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Pourquoi Einstein affirmait que « dieu ne joue pas aux dés » ?

dimanche 19 février 2017, par Robert Paris

Pourquoi Einstein affirmait que « dieu ne joue pas aux dés » ?

Tout d’abord, il faut rappeler qu’Einstein ne croyait pas en dieu et que son souci, dans cette affirmation, ne concernait nullement les croyances religieuses, contrairement à l’apparence, mais les théories physiques qui commençaient à dominer, en particulier dans la physique quantique naissante et dans celle développée par « l’école de Copenhague », à la suite de Bohr, Heisenberg et autres physiciens de leur bord. Cette célèbre phrase d’Albert Einstein a été lancée au congrès Solvay de 1927 (« Gott würfelt nicht ») et Einstein exprimait ainsi son opposition à l’interprétation probabiliste de la mécanique quantique par l’École de Copenhague autour de Niels Bohr. voir ici cette controverse

Einstein résumait sa critique ainsi en 1949 :

« Les physiciens contemporains sont convaincus qu’il est impossible de rendre compte des traits essentiels des phénomènes quantiques (changements apparemment discontinus et non déterminés dans le temps de l’état d’un système, propriétés à la fois corpusculaires et ondulatoires des entités énergétiques élémentaires) à l’aide d’une théorie qui décrit l’état réel des choses au moyen de fonctions continues soumises à des équations différentielles. [...] Surtout, ils croient que le caractère discontinu apparent des processus élémentaires ne peut être représenté qu’au moyen d’une théorie d’essence statistique, où les modifications discontinues des systèmes seraient prises en compte par des modifications continues des probabilités relatives aux divers états possibles. »

Einstein employait volontiers le terme de "dieu" pour parler des lois de la nature. L’expression « Subtle is the Lord » d’Einstein, plutôt qu’un signe d’admiration de dieu, voulait dire que le fonctionnement de la nature est subtil, difficile à décrypter, mais n’est pas dépourvue de sens… Il ne veut nullement dire que la nature obéit à une divinité.

Einstein déclare en effet : « Ce que vous avez lu sur mes convictions religieuses était un mensonge, bien sûr, un mensonge qui est répété systématiquement. Je ne crois pas en un Dieu personnel et je n’ai jamais dit le contraire de cela, je l’ai plutôt exprimé clairement. S’il y a quelque chose en moi que l’on puisse appeler "religieux" ce serait alors mon admiration sans bornes pour les structures de l’univers pour autant que notre science puisse le révéler. » (dans Le côté humain, Éd.Helen Dukas et Banesh Hoffman, lettre du 24 mars 1954.)

Ou encore : « Le mot Dieu n’évoque, pour moi, rien d’autre que l’expression et le résultat de la faiblesse humaine, et la Bible, une collection de légendes honorables, mais primitives et assez naïves. » (Einstein dans une lettre au philosophe Eric Gtkind, 1954)

Il écrit : « Je ne peux pas imaginer un Dieu qui récompense et punit l’objet de sa création. Je ne peux pas me figurer un Dieu qui réglerait sa volonté sur l’expérience de la mienne. Je ne veux pas et je ne peux pas concevoir un être qui survivrait à la mort de son corps. Si de pareilles idées se développent en un esprit, je le juge faible, craintif et stupidement égoïste. »

Pour Einstein « dieu ne joue pas aux dés » signifie seulement « la nature n’obéit pas au pur hasard ».

La profession de foi d’Einstein, citée plus haut, est d’abord un acte de confiance dans le déterminisme du fonctionnement naturel et dans la capacité de la science développée par l’homme d’accéder aux bases mêmes de la rationalité qui dirige le mécanisme de la nature.

Dans l’histoire de la démarche scientifique, tout l’effort des chercheurs avait consisté à tenter de déceler, derrière l’apparent désordre ou l’apparent hasard, des manifestations de lois.

Eh bien, les premiers développements de la physique quantique avaient semblé développer un effort complètement inverse, introduisant le désordre dans l’ordre, l’indéterminisme dans le déterminisme et le hasard partout…

Déterminisme et physique quantique se sont d’abord opposés :

Ainsi, Max Born :

« Il est clair que le dualisme onde-corpuscule et l’incertitude essentielle qu’il implique nous obligent à abandonner tout espoir de conserver une théorie déterministe. La loi de causalité… n’est plus valable, du moins au sens de la physique classique. Quant à la question de savoir s’il existe encore une loi de causalité dans la nouvelle théorie, deux points de vue sont possibles. Soit, on persiste à envisager les phénomènes à l’aide des images d’onde et corpuscule, alors la loi de causalité n’est plus valable… La loi de causalité est donc sans contenu physique ; la nature des choses impose que la physique soit indéterministe. »

Ou encore John von Neumann :

« En physique macroscopique, aucun expérience ne peut prouver la causalité, car l’ordre causal apparent n’y a pas d’autre origine que la loi des grands nombres, et cela tout à fait indépendamment du fait que les processus élémentaires, qui sont les véritables processus physiques, suivent ou non des lois causales… C’est seulement à l’échelle atomique, dans les processus élémentaires eux-mêmes, que la question de la causalité peut réellement être mise à l’épreuve : mais, à cette échelle, dans l’état actuel de nos connaissances, tout parle contre elle, car la seule théorie formelle s’accordant à peu près avec l’expérience et la résumant est la mécanique quantique qui est en conflit avec la causalité… Il ne subsiste aujourd’hui aucune raison permettant d’affirmer l’existence de la causalité dans la nature. »

« Il n’y a pas pour le moment d’occasion de parler de causalité dans la nature, parce qu’il n’y a pas d’expérience qui indique sa présence. »affirme aussi Niels Bohr dans « Théorie atomique et description de la nature ».

Voici ce que raconte Heisenberg en évoquant le congrès Solvay de 1927 :

« … Ce qu’Einstein ne voulait pas admettre, c’est qu’il fût fondamentalement impossible de connaître tous les paramètres nécessaires à une détermination complète des processus. ‘ Dieu ne joue pas aux dés ‘, dit-il souvent dans ces discussions. Einstein ne pouvait donc pas se résigner à accepter les relations d’incertitude, et il s’efforçait d’imaginer des expériences où ces relations ne pussent pas être appliquées. Nos controverses commençaient en général déjà tôt le matin, Einstein nous exposant au petit-déjeuner une nouvelle expérience idéale susceptible, à son avis, de contredire les relations d’incertitude. Bien entendu, nous commencions immédiatement à analyser cette expérience ; et sur le chemin vers la salle de conférence, où j’accompagnais en général Bohr et Einstein, une première clarification de la question posée et de l’affirmation formulée était réalisée. Au cours de la journée, de nombreuses discussions étaient menées sur ce problème, et en général nous arrivions le soir à un point où Bohr pouvait prouver à Einstein, au cours du dîner, que l’expérience envisagée ne pourrait pas aboutir à une réfutation des relations d’incertitude. Einstein était alors quelque peu inquiet, mais déjà le matin suivant, au petit-déjeuner, il avait une autre expérience idéale toute prête à nous proposer, plus compliquée que la précédente, et à son avis susceptible de démentir définitivement les relations d’incertitude. Cette tentative devait échouer le soir-même, tout comme la précédente, et après que ce jeu eut continué pendant quelques jours, Einstein s’entendit dire par son ami Paul Ehrenfest, un physicien de Leyde (Pays-Bas) : ‘ Einstein, j’ai honte pour toi ; car tu argumentes maintenant contre la nouvelle théorie quantique exactement de la même manière que tes adversaires contre la théorie de la relativité. ’ Mais même cet avertissement amical ne devait pas modifier l’attitude d’Einstein. À nouveau, je réalisai à quel point il est difficile pour un physicien d’abandonner les idées qui ont jusque-là constitué la base de sa pensée et de son travail scientifique. Pour Einstein, l’œuvre de sa vie avait consisté à analyser ce monde objectif des phénomènes physique qui se déroulent dans le temps et l’espace, indépendamment de nous, selon des lois fixes. Pour lui, les symboles mathématiques de la physique théorique devaient reproduire ce monde objectif et, par conséquent, rendre possibles des prédictions concernant son comportement futur. Et maintenant, on venait lui affirmer qu’au niveau des atomes un tel monde objectif, dans l’espace et le temps, n’existait pas ; et que les symboles mathématiques de la physique théorique ne pouvaient reproduire, à ce niveau, que le possible et non le réel. Einstein n’était pas prêt à accepter qu’on lui enlevât – c’est ce qu’il devait ressentir – le sol sous les pieds. Même plus tard, lorsque la théorie quantique était depuis longtemps devenue une composante stable de la physique moderne, Einstein ne put modifier son point de vue. Il voulait bien admettre la théorie quantique comme une explication provisoire, mais non pas comme une interprétation définitive, des phénomènes atomiques. ‘ Dieu ne joue pas aux dés ‘, c’était là pour Einstein un principe immuable et inébranlable. Bohr ne put que répondre : ‘ Mais ce n’est pas à nous de prescrire à Dieu comment Il doit gouverner le monde. »

On retrouve ces tendances, à affirmer que « dieu jouerait aux dés », aussi bien dans le caractère dispersé de l’onde qui caractérise aussi les particules, dans l’impossibilité de descendre en précision en dessous des contraintes liées aux « inégalités d’Heisenberg », dans le caractère probabiliste de la présence d’une particule en un point ou dans une zone, dans le caractère probabiliste de la fonction d’onde, dans le fait qu’on ne peut pas suivre en continu une particule dans sa trajectoire, dans le fait qu’il ne s’agit pas de l’évolution d’un état quantique mais de sauts d’une série d’états superposés à une autre série d’états superposés qui ne permettent nullement de décider lequel sera choisi lors de la mesure, etc...

Dans tous les domaines d’étude quantique, cette première version de la physique quantique a semblé trancher en faveur de l’indéterminisme et du hasard.

Mais est-il réel que la thèse d’Einstein anti-hasard pur ait finalement échoué et celle de Bohr ou Heisenberg réussi ?

Tout d’abord, aujourd’hui, la physique est capable de démontrer que l’apparent hasard n’est pas distinguable simplement du produit de lois dites du « déterminisme chaotique ».

Deux des plus grands physiciens, Albert Einstein et Henri Poincaré, ont montré qu’un apparent désordre dominait la physique ôtant sa prédictibilité au déterminisme. « Dès que l’instabilité est incorporée, la signification des lois de la nature prend un nouveau sens. Elles expriment désormais des possibilités. Elles affirment le devenir et non plus seulement l’être. Elles décrivent un monde de mouvements irréguliers (...). Ce désordre constitue précisément le trait fondamental de la représentation microscopique applicable aux systèmes auxquels la physique avait, depuis le 19ème siècle, appliqué une description évolutionniste (...). » défend le physicien-chimiste Ilya Prigogine dans « La fin des certitudes ».

Ensuite, la physique a démontré dans de nombreux domaines que l’ordre et le désordre, loin de s’oppose de manière diamétrale, se combinent sans cesse. On le voit dès qu’on étudie la thermodynamique. On le voit également en chimie. On le voit encore en physique quantique.

Car cette dernière n’est nullement le domaine du hasard pur, de l’indéterminisme, comme on a voulu le faire croire longtemps…

Déjà les inégalités de Heisenberg ne sont nullement la manifestation d’un indéterminisme fondamental à la matière/lumière, mais l’affirmation que le déterminisme concerne des quanta et pas des énergies, des masses en mouvement de type mécanique.

Le principe d’incertitude d’Heisenberg n’invalide pas (à lui seul) le déterminisme universel. En effet : une intelligence intérieure à l’univers ne sera probablement jamais en mesure de connaître exactement l’état de l’univers entier à un instant donné, mais cela n’invalide en rien la théorie du déterminisme universel, puisque la possibilité de connaître l’état de l’univers n’est ni un prérequis ni une conséquence nécessaire du déterminisme universel. La physique quantique est un modèle empirique et statistique qui décrit le comportement des particules et des rayonnements sans rien dire de leur nature intrinsèque.

Toutefois, contrairement à l’hypothèse du déterminisme classique, le principe d’incertitude semble impliquer que l’Univers obéit au libre jeu du hasard et de la nécessité. Albert Einstein affirma à ce sujet : « Dieu ne joue pas aux dés », ce à quoi Niels Bohr répondit : « Einstein, cessez de dire à Dieu ce qu’il doit faire ! » (selon d’autres : « Comment savoir à quoi Dieu joue ? »). Mais la physique quantique n’invaliderait que le déterminisme universel : le déterminisme régional reste un principe d’explication physique incontournable pour nombre de phénomènes.

Il est impossible de savoir dans quel état va être une particule que l’on va capter, impossible de prédire à quel moment un atome excité va émettre un photon, impossible de deviner à quel moment un noyau radioactif instable va se décomposer de manière radioactive, impossible de prévoir si un photon va traverser le miroir ou se réfléchir, etc… Les physiciens espéraient que leur science allait devenir prédictible en atteignant le niveau des particules. Au contraire, plus on s’approche des particules dites élémentaires, plus l’imprédictibilité s’accroît !

Cela ne veut pas dire que l’agitation trépidante de tels phénomènes les rende inaptes à l’étude et sujets seulement à la contingence. Tout n’est pas possible, loin de là. Une loi permet de déterminer les possibles mais pas de trancher celui qui sera adopté par la dynamique. Car ce qui le choisit, c’est la loi du niveau inférieur. La dynamique est décrite seulement par des lois dites statistiques parce qu’elle découle d’un phénomène déterministe rapide imbriqué (interactif, contradictoire et combiné) dans un phénomène déterministe beaucoup plus lent. Croyant que le caractère statistique des lois menait à l’indéterminisme, les physiciens avaient déjà manifesté leur rejet de cette façon de voir face aux découvertes du physicien Ludwig Boltzmann qui étudiait l’agitation moléculaire.

C’est le quanta qui est fondamental or il a pour dimension une « action », c’est-à-dire le produit de deux dimensions qui étaient classiquement considérées comme fondamentales dans la description des évolutions matérielles et lumineuses : énergie et temps par exemple.

Dire que le quanta est fondamental signifie que l’énergie et le temps ne peuvent pas l’être et que la précision sur chacun d’eux est contradictoire.

« La portée vraiment universelle de la découverte de Planck et Einstein (celle des quanta) lui vient de ce que le caractère discontinu n’affecte pas seulement le rayonnement le rayonnement électromagnétique mais encore l’ensemble des interactions : dans tout l’univers, il n’y a pas d’interaction qui ne mette en jeu une action au moins égale à la constante de Planck h. (…) L’irruption du discontinu dans l’action nous contraint à renoncer définitivement à une description causale et déterministe des processus mettant en jeu des actions du même ordre de grandeur que le quantum d’action. L’absorption ou l’émission d’un photon par un atome qui change de niveau d’énergie, la désintégration spontanée d’un noyau radioactif ou d’une particule instable, une réaction particulaire provoquée dans une expérience auprès d’un accélérateur sont des processus que nous devons renoncer à décrire individuellement de manière déterministe. Il nous faut les intégrer à des ensembles statistiques descriptibles en termes de probabilités. (…) Comme l’a dit Léon Rosenfeld, « probabilité ne veut pas dire hasard sans règle, mais juste l’inverse : ce qu’il y a de réglé dans le hasard. Une loi statistique est avant tout une loi, l’expression d’une régularité, un instrument de prévision. » (dans « Sciences et dialectiques de la nature », ouvrage collectif – La Dispute)

Lochak, Diner et Farge dans « L’objet quantique » : « si l’on cherche maintenant à mesurer les projections du moment orbital sur des droites dans un plan perpendiculaire au champ magnétique du dispositif expérimental, on trouvera des valeurs qui ne sont pas constantes d’une expérience à une autre. Ces valeurs se présentent en fait comme une succession de nombres au hasard, elles sont aléatoires. C’est là que se manifeste le caractère de hasard des phénomènes microphysique. Le fait que le moment orbital observé n’ait donc pas d’orientation définitive dans l’espace, mais semble tourner au hasard autour de la droite choisie, vérifie une autre grande loi de la mécanique quantique : les inégalités de Heisenberg. Si l’on observe l’atome d’hydrogène dans un champ magnétique, on observe une projection constante du moment orbital salon la direction du champ, alors que dans le plan perpendiculaire les valeurs observées subissent la loi du hasard. On ne peut totalement faire taire le hasard en microphysique. Chassez le hasard de certaines observations, il revient au galop dans d’autres. C’est le sens de ce que l’on appelle les relations d’incertitude d’Heisenberg. »

La relation entre ordre et désordre était ainsi exprimée dans « L’objet quantique » : « Il n’y a pas entre ordre et désordre l’antinomie que le bons sens suggère. (…) Tout se passe comme si la mécanique quantique exprimait les figures d’ordre d’un désordre microphysique. »

Comme on le voit, ce n’est pas ou ordre ou désordre, ou hasard ou déterminisme mais un complexe dialectique qui les mêle sans cesse…

Si on ne peut pas connaître précisément des dimensions, ce n’est pas dû à un indéterminisme mais au fait que ces dimensions ne sont pas fondamentales et sont interdépendantes. Si on ne peut pas suivre précisément le parcours d’une particule, c’est que celle-ci n’est pas un objet au sens où nous le concevons au niveau macroscopique. Ce n’est pas simplement des corpuscules ni des ondes mais un complexe dialectique des deux ! Et de même, on assiste à la formation de complexes dialectiques de l’ordre et du désordre, imbriqués et interdépendants, ou du hasard et des lois.

Le déterminisme ne disparaît pas totalement en physique quantique, puisque ces probabilités peuvent être calculées exactement à partir de l’état initial du système considéré selon des lois rigoureusement déterministes (par exemple, l’équation de Schrödinger en mécanique quantique non relativiste).

L’inégalité d’Heisenberg implique un désordre inhérent et incompressible et, en même temps, c’est un ordre qui est imposé par la nature !

Hasard et nécessité ne s’opposent pas diamétralement, ni en physique quantique ni dans d’autres domaines des sciences. Ils se composent dialectiquement.

Friedrich Engels dans "Dialectique de la nature" :

« Sur le plan de la théorie, la science de la nature s’est obstinée d’une part dans la pauvreté de la métaphysique selon Wolff qui veut que quelque chose soit ou bien nécessaire ou bien contingent, mais non les deux à la fois et d’autre part, dans le déterminisme mécaniste à la pensée à peine moins pauvre, qui supprime en bloc le hasard par une négation verbale pour le reconnaître en pratique dans chaque cas particulier. (...) En face de ces deux conceptions, Hegel apparaît avec des proportions absolument inouïes jusque-là : « Le contingent a un fond parce qu’il est contingent, et aussi bien il n’a pas de fond parce qu’il est contingent ; le contingent est nécessaire et la nécessité elle-même se détermine comme contingence, tandis que d’autre part, cette contingence est plutôt la nécessité absolue ». (Logique : L.II, Section III, ch. 1, La Réalité.)

« Ce qu’on affirme nécessaire, écrivait Engels, est composé de purs hasards et le prétendu hasard est la forme sous laquelle se cache la nécessité. La causalité linéaire est suffisante pour des phénomènes simples. Mais cette forme simpliste de détermination ne suffit lorsqu’on se trouve devant des systèmes complexes et sensibles. (...) Le hasard n’est pas la négation de la causalité et du déterminisme ; il est la négation dialectique de la nécessité, expression de la richesse des déterminations des systèmes physiques. » (dans « Physique et matérialisme »)

La suite

3 Messages de forum

  • Où se trouve, en physique, le hasard dont Einstein ne voulait pas puisque la relativité comme la physique quantique obéissent à des lois et que la quantique est même la plus précise des sciences physiques ?

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  • Des lois quantiques certes et qui permettent des prédictions exactes mais seulement sur des probabilités… Aucune loi ne peut supprimer ce que dit l’inégalité d’Heisenberg : plus on en sait sur un paramètre, moins on en sait sur le paramètre corrélé et aucun paramètre ne peut être connu avec une précision totale. C’est sur un grand nombre d’expériences que les lois sont d’une très grande précision.

    Nul ne peut dire quand un atome instable va se décomposer et émettre de la radioactivité. Par contre, on peut dire ce que vont faire un très grand nombre de noyaux instables.

    Nul ne peut dire en quel point d’un écran vont aller des particules passées par les fentes de Young mais on peut seulement être certain de ce que vont faire sur l’écran un très grand nombre de particules.

    Déjà la théorie du chaos (au niveau macroscopique alors que la physique quantique l’a démontré au niveau microscopique) avait montré que dans la plupart des phénomènes physiques, il faudrait connaître dans le détail, avec une précision infinie, les conditions initiales c’est-à-dire les paramètres du début de l’expérience pour prétendre prédire quoique ce soit.

    La thermodynamique avait également montré que ses lois étaient probabilistes et ne tenaient pas compte des évolutions individuelles des molécules. Les paramètres eux-mêmes n’avaient pas de signification individuelle : par exemple, il n’y a pas de température d’une molécule seule. C’était sur un grand nombre de molécules que reposaient les lois, sans qu’on puisse dire qu’elles s’appliquaient à une seule molécule ni à un petit nombre.

    Toute la physique est marquée par l’opposition dialectique ordre/désordre et ne la réduit jamais à un seul ordre ou un seul désordre.

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  • Einstein contre le hasard :

    « L’idée que l’ordre et la précision de l’univers, dans ses aspects innombrables, seraient le résultat d’un hasard aveugle, est aussi crédible que si, après l’explosion d’une imprimerie,
    tous les caractères retombaient à terre dans l’ordre d’un dictionnaire. »

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