03 Espace physique et domaine quantique

Nouvelles notes de lecture sur l’univers quantique

L’espace physique ou espace du comportement des objets macroscopique, le corps humain inclus, est aussi l’espace de la physique macroscopique.

L’espace physique ou espace des sensations et de la perception donc l’espace géométrique, topologique et métrique, il est reconstruit intellectuellement à partir du monde des sensations-perceptions.

La physique dite classique puis la physique relativiste s’élaborent sur l’espace de la géométrie. Elle en fait le cadre de référence des phénomènes physiques.

Le domaine quantique accorde aux éléments quantiques une consistance propre, donc ils possèdent des propriétés physiques, donc ils sont réels.

Le domaine quantique implique le point de vue quantique qui fait abstraction de l’observateur ou sujet perceptif et des moyens dont il dispose pour obtenir des éléments de perception qui établiront une connaissance intellectuelle du domaine.

Le domaine quantique implique une description théorique d’un système qui sera physique, elle se rapporte aux phénomènes du monde physique et qu’il n’est pas utile de recourir à une observation ou perception externes qui resteraient liées à l’homme.

L’école de Copenhague affirment que les propriétés des systèmes quantiques sont tributaires des moyens de leur approche par les appareils classiques de mesure, lesquels reposent sur les concepts et théories de la physique classique.

Les phénomènes et les systèmes quantiques impliquent une critique de l’espace tel que la physique classique et relativiste le considère, exemple, l’espace lié au temps de la théorie de la relativité.

La relativité (restreinte ou générale) considèrent les systèmes physiques comme sous-tendus par la notion de points matériels individuels localisés dans cet espace-temps, liés entre eux par une relation de causalité spatio-temporelle.

La critique de l’espace est de fait une critique du concept d’objet-dans-l’espace

-         Relations d’indétermination

-        Dualité onde – corpuscule, les diffraction et interférences impliquent une extension dans l’espace des objets physiques.

-        Non-localité des systèmes quantiques

-        Non-séparabilité locale de systèmes ayant interagi dans le passé

-        Indiscernabilité des particules identiques fermions ou bosons qui composent un système quantique.

-        Problèmes liés à l’approche statistique et sur la signification des systèmes quantiques individuels.

Notre concept d’espace physique nous vient de notre connaissance des propriétés des objets macroscopiques donc non quantiques.

Rien ne nous assure qu’il soit encore pertinent dans le domaine atomique et infra-atomique.

L’élaboration de la physique quantique continue de faire appel au concept d’espace physique comme concept générateur et comme concept classique.

La pensée physique s’appuie sur la notion d’espace.

Descartes et les idées innées vs Locke et les idées qui proviennent des sensations.

Kant et l’espace et le temps comme formes intuitives a priori de la sensibilité.

La notion d’espace s’est constituée comme « espace perceptif » et « représentatif » à partir des données de la perception, qui tiennent à notre constitution physiologique et neuropsychologique mettant en jeu les différents sens.

Cet « espace représentatif », obtenu par la coordination des différents espaces perceptifs, n’est ni homogène et isotrope ni à trois dimensions, si ces dimensions sont à rapporter aux différents paramètres  qui font la perception.

Ces dimensions sont d’origine physique et physiologique. Elles résultent de l’organisation spatiale des organismes vivants supérieurs. Elles semblent suivre les orientations naturelles dues à la pesanteur, à la locomotion (haut-bas, avant-arrière), et à une asymétrie droite-gauche.

L’espace géométrique, qui s’est constitué par les opérations de l’entendement à partir de l’espace représentatif, il peut être considéré soit comme espace métrique, soit comme espace topologique. A partir de lui, sont définies les grandeurs et les figures de la géométrie.

Changement de perspective, une dissociation s’est opérée entre la géométrie purement mathématique, et la géométrie de l’espace physique. Einstein l’utilise et nous propose un espace physique de référence qui nous laisse accéder à la cinématique et nous libère de l’espace euclidien.

L’espace en physique comme en géométrie est un concept construit mathématiquement à l’aide de grandeurs appropriées à sa structure et à ses propriétés, qui concernent les entités physiques définies dans l’espace.

Il est légitime de supposer que les rapports métriques de l’espace dans l’infiniment petit ne sont pas conformes aux hypothèses de la géométrie.

La  pensée physique, et la mathématisation de la physique à travers la notion de grandeur d’expression mathématique, ont toujours été, jusqu’à la théorie de la relativité générale inclue, tributaires d’une pensée de l’espace. Elles nous rappellent que les phénomènes physiques et les systèmes (ou corps) physiques qui en sont le siège ou la source sont, en général, pensés dans l’espace, même s’ils ont contribué à modifier la pensée de l’espace et à réformer notre « intuition spatiale ».

Les conceptions des systèmes physiques et des phénomènes dont ils sont le siège ou l’origine ont été tributaires d’une pensée de l’espace.

L’illimité ou ce qui n’a pas de bornes, ce qui appartient aux rapports d’étendue (topologiques).

L’infini ou ce qui appartient aux rapports métriques.

La physique « classique » pense dans l’espace et pense l’espace, comme elle pense dans le temps.

La physique quantique remet en question cette certitude.

Elle met la pensée de l’espace et dans l’espace devant un dilemme :

-        ou bien garder le concept d’espace physique existant, parce qu’il semblait naturel alors que c’est une construction.

-         ou bien admettre que les systèmes quantiques ont des propriétés, mais cela enlève à l’espace son rôle premier dans la représentation de ces systèmes.

En fait, nous sommes conditionnés, encore conditionnés, à penser la physique dans l’espace « classique ».

L’espace quantique fait référence à des systèmes macroscopiques et microscopiques. Comment une telle pensée de l’espace est-elle possible ?

Un inventaire des modifications du concept d’espace requises par la description physique des systèmes quantiques semble ici nécessaire.

Les systèmes macroscopiques sont constitués de systèmes quantiques, donc les propriétés macroscopiques pourraient relever des propriétés quantiques « pré-spatiales ».

Il y a nécessité de créer des concepts signifiants. Comment formuler théoriquement la formation et l’extension de l’espace physique des objets macroscopiques et du cosmos ?

Comment penser sans l’espace dont la représentation sert, selon Kant, de fondement à toutes les intuitions externes ?

Il est possible de penser un espace sans objet, mais comment se représenter un objet sans espace ?

Dans le même temps, la formulation de ces questions pose son piège puisque la pensée kantienne reste engluée dans l’espace absolu newtonien.

L’espace absolu newtonien affirme qu’il contient tous les corps et n’est pas affecté par eux. En réalité, l’espace newtonien n’est pas un concept mathématique ou physique. Il serait la base de nos sensations. Pour Kant, l’espace constitue une nécessité absolue pour concevoir les phénomènes.

L’espace cartésien est relatif aux corps, il constitue une propriété essentielle des corps.

L’espace newtonien est détaché des corps. Il est antérieur aux corps, donc Kant peut bâtir sa cathédrale de la raison sur la connaissance.

Comment construire un programme pour la connaissance sans mettre l’espace au premier rang ?

Cassirer a proposé de modifier « l’espace a priori de la sensibilité » en « fonction de spatialité ». De ce fait, les données quantiques devenaient compatibles avec les constructions des mathématiques et de la physique modernes.

Quels sont les privilèges de l’espace sur les notions liées à la perception ?

Notions de grandeurs intensives : chaleur, son, lumière, couleurs…

L’espace et le temps sont-ils des notions premières ? Sont-ils à l’origine des grandeurs extensives ? Les objets préhistoriques font supposer une représentation spatiale première.

Pour le temps est-ce une donnée première, mais le temps est-il seulement une combinaison mouvement et espace. Y a-t-il des combinaisons premières de notions premières difficilement dissociables ? Le temps est une combinaison mouvement espace et le mouvement est une combinaison espace-temps…

Le rationalisme de Kant permet de supposer possible de dépasser les limitations du sensible.

Un continuum espace-temps est-il compatible avec l’infiniment petit ?

Faut-il éliminer les « fonctions continues ».

Pouvons-nous renoncer à faire usage du continuum espace-temps ?

Pouvons-nous utiliser une théorie du discontinu ?

Pouvons-nous substituer à l’ordre selon l’espace-temps un ordre différent ?

Les raisonnements portent sur les grandeurs du « formalisme » de la théorie quantique, considérés de fait comme significatifs du point de vue physique, et fonctionnant comme les véritables éléments de la pensée physique, de la théorie à l’expérience.

Est-ce la bonne version pour parvenir à prédire ce qui est constaté ?

L’association de la théorie quantique des champs et de l’équation de Dirac permet de fournir les propriétés d’une désintégration β du neutron par exemple. Mais au final, les expériences donnent des effets macroscopiques donc liés à la physique classique. Il est ainsi possible de percevoir le passage du monde quantique au monde macroscopique.

Les concepts de la physique classique sont l’onde, le corpuscule, la position, l’impulsion etc.

Les concepts du domaine quantique s’expriment par leur dualité, des relations d’incertitude ou d’inégalités.

La relation d’un pensé du monde quantique aux impressions sensibles reste indirecte. Cette relation demande d’autres médiations pour atteindre nos sens lesquels constituent la source première de nos connaissances. Nous avons besoin de concepts, d’une épistémologie spécifique pour établir un mode de représentation accessible.

Difficile de présenter une conception de la physique quantique qui permette l’observation tout en restant subjective : l’observation comme référent de la théorie et le principe de réduction de la mesure font-ils bon ménage ?

Quel sont les éléments du ménage conception objective et réaliste du domaine quantique pour penser l’univers ?

Les grandeurs du « formalisme quantique » sont-elles des grandeurs mathématiques, ou des grandeurs physiques, mathématisées, comme on le considère pour les autres théories physiques ? L’opposition observationnalisme – réalisme est dépassée par la nécessité de garantir un caractère physique approprié d’une grandeur formulée mathématiquement.

L’intelligibilité du « monde quantique » se trouve simplifiée par l’adoption du point de vue selon lequel il est légitime de parler d’un « domaine quantique » propre. Elle demande, pour cela, un examen des divers aspects de la représentation théorique, concordants avec la connaissance expérimentale des phénomènes, et des problèmes d’interprétation qui leur sont reliés.

le concept d’état et de fonction, ou vecteur, d’état et les grandeurs dynamiques appelées « observables » ; la non-séparabilité locale ; le rapport entre état quantique et probabilités et la double signification de ces dernières (théorique et statistique) ; le rapport entre les domaines quantique et classique ; la pensée théorique de la physique emmenée par les formes mathématiques, pour aboutir à une représentation légitimement physique ; le problème de l’espace physique, vu du monde quantique (objet du présent exposé) ; la décohérence et la mesure ; puis le problème de la gravitation quantique et de la matière de la cosmologie.

Des grandeurs physiques exprimées mathématiquement sont légitimées par l’intelligibilité qu’elles procurent dans un domaine physique donné par l’expérience des phénomènes.

Il est possible de concevoir une extension de sens de la notion de « grandeur physique. Le domaine quantique aurait alors ses objets, mais le genre de réalisme ici considéré est le réalisme critique, celui de constructions symboliques pour représenter la « réalité » et conçu comme un programme pour l’élaboration scientifique.

Limitations que la théorie quantique semble obliger à mettre au concept d’espace : probabilité de présence et non pas localisation certaine ; absence de trajectoire définie ; inégalités de Heisenberg entre la position et l’impulsion ; caractère étendu, c’est-à-dire non local, d’un système quantique capable d’interférer avec lui-même dans un dispositif de diffraction ; indiscernabilité des identiques qui gouverne des comportements collectifs comme s’il s’agissait d’« influences à distance » ; non localité et corrélations quantiques à distance (ou non séparabilité locale des systèmes quantiques)

En fait, ces limitations sont liées à la nécessité d’une référence à l’observation et au manque de ressources pour accepter le « domaine quantique ».

Vieux problème, la divisibilité de l’espace en points élémentaires.

La position spatiale d’un système quantique n’est attribuable que de manière contextuelle. Elle est soumise à des limitations et à des conditions. Elle ne fait pas partie des concepts propres des systèmes quantiques ; pour la préciser il est nécessaire de donner les circonstances relatives auxquelles elle est conditionnée.

Les propriétés du domaine quantique sont autodéfinies. Les mêmes propriétés sont considérés dans un espace donné, celui de la physique relativiste et de la cosmologie, celui où ils se propagent ; celui où ils s’assemblent pour former des « unités macroscopiques » définis spatialement.

La pensée de certains systèmes quantiques et leur agrégation en grand système font penser à  la constitution de l’espace dans une cosmogenèse, sans espace préexistant. L’espace parait au fur et à mesure du déploiement de l’univers. À ceci près, cependant, que la cosmologie quantique suppose toute la matière concentrée, sans espace ou quasiment, avant son déploiement dans l’espace, la notion qui est ici en cause étant celle d’espace comme contenant.

Cet engendrement de l’espace et du temps se fait par différenciation des états physiques et découplage progressif des interactions, sauf l’interaction gravitationnelle.

En considérant l’état actuel de l’Univers, l’espace physique (et le temps), issus de cette genèse, nous sont donnés, et les systèmes quantiques élémentaires s’y propagent, et parfois s’y agrègent en se localisant. On doit constater cet état de choses, sans bien savoir comment raccorder cette coexistence de deux types d’« objets physiques » aussi différents que des systèmes quantiques, pour lesquels le concept d’espace reste étranger à leur définition, et de l’espace vide environnant, dans lequel ils « existent ».

La possibilité d’étudier effectivement des « particules quantiques » individuelles, qui était niée dans une perspective strictement opérationaliste, est désormais acquise comme un fait d’expérience.