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Le Labyrinthe - souffle des temps.. Tamisier..

Souffle et épée des temps ; archange ; prophéte : samouraï en empereur : récit en genre et en nombre de soldats divin face à face avec leur histoire gagnant des points de vie ou visite dans des lieux saint par et avec l'art ... soit l'emblème nouvau de jésuraléme.

Théorie et expérience - 4


III. La mort du déterminisme au XXè siècle : relativité, physique quantique, théorie du chaos


Et soudain, patatras ! Au cours du XXè siècle, trois découvertes extraordinaires vont ruiner, en large part, les espérances de Laplace et de Comte. (Ci-contre, la fissure Calame-Carrive dans la vallée d'Aspe, photo (c) J.-M. Ollivier.)

Rappelons l'intime parenté entre loi de la causalité, honogénéité de l'Univers et justification de l'induction comme moyen d'établir des lois générales, trois facettes indissociables de ce qu'on pourrait appeler "l'esprit scientifique".

A l'époque, beaucoup de savants se représentent la causalité comme un enchaînement de phénomènes, par exemple avec l'image de boules de billard s'entrechoquant. La première bille parvient jusqu'à la seconde avec une certaine vitesse et une certaine trajectoire : le choc, compte tenu de l'angle d'incidence, cause alors le mouvement de la seconde bille, prédictible par calcul à partir du mouvement de la première. Tout cela paraît évident. Le XXè siècle va donner trois coups de hache irrémédiables dans cette belle conception.

Première par ordre d'entrée en scène, en 1905, une série d'articles rédigés par un obscur employé de l'Office des Brevets à Berne, Albert Einstein. On savait, depuis la fin du XIXè siècle, que la vitesse de la lumière dans le vide (notée "c") était à la fois constante et finie. Einstein tire de cette affirmation la théorie de la relativité restreinte.

Imaginons un quai de gare de longueur finie. A chaque extrémité de ce quai, disposons deux phares identiques, notés A et B. Au milieu du quai se tient un premier observateur, noté X. Le long de ce quai, dans le sens AB, survient un train propulsé à une vitesse proche de c. A bord de ce train voyage un deuxième observateur, Y. Au moment où Y dépasse X, les phares A et B s'allument. Emporté par le train à vive allure, Y se précipite à la rencontre du signal B, qu'il perçoit d'abord. Un peu plus tard, X, au milieu du quai, observe les deux signaux A et B ; et c'est seulement ensuite que Y percevra le signal A, qui a dû "le rattraper". Il est d'ailleurs assez simple de comprendre que si le train se déplace exactement à la vitesse de la lumière, Y ne percevra jamais le signal A. Conclusion : X a observé des signaux, simultanés, Y a observé des signaux différés, et tous deux disent vrai dans leur référentiel.

Maintenant, comment mesurons-nous le temps ? Justement par des simultanéités et des successions régulières ; mais, comme l'expérience de pensée vient de nous le prouver, la perception des simultanéités et des successions (et surtout la perception de leur régularité) dépend du mouvement de l'observateur. Autrement dit : le temps n'est pas un repère absolu. Il dépend du référentiel dans lequel on observe les phénomènes. Il est même possible de prouver que plus un observateur se déplace vite, moins le temps passe vite pour lui. Ces affirmations peuvent sembler farfelues, ou du moins restreintes à des cas exceptionnels de déplacements à des vitesses proches de la lumière (environ 300.000 km / s). Pourtant, des effets relativistes ont pu être observés sur Terre, à l'aide d'horloges au césium, dans une expérience réalisée en 1971 par Hafele et Keating. Mieux encore, le système GPS a tenu compte des effets relativistes et a en partie permis de vérifier la théorie. Pour aller plus loin sur la relativité restreinte : ici (débutants) et ici (confirmés).

Avec Einstein, la simultanéité perd son sens. Dire de deux événements qu'ils ont lieu "en même temps" devient une question de point de vue. C'est déjà renversant, et contraire à toutes nos intuitions quotidiennes. Ce n'est pourtant qu'un début.

Depuis Newton, on pensait que la lumière était un phénomène corpusculaire, pour l’excellente raison que nos ombres sont nettes. Si la lumière était de nature ondulatoire, les ombres seraient floues en raison de phénomènes d’interférence. Si Newton l’a dit, pensait-on à l'époque, c’est vrai. Sauf que c’est complètement faux. On peut bien sûr remarquer des phénomènes d’interférence avec la lumière. Alors quoi ? Est-elle donc ondulatoire ou corpusculaire ? La physique, au début du XXè siècle, nie en effet qu'un phénomène puisse être à la fois ondulatoire et corpusculaire, justement en raison de l’interférence. Deux ondes hors de phase s’annulent ; deux ondes en phase s’ajoutent ; mais ces interférences ne peuvent jamais s’observer avec la matière, pour l’excellente raison que deux corpuscules ne peuvent pas occuper le même lieu au même moment. Quand deux boules de billard tentent d'occuper le même lieu, ça fait "clac" et ça ne marche pas. Les ondes connaissent les interférences, la matière connaît le choc. Entre les deux, pas de moyen terme, par de mélange possible.

Pour discriminer entre ondes et corpuscules, on emploie un test dit des fentes de Young (1803). Ce test consiste à bombarder un grand nombre d'objets vers un écran percé de deux fentes et d'observer le résultat derrière cet écran : si l'on observe des interférences, l'objet considéré est de nature ondulatoire.

Avec la lumière, mais aussi avec toutes les particules subatomiques, cependant, les fentes de Young délivrent un résultat très embarrassant. Davisson et Germer effectuent l'expérience en 1927 : avec un canon à électrons, ils bombardent un écran, et voient évidemment apparaître des points d’impact comme si les électrons étaient des corpuscules. Provoquant alors un flux constant d’électrons et intercalant un cache à deux fentes entre le canon et l’écran, ils constatent des phénomènes d’interférence. Alors, ondulatoires, les électrons ? Le plus stupéfiant : si on garde le cache et qu’on bombarde électron par électron, on devrait retrouver les phénomènes corpusculaires. Effectivement, on retrouve les impacts ponctuels caractéristiques du phénomène corpusculaire ; mais bientôt on s’aperçoit que ces impacts ne se situent pas n’importe où : ils observent une répartition d’interférence.

C'est tout de même hallucinant ! Comment une succession de billes peut-elle se répartir selon des interférences caractéristiques des phénomènes ondulatoires ? On ne peut quand même pas croire que les "billes" "savent" où les billes précédentes se sont placées, pour "choisir" leur propre trajectoire ! Alors ?

Alors il faut supposer que les particules subatomiques (neutrons, protons, électrons, photons…), c’est-à-dire les composantes même de la matière, sont à la fois des ondes et des corpuscules. En fait, d’autres expériences montrent que les particules présentent tel ou tel aspect selon le protocole expérimental lui-même. La dualité onde-corpuscule cependant présente des difficultés redoutables pour le sens commun. D’abord, si la matière même est à la fois corpusculaire et ondulatoire, alors où se situe la limite des corps ? Lorsque vous posez la main sur la table, où s’arrête la table, où commence la main ? La question a-t-elle le moindre sens, puisque des interférences surviennent entre votre table et la main ?

Ensuite, effectivement, si toute particule présente des propriétés ondulatoires, alors il n’est plus vraiment possible de savoir "où" elle est. Tout au plus peut-on assigner des probabilités de localisation de la particule. Elle "n’est" à proprement parler nulle part ; ou plus exactement, elle est partout à la fois dans le milieu où elle évolue – comme une onde est simultanément "sur" tout l’étang. Là surviennent des paradoxes renversants.

Imaginons que vous envoyiez une particule vers un obstacle. Si elle possède l'énergie suffisante, elle peut le franchir exactement comme un cycliste gravit un col ; et si elle ne possède pas l'élan suffisant ? Eh bien, du fait même que votre particule, en raison de ses propriétés ondulatoires, se trouve simultanément "sur" tout le champ (ci-contre, photographie (c) Bertrand, chez carte_postale_suédoise), elle possède une probabilité non nulle de se trouver de l'autre côté de l'obstacle. Comme si notre cycliste, alors qu'il n'a pas ingurgité assez de calories pour monter jusqu'au sommet du Tourmalet, se retrouvait quand même de l'autre côté ! De facto, on a pu observer de tels phénomènes, baptisés "effet tunnel". Pour d'autres révélations fracassantes, voyez ici.

La physique quantique, si déroutante qu'elle puisse paraître, n'en a pas moins permis des applications pratiques très importantes, comme la maîtrise de l'énergie nucléaire. Là encore, "ça marche".

Troisième coup, fatal celui-là, porté à l'idée classique de causalité. Prenons la roue d'un moulin à eau. A l'extrémité des rayons de cette roue, plaçons des godets que nous perçons de gros trous. Amenons maintenant une arrivée d'eau juste au-dessus du godet situé au sommet du dispositif. Ouvrons le robinet. Si nous l'ouvrons très peu, le filet d'eau coule directement par le trou du godet n°1, et ne parvient pas à le remplir : la roue reste fixe. Si nous ouvrons un peu plus le robinet, le godet n°1 se remplit peu à peu. Il déséquilibre la roue qui se met à tourner. Les autres godets passent successivement sous le robinet, mais ne se remplissent qu'un peu. Lorsque la roue a parcouru un tour complet, le godet n°1, à présent vide, se retrouve sous le robinet. La roue, entraînée par son mouvement, continue sa rotation, et ainsi de suite : elle acquiert assez vite un mouvement uniforme qui peut durer indéfiniment. Maintenant, recommençons l'expérience et ouvrons le robinet un peu plus fort.

Le godet n°1 se remplit très vite. Il pèse sur la roue qui s'ébranle ; le godet n°2 se remplit également ; la roue accélère, entraînée par ces masses combinées ; le godet n°3 se remplit, mais beaucoup moins que les deux premiers ; la roue tourne ensuite trop vite pour que les godets suivants se remplissent. Résultat : alors que la roue va achever son premier tour, les godets 1 et 2, qui remontent vers le robinet, sont encore à moitié pleins d'eau, alors que les gobelets suivants sont vides. Les gobelets 1 et 2 freinent alors la roue qui... inverse son mouvement. Bravo ! Vous venez de construire une "roue à eau" de Lorenz, qui compte au nombre des "systèmes sensibles aux conditions initiales" : lorsque vous voyez la roue tourner, vous savez qu'elle va changer de sens à un moment ou l'autre ; mais aucun ordinateur au monde ne peut prédire dans quel sens elle tournera dans quelques heures, pour une raison simple : c'est que le nombre d'opérations nécessaires pour effectuer une prédiction fiable est exponentielle en fonction de l'éloignement de la prédiction dans le temps. Autrement dit, plus vous cherchez à prédire longtemps à l'avance, plus vous devez effectuer de calculs ; et assez vite, ce nombre de calculs confine à l'infini.

Situation tout à fait renversante : nous pouvons décrire intégralement ce système, nous savons très bien comment il fonctionne, nous pouvons écrire les équations qui le régissent (en somme, il est déterminniste au sens de Laplace et du positivisme de Comte) ; et cependant il est imprédictible : aucun groupe d'ordinateurs au monde ne peut calculer son état futur. Il en va de même avec la météo (Lorenz était météorologue), où trois facteurs fondamentaux (vitesse du vent, hygrométrie et température), assez simples par eux-mêmes, entretiennent des rapports d'interaction réciproques si complexes qu'il est rigoureusement impossible de prévoir avec certitude et précision la météo dans quinze jours - même si toute la surface de la Terre était couverte de capteurs ultrasensibles et que nous coordonnions toutes les capacités de calcul du monde.

Ces phénomènes bizarres, à la fois déterministes et imprédictibles, sont appelés "chaotiques". Le mathématicien Nicolas Mandelbrot les décrit en 1975 dans sa Géométrie fractale de la nature. Au départ, la communauté scientifique croit qu'il s'agit simplement d'une curiosité mathématique. Depuis, en trente ans, on a découvert que la théorie du chaos et la géométrie fractale présentent des applications dans tous les domaines : embouteillages, croissance des plantes, dynamiques des populations, battements du cœur, accouchement, erreurs informatiques, cours boursiers, mouvements de foule, description du vol des oiseaux en groupe et déplacement des poissons en banc, réactions nucléaires en chaîne, porosité des sols, orbites des planètes, précipités chimiques, érosion des côtes, formation des nuages... (Pour une bonne introduction sous forme, essentiellement, de renvois à plusieurs articles, voir ici et ici.)

On a la furieuse impression d’assister à un jeu de massacre. L’image classique de la causalité est entièrement anéantie. Les deux boules de billard ne font "clac" (ne se trouvent simultanément en contact) que dans certains référentiels particuliers dont nul ne peut affirmer qu'ils sont "meilleurs" ou plus "vrais" que d'autres référentiels, dans lesquels l'observateur ne verra jamais les billes se heurter (relativité restreinte d'Einstein). Nos deux billes n'ont d'ailleurs aucune limite géométrique bien définie, puisque la "matière" (si ce mot a encore le moindre sens) qui les compose présente des propriétés ondulatoires (physique quantique). Enfin, à supposer même qu’on puisse décrire effectivement le mouvement des "boules", on ne pourrait e
n tout état de cause pas prédire leurs mouvements à long terme car les inégalités du tapis provoquent des frottements sur les billes, transformant le billard en système déterministe mais imprédictible. Il ne reste plus rien du rêve de Laplace.

(Ci-contre, toile (c) de la peintre française Neima.)

Ajoutons pour la bonne bouche que "l’effet tunnel" a effectivement été observé dans les accélérateurs de particules ; or la particule qui franchit l’obstacle se retrouve instantanément de l’autre côté. Répétons-le : instantanément. C’est-à-dire plus vite que la lumière. Badaboum ! La relativité n’est pas compatible avec la physique quantique. La théorie physique unifiée n’est pas pour demain.

Il ne reste rien, ou presque, du principe de causalité. La notion de "cause" devient très difficile à définir. Cette idée qui semblait si intuitive, si évidente, si naturelle, et sur laquelle on fondait de si grands espoirs, semble se déliter. Ce qui veut dire ceci : un étudiant en physique contemporaine qui se crisperait sur des réflexes "rationnels" du XIXème siècle ne comprendra rien. Absolument rien. La physique contemporaine est rationnelle ; mais c’est une rationalité totalement différente de celle du XIXème siècle. En particulier, il semble que toutes nos conceptions "communes" sur la réalité soient mises en question.

Par ailleurs, la physique contemporaine dénonce avec vigueur toutes les croyances intuitives à propos du réel. Cela fait tout de même cent ans. Il serait temps qu'on en tienne compte, ne croyez-vous pas ?

Suite du cours : la vérité.
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C

Blog(fermaton.over-blog.com),No-19. - THÉORÈME SPINOZA. - Einstein et le déterministe absolu.
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C

 Mon Blog(fermaton.over-blog.com),N0-2. -THÉORÈME DE PLANCK. - La RELATIVITÉ ÉBRANLÉE ??
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Z


Cet article est un véritable coup de tonnerre.



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C


Bonjour,


Vous êtes cordialement invité à visiter mon blog.
      
Description : Mon Blog(fermaton.over-blog.com), présente le développement mathématique de la conscience humaine.


La Page No-4: HATMAN !


THÉORÈME D'HATMAN , PHYSIQUE QUANTIQUE !
RELATIVITÉ
VITESSE LUMIÈRE
APOCALYPSE



Cordialement


Clovis Simard



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