Le déterminisme étendu
pour mieux comprendre et prévoir
Un
pont entre science et philosophie
pour la pensée rationnelle
Daniel MARTIN
Le déterminisme étendu
pour mieux comprendre et prévoir
Un
pont entre science et philosophie
pour la pensée rationnelle
Mise à jour : 06/08/2008 *
Daniel MARTIN
http://www.danielmartin.eu/contact.htm
A André Comte-Sponville
dont les textes et les objections
m'ont beaucoup fait réfléchir.
Je suis souvent frappé par les propos tenus, dans les médias, par nos politiciens : leurs arguments sont souvent sans valeur, quand ils ne sont pas carrément illogiques ; je frémis, alors, à l'idée que leurs propos engagent le pays et que leur pensée conduit la France. Je constate aussi que les journalistes de télévision, de radio et de la presse écrite qui relaient leurs propos en critiquent trop rarement la qualité ; je frémis, alors, en pensant que la majorité des citoyens en tirent le plus clair des informations sur lesquelles ils basent ensuite leur vote. J'ai déploré tout cela dans un livre, il y a quelques années [170].
Heureusement, les gens connus qui s'expriment ne sont pas tous comme les politiciens et les journalistes dont je déplore le manque de rigueur. En lisant récemment quelques ouvrages de philosophes contemporains fort populaires, j'ai apprécié leur intelligence et leurs immenses connaissances philosophiques, ainsi que leur honnêteté intellectuelle. J'ai seulement relevé dans ces ouvrages, par ci, par là, de petites inexactitudes trahissant deux choses : leurs connaissances scientifiques ont entre un et deux siècles de retard, et leur culture littéraire marquée par l'intuition, l'émotion et l'esthétique ne leur a pas permis de s'entraîner à une pensée assez rigoureuse à mon goût.
J'ai donc entrepris dans cet ouvrage de leur apporter une mise-à-jour de connaissances scientifiques dans une optique philosophique ; plus généralement, j'adresse cette contribution aux intellectuels soucieux de pensée rationnelle. J'y ai choisi comme fil conducteur le déterminisme et le postulat de causalité, à qui j'ai apporté pas mal de précisions philosophiques basées sur des progrès récents de la science.
A titre d'introduction, voici pourquoi le déterminisme philosophique est erroné, comment je propose de préciser le postulat de causalité et le déterminisme scientifique, et comment je propose de définir le déterminisme étendu ; nous reviendrons sur ces sujets dans la 3e partie. Les termes scientifiques comme "valeurs propres" ou "ondes de matière" sont tous expliqués dans le livre ; leur compréhension précise n'est pas nécessaire dans cette introduction.
Daniel MARTIN
La définition traditionnelle
du déterminisme philosophique a été
publiée par Laplace en 1814 dans l'Essai
philosophique sur les probabilités, où on lit pages 3 et 4 :
"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"
Le déterminisme philosophique affirme donc :
§ Que l'avenir est complètement déterminé par le présent ;
§ Qu'il est complètement prévisible connaissant parfaitement le présent ;
§ Qu'une connaissance parfaite du présent
permet de reconstituer en pensée tout le passé ;
§ Qu'il
existe, pour toute situation présente, d'une
chaîne de causalité unique commençant infiniment loin dans le passé et se poursuivant infiniment
loin dans l'avenir.
Le déterminisme philosophique est contredit par des faits
Le déterminisme
philosophique, qui nous promet
la possibilité de prévoir tout l'avenir et de retrouver mentalement tout le
passé, est contredit par de nombreux phénomènes de la nature cités dans le
livre. Comme il suffit d'un seul contre-exemple pour contredire une affirmation
sans nuance, en voici un.
Décomposition radioactive (fission nucléaire)
Un échantillon d'uranium 238 voit ses atomes se décomposer spontanément, sans aucune cause autre que le temps qui passe ; un atome d'uranium se transforme alors en un atome d'hélium et un atome de thorium. Le nombre d'atomes qui se décomposent par unité de temps suit une loi connue, qui prévoit que 50 % des atomes d'un échantillon de taille quelconque se décomposeront en un temps fixe T appelé "demi-vie de l'uranium 238", puis la moitié du reste (c'est-à-dire ¼) dans le même temps T, puis la moitié du reste (1/8) dans le même temps T, etc.
La décomposition radioactive naturelle, c'est-à-dire
spontanée, s'explique par l'instabilité de l'énergie d'excitation des neutrons
et protons du noyau d'un atome radioactif. Cette
énergie varie spontanément, phénomène inexplicable dans le
cadre de la science traditionnelle et
qui fait intervenir une probabilité dans une apparition d'événement. Ce phénomène s'explique parfaitement
sous le nom d'effet tunnel dans le
cadre de la mécanique quantique :
l'énergie d'excitation d'un noyau peut parfois dépasser l'énergie potentielle
appelée barrière de fission de
l'élément, entraînant une déformation si grande du noyau que celui-ci se
décompose.
Contrairement à la promesse de prédiction de l'avenir du déterminisme philosophique, on ne peut savoir quels atomes se décomposeront pendant un intervalle de temps donné, ni à quel instant un atome particulier se décomposera. La décomposition radioactive suit une loi statistique, valable pour une population d'atomes mais ne permettant pas de prévoir l'évolution d'un atome donné.
En outre, lorsqu'un échantillon contient des atomes décomposés, on ne peut savoir à quel instant chacun d'eux s'est décomposé, ce qui contredit le déterminisme philosophique au sens reconstitution du passé.
Le déterminisme
philosophique ne peut donc tenir ses promesses ni concernant la prédiction de
l'avenir, ni concernant la reconstitution mentale du passé : c'est donc un
principe faux dans le cas de la décomposition radioactive. Et comme, d'après le
rationalisme critique expliqué dans
le livre, il suffit d'un seul contre-exemple pour qu'une affirmation soit
fausse, nous considérons le déterminisme philosophique comme
erroné bien que la définition ci-dessus figure dans certains
dictionnaires.
Causalité et déterminisme
L'homme ayant besoin de comprendre le monde qui l'entoure et de prévoir l'évolution de situations, connaître le déterminisme est important pour toute pensée rationnelle. Puisque le déterminisme philosophique ne tient pas sa promesse de prédictibilité, nous allons reprendre le problème de compréhension et prédiction sur une base moins ambitieuse, en repartant de la causalité à la base du déterminisme philosophique et en abandonnant provisoirement sa promesse de prédiction et de reconstitution.
Le postulat de
causalité
Depuis qu'il existe, l'homme a remarqué certains enchaînements : une même situation S est toujours suivie du phénomène P. Par une démarche naturelle d'induction, il en a déduit un postulat général : « les mêmes causes produisent toujours les mêmes conséquences ». Et en réfléchissant aux conditions qui régissaient les enchaînements observés, il en a déduit le postulat de causalité que j'énonce comme suit sous forme de condition nécessaire et suffisante :
Définition du postulat de causalité
§ Condition nécessaire : en l'absence de la cause, la conséquence n'a pas lieu (ainsi, toute situation observée, tout phénomène observé a une cause qui l'a précédé(e), et rien ne peut exister sans avoir été créé auparavant).
Donc, si je constate une conséquence (phénomène ou situation) je suis sûr qu'elle a une cause dans le passé, mais je renonce pour le moment à pouvoir reconstituer mentalement ce passé, c'est-à-dire à connaître cette cause.
§ Condition suffisante : si la cause existe au départ, la conséquence a lieu (c'est une certitude).
Notons que cette conséquence
est un phénomène d'évolution, pas une situation finale : nous renonçons ainsi à la promesse
de prédiction du résultat de l'évolution, en ne conservant que le postulat du
déclenchement de celle-ci.
Dans certains cas favorables, le postulat de causalité répond au besoin de la pensée rationnelle de comprendre et de prévoir :
§ La condition nécessaire permet d'expliquer une conséquence (phénomène ou situation), en remontant le temps jusqu'à sa cause ;
§ La condition suffisante permet de prévoir une conséquence, en suivant le temps depuis sa cause : l'évolution est déclenchée à coup sûr.
Le déterminisme scientifique
Pour mieux
comprendre et prévoir, la pensée rationnelle a besoin d'ajouter au postulat de
causalité ci-dessus une règle de stabilité dans le temps et l'espace,
c'est-à-dire de reproductibilité :
Règle de
stabilité
Les mêmes causes produisent toujours les mêmes effets (reproductibilité). Les lois physiques conséquences d'une cause donnée sont stables, elles sont les mêmes en tous lieux et à tout instant.
Conséquence de la stabilité : 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. La règle de stabilité n'a rien d'anodin : elle a pour conséquence la première loi du mouvement de Newton, la loi d'inertie :
"Un corps immobile ou se déplaçant en ligne droite à vitesse constante restera immobile ou gardera le même vecteur vitesse tant qu'une force n'agit pas sur lui."
Au point de vue déterminisme, un mouvement linéaire uniforme est une situation stable, qui ne changera pas tant qu'une force n'agira pas sur le corps. Et une situation stable est sa propre cause et sa propre conséquence.
Grâce à la règle de stabilité on peut induire une loi physique de la nature d'un ensemble d'enchaînements
cause-conséquence constatés : si
j'ai vu plusieurs fois le même enchaînement, je postule que la même cause
produit toujours la même conséquence. On peut alors regrouper le postulat de
causalité et la règle de stabilité en un principe qui régit toutes les lois de
la nature décrivant une évolution dans le temps, le postulat de déterminisme
scientifique :
Définition du déterminisme scientifique
Le déterminisme
scientifique est un postulat qui régit
l'évolution dans le temps d'une situation sous l'effet des lois de la nature
conformément au postulat de causalité et à la règle de stabilité.
Le
déterminisme d'une loi de la nature n'entraîne ni la prédictibilité de ses
résultats, ni leur précision.
Beaucoup de philosophes se sont trompés en postulant le contraire.
Déterminisme scientifique et prédiction
Dans les définitions du postulat de causalité et du déterminisme scientifique
nous avons renoncé à prédire un résultat d'évolution. Mais comme nous savons qu'une cause déclenche l'application
d'une loi de la nature, le problème de prédire un résultat d'évolution est
ramené à celui de prédire le résultat de l'application d'une telle loi.
Remarquons d'abord que la nature connaît des situations-causes et les lois qu'elle applique automatiquement à chacune, elle ne connaît pas la notion de résultat, notion et préoccupation humaines. Cette remarque nous permet d'éliminer tout de suite une cause d'impossibilité de prévoir indépendante de la nature : l'intervention du surnaturel. Il est clair que si nous admettons la possibilité qu'une intervention surnaturelle déclenche, empêche ou modifie le déroulement d'une évolution, nous renonçons en même temps à prévoir son résultat. Nous postulerons donc le matérialisme et admettrons qu'aucune intervention provenant de l'extérieur de l'Univers, ou provenant de l'intérieur mais n'obéissant à aucune loi de la nature n'est possible. Les doctrines opposées du matérialisme et du spiritualisme sont décrites et commentées dans la partie 2 du livre, avant la partie 3 consacrée au déterminisme.
Voici trois types de raisons qui empêchent de prévoir le résultat d'une loi déterministe d'évolution : l'imprécision, la complexité et le hasard.
Le postulat de causalité et le déterminisme scientifique ne promettant pas la prédictibilité d'un résultat, ils ne promettent pas à fortiori sa précision lorsqu'on a pu le prévoir ; pourtant la précision est une préoccupation humaine.
Voici des cas où la précision du résultat (calculé ou
mesuré) de l'application d'une
loi d'évolution peut être jugée
insuffisante par l'homme.
Imprécision des valeurs initiales d'une évolution ou de la mesure d'un résultat
Une loi d'évolution
s'applique à des variables. Si celles-ci sont connues avec une précision
insuffisante, le résultat calculé sera lui-même entaché d'imprécision. De même,
si une grandeur est mesurée, cette mesure peut être insuffisamment précise.
Imprécision ou non-convergence des calculs
Si le calcul d'une formule ou d'une solution d'équation est insuffisamment précis, le résultat peut être lui-même imprécis. Ce problème se pose avec acuité, par exemple, lorsque la résolution d'un système d'équations entraîne l'inversion d'une matrice avec des milliers de lignes et de colonnes : une précision insuffisante peut produire une dégénération qui rend le calcul de la matrice inverse impossible ; il peut aussi, tout simplement, produire un résultat insuffisamment précis.
Il peut aussi arriver, quand un phénomène physique est modélisé mathématiquement, qu'un algorithme de calcul faisant partie du modèle ne
puisse fournir son résultat, par exemple parce qu'il converge trop lentement.
Il peut enfin arriver que le modèle tombe sur un cas où le calcul est
impossible, le livre en cite un concernant une propagation d'onde.
Chaos
Il peut arriver qu'une variation minime, non maîtrisable, de ses données initiales produise une variation considérable et imprévisible du résultat d'un phénomène dont la loi est pourtant précise. C'est le cas pour la direction dans laquelle va chuter un crayon posé verticalement sur sa pointe et qu'on vient de lâcher. C'est aussi le cas pour la prévision des milliers d'années à l'avance de la position d'un astéroïde, dont le mouvement est perturbé par l'attraction des planètes.
Le chaos est en fait
un phénomène d'amplification d'effet qui peut faire passer un
modèle mathématique d'une solution à
une autre. Il se produit, par exemple, dans les écoulements turbulents et dans
l'évolution génétique des espèces, avec apparition de solutions regroupées
autour de points particuliers de l'espace des phases appelés attracteurs. En pratique, le chaos
limite l'horizon de prévisibilité.
Physique
quantique
Le livre cite
plusieurs lois de physique quantique où la
nature limite la précision. Exemples :
§ La position et la vitesse d'un corpuscule en
mouvement dans un champ de force électromagnétique ne peuvent être déterminées
avec une incertitude meilleure que la moitié de la largeur du paquet d'ondes de
matière qui l'accompagne. Quelle que soit la vitesse d'une photographie instantanée
(théorique) du corpuscule, celui-ci apparaîtra toujours flou.
Pire, même :
plus la détermination de la position est précise, plus celle de la vitesse est
imprécise, et réciproquement.
§ Le refus de précision de la nature peut se
manifester par des fluctuations
quantiques. Exemple : en un point de l'espace vide entre atomes ou
même entre galaxies, l'énergie peut
brusquement varier sans cause autre que le fait que la nature refuse qu'elle soit
définie de manière précise et stable. Cette variation d'énergie ΔE peut être d'autant plus grande que sa
durée Δt sera brève, le produit ΔE.Δt devant toujours rester inférieur à une certaine constante universelle
notée ½ä. En moyenne, toutefois, l'énergie au point de fluctuation reste
constante : si la nature a "emprunté" une énergie ΔE au vide environnant, elle la restitue en
totalité Δt secondes après.
Ce phénomène n'a
rien de négligeable : on lui attribue, peu après le Big Bang qui a vu
naître l'Univers, la formation des surdensités locales d'énergie à l'origine de
la matière des galaxies ! Du point de vue prédictibilité, on ne peut
prévoir ni où une fluctuation se
produira, ni quand, ni avec quelle variation d'énergie ΔE.
§ A l'échelle atomique, la nature permet des
superpositions de solutions d'équation. C'est ainsi qu'un atome peut parcourir plusieurs trajectoires à la fois,
produisant des franges d'interférence avec lui-même lorsqu'il passe à travers
deux fentes parallèles distantes de milliers de diamètres atomiques.
C'est
ainsi qu'une molécule peut être dans
plusieurs états à la fois. Exemple : La mécanique quantique prévoit
qu'une molécule d'ammoniac NH3, en forme de tétraèdre, peut avoir son sommet, l'atome d'azote, d'un
côté ou de l'autre du plan de ses 3 atomes d'hydrogène ; et elle peut
faire passer ce triangle d'atomes (léger) d'un côté à l'autre du sommet azote
(lourd) spontanément, par effet tunnel
(c'est-à-dire sans cause physique de type force !), ou par absorption de
l'énergie d'un photon. Le triangle peut osciller entre les deux positions
symétriques avec une fréquence dans le domaine des ondes centimétriques. Cette
prédiction de la mécanique quantique est confirmée par l'observation de cette
fréquence en radioastronomie, en absorption comme en émission d'ondes par des
molécules d'ammoniac de l'espace interstellaire.
Lorsqu'une
expérience détermine l'état de la molécule NH3, la nature choisit au
hasard celui des deux états symétriques qu'elle révélera à l'homme. Notons que
dans ce cas l'état révélé n'est pas quelconque, c'est un élément d'un ensemble
parfaitement prédéfini de solutions appelé spectre
des valeurs propres du dispositif de mesure : le hasard naturel est alors limité au choix d'une des valeurs du
spectre, valeurs toutes connues avec précision. Dans le cas de la molécule
d'ammoniac précédente, la nature choisit entre 2 solutions, chacune
caractérisée par une certaine énergie et une forme géométrique.
§ Le refus de la nature de satisfaire le
besoin de l'homme de savoir atteint un sommet avec le phénomène de non-séparabilité. Le livre cite une
expérience où deux photons produits ensemble (dits intriqués) constituent un ensemble indivisible même quand les
photons se sont éloignés l'un de l'autre de 144 km : si on en détruit
un l'autre disparaît aussitôt, la conséquence se propageant de l'un à l'autre à
vitesse infinie puisqu'ils ne font qu'un dans l'ensemble de départ, qui
conserve son unité tout en se déformant.
En somme, en
physique quantique beaucoup d'exigences humaines concernant la prédiction d'un
résultat, sa précision ou sa stabilité sont refusées par la nature.
Relativité
et causalité
Le livre explique
en détail une propriété de l'espace-temps liée à la vitesse de la lumière,
propriété qui fait réfléchir à la définition même de la causalité qui fait
passer d'un événement à un autre.
Dans certains cas précis, deux événements A et B peuvent être vus par certains observateurs dans l'ordre A puis
B, et par d'autres observateurs dans l'ordre B puis A ! Les premiers
auront connaissance de A avant B et en tireront des conséquences différentes
des seconds, qui verront apparaître B avant A.
L'effet global d'un
grand nombre de phénomènes parfaitement déterministes
peut être imprévisible, même si chacun est simple et à résultat prévisible.
Exemple : considérons une petite enceinte fermée qui contient un nombre immense de molécules identiques de liquide
ou de gaz. Le seul fait que ces molécules aient une température supérieure au
zéro absolu fait qu'elles s'agitent sans cesse, l'énergie cinétique associée à
leur vitesse provenant de la température. Cette agitation les fait rebondir les
unes sur les autres et sur les parois, les lois de mouvement correspondantes
étant parfaitement connues et déterministes. Pourtant il est impossible de
connaître la position et la vitesse à l'instant t de toutes les molécules, car elles son trop nombreuses ; il
est donc impossible de prédire par calcul la position et la vitesse une seconde
après de l'une d'elles, car entre temps elle a subi des milliers de rebonds
contre d'autres molécules en mouvement et contre les parois.
Cette impossibilité
est très générale : la combinaison d'un grand nombre de phénomènes déterministes à évolution
individuelle prévisible produit une évolution imprévisible, que ces phénomènes
soient ou non du même type. D'un point de vue philosophique, on peut affirmer
que la complexité d'un phénomène à composantes déterministes
produit en général une évolution imprévisible.
Cette
imprévisibilité, qui n'existe pas en théorie, sévit hélas en pratique. Elle
n'affecte pas la nature, qui jamais n'hésite ou ne prévoit l'avenir, mais elle
empêche l'homme de prédire ce qu'elle va faire. Et l'imprévisibilité est
d'autant plus grande que le nombre de phénomènes simultanés est grand, que leur diversité est grande, et
que leurs interactions sont nombreuses.
Les interactions
entre phénomènes ont un effet sur leur déterminisme lui-même. Une évolution
dont le résultat impacte les conditions initiales d'une autre évolution joue
sur sa règle de stabilité, c'est-à-dire sur la reproductibilité de son
déterminisme, ce qui handicape encore plus la prédiction de son résultat.
C'est pourquoi les phénomènes les plus complexes
(ceux des êtres vivants, du psychisme de l'homme et de sa société) ont beau ne
comporter que des évolutions déterministes prévisibles, leurs résultats sont en
général si imprévisibles que l'homme a l'impression que la nature fait
n'importe quoi.
D'un point de vue
philosophique, il faut cesser de croire au hasard en tant que
principe de comportement imprévisible de la nature. L'équation de
Schrödinger (qui a pour résultat des ondes de matière probabilistes) est
déterministe au sens traditionnel, comme la deuxième loi de la dynamique de
Newton qui part de la même base qu'elle, la conservation de l'énergie : à un état de départ donné correspond
toujours le même résultat à l'arrivée, résultat qui est parfois un ensemble au
lieu d'être unique. Il n'y a rien là d'imprévisible, la nature n'est jamais
fantaisiste : dans une situation donnée elle réagit toujours de la même
façon.
L'homme doit s'habituer au fait que certaines situations sont suivies de conséquences multiples : plusieurs lois d'évolution à résultat unique se déroulant en parallèle,