Louis de Broglie, dans « Nouvelles perspectives en Microphysique »
« En 1927, je la considérais (l’onde pilote, dite « onde de Broglie ») comme une solution avec singularité des équations linéaires admises par la Mécanique ondulatoire pour l’onde Phi (onde dite « de probabilité de présence » par la physique quantique). Diverses considérations, et en particulier le rapprochement avec la théorie de la Relativité générale, m’ont fait penser que la véritable équation de propagation de l’onde de Broglie pourrait être non-linéaire comme celles que l’on rencontre dans la théorie de la gravitation d’Einstein, équation non-linéaire qui admettrait comme forme approximative l’équation linéaire de la Mécanique ondulatoire quand les valeurs de l’onde de Broglie seraient assez faibles. (…) Malheureusement ce changement de point de vue ne facilite pas la résolution des problèmes mathématiques qui se posent car, si l’étude des solutions à singularités des équations linéaires est souvent difficile, celle des solutions des équations non-linéaires est plus difficile encore. (…) Einstein a beaucoup insisté sur une propriété importante des équations non-linéaires. Si les équations d’un certain champ sont linéaires, on peut toujours trouver une solution à singularités de ces équations telle que la singularité ait un mouvement prescrit à l’avance. On pourra d’ailleurs ajouter à la solution à singularité une solution continue et cette adjonction n’aura aucune influence sur le mouvement de la singularité. Il n’en est plus du tout de même si les équations du champ sont non linéaires car on ne peut plus alors obtenir une solution en ajoutant plusieurs solutions : la non-linéarité crée une sorte de solidarité entre des solutions qui auraient été indépendantes si l’approximation linéaire avait été valable partout. Cette non linéarité explique que la singularité et l’onde de Broglie ne soient pas indépendantes comme elles le seraient s’il y avait linéarité et qu’elles restent en phase. (…) De plus, la non-linéarité, peu sensible dans le corps du train d’ondes, peut réapparaître sur leurs bords où les groupes de dérivées de l’onde de Broglie pourrait prendre de grandes valeurs ; il y a là aussi une circonstance qui peut s’opposer à l’étalement des trains d’ondes. Il apparaît donc qu’une théorie non linéaire des ondes de Broglie pourrait permettre d’obtenir des « groupes d’ondes sans étalement » représentant par exemple un corpuscule qui se déplacerait d’un mouvement rectiligne et uniforme sans perdre son onde (…) Nous avons vu que dans la théorie des ondes de Broglie, comme dans l’interprétation relativiste de la gravitation, la non-linéarité des équations de base doit jouer un rôle essentiel et seul pouvoir expliquer la solidarité de l’onde et du corpuscule. Nous sommes actuellement arrivés à l’image suivante. Un train d’ondes de Broglie, constituant un corpuscule au sens large du mot, serait une sorte d’unité étendue et organisée, un peu analogue à une « cellule » dans l’acception biologique du terme. Il comprendrait en effet essentiellement les trois parties suivantes : 1° une sorte de noyau, la région singulière, le corpuscule au sens étroit du mot, siège de phénomènes essentiellement non linéaires ; 2° une région environnante étendue, siège d’un phénomène sensiblement linéaire ; 3° une enveloppe constituant les bords des trains d’ondes où la non-linéarité jouerait peut-être à nouveau un rôle important. Or, ce me semble être l’intervention des phénomènes non linéaires qui donnerait à cette « cellule » son unité, sa solidarité et sa permanence. S’il est vrai que la non-linéarité soit la véritable clef de la Microphysique corpusculaire, on comprend aisément pourquoi la Physique quantique actuelle n’est pas parvenue à écrire le dualisme onde-corpuscule et a dû se contenter d’une description uniquement statistique et probabiliste des phénomènes de l’échelle atomique. Prenant a priori pour base des équations linéaires et ne sortant pas du domaine de l’analyse linéaire, la théorie actuelle fait disparaître les accidents locaux dus à la non-linéarité (tels que les régions singulières et éventuellement les bords abrupts de trains d’ondes), elle efface ainsi les structures corpusculaires et, incapable de saisir la véritable relation entre onde et corpuscule, elle ne peut plus aboutir qu’à des images continues à caractère statistique. (…) L’onde continue (…) ne comportant aucune région singulière (…) ne décrit pas vraiment la réalité physique. »
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Max Planck
Le gradualisme a reçu des chocs majeurs, en évolutionnisme avec la découverte des explosions de biodiversité des plans d’organisation comme à Burgess et à Ediacara, en structure de la matière avec la notion d’atome, d’agitation moléculaire et, en physique, avec la découverte par Faraday du nombre entier de lignes de flux du champ électrique traversant une surface, et surtout, avec, en microphysique, l’invention par Planck et Einstein des quanta – notion discontinue par excellence -, ainsi que l’étude des « transitions de phase » [1] en macrophysique permettant de sauter d’un état dans un autre et, enfin, le développement des connaissances sur la radioactivité naturelle montrant que les sauts de la matière microscopique ont des conséquences à notre échelle. Ces deux domaines des sciences (évolution de la vie et physique) qui étaient obligés de reconsidérer leur vision continue de l’univers allaient être suivis de nombreux autres. A chaque fois, il s’agissait de revenir à des nombres entiers d’unités, à des concepts discrets, à des phénomènes décrits comme des discontinuités. Les notions même d’espèce, d’ADN, de gène, de molécule, d’atome, de particule signalent de la même manière cette discontinuité fondamentale. On a une particule, un atome, une molécule, un nombre entier de ceux-ci. Sinon rien. Un quanta ou deux quanta, pas de terme intermédiaire. Un élément chimique ou un autre sans continuité entre eux. Réalisant le rêve des alchimistes, on sait aujourd’hui passer d’un élément à un autre de la classification de Mendeleïev, mais le passage est un saut : fusion ou fission nucléaire. Dans « La Recherche » de juillet 1970, Jacques Ruffié exposait « Le gène, élément discontinu ». La raison de fond de cette discontinuité est somme toute très simple : on n’a plus affaire qu’à des nombres entiers (de particules ou d’interaction). Ceux-ci ne peuvent décrire une réalité continue mais, au contraire, discrète. Ainsi, il n’y a pas toute une série d’étapes intermédiaires, très petites, qui précèdent l’émission radioactive brutale, l’explosion nucléaire ni le choc matière/antimatière qui sont tous des discontinuités. Il n’y en a pas non plus qui anticipent l’émission d’un photon par un atome ou par une particule de matière. Il en va de même lors de l’arrachage d’un électron à une molécule par un photon suffisamment énergétique (effet photoélectrique découvert et analysé par Einstein). Et, l’idée même de quanta de matière et de lumière a choqué par le caractère discontinu et non-linéaire de la causalité qu’ils découvraient. Citons par exemple le rapport d’Einstein au premier conseil de physique Solvay de 1911 : « Le résultat du paragraphe précédent peut se résumer ainsi : quand un corps échange de l’énergie par un mécanisme quasi périodique de fréquence µ, les propriétés statistiques du phénomène sont les mêmes que si l’énergie se déplaçait par quanta entiers de grandeur h fois µ. (...) Ces discontinuités qui rendent la théorie de Planck si difficiles à accepter semblent vraiment exister dans la nature. »
La principale découverte de la physique quantique en matière de discontinuité n’est pas le caractère discontinu de la matière ou de la lumière (les quanta). L’idée atomique la contenait déjà. C’est la découverte que les phénomènes fondamentaux de la matière sont fondés sur des sauts. Par exemple, l’électron saute brutalement d’un niveau à un autre de l’atome. S’il n’en était pas ainsi, l’électron rayonnerait de l’énergie et finirait pas chuter sur le noyau de l’atome. De nombreuses expériences comme l’émission de lumière par l’atome ou le choc de matière et de lumière ne peuvent s’expliquer que par un saut quantique. La discontinuité concerne non seulement la matière et la lumière mais aussi l’énergie et le mouvement. Ils sont tout aussi fondamentalement discontinus. Plus l’interaction concerne une importante quantité d’énergie, plus le caractère brutal et révolutionnaire du changement apparaît. Heisenberg rapporte ce dialogue dans « La partie et le tout, Le monde de la physique atomique » : Bohr : « Nous savons déjà depuis vingt-cinq ans ce que signifie la formule de Planck. Nous voyons les discontinuités, les bonds, dans les phénomènes atomiques de façon très directe, par exemple sur un écran à scintillation ou dans une chambre de Wilson. Nous voyons un éclair se manifestant brusquement sur l’écran, ou encore le passage brusque d’un électron à travers la chambre de Wilson. Vous ne pouvez pas tout simplement ignorer ces phénomènes discontinus et faire comme s’ils n’existaient pas. » Schrödinger : « Si ces damnés sauts quantiques devaient subsister, je regretterais de m’être jamais occupé de théorie quantique. »
Dans « Regards sur la matière », le physicien Etienne Klein rapporte le changement de point de vue qu’a représenté cette nouvelle physique : « Les calculs de Planck montrent que les échanges d’énergie électromagnétique sont portés par des grains, alors qu’on les croyait continus. Voilà la vraie révolution, qui ébranle la conviction que les physiciens avaient depuis Newton, selon laquelle on peut faire tendre une force vers zéro. (...) Max Planck fut extrêmement perturbé par sa propre conclusion. Il mit des années à accepter qu’il pouvait s’agir de quelque chose de plus profond qu’un simple artefact mathématique. C’est « dans le désespoir » (Max Planck, Physikalche Abhandlungen) qu’il vécut la perte – qui allait suivre – des instruments anciens de la raison et leur remplacement par des idées neuves. Sa constante injectait de la discontinuité dans des processus qui avaient toujours été perçus comme étant fondamentalement continus. (...) Planck fut aussi choqué que si on lui avait dit, par exemple, que la température d’un radiateur pouvait passer de dix à vingt degrés sans passer par aucune température intermédiaire ! Pourtant, il fallut bien se rendre à l’évidence (qui n’en était pas un) : le concept de continuité n’est pas un absolu. C’est à Planck que revient le mérite d’avoir porté le premier « une-deux » contre la continuité. (...) En 1905, Einstein conclut le « une-deux » de Planck par un uppercut décisif : il attribue au rayonnement lui-même, et non plus seulement aux seuls échanges d’énergie, une structure corpusculaire. Le rayonnement, essentiellement discontinu, est, d’après lui, formé d’un ensemble de corpuscules transportant chacun un quantum d’énergie. (...) Comment décrire le déroulement du processus d’émission (d’un photon par atome qui saute d’un état à un autre) si le champ rayonné sait d’avance ce que sera l’état final de l’atome ? A cette question, Bohr répondra qu’il faut renoncer à décrire le processus d’émission comme une histoire qui se déroule continûment dans le temps : il s’agit plutôt d’un bond, d’un « saut quantique », qu’il faut prendre comme un tout, sans chercher à l’analyser en étapes successives. »
L’exemple le plus connu d’intrusion brutale des concepts discontinus est bien la physique quantique. C’est même un problème de discontinuité qui lui a donné naissance : Planck avait constaté que la continuité était incompatible avec l’émission du corps noir, pourtant considérée jusque là comme un phénomène ondulatoire continu. « Les phénomènes du monde quantique ne sont pas continus mais abrupts. C’est pour cela qu’on les appelle « quantiques », d’un mot qui s’oppose à « continu ». Certains phénomènes ont lieu d’un coup, sans transition, comme par exemple l’émission d’un photon de lumière par l’atome. » expliquent les physiciens Georges Charpak et Roland Omnès dans « Soyez savants, devenez prophètes ». C’est l’existence de tels changements brutaux ayant lieu de façon discrète (unité par unité, sans fractionnement de l’unité), qui a amené la découverte des quanta. Les phénomènes quantiques, comme l’effet tunnel, l’effondrement du paquet d’ondes ou le saut quantique, sont inexplicables par une philosophie du continu. Les physiciens Georges Lochak, Simon Diner et Daniel Farge retracent ainsi dans « L’objet quantique » ce changement radical : « L’hypothèse des quanta voulait dire cette chose étrange que le mouvement des atomes n’évolue pas continûment mais par bonds discontinus : comme si une fusée ne pouvait s’élever progressivement au dessus de la Terre vers n’importe quelle orbite et ne pouvait atteindre que certaines orbites particulières en sautant brusquement de l’une à l’autre. (...) Einstein avait émis en 1905, à, partir des travaux de Planck, une hypothèse encore plus paradoxale que la sienne : il suppose que si les atomes absorbent et émettent l’énergie lumineuse par paquets, par quanta, c’est que ces quanta se trouvent déjà dans la lumière autrement dit les ondes lumineuses continues transportent leur énergie sous forme discontinue, concentrée dans des corpuscules de lumière, qu’on appelle photons. » Le quanta est la quantité minimale pour tout être physique du monde matière/lumière. Cela signifie que l’on ne peut passer que de un à deux, trois ou quatre … quanta. Il n’y a pas de quantité intermédiaire. Mais la physique quantique ne se contente pas de quantifier les objets, les particules et les ondes. Elle les mêle et, du coup, unifie l’univers par la discontinuité générale. Ainsi, elle permet de définir un temps minimum, le temps de Planck, et un espace minimum, la longueur de Planck. Il est impossible de rapprocher deux masses de moins de 10-33 cm et deux instants de moins de 10-43 secondes. La continuité de l’espace-temps n’est plus une image valable de l’univers. Le meilleur exposé du caractère novateur de cette nouvelle physique vient sans doute de son auteur. « Les postulats primitivement considérés comme la base évidente de toute théorie sérieuse furent remis en question plus tard (...) : le postulat de l’invariabilité des atomes, celui de l’indépendance réciproque du temps et de l’espace et celui de la continuité de toutes les actions dynamiques. » écrit le physicien Max Planck dans « Initiation à la physique ».
Avec la physique quantique, la discontinuité est devenue une propriété fondamentale de la matière. « L’hypothèse des quanta conduit à admettre qu’il y a dans la nature des phénomènes n’ayant pas lieu d’une manière continue mais brusquement et, pour ainsi dire, explosivement. » écrit le physicien Max Planck dans « Initiation à la physique ». « C’est pour essayer de retrouver la vérité sur des faits aussi simples mais fondamentaux que Planck introduisit dans la physique un élément de discontinuité là où la continuité semblait devoir régner. (...) L’hypothèse des quanta voulait dire cette chose étrange que le mouvement des atomes n’évolue pas continûment mais par bonds, et par bonds discontinus. » remarquent les physiciens Georges Lochak, Simon Diner et Daniel Farge dans « L’objet quantique ». Autrefois, il y avait les corpuscules, existant un par un, de manière discontinue et les ondes, étendues et continues. En microphysique, que reste-t-il de ces images : rien. Les particules ne sont plus des objets exactement localisés et les ondes ne sont pas des ondes de type électromagnétique mais des ondes de probabilité de présence de la particule discrète. Résultat, le continu n’a plus de réalité physique. L’onde électromagnétique est elle aussi fondée sur des particules et des couples particules/antiparticules du vide, discontinus donc même si l’onde de probabilité rend floue leur point de présence. Partout on rencontre ces grains que l’on appelle discrets. L’expression ne réfère pas à leur timidité mais à leur caractère fondamentalement discontinu, existant seulement par unités entières, des grains. Il n’y a pas deux grains accolés. Ils ne peuvent même pas se toucher. Les états de ces grains sont également discrets. Cela signifie qu’un état ne suit pas exactement l’état voisin. Il y a un saut [2] entre les deux car les états intermédiaires sont impossibles. La révolution des quanta (ces grains discrets) touche aussi bien la matière que la lumière (sous le vocable duquel on entendra toujours l’ensemble des rayonnements électromagnétiques). La lumière se révèle elle-même constituée de nombres entiers de quanta. Ce sont des grains appelés les photons. Là encore le choc est fondamental. Finies les ondes continues ! On capte la lumière dans des appareils qui enregistrent les arrivées. Un grain puis un autre, etc… Même dans des expériences d’interférences, réputées caractéristiques de phénomènes ondulatoires continus, le physicien Feynman remarque que l’écran ne reçoit les photons qu’un par un. L’interférence n’est pas continue mais le produit collectif d’interactions individuelles. Alain Boutot souligne cet aspect granulaire et discret dévoilé par la physique quantique : « Dans le cadre de la physique quantique, les formes d’interaction ne se propagent pas sous forme d’ondes, mais par l’intermédiaire de particules qu’on appelle les « quanta de l’interaction ». Plus précisément, un système interagit avec un autre en échangeant avec lui une (ou plusieurs) particules d’un genre bien défini, variable selon le type de l’interaction. (...) Les photons sont ce que l’on appelle les quanta de l’interaction électromagnétique. (...) La fécondité du concept de quantum du champ électromagnétique a, en effet, incité les physiciens à supposer que toutes les interactions étaient véhiculées par des quanta appropriés. (...) C’est ainsi que le physicien japonais Yukawa a postulé en 1935 l’existence d’un quantum, le méson, qui serait responsable de l’interaction forte, et donc de la cohérence des nucléons. A la fin des années 1930, le physicien O Klein étendit le modèle de Yukawa aux interactions faibles. Il supposa que l’interaction faible, responsable des transitions béta, mettait en jeu des bosons lourds chargés W- et W+ qui étaient échangés par les particules en interaction. »
Avec la physique relativiste, on a appris qu’aucune interaction ne peut aller plus vite que la lumière et qu’il n’y a jamais de relation immédiate entre deux objets de type matière ou lumière. Il faut un temps d’interaction. La transmission instantanée d’information n’existe pas. Il y a toujours un décalage. L’interaction est donc discontinue, car il n’existe pas d’objet s’étendant dans tout l’espace. Le continu n’est qu’une illusion. Dans la nature, il ne peut y avoir une série de valeurs successives d’un paramètre décrivant une dynamique qui soient toutes les valeurs numériques successives. Une telle situation signifierait que le paramètre en question s’établirait par une action immédiate, sans aucune médiation, et ne nécessitant aucune énergie, ce qui est impossible. Du moment que l’établissement de la valeur du paramètre provient d’une interaction, il nécessite un temps et aussi un temps de relaxation, c’est-à-dire un temps pendant lequel cette action ne peut plus être réalisée. Quelle en est la cause ? La réalisation d’une valeur d’un paramètre est l’établissement d’un ordre, d’une cohérence. Cela nécessite l’établissement autour d’un désordre en vertu des échanges d’entropie. L’établissement d’un paramètre d’ordre ne peut donc être continu. La physique quantique n’a fait que redécouvrir à son échelle cette constatation qui existe en fait à toutes les échelles. La mesure en un point d’un quanta nécessite un temps inversement proportionnel à l’énergie dépensée. Le quanta est donc le produit d’un temps et d’une énergie. Plus on veut détecter un quanta dans un temps court, plus il faut d’énergie. C’est l’inégalité bien connue d’Heisenberg. Elle indique qu’à chaque niveau on ne peut descendre en dessous d’une valeur minimale sans changer d’univers. Si la première version de cette physique avait conclu à un univers flou, il semble bien que l’interprétation à retenir soit plutôt un univers hiérarchique, avec passage par interaction d’une échelle à une autre.
Cette inégalité, d’une importance considérable en physique quantique, indique le caractère fondamentalement discontinu de l’univers que le physicien Cohen-Tannoudji appelle espace-temps-matière. Par exemple, en exposant que le produit du temps et de l’énergie ne peut descendre en dessous d’un minimum, elle ne permet de définir que des intervalles de temps aussi petit que l’on veut mais jamais infiniment petits. Voilà de quoi détruire la notion de continuité du temps fondée sur des intervalles de plus en plus petits. Il est physiquement impossible de concevoir un temps continu. Et ce pour deux raisons. Premièrement, il n’y a pas d’intervalles de plus en plus petits en temps. Cela nécessiterait, inversement, des énergies de plus en plus grandes, du fait de l’inégalité d’Heisenberg. Il n’y a pas non plus de temps ponctuel car cela nécessiterait cette fois une énergie infinie. En fait, quand on veut diminuer le temps, il faut changer de niveau d’univers. Au dessus du temps de Planck, nous sommes dans l’univers de la matière/lumière. En dessous, nous sommes dans le vide quantique. Et dans ce dernier, nous trouvons, plusieurs niveaux également : virtuel, virtuel de virtuel, etc… La représentation linéaire de la droite du temps n’est donc plus valable, car elle laisse entendre que le petit intervalle est simplement une fraction du grand. En fait, il y a des seuils avec changement qualitatif. Quand on dépasse ces limites, on entre dans un autre monde qui est plus … grand en énergie. D’où le fait que le monde des interactions très rapides nous soit très peu perceptible alors qu’il nécessite des énergies énormes. Le bon sens laissait entendre que l‘on perçoit d’autant mieux les phénomènes les plus énergétiques. Il en résulte que l’on ne peut pas agrandir l’intervalle pour aller regarder ce qui se passe aux petites échelles du temps. Au lieu de l’agrandissement, nous sommes contraints à l’agraindissement, comme dans tout domaine discontinu. C’est le cas d’une photographie qui est imprimée dans un journal. On ne peut que choisir le grain mais, de toutes les manières, on n’aura qu’une image fondée sur des points. Et encore, des points qui ne sont pas ponctuels, pas précis et plutôt approximatifs, des espèces de nuages de points. Tel est le réel, à petite comme à grande échelle.
Le quanta n’est donc pas un objet comme on l’entendait, c’est-à-dire défini par une position, une énergie, une vitesse définis avec une précision infinie. Sa caractéristique est le multiple entier d’une quantité élémentaire d’action appelée l’action ou la constante de Planck. Cela semble facile mais c’est très dérangeant. Au lieu de se mouvoir d’un point à un autre, la nature saute d’un, de deux, de trois quanta. Au lieu de tourner gentiment sur lui-même à une certaine vitesse, le corpuscule tourne d’un quanta, de deux, de trois, par crans successifs. Comment concevoir un objet qui tournerait de la même quantité autour de n’importe quel axe et par à coups d’un nombre entier de fractions de tours [3] ? Toute quantité qui semble évoluer continûment doit être produite par des sauts discontinus de la quantité d’action par augmentation ou diminution d’un nombre entier de la même quantité d’action. L’univers n’est pas le mouvement d’objets fixes. Ces « objets » qu’on disait élémentaires et en mouvement [4] ne sont eux-mêmes que du mouvement [5]. Il ne peut y avoir échange entre onde et corpuscule, deux identités aussi différentes, que si elles sont composées d’un même élément et c’est le mouvement. Or tout mouvement est une rupture, un saut !
Dans « Physique quantique et représentation du monde », le physicien Erwin Schrödinger résumait ainsi le bouleversement conceptuel de la physique quantique : « En partant de nos expériences à grande échelle, les physiciens en étaient arrivés (...) à formuler le postulat de la continuité de la description. C’est ce postulat de la continuité qui apparaît ne pas pouvoir être satisfait ! (...) C’est cette habitude de penser que nous devons rejeter. (...) En 1913, Bohr fut amené à supposer que l’atome passe brusquement d’un état à l’autre, et que, au cours d’une telle transition, il émet un train d’ondes lumineuses (...) Les faits observés ne peuvent donc pas être mis en accord avec une description continue dans l’espace et le temps. (...) Nos difficultés actuelles en physique sont liées aux difficultés conceptuelles bien connues qui s’attachent à l’idée du continu. (...) Si l’on considère le développement de la physique au cours du dernier demi-siècle, on a l’impression que la vision discontinue de la nature nous a été imposée en grande partie contre notre volonté. Nous paraissons être entièrement satisfaits du continu. Max Planck fut sérieusement effrayé par l’idée d’un échange discontinu qu’il avait introduite (1900) pour expliquer la distribution de l’énergie dans le rayonnement du corps noir. Il fit de grands efforts pour affaiblir son hypothèse et pour l’éliminer dans la mesure du possible mais ce fut vain. Vingt-cinq ans plus tard, les inventeurs de la mécanique ondulatoire entretinrent pendant un certain temps avec la plus grande ardeur l’espoir d’avoir préparé la voie à un retour de la description classique continue, mais de nouveau cet espoir fut déçu. La nature elle-même semblait rejeter une description continue (...). »
Pourquoi cette réticence si grande et durable à accepter ce que montrait l’expérience : la discontinuité ? La raison de fond réside dans les préjugés sociaux. La continuité est reliée à celle de progrès social et de stabilité alors que celle de discontinuité est reliée à celle de crise et de révolution. Prenons à témoin un géographe et un historien. « Certains considèrent la discontinuité comme l’application à l’espace de la notion de crise. La discontinuité géographique présente en effet dans l’espace les mêmes propriétés que la crise dans le temps. Si l’on se place du point de vue d’un observateur qui se déplace dans l’espace, c’est une « catastrophe » qui se produit en un lieu de faiblesse sous l’effet d’un catalyseur. Son apparition résulte très souvent d’avantage de processus internes au système (discontinuités endogènes) que de perturbations extérieures (discontinuités exogènes) »explique le géographe Jean-Claude François dans « Discontinuités territoriales et mise en évidence de système spatiaux ». Quant à l’historien Eric J. Hobsbawm dans « L’âge des extrêmes », il affirme que « Au 19ème siècle, siècle d’amélioration et de progrès bourgeois, la continuité et le gradualisme avaient dominé les paradigmes. Quelque soit le mode de locomotion de la nature, il ne faisait aucune place au saut. Le changement géologique et l’évolution de la vie sur terre avaient progressé sans catastrophes, par infimes accroissements (incréments) (...) La science du 20ème siècle a élaboré une image du monde très différente. »
Malgré ces obstacles intellectuels, culturels et sociaux, il a bien fallu admettre que la nature est discontinue. L’étude de la microphysique a particulièrement représenté un changement dans le sens de la discontinuité et des sauts brutaux. En étudiant la matière à petite échelle de l’espace, on a constaté les particularités étonnantes du passage d’échelle. Le phénomène se produisant en un temps long n’est pas la somme de petits phénomènes se produisant dans des fractions courtes de ce temps long. Il n’y a pas, à l’échelon supérieur, addition des propriétés de l’échelon inférieur. Chaque échelon n’est pas non plus indépendant. L’interaction a lieu dans les deux sens et pourtant les deux niveaux obéissent à des lois différentes. A petite échelle, on remarque des sauts (les fameux « sauts quantiques ») que l’on ne constate pas à grande échelle (l’échelle dite macroscopique qui correspond au monde tel que nous le voyons). A notre échelle, nous constatons d’autres types de sauts, par exemple de l’atome à la molécule, de la planète à l’étoile… Il n’y a pas toute une série d’étapes de la planète à l’étoile. Les sauts ont lieu d’un état à un autre, d’une structure à une autre, d’une position à une autre, d’une loi à une autre. Aussi étonnant et dérangeant que cela puisse paraître, une particule ne passe pas d’une position à la position voisine en transitant par toutes les positions intermédiaires. La particule peut réapparaître en un point, … avant d’avoir disparu du point précédent ! L’écoulement linéaire du temps était une illusion. Si on examinait les choses de manière linéaire, additive, on pourrait croire qu’à un moment il y a eu deux particules… On ne peut comprendre ce qui se passe que si on renonce à la continuité spatio-temporelle. Cette remarque étonnante se retrouve quand on examine l’atome. Là non plus, il n’y a pas de position fixe de la particule. Un électron ne tourne pas autour du noyau atomique mais se situe en des points du nuage atomique, en sautant brutalement d’un point à un autre, dans un mouvement quasi instantané. Ces mouvements sont si rapides que la particule peut sembler en même temps en plusieurs points et que son état apparaît comme une superposition d’états. L’outil de description de ce type de réalité est bien le nuage de points et non le segment ou le point.
Toute la réalité (matière, énergie et vide) est constituée de grains discrets [6]. L’aspect ondulatoire (interférences par exemple) n’est pas dû à une onde continue mais à une probabilité de présence de corpuscules, donc de particules discrètes. La notion de trajectoire continue (entre deux points, il y en a toujours un autre tout proche) d’une particule est également abandonnée. La continuité est la grande vaincue de la physique quantique. Toute matière, tout mouvement n’est rien d’autre qu’une somme de bonds discontinus. L’énergie n’est elle-même que la manifestation des sauts de la matière. La plus importante nouveauté de la physique quantique [7] , la découverte de la quantité élémentaire d’action de Planck, h, quantité qui est un produit d’une énergie par un temps, expose que les sauts les plus importants ont lieu dans un temps court. Et cependant, le physicien va travailler avec des outils mathématiques continus que sont les champs qui sont étendus à tout l’espace et définis point par point. Le « Dossier de La Recherche » de mai 2006, « Les particules élémentaires », expose ainsi : « La matière macroscopique n’est-elle pas symbolisée par les physiciens comme un ensemble de points matériels, de lieux où se concentre la masse ? En électromagnétisme, les mouvements de ces points peuvent être décrits grâce au concept de champ introduit par Faraday au milieu du 19ème siècle. Structure infinie étendue à l’ensemble de l’espace et du temps, le champ est devenu au fil des années un concept fondamental pour comprendre la matière. Mais il pose un problème. Comment, en effet, concilier ce concept, fondé sur des équations qui reposent sur la continuité, et la notion de particule, par essence discontinue ? » écrivent Sylvie Gruszow et Gilles Cohen-Tannoudji. Il citent ensuite la théorie quantique des champs, cette dernière tentative d’accommoder continu et discontinu. Cependant, comme nous le verrons, le véritable produit de cette théorie est celle des fluctuations quantiques du vide qui s’avèrent constituées de deux entités discrètes, particule virtuelle et antiparticule virtuelle. Le champ a donc comme véritable fondement la particule virtuelle, par essence discontinue. Dans cette physique, il n’y a ni segment continu ni point précisément défini, mais des nuages de points. Toutes ces images ne sont pas des idéalisations de la réalité, contrairement à ce qui est souvent dit. Ce sont des images fausses, même si elles ont certainement leur efficacité dans des situations particulières pour des problèmes précis. En effet, il faudrait une énergie infinie pour définir précisément un point. Et il faudrait également une énergie infinie pour définir un segment. Cela supposerait que les extrémités soient définies avec une précision infinie. Enfin, cela supposerait que ces points soient exactement alignés de façon fixe. Une fois encore, cela nécessiterait une infinité d’énergie pour qu’un mécanisme produise une telle fixité. Deux particules-points matériels pourraient se déplacer l’une vers l’autre et se toucher, ce qui est physiquement impossible. Le fait que deux particules ne puissent s’approcher infiniment près, appelé le principe de Pauli, provient de l’existence de contradictions au sein de la particule. Deux points matériels électrisés devraient pouvoir entrer en contact, ce qui n’est pas le cas. La contradiction est liée à la polarisation du vide autour de la particule. Cela signifie que l’entourage le plus proche d’une particule positive est négative. On appelle ce phénomène l’écrantage de la charge de la particule. Quand on s’approche, une attraction électromagnétique se transforme donc en répulsion et la particule d’électricité opposée ne peut plus approcher. Voilà pourquoi l’explication physique des phénomènes peut être fondée sur une description contrairement à ce que pensait l’école de Copenhague mais c’est une explication dialectique par négations combinées. Autour de la particule, on trouve sa négation sous forme de particules fugitives du vide. L’apparence d’onde provient de ces mouvements et ces apparitions/disparitions de particules virtuelles du vide, qui fondent cette apparence ondulatoire. L’onde, elle-même, est donc un mouvement de grains d’un univers inférieur à celui de la matière-lumière : le vide quantique, avec ses divers niveaux (virtuel puis virtuel de virtuel, etc). Le phénomène apparemment le plus continu est fondé uniquement sur des discontinuités, sur des contradictions dialectiques et sur une dynamique au lieu d’objets fixes.
Pour la physique, la discontinuité est devenue une composante inévitable de toutes les actions dynamiques et de leur capacité de sauter d’une solution à une autre. « Un système physique n’est susceptible que d’un nombre fini d‘états distincts et il saute d’un de ces états à l’autre sans passer par une série continue d’états intermédiaires. » expose le physicien et mathématicien Henri Poincaré dans « Les méthodes nouvelles de la mécanique céleste ». Cette remarque, Poincaré l’a faite à propos de la mécanique des astres, à propos de la terre, du soleil et de la lune), mais il l’a élargi au problème des trois corps, démontrant que la loi de la gravitation ne suscitait pas une seule trajectoire solution mais toute une famille de trajectoires avec possibilité de sauter de l’une à l’autre. La physique de l’électrodynamique quantique a montré que l’existence d’une multiplicité de solutions avec des sauts d’une solution à une autre était universelle. Non seulement, l’électron saute d’une couche à une autre de l’atome mais, isolé, sa propriété de masse (portée par le boson de Higgs) saute d’une position à une autre de l’espace, ou plutôt d’une particule fugitive du vide à une autre. Il saute également d’un état à un autre. Le saut implique que la dynamique passe d’une position à une autre ou d’un état à un autre sans jamais passer par les positions ou les états intermédiaires. Cette remarque fondamentale – selon laquelle tout changement, et également tout mouvement, est une discontinuité et une transformation qualitative à un niveau de la réalité – est loin d’être acquise dans la philosophie des sciences et dans celle de la société. On trouve à cela plusieurs raisons. Le plus souvent, le saut n’est pas évident parce qu’il est trop rapide, beaucoup plus rapide que la dynamique dans laquelle il s’insert. La physique est partie des « évidences sensibles » et elle a mis du temps à s’en détacher, comme le remarque le physicien Max Planck dans « L’image du monde dans la physique moderne » [8]. Les sens ont des limites de temps de réaction et sont déterminées par des modes de fonctionnement du cerveau qui reconstitue le réel. L’apparence de continuité est le produit d’illusions d’optique (continuité apparente des lignes, des couleurs, des formes, des changements, …). Des phénomènes, présentant des effets cumulatifs de quantités aléatoires assez petites, ressemblent à s’y méprendre à de la continuité, s’ils sont observés sur une grande échelle. La physique quantique allait même remettre en question le continu un domaine où il régnait : en physique ondulatoire, celle qui englobait la lumière, l’électricité et le magnétisme. Là encore, les quanta allaient se révéler à l’œuvre, agissant seulement par quantités entières et donc par sauts ! Non seulement, le transport d’énergie par la lumière se révélait, comme l’électromagnétisme, fondé sur des grains – les photons-, mais il s’avérait que chaque grain subissait des changements brutaux. Comme l’explique David Ritz Finkelstein dans l’ouvrage collectif « Le vide » : « La physique quantique traite de choses, le photon par exemple, qui ne sont pas complètement descriptibles et qui subissent des transitions spontanées. » On ne soulignera jamais assez combien ce caractère spontané est important et étonnant si on raisonne dans l’ancienne conception figée de la particule. Si le photon n’avait pas une structure complexe et contradictoire, il ne pourrait subir des transitions spontanées. En effet, c’est parce que le photon a une structure interne qu’il peut changer d’état sans action externe.
Le physicien et philosophe Eftichios Bitsakis, dans « Physique et matérialisme », en donne la raison : « La grandeur caractéristique de la mécanique quantique, la constante de Planck h, détermine le caractère discontinu des phénomènes quantiques. (...) Dans la théorie quantique des champs, le mouvement ne peut pas être défini en dehors des transformations des particules. (...) C’est ainsi que, si un électron est dévié d’une direction de mouvement dans une direction différente, cet événement est décrit comme « destruction » de l’électron initial, et comme « création » d’un autre électron, qui se met dans la nouvelle direction. (...) La physique contemporaine a mis aussi en lumière un aspect du mouvement, pressenti par la pensée dialectique : la discontinuité. » Plus qu’une discontinuité dans la matière-objet, il a fallu admettre une discontinuité dans les transmissions entre matières. C’est une remise en cause encore plus profonde puisqu’on se représentait les transmissions comme des ondes continues. « On dit souvent que la constante de Planck a fait apparaître du discontinu dans la matière (...) En réalité, le discontinu que découvre le physicien allemand affecte non la matière mais les interactions (...) Mais une discontinuité dans ce que nous appelons aujourd’hui les interactions, voilà qui apparaissait beaucoup plus difficile à admettre et provoqua une véritable « crise » de la pensée physique.(...) on découvrait que dans toute interaction il y a échange et, de plus, il existe un échange minimum au-dessous duquel il n’y plus d’interaction, (...) un quantum d’interaction (...). » expose le physicien Gilles Cohen-Tannoudji dans « Les constantes universelles ». Bertrand Russell affirme que « la continuité du mouvement ne peut consister dans l’occupation par un corps de positions consécutives à des dates consécutives. » Planck a en effet démontré que l’on ne pouvait pas concevoir d’action, de distance ni d’intervalles de temps infiniment petits et même que, dans tous ces domaines, il y avait un minimum appelé quantum d’action, distance de Planck, et temps de Planck. Du coup, la discontinuité s’est introduite partout en physique. Plusieurs niveaux de structure sont apparus et les sauts ont lieu aussi bien d’un groupe à un autre que d’un état à un autre. En effet, à partir du moment où les interactions ne peuvent se faire que par paquets d’une quantité minimale et non progressivement, graduellement, il n’y a plus que des sauts. Comme l’explique Engels dans « Dialectique de la nature », on ne peut plus dire qu’il y a parfois des sauts [9] parce qu’il y en a tout le temps. Ce qui compte c’est seulement l’échelle du saut. Si elle est très petite, une série de sauts de petite taille apparaît comme une continuité.
La discontinuité semble, avec la physique quantique, avoir triomphé en sciences et pourtant cela n’est pas aussi simple. La physique relativiste, par exemple, continue d’employer des notions continues du temps et de l’espace. Du coup, elle prête à l’univers infiniment plus de d’espace, de temps et … moins d’énergie que la physique quantique. On sait que les deux physiques, quantique et relativiste, divergent extrêmement sur l’énergie de l’univers. Pour la physique relativiste, l’existence du continuum d’espace temps courbé nécessite une densité d’énergie de 2x10-29 g/cm3 de densité d’énergie totale (total de la masse gravitationnelle et des autres formes d’énergie). Pour la physique quantique, l’énergie du vide, à lui seul du fait des fluctuations d’énergie des particules virtuelles, donne déjà 10 92 g/cm3 de densité d’énergie de l’univers.
MOTS CLEFS :
dialectique – discontinuité – fractales - physique quantique – relativité – chaos déterministe – atome – système dynamique – structures dissipatives – percolation – irréversibilité – non-linéarité – quanta – émergence – inhibition – boucle de rétroaction – rupture de symétrie - turbulence – mouvement brownien – le temps - contradictions – crise – transition de phase – criticalité - attracteur étrange – résonance – psychanalyse - auto-organisation – vide - révolution permanente - Zénon d’Elée - Antiquité - Blanqui - Lénine - Trotsky – Rosa Luxemburg – Prigogine - Barta - Gould - marxisme - Marx - la révolution - l’anarchisme - le stalinisme - Socrate - socialisme - religion
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MATIERE ET REVOLUTION
Les phénomènes physiques sont discontinus de manière fondamentale et générale. Le temps, l’espace, la matière, l’énergie, les interactions sont tous des phénomènes discontinus. C’est seulement les relations mathématiques entre des valeurs moyennes (qui n’ont pas d’existence physique directe) examinées à une échelle largement supérieure au phénomène qui peuvent donner une apparence de continuité, de régularité ou de linéarité.
Par exemple, en physique quantique, on peut citer comme phénomènes fondamentaux qui sont discontinus, brutaux, qualitatifs et pas seulement quantitatifs et non graduels : les collisions entre particules donnant deux photons, les sauts quantiques de l’électron dans l’atome, les transformations entre proton et neutron, les changements de forme du nuage électronique de l’atome, les émissions et absorptions de photons par les particules, les sauts quantiques qui déplacent la particule de masse au sein du nuage virtuel, les transformations d’un photon en un couple particule et antiparticule et inversement, les transformations d’un gluon, d’un méson, d’un pion en quark et antiquark, les absorptions/émissions de gluons ou de couples quark/antiquark par le proton, les apparitions/disparitions de couples matière et antimatière au sein du vide quantique, les échanges de photons virtuels, de gluons virtuels entre particules de matière, le changement de couleur des quarks, les transformations des états des neutrinos, etc….
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