ou remplacer cette loi. Le livre approfondit la légitimité de ce postulat.

Définition du déterminisme étendu

Nous postulons donc l'uniformité, la stabilité, la cohérence et la complétude des lois physiques de l'Univers, et en tirons la conséquence suivante concernant le principe de causalité. Puisque tout phénomène a une cause, et que l'effet de cette cause est uniforme dans l'espace et stable dans le temps, nous définissons le déterminisme étendu comme suit :

Le déterminisme étendu est le principe qui régit l'évolution d'une cause à ses conséquences sous l'action de toute loi naturelle.

Nous allons d'abord approfondir cette définition, puis en donner une justification.

Approfondissement de cette définition

Cet énoncé du principe de déterminisme étendu doit être complété par :

1. Le déterminisme scientifique traditionnel, défini par une condition nécessaire et suffisante (le principe de causalité) et une règle de stabilité :

· Condition nécessaire : en l'absence de la cause, la conséquence n'a pas lieu (ainsi, toute situation observée a une cause qui l'a précédée, et rien ne peut exister sans avoir été créé auparavant) ;

· Condition suffisante : si la cause existe au départ, la conséquence existe à l'arrivée (c'est une certitude).

Exemple : je tiens une pierre dans ma main ; si je la lâche, elle tombe.

· Si elle tombe c'est parce que je l'ai lâchée, condition nécessaire ;

· Si je la lâche elle tombe, condition suffisante.

Cette condition nécessaire et suffisante définit l'un des fondements de la pensée rationnelle, le principe de causalité.

· La condition nécessaire permet d'expliquer une conséquence, en remontant le temps jusqu'à sa cause.

· La condition suffisante permet de prévoir une conséquence, en suivant le temps depuis sa cause… si la causalité entraîne la prédictibilité, ce qui n'est pas toujours le cas, on le voit dans le livre.

En effet, la condition suffisante n'entraîne que la certitude que la cause déclenchera l'application de la loi d'évolution correspondante ; mais pour certaines lois on ne peut pas prévoir le résultat avant l'évolution, ou le mesurer après, avec une précision arbitraire.

Explication (au sens compréhension causale) et prévision justifient l'importance du déterminisme dans la pensée rationnelle.

· Règle de stabilité : les mêmes causes produisent toujours les mêmes effets (reproductibilité). Les lois physiques dont l'action produit la conséquence d'une cause sont stables, elles sont les mêmes en tous lieux et à tout instant.

Remarque sur la stabilité, résultant de la règle ci-dessus : une situation stable n'a jamais évolué et n'évoluera jamais ! Pour prendre en compte, alors, une évolution à partir d'un instant t, il faut changer la définition du système observé. En fait, l'écoulement du temps ne se manifeste que lorsque quelque chose évolue ; si rien n'évolue tout se passe comme si le temps s'arrêtait.

2. Des extensions et précisions données dans la suite de ce texte (exemples : conséquences multiples d'une cause unique, choix au hasard parmi des solutions multiples, précision limitée, etc.).

Justification de cette définition du déterminisme étendu

Nous avons déjà vu que ses fondements (le postulat de causalité, la règle de stabilité, la règle de cohérence et le postulat de complétude) sont justifiés par les propriétés de l'Univers, dont ils sont déduits par induction et qu'aucune observation n'a jamais contredit. Nous allons à présent justifier l'unicité, la portée générale du déterminisme étendu, impliquées par la présence dans sa définition de l'article le devant principe et de toute devant loi naturelle.

Une étude approfondie de l'action du déterminisme conduit à des questions sur le déroulement de la transition d'une cause vers sa conséquence ultérieure, des questions telles que :

§ Une cause unique peut-elle produire plusieurs conséquences, et si oui seront-elles toutes retenues ou n'y en aura-t-il qu'une ? (Réponses en physique quantique)

§ Comment le hasard et l'imprécision (constatés par exemple en physique quantique) interviennent-ils dans la nature, et quels rapports ont-ils avec le déterminisme ?

§ Un processus déterministe donne-t-il toujours un résultat prévisible ? (Le livre donne des exemples de cas où la réponse est non.)

§ Combien de temps peut-il s'écouler entre une cause et sa conséquence, etc.

Définition constructive du déterminisme étendu

Pour prendre en compte les réponses aux questions ci-dessus - et à bien d'autres qui apparaissent lorsqu'on approfondit l'action du déterminisme – notre approche consistera à partir de la définition du déterminisme scientifique et à construire celle du déterminisme étendu en y incorporant successivement les diverses règles d'évolution qui apparaîtront au fur et à mesure qu'on considérera les diverses lois de la nature.

La validité théorique de cette approche a été étudiée et justifiée par les logiciens qui ont montré comment on peut compléter une axiomatique au fur et à mesure qu'apparaissent des vérités ou des règles de déduction qu'on ne peut déduire des axiomes existants, mais que la sémantique du sujet impose de prendre en compte. Ce point est abordé dans le livre.

La validité pratique de cette approche résulte de son respect de la méthode scientifique, qui ajoute des lois nouvelles aux lois existantes ou les remplace, au fur et à mesure du progrès des connaissances. Concernant le déterminisme étendu, on ajoute de nouvelles règles d'évolution des causes aux conséquences au fur et à mesure que de nouvelles lois l'exigent, en excluant les redondances et les contradictions.

La définition du déterminisme étendu sera ainsi complétée progressivement, nous le verrons dans le livre en 200 pages environ. Mais il importe tout de suite de tirer la conclusion suivante de cette approche. La définition "le déterminisme étendu est le principe (unique) qui régit l'évolution d'une cause à ses conséquences sous l'action de toute loi naturelle" est justifiée :

§ D'abord par l'ajout des caractéristiques d'évolution nécessaires pour prendre en compte toute loi scientifique, ajout qui évite les redondances avec les caractéristiques déjà notées ;

§ Ensuite par le caractère non contradictoire et complet des lois de la nature, évoqué ci-dessus : dans toute situation de la nature, une loi d'évolution s'applique et une seule ; il n'y a pas de cas où s'appliquent deux lois distinctes, donc contradictoires, ni de cas où l'évolution ne suit aucune loi ; en somme, la nature n'hésite pas, ne se contredit pas et n'entre pas en conflit avec elle-même.

Bien entendu, cela suppose d'énoncer sous forme de loi rigoureuse, faisant partie du déterminisme étendu, chaque intervention du hasard ou d'une imprécision ; le livre le fait, formules mathématiques à l'appui.

En résumé, l'unicité et la complétude du déterminisme étendu résultent de sa définition constructive, qui comprend une méthode d'enrichissement progressif sans redondance ni contradiction.

Remarques

Les changements de représentation mentale nécessaires pour comprendre le déterminisme étendu sont résumés dans le court texte "Que peut-on comprendre ?".

Nous avons vu dans le texte "Il faut mettre à jour la définition du déterminisme" que le déterminisme étendu contredit souvent le déterminisme philosophique de Laplace (chaîne de causalité unique et prédictibilité certaine) [1]. Nous verrons dans les extensions ci-dessous qu'il n'exclut ni le hasard ni l'imprécision, dont il fait des lois mathématiques de comportement pour des phénomènes précis.

L'expression « déterminisme étendu » recouvre à la fois un principe régissant les lois de la nature et un objectif pour l'homme qui l'applique, celui de prévoir le futur. Nous verrons que le caractère déterministe n'entraîne pas toujours la prévisibilité ; c'est ainsi que l'action d'un grand nombre de processus déterministes simultanés ne change pas leur nature, mais rend inaccessible l'objectif de prévoir le futur.

Les échelles du déterminisme

§ Conséquence de l'uniformité de l'Univers, le déterminisme agit quelle que soit l'échelle considérée. En particulier, si nous postulons le déterminisme à l'échelle macroscopique, nous devons aussi le postuler à l'échelle atomique. Cela nous conduira à affirmer dans le livre, détails à l'appui, que le mouvement d'un corpuscule :

· Est régi à l'échelle atomique par des lois identiques à celle de l'échelle macroscopique (exemples : force d'attraction électrostatique conforme à la loi de Coulomb et conservation de l'énergie totale, mouvement décrit par l'équation de Schrödinger) ;

Nous verrons toutefois qu'une même loi, qui a des effets considérables à l'échelle atomique (comme la loi de Louis de Broglie, qui associe à un corpuscule en mouvement une onde de matière), peut n'avoir à l'échelle macroscopique que des effets négligeables.

Nous verrons aussi que certains phénomènes révélés par des propriétés mathématiques à l'échelle atomique n'ont pas de correspondance à l'échelle macroscopique, où ces propriétés ne s'appliquent pas.

· Est tout aussi déterministe qu'un mouvement à l'échelle macroscopique, conformément au principe de correspondance.

Mais comme l'équation de Schrödinger a des solutions multiples, nous devrons étendre le déterminisme pour qu'il admette - au moins à l'échelle atomique - plusieurs conséquences d'une même cause.

§ Selon le phénomène, nous verrons que le déterminisme a tantôt un aspect global, tantôt un aspect local. Exemple : l'échelle macroscopique est globale par rapport à l'échelle atomique. Nous verrons aussi que l'échelle prise en compte par le déterminisme, qu'il s'agisse de la cause ou de l'effet, peut varier considérablement d'un phénomène à un autre.

En somme, la notion d'échelle est une abstraction humaine commode ; mais il faut se garder d'attribuer à la nature des lois qui dépendent de l'échelle.

Extensions du déterminisme

Voici la liste des principales extensions du déterminisme traditionnel qui définissent le déterminisme étendu. Les détails et justifications sont dans le livre.

§ Une cause donnée peut produire plusieurs conséquences, voire une infinité, à l'échelle macroscopique comme à l'échelle atomique. Les conséquences possibles constituent une arborescence de causalité dont chaque nœud représente une étape d'évolution et chaque branche une évolution à partir de son nœud-situation.

§ Le déterminisme régit l'évolution qui résulte de la cause initiale ; il ne garantit pas que le résultat de cette évolution puisse être prédit avant ou mesuré après avec une précision arbitraire : la causalité, toujours respectée, ne garantit ni la prédictibilité du résultat ni la précision de sa mesure.

§ La nature choisit à chaque nœud l'évolution suivante. Ce choix peut être instantané ou différé ; lorsqu'il est différé, plusieurs évolutions peuvent se produire et perdurer simultanément, en superposition.

La liste des branches parcourues depuis une situation de départ constitue une chaîne de causalité parmi toutes celles que l'arborescence permet.

§ Le hasard n'intervient pas dans la définition des situations : chaque valeur de variable d'état résulte d'une évolution déterministe, prévue par exemple par l'équation de Schrödinger.

Mais le hasard intervient dans le choix d'une évolution parmi celles qui sont possibles à partir d'une situation donnée.

§ La nature ne permet souvent que des valeurs de variables d'état discontinues, quantifiées, entre lesquelles elle choisit au hasard celle qui apparaîtra à l'échelle humaine, par exemple lors d'une mesure.

§ La nature impose des limites de précision à la détermination des valeurs de variables d'état. C'est ainsi qu'une position, une forme ou une vitesse peuvent être floues. Ces imprécisions sont intrinsèques, sans rapport avec le hasard ; la nature refuse alors de se plier aux exigences de simplicité de notre esprit.

§ Il existe des évolutions irréversibles ; exemple : la décomposition radioactive.

§ Certaines équations de la physique permettent de changer le sens du temps, comme si on passait à l'envers le film des événements ; d'autres imposent à la flèche du temps un sens du présent vers l'avenir.

§ La nature a plusieurs lois de conservation. Exemple : conservation du moment cinétique due à l'isotropie de l'espace.

Mais certaines grandeurs comme l'énergie sont tantôt invariantes, tantôt fluctuantes ; l'instant, le lieu et l'ampleur des fluctuations dépendent alors du hasard.

§ Des processus ou algorithmes parfaitement déterministes et reproductibles peuvent produire des résultats dont l'enchaînement est imprévisible. Exemple : la suite des décimales des nombres irrationnels, qu'on les considère isolément ou par groupes de 2, 3, 4… etc.

§ Des processus déterministes peuvent construire, à partir d'axiomes vrais, des énoncés indécidables (c'est-à-dire des énoncés qui peuvent être soit toujours vrais soit toujours faux, mais dont il ne peut exister de démonstration dans le cadre de l'axiomatique de départ).

§ L'évolution darwinienne des espèces vers une complexité croissante s'explique par un phénomène thermodynamique chaotique, dont le déterminisme peut produire des conséquences multiples d'une cause donnée même à l'échelle macroscopique.

§ Des mécanismes parfaitement déterministes du vivant peuvent conduire à des comportements imprévisibles, les êtres vivants sélectionnés par l'évolution tirant profit de cette imprévisibilité.

L'homme notamment, est imprévisible ; il se croit libre au sens du libre arbitre, mais ses envies étant esclaves du déterminisme, son libre arbitre est illusoire.

§ L'effet de nombreux processus déterministes (semblables ou différents mais agissant simultanément) peut être imprévisible, donc non déterministe.

L'expression « déterminisme étendu » recouvre à la fois un principe régissant les lois de la nature et un objectif pour l'homme qui l'applique, celui de prévoir le futur. L'application du principe à un grand nombre de processus déterministes ne change pas leur nature, mais rend inaccessible l'objectif de prévoir le futur.

§ La Relativité montre que deux événements distincts A et B peuvent, selon la position de l'observateur, être tels que A précède B ou B précède A. Le sens de la relation éventuelle de causalité entre A et B n'est donc pas toujours évident !

§ Le déterminisme peut agir à des échelles de distance diverses, allant de l'échelle atomique à l'échelle infinie de l'astronomie ; dans ce dernier cas, certaines propriétés sont affectées de non-séparabilité, et la conséquence d'une cause se propage instantanément (donc plus vite que la lumière) à une distance quelconque, par exemple 140 km.

§ Etc.

Enoncés mnémotechniques

Les énoncés ci-dessous ne prouvent rien et n'apportent rien de nouveau. Ils figurent dans ce texte simplement parce que leur concision facilite la mémorisation de propriétés fondamentales du déterminisme étendu.

Généralité du déterminisme étendu

La nature ne fait pas de surprise ;
ses processus relèvent tous du déterminisme étendu.

C'est la découverte d'une loi jusque-là ignorée qui peut nous surprendre, pas son existence ou son domaine d'application, compte tenu du fait que le déterminisme étendu comprend des lois probabilistes que le livre précise. Le physicien prix Nobel Richard Feynman a dit à ce propos :

"La nature est très simple, c'est pourquoi elle est très belle."

Lois de la nature et lois d'une nation : une analogie très approximative

Le principe de causalité à la base du déterminisme étendu est commun à toutes les lois de la nature ; aucune ne peut lui échapper. D'où l'analogie suivante :

Le déterminisme étendu est aux lois de la nature
ce qu'une constitution est aux lois d'une nation

§ Déterminisme étendu et constitution sont des ensembles de règles respectés par toutes les lois, sauf erreur humaine.

§ Connaître les principes du déterminisme étendu est utile de la même manière que connaître la constitution ; les deux connaissances permettent de comprendre les lois, leur portée et leurs limites, et de prévoir l'évolution de certaines situations.

Apports du déterminisme étendu à nos raisonnements logiques

§ Une définition des principes de passage d'une cause à ses conséquences résultant des lois de l'Univers ;

§ Une généralité sans exception, pas même en matière de sciences de la vie ou de libre arbitre humain (illusoire) ;

§ Une définition complète du hasard, de son rôle et des circonstances de son intervention ;

§ Une clarification des rôles de la complexité et de l'indécidabilité dans la prévisibilité ;

§ Des arguments matérialistes scientifiquement à jour contre le spiritualisme, etc.

Le déterminisme étendu constitue un pont entre science et philosophie destiné à mieux comprendre ce qui est et mieux anticiper ce qui sera.

Daniel MARTIN

Référence

[1]   Le déterminisme de Laplace

La définition traditionnelle du déterminisme est celle donnée par Laplace en 1814. Le "déterminisme de Laplace" postule l'existence d'une chaîne de causalité unique commençant infiniment loin dans le passé et se poursuivant infiniment loin dans l'avenir. Voici comment Laplace a énoncé son postulat dans "l'Essai philosophique sur les probabilités" http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/gallardo/Essai_philosophique_sur_les_probabilites.pdf :

"Nous devons donc envisager l'état présent de l'univers comme l'effet de son état antérieur et comme la cause de celui qui va suivre. Une intelligence qui, pour un instant donné, connaîtrait toutes les forces dont la nature est animée, et la situation respective des êtres qui la composent, si d'ailleurs elle était assez vaste pour soumettre ces données à l'analyse, embrasserait dans la même formule les mouvements des plus grands corps de l'univers et ceux du plus léger atome : rien ne serait incertain pour elle, et l'avenir comme le passé, serait présent à ses yeux"

(L'intelligence en question est parfois appelée « démon de Laplace »).

Le déterminisme philosophique affirme donc :

§ Que l'avenir est complètement déterminé ;

§ Qu'il est complètement prévisible connaissant parfaitement le présent.

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