LA NATURE EST-ELLE UN PUITS SANS FOND?

DOSSIER ฀Les฀lois฀physiqu ฀฀฀฀existent-elles฀? DANS LE PHÉNOMÈNE D’AVALANCHE (ici une simulation), la couche superficielle se comporte comme un liquide : les grains sont en mouvement au-dessus des couches inférieures dites « solides ». En réalité, les deux couches entretiennent des interactions encore mal comprises. Sommaire ฀La฀nature฀est-elle฀฀ un฀puits฀sans฀fond฀?฀p. 31 © HUBERT RAGUET ฀Les฀lois฀physiques฀ ressemblent฀à฀un฀tableau฀ impressionniste฀p. 38 ฀À฀la฀recherche฀฀ des฀lois฀universelles฀p. 41 ฀Une฀histoire฀฀ de฀l’émergence p. 44 30 | LA RECHERCHE | FÉVRIER 2007 | Nº 405 ฀ ues฀฀ Vous฀avez฀dit฀émergence฀?฀Défendue฀avec฀passion฀par฀le฀Prix฀Nobel฀ Robert฀Laughlin,฀rejoint฀par฀d’autres฀scientifiques฀de฀premier฀plan,฀ une฀théorie฀novatrice฀est฀en฀train฀de฀bousculer฀la฀physique.฀฀ Ces฀iconoclastes฀déclarent฀dépassé฀le฀réductionnisme฀qui฀appréhende฀ le฀monde฀sensible฀à฀partir฀de฀quelques฀lois฀fondamentales.฀฀ Ils฀postulent฀au฀contraire฀une฀physique฀en฀forme฀de฀poupées฀russes,฀฀ où฀chaque฀loi฀est฀propre฀à฀un฀niveau฀d’organisation฀particulier.฀฀ Une฀science฀pour฀le฀siècle฀à฀venir,฀qui฀se฀préoccuperait฀davantage฀฀ des฀phénomènes฀observables฀à฀l’échelle฀humaine.฀  EN DEUX MOTS ฀฀฀Les lois de la nature existent-elles ? Ou sont-elles « émergentes » à l’image de ces poupées russes indéfiniment imbriquées ? Un débat brûlant, au confluent de la physique et de la philosophie, décisif pour notre compréhension de la matière et de ses lois, a surgi avec force depuis quelques années.  La฀nature est-elle฀un฀puits sans฀fond฀? Aucune฀ théorie฀ physique฀ ne฀ serait฀ vraiment฀ fondamentale.฀ La฀ nature฀ s’organiserait฀ sans฀ fondement฀ originel,฀ ni฀ entités฀ élémentaires.฀ Tel฀ est฀ l’audacieux฀credo฀«฀émergentiste฀»,฀partagé฀par฀de฀nombreux฀physiciens. Michel Bitbol est philosophe de la physique au Centre de recherche en épistémologie appliquée. michel.bitbol@shs .polytechnique.fr [1] R. Laughlin, A Different Universe : Reinventing Physics From The Bottom Down, Basic Books, 2005. E ฀ n฀mars฀2005,฀Robert฀Laughlin,฀Prix฀Nobel฀ 1998฀pour฀ses฀travaux฀de฀physique฀de฀la฀ matière฀condensée,฀a฀lancé฀un฀débat฀passionné,฀décisif฀pour฀notre฀compréhension฀ du฀monde,฀qui฀ne฀cesse฀de฀s’amplifier฀dans฀ la฀communauté฀scientifique.฀Dans฀un฀livre฀intitulé฀฀ Un฀Univers฀différent฀[1] ,฀il฀soutient฀que฀toutes฀les฀lois฀de฀ la฀ nature฀ sont฀ «฀émergentes฀».฀ Elles฀ résultent฀ d’un฀ comportement฀d’ensemble,฀et฀sont฀pratiquement฀indépendantes฀de฀celles฀qui฀régissent฀les฀processus฀individuels฀sous-jacents.฀L’affirmation฀de฀Laughlin฀paraît฀ défier฀le฀bon฀sens,฀parce฀que฀si฀l’on฀admet฀que฀des฀lois฀ sont฀«฀émergentes฀»,฀il฀faut฀bien฀qu’il฀y฀ait฀un฀niveau฀d’organisation฀inférieur฀d’où฀elles฀émergent.฀Et฀que,฀sauf฀à฀ amorcer฀une฀régression฀à฀l’infini,฀on฀doit฀tenir฀l’un฀de฀ ces฀niveaux฀pour฀ultime฀et฀fondamental,฀les฀lois฀qui฀le฀ régissent฀ne฀pouvant฀plus฀émerger฀de฀rien฀d’autre. La฀thèse฀de฀Laughlin฀s’oppose฀en฀première฀analyse฀à฀ une฀ doctrine฀ née฀ avec฀ le฀ projet฀ de฀ rationaliser฀ la฀ connaissance฀:฀le฀réductionnisme.฀Le฀réductionnisme฀ consiste฀à฀rendre฀compte฀de฀la฀grande฀variété฀des฀phénomènes฀naturels฀par฀un฀petit฀nombre฀d’entités฀«฀élémentaires฀»฀฀et฀de฀lois฀«฀fondamentales฀».฀Son฀but,฀selon฀ le฀physicien฀français฀Jean฀Perrin,฀est฀d’«฀expliquer฀  Nº 405 | FÉVRIER 2007 | LA RECHERCHE | 31 [2] J. Perrin, Les Atomes, Flammarion, 1991. [3] R. Dugas, La Théorie physique au sens de Boltzmann, éditions du Griffon, 1959. [4] C. Lloyd Morgan, Emergent Evolution, Williams & Norgate, 1923. *La thermodynamique se définit comme la science du rapport entre la chaleur stockée ou échangée par un système, et le travail des forces exercées sur lui.  du฀visible฀compliqué฀par฀de฀l’invisible฀simple฀»,฀fai- niques฀proposa,฀autour฀des฀années฀1920,฀une฀«฀voie฀ sant฀de฀la฀simplicité฀une฀marque฀de฀vérité [2] . moyenne฀»฀entre฀le฀réductionnisme฀et฀le฀vitalisme฀[4] .฀ L’atomisme฀grec฀de฀l’Antiquité,฀fondé฀par฀Leucippe฀et฀ Cette฀voie฀neuve฀à฀l’époque฀n’était฀autre฀que฀l’émerDémocrite,฀comptait฀déjà฀parmi฀ses฀succès฀d’expliquer฀ gence,฀ici฀appliquée฀aux฀êtres฀vivants. les฀ phénomènes฀ de฀ raréfaction฀ (état฀ gazeux)฀ et฀ de฀ Tout฀en฀posant฀que฀rien฀d’autre฀qu’une฀base฀physicocondensation฀(états฀liquide฀ou฀solide),฀en฀admettant฀ chimique฀d’atomes฀n’intervient฀dans฀le฀domaine฀bioloque฀la฀matière฀soit฀faite฀de฀corpuscules฀séparés฀par฀des฀ gique,฀les฀émergentistes฀britanniques฀soulignaient฀que฀ distances฀plus฀ou฀moins฀grandes฀ des฀systèmes฀complexes฀de฀reladans฀le฀vide.฀Les฀propriétés฀visi- Les฀êtres฀vivants฀semblent฀ tions฀entre฀éléments฀de฀cette฀base฀ bles฀de฀la฀matière฀étaient฀ainsi฀ sont฀susceptibles฀de฀faire฀surgir฀ ne฀pas฀se฀soumettre฀฀ «฀réduites฀»฀à฀celles฀des฀atomes. des฀propriétés฀et฀des฀lois฀inédites.฀ Mais฀ce฀n’était฀là฀qu’une฀esquisse.฀ aux฀lois฀de฀la฀physique Les฀lois฀qui฀caractérisent฀la฀vie฀;฀ Au฀ XIXe฀siècle,฀ un฀ atomisme฀ et฀aussi฀des฀lois฀macroscopiques฀ rénové฀s’est฀montré฀capable฀d’unifier฀un฀domaine฀plus฀ intermédiaires,฀comme฀celles฀qui฀régissent฀les฀fluides฀et฀ vaste฀de฀phénomènes฀chimiques฀et฀physiques.฀Il฀a฀été฀ les฀solides.฀Cela฀était฀rendu฀vraisemblable฀par฀l’idée฀d’une฀ utilisé฀en฀1808฀par฀l’Anglais฀John฀Dalton฀pour฀expliquer฀ non-linéarité฀des฀processus฀complexes,฀résumée฀dans฀le฀ que฀les฀substances฀chimiques฀se฀combinent฀en฀propor- slogan฀:฀«฀Le฀tout฀est฀plus฀que฀la฀somme฀des฀parties.฀»฀Du฀ tion฀variant฀de฀manière฀discontinue.฀Puis฀il฀a฀permis,฀ vieux฀projet฀réductionniste฀on฀préservait฀ainsi฀le฀pouà฀partir฀de฀1850,฀d’interpréter฀les฀phénomènes฀thermo- voir฀unificateur,฀en฀accordant฀que฀le฀seul฀fondement฀du฀ dynamiques*฀comme฀la฀pression฀des฀gaz฀ou฀le฀transfert฀ monde฀est฀constitué฀par฀les฀atomes฀et฀les฀lois฀de฀la฀phyde฀chaleur฀entre฀les฀corps [3] .฀Cette฀interprétation฀sup- sique฀microscopique.฀Mais฀on฀atténuait฀son฀pouvoir฀ posait฀que฀la฀pression฀et฀la฀température฀reflètent฀le฀ explicatif,฀puisqu’on฀devait฀admettre฀l’impossibilité฀de฀ comportement฀statistique฀d’une฀immense฀population฀ prédire,฀voire฀de฀déduire,฀les฀propriétés฀et฀lois฀émergende฀molécules,฀individuellement฀soumises฀aux฀lois฀de฀la฀ tes฀à฀partir฀des฀propriétés฀et฀des฀lois฀sous-jacentes. mécanique฀classique.฀Les฀succès฀spectaculaires฀de฀l’atomisme฀se฀révélaient฀pourtant฀ambivalents฀pour฀la฀doc- Lois฀émergentes trine฀réductionniste.฀Car฀ils฀faisaient฀ressortir฀la฀dis- Le฀statut฀des฀propriétés฀et฀lois฀émergentes฀ne฀s’en฀troutance฀entre฀une฀physico-chimie฀atomiste฀et฀certains฀ vait฀pas฀élucidé฀pour฀autant.฀Si฀c’est฀en฀principe฀qu’elphénomènes฀naturels฀comme฀la฀vie. les฀ne฀sont฀pas฀dérivables฀du฀niveau฀«฀éléLes฀êtres฀vivants฀apparaissaient฀en฀effet฀ mentaire฀»,฀alors฀il฀faut฀leur฀attribuer฀ défier฀les฀lois฀de฀la฀physique,฀en฀ une฀autonomie฀réelle฀par฀rapport฀ particulier฀celles฀de฀la฀thermoà฀ce฀dernier.฀Si฀c’est฀seulement฀ dynamique.฀Leur฀comporteen฀ raison฀ de฀ nos฀ moyens฀ ment฀ intentionnel,฀ dirigé฀ mathématiques฀ imparvers฀ un฀ but,฀ n’est-il฀ pas฀ faits฀ qu’on฀ ne฀ parvient฀ étranger฀aux฀lois฀causapas฀à฀les฀déduire฀(sauf฀à฀ les฀?฀Et฀leur฀développefaire฀appel฀à฀des฀techniment,฀qui฀les฀porte฀à฀une฀ ques฀de฀simulations฀pas฀ organisation฀croissante,฀ à฀pas฀par฀ordinateur),฀et฀ ne฀ semble-t-il฀ pas฀ en฀ qu’elles฀nous฀semblent฀ contradiction฀ avec฀ le฀ à฀cause฀de฀cela฀inattensecond฀ principe฀ de฀ la฀ dues,฀ les฀ propriétés฀ et฀ thermodynamique,฀ qui฀ lois฀ émergentes฀ ne฀ sont฀ impose฀aux฀systèmes฀physique฀ des฀ épiphénomènes.฀ ques฀ une฀ tendance฀ à฀ l’ordre฀ Dans฀le฀premier฀cas,฀on฀recondécroissant฀?฀ Au฀ moins฀ était-il฀ naît฀aux฀propriétés฀et฀lois฀émerclair฀que฀rien฀n’aurait฀permis฀d’angentes฀une฀forme฀d’existence฀absoticiper฀les฀phénomènes฀biologiques฀à฀ lue฀(autant฀qu’aux฀propriétés฀et฀lois฀ partir฀des฀seules฀lois฀physico-chimi«฀élémentaires฀»).฀Dans฀le฀second฀cas,฀ LE CANARD « DIGÉREUR », construit ques฀connues.฀Mais฀si฀la฀stricte฀réducon฀ ne฀ leur฀ concède฀ qu’une฀ forme฀ e au XVIII siècle par Jacques de tion฀du฀vivant฀à฀la฀physique฀apparaisd’existence฀ relative฀ à฀ nos฀ moyens฀ Vaucanson, est un automate qui, sait฀ hors฀ de฀ portée,฀ fallait-il฀ faire฀ selon la théorie « mécaniste », mathématiques. intervenir฀ un฀ «฀principe฀ vital฀»฀?฀ montre que la seule disposition Vers฀ la฀ même฀ époque,฀ autour฀ de฀ Refusant฀ce฀dilemme,฀un฀groupe฀de฀ des pièces suffit à réaliser tout 1920,฀une฀réflexion฀sur฀les฀succès฀du฀ qui est observé dans la nature. biologistes฀et฀de฀philosophes฀britanréductionnisme฀en฀physique฀susci- 32 | LA RECHERCHE | FÉVRIER 2007 | Nº 405 © ALBERT HARLINGUE/ROGER VIOLLET LES LOIS DE LA PHYSIQUE Fig.1 Les niveaux d’organisation de la matière ������������ ������������� ������������� ��������� ������ SELON L’APPROCHE RÉDUCTIONNISTE, chaque niveau d’organisation (phases, molécules, atomes, nucléons, quarks) pourrait être compris à partir des objets élémentaires. Pourtant, lorsque trois quarks s’assemblent pour former un nucléon, de nouvelles propriétés apparaissent, qui ne semblent pas présentes dans les quarks pris séparément. De même, des millions de molécules d’eau forment un liquide à température ambiante, alors que rien ne suggère la « liquidité » dans une simple molécule. © INFOGRAPHIE SYLVIE DESSERT �������� ������ �������������������� sont฀ réductibles฀ au฀ comportement฀ désordonné฀ de฀ myriades฀de฀molécules.฀Qu’on฀suppose฀ou฀non฀ces฀ molécules฀régies฀individuellement฀par฀des฀lois฀déterministes฀n’a฀guère฀d’importance฀:฀la฀seule฀chose฀qui฀ compte฀ pour฀ retrouver฀ les฀ lois฀ de฀ la฀ thermodynamique฀macroscopique,฀ce฀sont฀les฀distributions฀statistiques,฀qui฀pourraient฀aussi฀bien฀résulter฀de฀processus฀microscopiques฀aléatoires. À฀la฀fin฀des฀années฀1920,฀l’avènement฀de฀la฀mécanique฀ quantique฀a฀montré฀le฀bien-fondé฀de฀ce฀scepticisme.฀ On฀a฀désormais฀de฀bonnes฀raisons฀d’admettre฀que฀non฀ Physique฀statistique seulement฀les฀lois฀de฀la฀thermodynamique,฀mais฀aussi฀ Mais฀on฀pourrait฀parfaitement฀se฀dispenser฀de฀cet฀ les฀lois฀de฀la฀mécanique฀classique฀elles-mêmes฀émeracte฀de฀foi.฀En฀effet,฀tout฀ce฀que฀montre฀la฀physique฀ gent฀des฀lois฀quantiques.฀Or,฀les฀lois฀quantiques฀sont฀ statistique,฀c’est฀que฀les฀lois฀de฀la฀thermodynamique฀ caractérisées฀ par฀ une฀ forme฀ d’indéterminisme฀  tait,฀paradoxalement,฀des฀doutes฀sur฀la฀possibilité฀de฀ savoir฀à฀quoi฀les฀phénomènes฀sont฀réduits.฀Évaluons฀ la฀démarche฀de฀la฀physique฀statistique฀sans฀préjugé,฀ demandent฀les฀physiciens฀autrichiens฀Franz฀Exner฀et฀ Erwin฀Schrödinger,฀et฀le฀mathématicien฀français฀Émile฀ Borel [5] .฀À฀première฀vue,฀celle-ci฀repose฀sur฀la฀conviction฀que฀le฀mouvement฀des฀molécules฀obéit฀à฀des฀lois฀ déterministes฀:฀celles฀de฀la฀mécanique฀newtonienne,฀ qui฀régit฀également฀le฀mouvement฀des฀corps฀matériels฀ macroscopiques. [5] E. Borel, Le Hasard, Felix Alcan, 1914 ; F. Exner, Vorlesungen über die physikalischen Grundlagen der Naturwissenschaften, Franz Deuticke, 1919 ; E. Schrödinger, Science, Theory and Man, Routledge & Kegan Paul, 1957. Nº 405 | FÉVRIER 2007 | LA RECHERCHE | 33 [6] S. Wolfram, A New Kind of Science, Wolfram Media, 2002. [7] R. Laughlin, A Different Universe, Basic Book, 2005, p. 76.  microscopique.฀ Il฀ suffit฀ de฀ penser฀ aux฀ relations฀ suppose฀pourtant฀servir฀de฀base฀à฀toutes฀les฀autres฀ d’«฀incertitude฀»฀de฀Heisenberg,฀ou฀au฀fait฀que฀les฀états฀ (telles฀les฀lois฀de฀la฀gravitation฀et฀de฀l’électromagnéquantiques฀ne฀permettent฀d’évaluer฀que฀les฀probabi- tisme),฀sont฀aussi฀émergentes. lités฀des฀valeurs฀des฀variables฀qu’on฀mesure. La฀protection฀des฀lois฀émergentes฀vis-à-vis฀du฀détail฀de฀ Une฀leçon฀plus฀générale฀ressort฀de฀là฀:฀il฀y฀a฀une฀multipli- ce฀qui฀se฀passe฀au฀niveau฀sous-jacent฀permet฀d’explicité฀de฀lois฀élémentaires฀pouvant฀servir฀de฀base฀aux฀lois฀ quer฀plusieurs฀particularités฀surprenantes฀des฀lois฀fonémergentes.฀Autrement฀dit,฀les฀lois฀émergentes฀sont฀«฀mul- damentales.฀Elle฀explique฀d’abord฀leur฀remarquable฀ tiréalisables฀»,฀ou฀«฀survenantes฀»฀(lire฀«฀Une฀histoire฀de฀ exactitude.฀Une฀moyenne฀sur฀un฀nombre฀astronomil’émergence฀»,฀p.฀44).฀Cela฀impose฀une฀cloison฀étanche฀ que฀de฀processus฀désordonnés฀aboutit฀en฀effet฀inévitaentre฀les฀divers฀niveaux฀de฀lois,฀puisque฀la฀connaissance฀ blement฀à฀un฀comportement฀global฀lisse฀et฀ordonné.฀ des฀lois฀émergentes฀ne฀renseigne฀presque฀pas฀sur฀les฀lois฀ C’est฀ce฀que฀Laughlin฀appelle฀la฀«฀perfection฀émergeant฀ élémentaires.฀Durant฀les฀années฀1980,฀Stephen฀Wolfram฀ de฀l’imperfection฀»฀[7] .฀La฀protection฀explique฀ensuite฀ et฀d’autres฀spécialistes฀de฀simules฀ analogies฀ formelles฀ entre฀ lation฀de฀systèmes฀complexes฀sur฀ Une฀multiplicité฀de฀lois฀ certaines฀ lois฀ de฀ la฀ matière฀ ordinateur,฀ont฀porté฀ce฀constat฀ élémentaires฀servent฀de฀base฀ condensée฀que฀l’on฀tient฀pour฀ à฀son฀comble [6].฀Ils฀sont฀parvenus฀ émergentes,฀ et฀ des฀ lois฀ de฀ la฀ à฀montrer฀que฀les฀lois฀macrosco- aux฀lois฀émergentes matière฀élémentaire฀qu’on฀suppiques฀de฀l’hydrodynamique฀ou฀ pose฀«฀fondamentales฀».฀Ainsi,฀ de฀la฀thermodynamique,฀qu’on฀suppose฀fondées฀sur฀les฀ l’analogie฀entre฀les฀«฀phonons฀»,฀modes฀quantifiés฀de฀ lois฀microscopiques฀฀de฀la฀mécanique฀classique฀ou฀quan- vibration฀portés฀par฀le฀réseau฀d’atomes฀d’un฀cristal,฀et฀ tique,฀peuvent฀aussi฀bien฀émerger฀d’une฀base฀beaucoup฀ les฀«฀photons฀»,฀quanta฀d’énergie฀électromagnétique฀ plus฀simple.฀La฀base฀de฀substitution฀choisie฀est฀un฀modèle฀ supposés฀«฀fondamentaux฀».฀Ou฀bien฀l’analogie฀entre฀ d’«฀automates฀cellulaires฀»,฀fait฀d’une฀grille฀de฀«฀cellules฀»฀ les฀trous฀dans฀les฀bandes฀de฀valence฀de฀semi-conducpouvant฀se฀trouver฀dans฀un฀nombre฀fini฀d’états฀(par฀ teurs,฀qui฀se฀comportent฀comme฀des฀électrons฀de฀charge฀ exemple฀0฀ou฀1)฀et฀changeant฀d’état฀en฀fonction฀de฀l’état฀ positive,฀et฀les฀positrons฀ou฀anti-électrons฀«฀fondamendes฀cellules฀voisines. taux฀»฀de฀Dirac. La฀rigueur฀de฀ces฀analogies,฀dont฀la฀liste฀est฀loin฀d’être฀ Le฀principe฀de฀«฀protection฀» limitative,฀se฀révèle฀tellement฀remarquable฀qu’on฀peut฀ Il฀ressort฀de฀cet฀itinéraire฀de฀pensée฀que฀les฀lois฀émer- difficilement฀croire฀qu’elle฀ne฀traduit฀pas฀une฀idengentes฀ sont฀ dans฀ une฀ large฀ mesure฀ découplées฀ de฀ tité฀de฀principe.฀Une฀identité฀non฀pas฀dans฀le฀détail฀ leur฀base฀présumée.฀Les฀lois฀émergentes฀restent฀sta- des฀ processus฀ sous-jacents,฀ bien฀ sûr฀;฀ mais฀ dans฀ la฀ bles฀sous฀des฀variations฀considérables฀de฀leur฀base.฀ simple฀ circonstance฀ qu’il฀ y฀ a฀ des฀ processus฀ sousOn฀dit฀qu’elles฀sont฀«฀protégées฀»฀des฀vicissitudes฀de฀ jacents,฀dont฀la฀résultante฀se฀manifeste฀de฀manière฀ cette฀base.฀Ce฀concept฀de฀protection฀des฀lois฀émer- constante฀au฀niveau฀émergent. gentes฀vis-à-vis฀de฀la฀base฀est฀crucial.฀Il฀a฀servi฀de฀ La฀thèse฀audacieuse฀du฀caractère฀émergent฀des฀lois฀de฀ guide฀aux฀auteurs,฀comme฀Laughlin,฀qui฀soutien- la฀nature฀a฀été฀confortée,฀ces฀vingt฀dernières฀années,฀ nent฀que฀les฀lois฀dites฀«฀fondamentales฀»,฀celles฀qu’on฀ par฀une฀connaissance฀mieux฀assurée฀de฀l’une฀des฀théo- UN GRAND NOMBRE D’OBJETS EN INTERACTION entraînent des comportements collectifs, et l’apparition de structures très difficilement prévisibles à partir des propriétés de ces objets : par exemple, la conductivité d’un nanotube de carbone rempli de molécules de fullerènes (à gauche), les stries d’une peau de zèbre qui résultent de la répartition de pigments (au milieu), ou l’état solide d’une mousse, matériau constitué d’air et d’eau (à droite). 34 | LA RECHERCHE | FÉVRIER 2007 | Nº 405 © DRS A.YAZDANI D.J. HORNBAKER/SPL/COSMOS - MIKE LANE/STILL PICTURES/BIOS - F. GRANER, S. GATEAUD, UNIV. JOSEPH-FOURIER, GRENOBLE-I LES LOIS DE LA PHYSIQUE LES LOIS DE LA PHYSIQUE © ÉRIC GRELET, CENTRE PAUL PASCAL, CNRS-UNIV. BORDEAUX-I ries฀physiques฀réputées฀les฀plus฀ niveau฀de฀constituants฀et฀de฀lois฀ fondamentales฀:฀la฀théorie฀quanporté฀par฀un฀niveau฀d’organisatique฀des฀champs.฀Elle฀unifie฀la฀ tion฀sous-jacent฀à฀haute฀énergie฀ théorie฀quantique฀et฀la฀théorie฀ dont฀il฀est฀partiellement฀indéde฀la฀relativité฀restreinte,฀et฀rend฀ pendant,฀c’est-à-dire฀dont฀il฀est฀ raison฀avec฀une฀précision฀inouïe฀ «฀protégé฀».฀Cette฀hiérarchie฀de฀ des฀interactions฀entre฀particules฀ niveaux฀a฀des฀réalisations฀théo«฀élémentaires฀».฀À฀sa฀naissance,฀ riques฀bien฀connues.฀Supposons฀ dans฀ les฀ années฀ 1930,฀ elle฀ a฀ qu’on฀prenne฀la฀théorie฀quantipourtant฀ manifesté฀ un฀ grave฀ que฀des฀champs฀standard฀pour฀ LA CROISSANCE de ce cristal liquide hexagonal, défaut฀:฀l’apparition฀de฀termes฀ visualisé par microscopie optique, résulte d’un base.฀En฀fixant฀un฀seuil฀d’énerinfinis฀lors฀du฀calcul฀de฀l’autogie฀fini฀appelé฀«฀énergie฀de฀coucomportement collectif des molécules de la interaction฀ des฀ particules฀ phase liquide qui s’orientent toutes progrespure฀»,฀on฀sait฀construire฀à฀partir฀ jouant฀ le฀ rôle฀ de฀ sources฀ de฀ sivement selon des directions spécifiques. d’elle฀des฀«฀théories฀de฀champs฀ champs฀(par฀exemple,฀lors฀du฀ effectifs฀»฀ représentant฀ un฀ calcul฀de฀l’interaction฀de฀chaque฀électron฀avec฀le฀champ฀ ensemble฀de฀lois฀émergentes฀approximatives.฀Par฀extenélectromagnétique฀émis฀par฀lui-même).฀Une฀correc- sion,฀il฀est฀tentant฀d’admettre฀que฀la฀théorie฀quantique฀ tion฀mathématique฀de฀ce฀défaut฀a฀donc฀été฀mise฀au฀ des฀champs฀standard,฀qui฀peut฀aussi฀faire฀appel฀à฀des฀ point฀vers฀la฀fin฀des฀années฀1940฀sous฀le฀nom฀de฀«฀renor- énergies฀de฀coupure฀dans฀ses฀procédés฀de฀renormalisation,฀représente฀elle-même฀un฀système฀de฀lois฀physiques฀ malisation฀»฀(lire฀encadré฀ci-dessous).฀ émergentes฀[8] .฀Mais฀cette฀fois฀les฀lois฀émergentes฀d’un฀ Théorie฀des฀champs niveau฀sous-jacent฀encore฀indéterminé. Mais฀quel฀rapport฀peut฀bien฀avoir฀la฀renormalisation,฀ Aucune฀théorie฀fondamentale฀ne฀serait฀alors฀vraiment฀ présentée฀ au฀ départ฀ comme฀ un฀ simple฀ artifice฀ de฀ fondamentale.฀ Toutes฀ les฀ lois฀ acceptées฀ à฀ l’heure฀ calcul,฀avec฀la฀question฀conceptuelle฀de฀l’émergence฀ actuelle฀seraient฀émergentes.฀Deux฀conceptions฀du฀ des฀lois฀de฀la฀physique฀?฀Pour฀le฀comprendre,฀il฀faut฀ futur฀s’opposent฀à฀partir฀de฀là.฀La฀première,฀inspirée฀ être฀attentif฀à฀l’évolution฀récente฀des฀techniques฀de฀ par฀le฀programme฀réductionniste,฀consiste฀à฀croire฀ renormalisation.฀Au฀fur฀et฀à฀mesure฀de฀leur฀progrès,฀ qu’on฀finira฀par฀édifier฀une฀théorie฀unifiée฀fondamenon฀s’est฀mis฀à฀prendre฀au฀sérieux฀les฀seuils฀d’énergie฀ tale,฀qu’on฀identifiera฀les฀particules฀élémentaires฀dont฀ qu’on฀se฀contentait฀jusque-là฀de฀faire฀tendre฀vers฀l’in- tout฀le฀reste฀est฀fait,฀qu’on฀parviendra฀à฀énoncer฀des฀ fini.฀Ne฀se฀peut-il฀pas฀que฀ces฀seuils,฀maintenus฀à฀une฀ lois฀ultimes฀de฀la฀nature [9] .฀Peut-être฀les฀lois฀de฀la฀théovaleur฀finie,฀aient฀le฀sens฀de฀limites฀effectives฀de฀vali- rie฀des฀«฀supercordes฀»฀ou฀de฀l’une฀de฀ses฀héritières. dité฀de฀la฀théorie฀?฀Ne฀séparent-ils฀pas฀le฀domaine฀à฀ La฀seconde฀conception฀envisage฀au฀contraire฀la฀possibasse฀énergie,฀où฀la฀théorie฀est฀valide,฀d’un฀domaine฀ bilité฀qu’il฀n’y฀ait฀aucun฀niveau฀fondamental฀à฀atteinà฀haute฀énergie฀encore฀inexploré฀? dre,฀ni฀lois฀ultimes฀à฀formuler฀ni฀éléments฀au฀sens฀ S’il฀en฀va฀ainsi,฀on฀peut฀considérer฀le฀domaine฀à฀basse฀ strict฀;฀que฀tous฀les฀niveaux฀soient฀émergents,฀que฀la฀ énergie฀comme฀un฀niveau฀d’organisation฀émergent฀:฀un฀ structure฀de฀toutes฀les฀lois฀dérive฀de฀leur฀«฀protec-  MÉTHODE [8] E. Castellani, Studies in History and Philosophy of Modern Physics, 33, 251, 2002. [9] S. Weinberg, Dreams of a Final Theory, Pantheon Books, 1993. La « renormalisation » LA PROBABILITÉ pour qu’une particule, interagissant avec d’autres ou avec elle-même, aille d’un point à un autre se calcule en sommant, au moyen d’une intégrale, toutes les potentialités pour cette particule et pour les médiatrices d’interaction de se déplacer, d’être créées ou annihilées. Cependant, au fur et à mesure que les itinéraires potentiels des médiateurs d’interaction deviennent plus foisonnants en événements de création-annihilation, l’énergie qu’ils portent augmente, les intégrales divergent, et on aboutit à des énergies, des masses ou des charges infinies. La stratégie employée à partir des années 1940 pour éviter ces valeurs infinies est une technique mathématique appelée la « renormalisation ». Elle consiste, pour aller vite, à compenser les quantités tendant vers l’infini en les soustrayant de quantités auxiliaires qui tendent parallèlement vers l’infini. Certaines de ces quantités auxiliaires sont appelées « masses nues » des particules sources de champs ; on peut en effet les assimiler aux masses qu’auraient les particules dans la situation imaginaire où elles n’interagiraient pas avec elles-mêmes. À la surprise de bien des physiciens, cette curieuse méthode a abouti à des prévisions admirablement corroborées par l’expérience. Ainsi, en 1947-1948, elle permit de rendre compte très précisément d’une anomalie du spectre de l’hydrogène appelée le « Lambshift ». Elle est également devenue un guide pour la construction de nouvelles branches de la théorie quantique des champs, comme la théorie unifiée électrofaible formulée au tournant des années 1970, qui a valu le prix Nobel 1979 à ses créateurs Steven Weinberg, Seldon Glashow et Abdus Salam. Nº 405 | FÉVRIER 2007 | LA RECHERCHE | 35 LES LOIS DE LA PHYSIQUE tion฀»฀vis-à-vis฀d’un฀milieu฀sous-jacent,฀et฀que฀les฀particules฀de฀n’importe฀quel฀type฀soient฀décomposables฀ à฀condition฀d’accélérer฀suffisamment฀les฀particules฀ qui฀servent฀à฀les฀sonder฀[10] .฀La฀première฀option฀a฀pour฀ elle฀le฀bon฀sens฀et฀l’héritage฀de฀la฀pensée฀atomiste,฀mais฀ c’est฀à฀elle฀que฀revient฀la฀charge฀de฀la฀preuve.฀Un฀pas฀ dans฀cette฀direction฀pourrait฀être฀franchi฀si฀la฀conjecture฀selon฀laquelle฀la฀théorie฀des฀supercordes฀ne฀doit฀ pas฀avoir฀recours฀à฀la฀renormalisation฀était฀prouvée [11] .฀ La฀seconde฀option฀est฀vertigineuse,฀mais฀elle฀peut฀se฀ prévaloir฀du฀simple฀fait฀de฀l’inachèvement฀persistant฀ de฀ la฀ physique,฀ de฀ son฀ allure฀ de฀ «฀poupées฀ russes฀»฀ imbriquées฀et฀indéfiniment฀hiérarchisées. [10] T. Cao et S. Schweber, Synthese, 97, 33, 1993 ; J. Schaffer, Noûs, 37, 498, 2003. [11] M. Kaku et J. Thompson, Beyond Einstein, Oxford University Press, 1995. [12] A. Weinberg, Minerva, 1, 159, 1963 ; P. Anderson, Science, 177, 393, 1972. cascade฀de฀lois฀sans฀fondement,฀est฀qu’elle฀annule฀tout฀ le฀bénéfice฀historique฀des฀approches฀réductionnistes.฀ Mais,฀en฀vérité,฀il฀n’en฀va฀pas฀ainsi.฀La฀possibilité฀d’unifier฀un฀grand฀nombre฀de฀lois฀en฀les฀considérant฀comme฀ portées฀par฀une฀même฀«฀base฀»฀est฀préservée฀ici.฀Car฀elle฀ est฀indifférente฀au฀caractère฀«฀ultime฀»฀ou฀non฀des฀lois฀ de฀cette฀base,฀et฀au฀statut฀«฀élémentaire฀»฀ou฀non฀de฀ses฀ constituants.฀L’option฀du฀«฀sans฀fond฀»฀a฀même฀un฀avantage฀sur฀ce฀point.฀En฀elle,฀la฀question฀de฀la฀base฀ne฀se฀ pose฀plus฀en฀termes฀d’existence,฀mais฀en฀termes฀de฀ méthode.฀On฀n’a฀plus฀à฀se฀préoccuper฀de฀ce฀qu’est฀la฀base฀ ultime฀et฀réelle฀(ce฀qui฀a฀toutes฀les฀chances฀de฀rester฀ indécidable),฀mais฀seulement฀de฀savoir฀quelle฀représentation฀d’une฀base฀intermédiaire฀remplit฀le฀mieux฀sa฀ Conflits฀d’intérêts fonction฀unificatrice.฀Les฀démarches฀de฀la฀réduction฀et฀ Au-delà฀de฀leur฀valeur฀intrinsèque,฀ces฀deux฀options฀ de฀l’émergence฀des฀lois฀sont฀ainsi฀rendues฀coopératives฀ ont฀aussi฀un฀grand฀pouvoir฀polémique฀en฀raison฀de฀ dans฀une฀dynamique฀de฀recherche,฀plutôt฀que฀conflicl’appui฀que฀chacune฀d’entre฀elles฀apporte฀aux฀deman- tuelles฀dans฀une฀prise฀de฀position฀dogmatique. des฀de฀fonds฀(publics฀ou฀privés)฀de฀deux฀communau- La฀seconde฀objection฀contre฀la฀thèse฀des฀lois฀toutes฀émertés฀ distinctes฀ de฀ physiciens.฀ La฀ première฀ option฀ gentes฀est฀aussi฀la฀plus฀lancinante.฀C’est฀celle,฀souvent฀ conforte฀les฀intérêts฀professionnels฀des฀spécialistes฀ évoquée,฀du฀bon฀sens฀:฀comment฀l’édifice฀du฀monde฀ de฀physique฀des฀particules฀et฀des฀hautes฀énergies.฀Car฀ peut-il฀tenir฀sans฀fondations฀légales฀absolues,฀et฀sans฀ les฀crédits฀publics฀gigantesques฀consacrés฀à฀leur฀dis- «฀briques฀»฀ultimes฀?฀La฀réponse฀est฀déjà฀contenue,฀pour฀ cipline฀ sont฀ justifiés฀ par฀ le฀ caractère฀ supposé฀ plus฀ qui฀sait฀la฀lire,฀dans฀le฀détail฀de฀la฀thèse฀des฀lois฀émergenfondamental,฀plus฀élémentaire฀et฀plus฀«฀ultime฀»฀de฀ tes.฀Elle฀revient฀à฀transformer,฀une฀fois฀encore,฀les฀quesson฀ objet,฀ à฀ partir฀ duquel฀ on฀ tions฀d’existence฀en฀questions฀de฀ pense฀ pouvoir฀ reconstruire฀ Comment฀l’édifice฀ méthode.฀Selon฀la฀thèse฀des฀lois฀ tout฀le฀reste฀[12] .฀Au฀contraire,฀ émergentes,฀ne฀l’oublions฀pas,฀il฀ du฀monde฀peut-il฀tenir฀ la฀ seconde฀ option฀ sert฀ les฀ n’y฀a฀même฀plus฀lieu฀d’opposer฀ intérêts฀ de฀ la฀ communauté฀ sans฀briques฀ultimes฀? un฀niveau฀de฀base,฀absolu,฀à฀des฀ des฀ spécialistes฀ de฀ physique฀ niveaux฀supérieurs,฀relatifs฀et฀ macroscopique฀ de฀ la฀ matière฀ condensée,฀ dont฀ fait฀ épiphénoménaux.฀Car฀toutes฀les฀déterminations฀et฀toupartie฀Laughlin.฀Car฀s’il฀n’existe฀ni฀vrai฀fondement฀ tes฀les฀lois฀sont฀relatives฀à฀des฀moyens฀d’accès฀expérimenni฀entités฀authentiquement฀élémentaires,฀les฀études฀ tal฀ou฀à฀un฀domaine฀d’énergie฀exploré. menées฀à฀un฀niveau฀intermédiaire฀ont฀exactement฀ En฀allant฀au฀bout฀de฀ce฀jugement,฀dire฀qu’on฀peut฀ autant฀ d’importance฀ que฀ celles฀ qui฀ concernent฀ le฀ trouver฀pour฀n’importe฀quelle฀loi฀une฀base฀d’où฀elle฀ niveau฀tenu฀(à฀l’heure฀actuelle)฀pour฀fondamental. émerge฀ne฀signifie฀pas฀que฀la฀nature฀est฀un฀puits฀sans฀ Pour฀ma฀part,฀je฀vais฀choisir฀mon฀camp฀dans฀ce฀débat฀ fond฀dans฀l’absolu.฀Cela฀signifie฀seulement฀:฀(a)฀que฀ brûlant,฀en฀concentrant฀mon฀attention฀sur฀la฀seconde฀ le฀cours฀des฀recherches฀relativement฀auxquelles฀chaoption.฀Ce฀choix-là฀n’est฀lié฀à฀aucun฀intérêt฀profes- que฀niveau฀d’organisation฀est฀défini฀n’a฀pas฀de฀point฀ sionnel฀de฀physicien,฀mais฀à฀un฀désir฀de฀philosophe฀:฀ d’arrêt฀prévisible฀;฀et฀(b)฀que฀cela฀n’a฀de฀toute฀manière฀ celui฀de฀mieux฀comprendre฀une฀possibilité฀intellec- pas฀de฀sens฀de฀parler฀de฀la฀nature฀indépendamment฀ tuelle฀inédite.฀J’essaierai฀donc฀de฀défendre฀l’option฀ des฀recherches฀qu’on฀peut฀y฀conduire.฀Ici,฀le฀seul฀«฀fondu฀«฀sans฀fond฀»฀contre฀deux฀objections. dement฀»,฀ d’ailleurs฀ mobile,฀ de฀ l’édifice฀ légal฀ des฀ La฀première฀objection฀couramment฀faite฀à฀l’option฀d’une฀ sciences฀est฀la฀pratique฀de฀la฀recherche.฀฀  M. B. 36 | LA RECHERCHE | FÉVRIER 2007 | Nº 405 © 2006 STEPHEN WOLFRAM/ A NEW KIND OF SCIENCE L’ÉVOLUTION D’UN AUTOMATE CELLULAIRE, dans lequel chaque cellule d’une grille hexagonale devient noire si l’une des cellules voisines était elle-même noire à l’étape précédente, permet de retrouver la grande variété de formes cristallines propres aux flocons de neige.