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La discontinuité universelle peut-elle être remise en cause en Physique ?

mardi 27 décembre 2016, par Robert Paris

Un exemple de discontinuité fondamentale : la signature de l’atome par son spectre de raies d’émission et d’absorption

La discontinuité universelle peut-elle être remise en cause en Physique ?

C’est ce que l’on peut lire dans la revue « Pour la Science » d’Octobre 2016 sous la plume de David Tong, professeur de physique théorique à l’université de Cambridge, qui essaie de prendre le contrepied des affirmations nombreuses de la science notamment depuis les grandes découvertes de la physique quantique qui ont développé le caractère quantique, donc discret et discontinu à la fois de la matière et de la lumière, de l’espace, du temps, de l’énergie, de l’univers entier dans toutes ses manifestations. Ces dernières, lorsqu’elles donnent une illusion de continuité, proviennent de l’émergence issue de multiples interactions qui, fondamentalement, sont discontinues.

Tong, ainsi que quelques autres, affirme que la physique va bientôt revenir sur de telles affirmations, et redonner la primauté au continuum :

« Ce n’est pas dans l’air du temps, et pourtant, je suis loin d’être le seul scientifique à penser que la réalité est au fond continue plutôt que discrète. Selon moi, le monde est un continuum : zoomez tant que vous voudrez, vous ne trouverez pas d’éléments de base irréductibles. Les quantités physiques ne sont pas des nombres entiers, mais des nombres réels, des nombres continus avec une infinité de chiffres après la virgule… Les lois actuelles de la physique présentent certaines caractéristiques que personne ne sait stimuler sur ordinateur, et qui refusent donc de se plier à une discrétisation, quelle que soit sa mémoire… Le débat entre le continu et le discret est l’un des plus anciens de la physique. Tandis que les atomistes concevaient la réalité comme discrète, d’autres philosophes (Aristote par exemple) se la représentaient comme un continuum. A l’époque d’Isaac Newton, au XVIIe et XVIIIe siècles, les philosophes étaient partagés entre théories corpusculaires (discrètes) et théories ondulatoires (continues)…. Wilhelm Oswald, lauréat du prix Nobel de chimie en 1909, faisait remarquer que les principes de la thermodynamique ne se réfèrent qu’à des quantités continues telles que l’énergie. De même, la théorie électromagnétique décrit les champs électriques et magnétiques comme des grandeurs continues. En 1882, Max Planck, qui sera un précurseur de la physique quantique, concluait un important article par ces mots : « Malgré le succès actuel de la théorie atomique, elle devra à terme être abandonnée au profit de l’hypothèse d’une matière continue. » (…) La mécanique quantique a transformé le débat discret-continu (le terme « quantum » a été introduit pour désigner une quantité minimale bien définie, d’énergie en l’occurrence)…. Un atome d’un type donné ne peut émettre que de la lumière de longueur d’onde (ou couleurs) particulières, ce qui constitue une empreinte caractéristique de chaque élément. Contrairement aux empreintes digitales humaines, les spectres atomiques obéissent à des règles mathématiques précises et ces règles mettent en jeu des entiers. Les premières tentatives pour comprendre la théorie quantique, notamment par le physicien danois Niels Bohr, plaçaient l’aspect discret au cœur de l’édifice. Mais l’interprétation de Bohr n’a pas eu le dernier mot. En 1925, l’Autrichien Erwin Schrödinger a développé une approche alternative de la théorie quantique, fondée sur la notion d’ondes. L’équation qu’il a formulée pour décrire l’évolution de ces ondes au cours du temps ne contient que des grandeurs continues, et pas d’entiers. Cependant, quand on résout l’équation de Schrödinger pour un système donné, on assiste à un tour de magie mathématique…. Les entiers ne sont pas des hypothèses de la théorie, comme le pensait Bohr, mais des conséquences. Les entiers sont un exemple de ce que les physiciens nomment une quantité émergente. Dans cette perspective, le terme de mécanique « quantique » est impropre ; la théorie ne contient pas de quanta (c’est-à-dire des quantités discrètes) dans sa formulation. Dans des systèmes tels que l’atome d’hydrogène, les processus décrits par la théorie engendrent du discret à partir de la continuité sous-jacente…. Peut-être plus surprenant encore, l’existence des atomes, ou de toute particule élémentaire, n’est pas une hypothèse de nos théories. Les physiciens enseignent au quotidien que les briques de la nature sont des particules discrètes telles que l’électron ou le quark. C’est faux. Les éléments fondamentaux de nos théories ne sont pas des particules, mais des champs : des objets continus, semblables à des fluides, qui occupent tout l’espace… »

Comme on le constate, ce courant nouveau de la physique ne craint pas de renverser les idées précédentes ! Il reprend, à juste titre, le cours des révolutions quantiques (il y en a plusieurs), mais il s’arrête malheureusement à Schrödinger, comme si les autres révolutions quantiques lui étaient inconnues, à savoir le vide quantique, les diagrammes de Feynman et l’équation de moindre action de Feynman, et autres révolutions du spin et de l’interprétation de la matière comme déformation du vide. Ainsi, il en reste au quanta conçu comme une énergie et non comme une action (paramètre qui représente le produit d’une énergie et d’un temps, ce qui est très différent !)

Il en reste à l’opposition diamétrale entre la continuité de l’onde et la discrétion de la particule, alors que la physique quantique a démontré qu’aucune des deux images ne l’emportait sur l’autre et qu’il fallait construire un complexe dialectique et dynamique englobant les deux en permanence et à tous les niveaux !

Pour remettre en question le point où en est arrivé la physique, on ne peut s’en tenir à Schrödinger, et surtout pas pour l’interpréter comme il le fait : comme si la nature démarrait par l’équation pour construire, de manière émergente ou pas – on ne sera pas d’accord sur sa vision de l’émergence -, les solutions de l’équation seulement ensuite…

Nous, les hommes, nous écrivons l’équation de Schrödinger et, éventuellement quand cela est possible, nous en tirons des solutions possibles mais cela ne signifie pas que l’équation existe naturellement ni qu’elle préexiste aux solutions. C’est une vision purement idéaliste au sens philosophique que d’affirmer cela !

Le monde matériel n’est pas le produit d’équations mathématiques. Celles-ci ne sont que l’outil que nous avons fabriqué pour regrouper d’une manière abstraite l’état de nos connaissances.

Dire ce qu’affirme Tong, c’est comme si on disait que la matière obéit à l’Encyclopedia Universalis et que les conclusions que nous pourrions tirer de l’étude de cette encyclopédie seraient des effets émergents de la matière !!!!

Il faut le faire aussi de produire les entiers à partir des nombres continus, dits « réels » !!!!

Dire que toutes les quantités physiques utilisées par ces équations seraient continues est une conviction bien difficile à étayer depuis le calcul des quantités de Planck : non seulement le quanta d’action h mais aussi les quantités minimales de Planck en termes de temps, de distance, d’énergie, de masse. Ces quantités signifient que la continuité apparente est une construction produite par le grand nombre d’interactions mais pas une réalité fondamentale. En Thermodynamique, on a l’exemple du paramètre de « température », apparemment continu, qui est produit par le grand nombre des interactions moléculaires. Mais, au niveau fondamental, celui d’une seule molécule ou d’un atome ou encore d’une particule, ce paramètre n’existe pas et n’a aucun sens !!! Il n’y a pas de transmission continue d’énergie puisqu’il existe un minimum d’énergie en dessous duquel on ne peut descendre : l’énergie de Planck !!

Dire que le fluide gazeux est un continuum est absurde puisque le fluide est constitué de molécules et qu’il n’existe qu’une, deux, trois molécules et pas le nombre réel 2, 568498… de molécule !!!! Pas plus qu’il n’existe un nombre réel d’atome ou un nombre réel de particule !!!!

Le niveau fondamental, dont Tong semble n’avoir jamais entendu parler puisqu’il n’y fait aucune référence, est le vide quantique, qui lui-même est constitué de quanta entiers, un, deux, trois particule ou antiparticules virtuels mais jamais de 4,678423… particule ni d’antiparticule !!!

Aucune détection ne permet d’accéder à autre chose que des quantités entières de particules, des quantités entières de noyaux, d’atomes, de molécules et les nombres dits « réels » (c’est les mathématiques et non la physique qui les ont appelé ainsi) n’apparaissent que pour des paramètres formés par des quantités d’interactions et ne sont que des moyennes ou des paramètres émergents de ce grand nombre d’interaction, tout mais pas des paramètres fondamentaux.

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« Beaucoup de physiciens pensent que la nature est discrète et que l’on peut par conséquent trouver des éléments de base irréductibles de la matière. D’autres non. Wilhelm Ostwald (prix Nobel de chimie en 1909) faisait remarquer que les principes de la thermodynamique ne se réfèrent qu’à des quantités continues telles que l’énergie. Maxwell décrit les champs électriques et magnétiques comme des grandeurs continues. L’un des arguments les plus puissants des partisans du continu est l’apparence arbitraire du discret. La mécanique quantique a transformé le débat discret-continu : une quantité minimale a bien été définie : celle d’énergie. L’équation de Schrödinger qui décrit l’évolution des ondes au cours du temps ne contient que des grandeurs continues. Le spectre discret des atomes vient de la continuité de ces grandeurs. Les entiers sont une quantité émergente de la théorie quantique. Celle-ci ne contient pas de quanta (des quantités discrètes) dans sa formulation. Les physiciens soutiennent que les briques fondamentales de la nature sont des particules discrètes : c’est faux. Les éléments fondamentaux de nos théories ne sont pas des particules, mais des champs. On peut citer les champs électriques, magnétiques, électroniques pour l’électron, un champ pour chaque type de quark et le champ de Higgs. Les objets que nous qualifions de particules élémentaires ne sont pas fondamentaux, ce sont en fait des modes d’oscillations de champs continus. Benoît Mandelbrot a fait remarquer que le nombre de dimensions n’est pas nécessairement un entier. Pour celle du temps, il semble que la physique serait incohérente s’il y en avait plusieurs. Les champs quantiques, voire l’espace-temps révéleraient-ils une structure sous-jacente discrète ? On ignore la réponse. Les physiciens ont développé une version discrétisée de la théorie quantique des champs, la théorie des champs sur réseau où l’espace-temps continu est remplacé par un réseau de points. Les ordinateurs évaluent les champs en ces points pour approximer un champ continu. Les fermions (leur champ en fait) résistent à la mise sur réseau. Les fermions du modèle standard ont une propriété très particulière. Ceux qui tournent sur eux-même dans le sens contraire des aiguilles d’une montre sont sensibles à l’interactions faible, et pas les autres. La chiralité est une caractéristique centrale du modèle standard et est encore aujourd’hui impossible à simuler. La difficulté de modéliser sur réseau des fermions chiraux indiquent peut-être que les lois de la physique ne sont pas, fondamentalement, discrètes. »

Sources : Pour la Science (David Tong) - janvier 2013

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