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LAURENT JODOIN CAUSALITÉ ET MÉCANIQUE QU ANTIQUE Mémoire présenté à la Faculté

LAURENT JODOIN CAUSALITÉ ET MÉCANIQUE QU ANTIQUE Mémoire présenté à la Faculté des études supérieures de l'Université Laval dans le cadre du programme de maîtrise en philosophie pour l'obtention du grade de Maître es arts (M.A.) FACULTE DE PHILOSOPHIE UNIVESITÉ LAVAL QUÉBEC 2009 Laurent Jodoin, 2009 CAUSALITÉ ET MÉCANIQUE QUANTIQUE Â Gabrielle Laurent Jodoin, 2009 Université Laval CAUSALITÉ ET MÉCANIQUE QUANTIQUE Résumé L'objectif est d'analyser la compatibilité entre un concept de causalité et la théorie de la mécanique quantique. Comme la possibilité de l'erreur rend nécessaire l'étude critique de toute connaissance, le contexte épistémologique présente les principales réponses apportées au problème général de la connaissance : l'empirisme, le réalisme et l'idéalisme. La cohérence qu'exige un critère de démarcation sur la validité des discours sur le monde oblige l'adoption d'une thèse épistémologique et c'est pourquoi une certaine sympathie est exprimée envers le réalisme scientifique (l'objectif n'étant pas d'apporter une défense en règle de cette position). De plus, comme tout énoncé factuel repose sur des présupposés, leur explicitation est présentée à l'intérieur d'un contexte nomologique (univers de discours) caractérisé par la théorie de la relativité (restreinte et générale) ainsi que quelques postulats métaphysiques, dont le principe de légalité et le principe d'uniformité de la nature. Une présentation de la mécanique quantique suit, en tentant de garder, autant que faire se peut, un ton neutre sur les conséquences épistémologiques de son interprétation (ici celle de Copenhague). À partir d'une cartographie des débats sur la causalité fournie par Schaffer (2003 ; 2006), les thèse causales de Hume, Kant, Russell, Bunge et Mackie sont analysés. Le résultat du travail de conciliation (critique) de ces auteurs et des contextes épistémologique et nomologique est un concept de causalité régulariste selon une loi (CRL) : il y a relation causale entre un ensemble de faits A et un ensemble de faits 8 s'il y a une loi A permettant d'identifier un processus reliant A et 6 dans un champ causal x- De sorte qu'une relation causale est successive et les faits doivent être spatio-temporellement localisables (STL). Sa validité face aux problèmes classiques des régularités fallacieuses, de la préemption et des relations fonctionnelles est ensuite étudiée. La description de trois expériences quantiques sert alors à l'analyse de compatibilité susmentionnée. Les critères du processus continu, de la succession et de la loi A - utiles pour contrer les arguments de préemption - peuvent être respectés, avec l'adoption de l'équation ou de l'opérateur de Schrôdinger, mais alors c'est celui des faits STL qui écope. L'antécédent, dans le champ causal en question, répond au critère de la suffisance minimale mais la nécessité, associée à la loi et permettant d'inférer le conséquent, ne tient plus. Ce qui permet généralement de répondre à nos conceptions ordinaires sur la causalité est incompatible avec la mécanique quantique. Laurent Jodoin, 2009 Université Laval CAUSALITÉ ET MÉCANIQUE QUANTIQUE 4 Table des matières Résumé 3 Table des matières 4 Liste des figures 7 Introduction 8 Contexte épistémologique 12 Définition 12 Classification 16 Empirisme 19 L'empirisme radical 19 John Locke 20 George Berkeley 21 David Hume 22 L'empirisme phénoménaliste 24 John Stuart Mill 24 Ernst Mach 25 Bertrand Russell 25 Rudolf Camap 26 Remarques conclusives 27 Réalisme 29 Le réalisme idéaliste 30 Le réalisme sémantique 31 Le réalisme scientifique 32 Le réalisme de Gaston Bachelard 34 Le réalisme structural 35 Remarques conclusives 36 Idéalisme 38 L'idéalisme objectif 38 L'idéalisme subjectif 38 L'idéalisme transcendantal 38 Remarques conclusives 41 Contexte nomologique 42 Définition 42 Liurent Jodoin, 2009 Université Laval CAUSALITÉ ET MÉCANIQUE QUANTIQUE 5 Postulats métaphysiques 44 Relativité 49 Relativité restreinte 49 Transformations de Lorentz 51 Représentation de Minkowski 52 Dynamique relativiste 54 Relativité générale 55 Tenseurs 56 Structure spatio-temporelle 56 Axiomatique relativiste 59 Causalité relativiste 61 Mécanique quantique 63 Introduction 63 Les origines 64 La fonction d'onde 68 Le dualisme onde-corpuscule 68 Interprétation probabiliste 69 Ondes planes 71 Paquets d'ondes 72 Relations d'indétermination 75 Formalisme et postulats 81 Mathématiques 81 Valeurs et fonctions propres 81 Notation bracket 82 Opérateurs : 83 Postulats 84 Premier postulat 84 Second postulat 84 Troisième postulat 84 Quatrième postulat 84 Cinquième postulat 84 Sixième postulat 84 Septième postulat 85 Description théorique 85 Espace d'états 85 Laurent Jodoin, 2009 Université Laval CAUSALITÉ ET M ÉCAN IQUE Q U A N T I Q U E 6 Vecteur d'états 86 Contextes 86 Probabilités 87 Mesures 87 Les expériences 89 Le dualisme ou l'expérience de la double fente 89 L'indiscernabilité ou l'expérience des interféromètres 90 L'intrication ou l'expérience des photons corrélés 92 Causalité 98 Introduction 98 Classification 101 Considérations ontologiques 101 Considérations épistémologiques 105 David Hume sur la causalité 108 Présentation 108 Critique 112 Immanuel Kant sur la causalité 121 Présentation 121 Critique 125 Bertrand Russell sur la causalité 128 Présentation 128 Critique 132 Mario Bunge sur la causalité 135 Présentation 135 Critique 139 John L. Mackie sur la causalité 141 Présentation 141 Critique 147 Causalité probabiliste 150 Formation d'un concept de causalité 154 Légitimité épistémologique 154 Relata causal 158 Relation causale 160 Synthèse 162 Analyse des problématiques 164 Laurent Jodoin, 2009 Université Laval CAUSALITÉ ET MÉCANIQUE QUANTIQUE 7 Universalité 167 Prédictibilité 168 Sélection 169 Conclusion 169 Discussion 171 Introduction 171 Causalité et dualisme quantique 172 Causalité et indiscernabilité quantique 178 Causalité et intrication quantique 182 Conclusion 186 Conclusions générales 190 Bibliographie 197 Liste des figures Figure 1. Représentation de Minkowski 53 Figure 2. L'expérience de la double fente : distribution d'intensité selon x 68 Figure 3. Probabilité de trouver le paquet d'onde à la position x au temps t 74 Figure 4. Schéma d'un microscope à rayon y 76 Figure 5. Interféromètre de Mach-Zehnder équilibré 91 Figure 6. Schéma de l'expérience de Genève (tiré de Stefanov et al. 2002) 96 Laurent Jodoin, 2009 Université Laval CAUSALITÉ ET MÉCANIQUE QUANTIQUE Je préférais découvrir une seule loi causale que le roi de Perse. - Démocrite I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics - Richard Feynman Introduction La physique quantique a complètement bouleversé la physique moderne. Ces bouleversements ont atteint le cœur de la physique, voire de la science même, en remettant en question le principe de causalité. Pour plusieurs, ce principe serait à la base des explications, et a fortiori des explications scientifiques. Or, les expériences auxquelles se confronte la mécanique quantique sont déroutantes : deux expériences qui semblent identiques n'évoluent pas de même. Certains scientifiques ont ainsi affirmé les fondements de la liberté de la nature (P. Dirac), de la liberté humaine (P. Jordan), ou encore une logique à trois valeurs (H. Reichenbach). Ainsi, contrairement à la plupart des théories scientifiques, la mécanique quantique donne lieu à des « écoles de pensée ». Par ailleurs, elle a développé un formalisme mathématique tel qu'il est difficile de savoir sur quoi porte cette théorie. D'une axiomatique d'apparence plus ou moins arbitraire, elle s'appuie sur un symbolisme pour se concentrer sur ses prédictions. C'est-à-dire qu'elle utilise des entités mathématiques qui collent aux prédictions des expériences quantiques sans (vouloir) savoir à quoi renvoient vraiment ces entités abstraites. On le conçoit, la physique quantique dérange, mais est-elle iconoclaste au point de récuser les principes fondateurs de la science, au premier chef le principe de causalité, mais aussi la notion même d'objet ? À titre d'exemple, la mécanique quantique est d'ordinaire considérée comme une théorie reposant sur un indéterminisme. En effet, elle utilise des lois probabilistes et l'accès aux conditions initiales semble limité par Laurent Jodoin, 2009 Université Laval CAUSALITÉ ET M ÉCAN I Q U E Q U A N T I Q U E 9 le principe d'incertitude d'Heisenberg. Mais les probabilités sont-elles irréductibles ; l'indéterminisme est-il ontologique, épistémologique, méthodologique ? Ensuite, la description même d'une particule quantique pose problème. Certaines expériences révèlent des comportements corpusculaires, d'autres des comportements ondulatoires. Certains affirment ainsi que ces représentations, ondulatoire et corpusculaire, sont « complémentaires ». La théorie, du moins dans l'une de ses interprétations, dit même qu'une particule est dans plusieurs états superposés. Un peu comme si je pouvais être à la fois heureux et triste. Alors, à quoi réfère-t-on lorsqu'on parle d'« objet quantique » ? Enfin, des particules quantiques dites « corrélées » semblent communiquer à distance. Plus précisément, de deux particules quantiques « ayant interagi dans le passé », la mesure sur l'une de ces particules affecte inévitablement le résultat de la mesure sur l'autre particule. Un peu comme si deux anciens amants, séparés depuis longtemps, souffraient ensemble si l'un d'eux se heurtait le pied. Cet état de fait est communément appelé « non-localité » ou « non-séparabilité ». Mais s'agit-il d'une « communication » très rapide, d'une « entente » préalable, ou ni l'un ni l'autre ? Donc, les traits de cette théorie - comme la probabilité, la non-localité, la complémentarité - semblent aller à rencontre des conditions traditionnelles d'explication et de prédiction d'une théorie - au premier chef la causalité. Le caractère nouveau de la mécanique quantique suscite une attitude suspicieuse à son égard. C'est pourquoi maints scientifiques et philosophes ont tenté d'en éprouver la validité ou encore la complétude. Si ses prédictions se vérifient depuis uploads/Philosophie/ causalite-et-mecanique-quantique.pdf