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LIVRE UN - Chapitre 05 : La nature fait des sauts (ou le règne universel de la discontinuité)

Dernier ajout : 7 avril.

« La grande révolution de la théorie des quanta fut que des caractères de discontinuités furent découverts dans le Livre de la Nature, dans un contexte où tout autre chose que la continuité apparaissait comme absurde d’après les vues admises jusqu’à ce moment. »

Le physicien Erwin Schrödinger dans « Qu’est-ce que la vie ? »

Le physicien Jean Perdijan expose dans « Les grandes idées de la Physique » : « La notion de continu paraît d’origine intuitive en géométrie. Elle ne s’applique en rigueur que si l’ensemble des points considérés jouit à la fois de la connexité et de la compacité. La connexité, c’est la possibilité de passer d’un point à un autre sans quitter la figure ; la compacité, c’est la totalité excluant une limite qui se situerait hors de l’ensemble. » Quelle est la différence avec la discontinuité ? Le mathématicien Ian Stewart l’explique ainsi dans « Dieu joue-t-il aux dés ? » : « La continuité est l’étude des changements réguliers, progressifs, la science du non-brisé. Les discontinuités sont soudaines, dramatiques : des endroits où un minuscule changement au niveau de la cause produit un énorme changement au niveau de l’effet. »

"Pratiquement toutes les manifestations biologiques suivent des rythmes. Certains rapides, d’autres lents. mais pratiquement aucun phénomène biologique ne se déroule selon une cinétique continue et linéaire."

Ladislas Robert dans "Le temps en biologie", extrait de "Le temps et sa flèche"

Nous avons tous en tête des exemples de phénomènes naturels continus et d’autres discontinus, tout cela au moins apparemment. mais qu’en est-il au niveau fondamental ? Y a-t-il illusion du continu ? Y a-t-il production du discontinu par le continu ? Ou inversement ? L’un des deux est-il, au niveau fondamental, simple apparence ?

Pas de suspense : nous répondons ici qu’il n’existe au niveau réel (et non apparent) aucune continuité dans l’univers ni dans l’univers de notre pensée ni dans l’univers de nos sociétés, et que la continuité n’est qu’apparence....

Avez-vous déjà regardé le cheminement d’un escargot. Rien d’aussi continu, lent et régulier, à vitesse constante ... en apparence. Quand l’escargot laisse une trace humide sur un sol sec vous regardez la trace. Etonnement ! Elle est discontinue, alternant bande sèche et bande humide. Le mouvement continu est physiquement impossible, car il nécessite qu’il n’y ait qu’une action à sens unique, aucune interaction, aucun relâchement. Cela n’existe ni dans le vivant ni dans l’inerte. Un effort physique permanent sans rupture n’a pas d’existence réelle. Le neurone doit s’arrêter un certain temps. L’atome ne peut émettre en permanence ni recevoir en permanence. Or la seule chose qui arrive à l’atome ou à la particule, c’est d’émettre et de recevoir. Ces phénomènes se déroulent dans un temps limité suivi d’une période où il ne peut plus le faire. L’effort continu est une image inadéquate des phénomènes. Elle apapraît quand un grand nombre d’éléments agissent en même temps, construisant cette illusion de continuité, comme les molécules d’eau (discontinues) donnent l’illusion de l’ eau qui coule du robinet (phénomène apparemment continu).

A notre échelle, la surface d’une table ou d’un lac apparaissent continus mais cela ne correspond nullement à la réalité fondamentale qui est une agitation de molécules en tout sens.

On a longtemps cru au mouvement sur des trajectoires et capable de suivre ainsi une certaine continuité. La physique quantique a détruit cette croyance même si bien des auteurs continuent à y croire. Et pourtant à notre échelle, on peut continuer à travailler à partir de l’apparence des trajectoires continues pour décrire le mouvement de la terre autour du soleil. cette apparence de continuité est efficace parce qu’il s’agit d’un très grand nombre d’atomes. Le mouvement de la terre n’est pas plus continu pour autant que celui d’une particule en physique quantique mais ils ne produisent pas une illusion à la même échelle.

"S’il n’y a pas de bonds dans la nature, c’est précisément parce que la nature ne se compose que de bonds."

Engels dans "Dialectique de la nature"

"Bien que nous ayons beaucoup de preuves en faveur de l’existence de discontinuités, nous continuons à envisager l’évolution humaine sous la forme d’une transition en douceur d’un type d’ancêtre humain à un autre. (…) En fait, il n’en a probablement pas été ainsi. "

Christopher Wills dans "La sagesse des gènes, nouvelles perspectives sur l’évolution"

"Contrairement à ce que l’on entend souvent dire, le discontinu que Planck découvre ici (avec les quanta) affecte non la matière, mais les interactions. (...) Les calculs de Planck montrent que les échanges d’énergie électromagnétique sont portés par des grains, alors qu’on les croyait continus. (...) Ce que Planck découvre, c’est que dans toute interaction il y a échange et, de plus, qu’il existe un échange minimum au-dessous duquel il n’y a plus d’interaction. (...) 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 échanges d’énergie, une structure corpusculaire. Le rayonnement, essentiellement discontinu, est, d’après lui, formé d’une ensemble de corpuscules transportant chacun un quantum d’énergie. (...) Le rayonnement n’est pas émis d’une manière continue."

Etienne Klein dans "Regards sur la matière"

LA DISCONTINUITÉ DE LA LIAISON SYNAPTIQUE ENTRE NEURONES

1. Mitochondrie

2. Vésicule synaptique avec des neurotransmetteurs

3. Autorécepteur

4. Fente synaptique avec neurotransmetteur libéré (ex : sérotonine ou dopamine)

5. Récepteurs postsynaptiques activés par neurotransmetteur (induction d’un potentiel postsynaptique)

6. Canal calcium

7. Exocytose d’une vésicule

8. Neurotransmetteur recapturé

Le saut du kangourou n’est pas une exception. Le nourrisson en fait autant : lire sur la croissance saltatoire du nourrisson. et la croissance saltatoire de l’enfant. Ou encore la conduction saltatoire du neurone. La théorie de l’évolution a sa version saltatoire également. La progression par bonds caractérise la matière microscopique (quantique) aussi bien que tout phénomène possédant en son propre sein des mécanismes d’inhibition (propres à bloquer le mouvement et le changement). Dans ce cas, la transformation est brutale, violente, et rare. Elle est dite discontinue. Mur de domaine magnétique, singularités biologiques, solitons (vague isolée en mer, singularité en théorie quantique des champs, en optique non-linéaire, en télécommunications, en ondes acoustiques, en diffusion des neutrons, etc…), transition de phase, criticalité auto-organisée, changement non-linéaire, émergence de structure, discontinuités géologiques (nommées Moho, Gutenberg, Lehmann) de la structure de la Terre, interactions des atomes, des particules, des molécules, des cellules, des neurones, de la croissance, de la conscience, de la psychologie et de la société humaine, la discontinuité est une caractéristique fondamentale de l’univers et elle est fondamentalement dérangeante pour l’esprit, pose des problèmes philosophiques profonds comme la question de la causalité, de l’interaction sans contact, la question du temps et de l’espace.

Sauts quantiques d’un matériau en rupture par fissuration

La faille de San-Andreas est une manifestation spectaculaire des tremblements de terre qui marquent les mouvements des plaques. Ceux-ci, loin d’avoir lieu de manière continue, sont bloqués par frottement et ne se produisent qu’au cours de tremblements de terre qui sont des discontinuités de toutes les tailles.

LA PHYSIQUE QUANTIQUE ET LA DISCONTINUITÉ NATURELLE

Enoncé de Poincaré, dans son article « L’hypothèse des quanta » :

« L’énergie est égale au produit de la fréquence par l’élément d’action. (...) Le quantum d’action est une constante universelle, un véritable atome. (...) 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. (...) l’ensemble des points représentatifs de l’état du système est une région (...) dans laquelle les points sont si serrés qu’ils nous donnent l’illusion de la continuité. (...) ces points représentatifs isolés ne doivent pas être distribués dans l’espace de façon quelconque (...) mais de telle sorte que le volume d’une portion quelconque de matière demeure constant. (...) L’état de la matière pondérable pourrait varier d’une manière discontinue, avec un nombre fini d’états possibles seulement. (...) L’univers sauterait donc brusquement d’un état à l’autre ; mais dans l’intervalle, il demeurerait immobile, les divers instants pendant lesquels il resterait dans le même état ne pourraient plus être discernés l’un de l’autre : nous arriverions ainsi à la variation discontinue du temps, à l’atome de temps. (...) Si plusieurs points représentatifs constituent un domaine élémentaire insécable dans l’extension en phase, alors les états du système que ces points représentent constituent nécessairement, eux aussi, un seul et même état. »

Louis de Broglie dans "la nouvelle physique et les quanta" : "Si la théorie électromagnétique sous la forme de Lorentz était réellement applicable aux particules élémentaires d’électricité, elle permettrait de calculer sans aucune ambiguité les rayonnements émis par un atome du modèle planétaire de Rutherford-Bohr. (...) l’atome perdant constamment de l’énergie sous forme de radiation, ses électrons viendraient tous très rapidement tomber sur le noyau et la fréquence des rayonnements émis varierait constamment d’une façon continue. l’atome serait instable et il ne pourrait exister des raies spectrales à fréquences bien définies, conclusions absurdes. Pour éviter cette difficulté essentielle, M. Bohr a admis que l’atome dans ses états stationnaires ne rayonne pas, ce qui revien tà nier la possibilité d’appliquer la théorie électromagnétique du rayonnement au mouvement orbital des électrons sur leurs trajectoires stables. (..) Bohr a résolu la question des fréquences des raies spectrales grâce à l’hypothèse que chaque transition entre états quantifiés s’accompagne de l’émission d’un quantum d’énergie radiante. (...) En d’autres termes, d’après la théorie quantique, l’émission des raies spectrales d’un corps simple est discontinue et procède par actes individuels isolés."

Lochak, Diner et Fargue dans « L’objet quantique » : « La théorie des quanta s’est développée simultanément de deux manières différentes. La première consiste à mettre en avant l’existence d’états discontinus dans le monde microphysique et de transitions entre ces états. La seconde consiste plutôt à mettre en avant le fait que les propriétés corpusculaires et ondulatoires (…) se trouvent mêlées l’une à l’autre dans tous les domaines. Les deux façons s’imbriquent donc étroitement. (…) Planck introduisit dans la physique un élément de discontinuité, là où la continuité semblait devoir régner. D’après lui, un atome ne pouvait absorber petit à petit, continûment, de l’énergie lumineuse : il ne pouvait le faire que par paquets, par quanta, dont la valeur extrêmement petite, mais quand même finie, était déterminée par une constante qu’il désigna par h : la célèbre constante de Planck. (…) 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. »

DARWIN ET LE GRADUALISME

« S’il pouvait être démontré qu’il existe un organe complexe qui n’aurait pas du être formé par une succession de nombreuses petites modifications, alors ma théorie s’effondrerait totalement. » affirmait Charles Darwin dans « De l’origine des espèces »

« Vous vous êtes encombré d’une difficulté inutile en adoptant le précepte selon lequel ’’la nature ne fait pas de sauts’’ sans la moindre réserve. » écrivait Thomas Henry Huxley à son ami Charles Darwin

« Sur des sujets aussi fondamentaux que la philosophie générale du changement, la science et la société travaillent habituellement la main dans la main. (…) Les hommes de savoir transposèrent dans la nature le programme libéral de changement lent et ordonné qu’ils préconisaient pour la transformation de la société humaine. (…) Dans son argumentation en faveur du gradualisme comme rythme presque universel, Darwin dut employer la méthode caractéristique de Lyell : le rejet de la simple apparence et du bon sens au profit d’une réalité sous-jacente. Contrairement à ce qu’accréditent les mythes en vogue, Darwin et Lyell n’étaient pas les héros de la vraie science, défendant l’objectivité contre les élucubrations théologiques des « catastrophistes » comme Cuvier et Buckland. Les catastrophistes étaient des hommes aussi soucieux de vérité scientifique que les gradualistes. »

Stephen Jay Gould dans « Le pouce du panda »

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CHAOS DÉTERMINISTE ET DISCONTINUITÉ

L’attracteur de Lorenz du climat est l’exemple le plus simple de dynamique où un apparent désordre est le produit de lois non-linéaires. L’attracteur n’est pas une trajectoire. Il se constitue de manière discontinue, points par points et saute d’une partie de la courbe à une autre. c’est pour cela que l’on parle d’"attracteurs étranges".

Ilya Prigogine et Isabelle Stengers, dans « Entre le temps et l’éternité » :

« Jusqu’à ces dernières années, on croyait que les seuls attracteurs possibles correspondaient à des variétés continues, telles que lignes, surfaces et volumes. Mais la découverte des « attracteurs étranges » a ouvert des nouvelles. Les attracteurs étranges ne sont pas caractérisés par des dimensions entières, comme une ligne ou une surface, mais par des dimensions fractionnaires. Ce sont ce que, depuis Mandelbrot, on appelle des variétés fractales. »

ATTRACTEUR DE LORENZ DU CLIMAT

Yakov G. Sinaï explique l’attracteur étrange du climat ou attracteur de Lorenz dans « L’aléatoire du non-aléatoire », article de l’ouvrage collectif « Chaos et déterminisme » : « Ces attracteurs étranges se manifestent dans de nombreux problèmes de la physique, de l’hydrodynamique, de la biologie, de la chimie, etc. (…) En 1963, le météorologue américain E. N. Lorenz a publié un travail dans lequel il obtenait un système de trois équations différentielles ordinaires, nommé ultérieurement système de Lorenz, qu’il étudiait à l’aide d’un ordinateur. (…) On peut considérer que c’est là le système le plus simple d’équations différentielles non linéaires. Lorenz a déduit ce système d’équations à partir du problème bien connu de la convection d’un gaz ou d’un liquide placé entre deux plaques horizontales et chauffé par le bas (convection de Bénard-Rayleigh). (…) Le modèle de Lorenz fournit un exemple typique d’attracteur étrange. (…) La trajectoire effectue des tours à droite, puis quelques tours à gauche, puis, de nouveau, quelques tours à droite et ainsi de suite de manière irrégulière. (…) Sur l’attracteur lui-même, le mouvement a un caractère instable (…) en feuillets séparés, avec une topologie lacunaire, (…) ce qui a amené à appeler cette structure topologique peu ordinaire « attracteur étrange », selon la définition donnée dans le célèbre article de D. Ruelle et F. Takens « Sur la nature de la turbulence » en 1971. »

Relaxation de la longueur d’une molécule d’ADN torsadée lorsque l’ATP est à basse concentration. On observe une relaxation par pas correspondant à chaque cycle catalytique d’une seule enzyme. Une fois encore, on observe que la nature fait des sauts entre des états discrets.

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