La causalité dans les différentes branches de la physique
En physique newtonienne
La physique classique admet le principe sous sa forme la plus forte, celle indiquée en haut de la page; malgré la formulation du
principe de moindre action qui peut laisser penser que la
cause finale y a encore sa place.
Sans doute inspiré par ses travaux,
William Rowan Hamilton affirma « Tout ce que nous voyons paraître sous un nouvel aspect avait une existence antérieure sous une autre forme. On conçoit ainsi une absolue
tautologie entre l'effet et ses causes. »
[citation tirée de l'article cause de Vocabulaire philosophique, par André Lalande , Éditeur PUF, 13ème édition 1980]
Thermodynamique
La thermodynamique statistique ne permet pas toujours de percevoir les causes. On admet leur existence et l'impossibilité de les faire apparaître dans les équations.
Relativité
La
relativité restreinte a introduit de nouvelles formules de changement de
référentiel galiléen. Elle met en évidence qu'il existe une
vitesse causale indépassable, faute de quoi dans certains référentiels l'effet aurait lieu avant la cause. La relativité exige précisément que le principe de causalité soit respecté dans tous les référentiels galiléens.
Il faut introduire une formulation plus forte:
'tout effet a une cause et la cause précède l'effet dans tout référentiel galiléen, et même la précède d'un délai au moins égal à la durée nécessaire pour aller du lieu de la cause au lieu de l'effet à la vitesse causale.'
L'étude dynamique montre que la vitesse causale est également la vitesse des particules de masse nulle, en particulier de la lumière.
Physique quantique
Dans les domaines concernées par la
mécanique quantique, la validité du principe semble remise en cause de deux manière différentes :
- Certains résultats de mesure apparaîssent sans cause (indéterminisme fondamental)
- Certaines expériences semble mettre en évidence une rétro-causalité (rétroaction temporelle, cause finale)
Indéterminisme fondamental
Les
postulats de la mécanique quantique stipulent que :
- Les résultats d'une mesure d'un état quantique sont fondamentalement imprévisibles et ne peuvent être quantifiés qu'en terme de probabilité (postulat 4).
- Toute l'information sur l'état quantique est contenue dans le vecteur d'état (postulat 1).
Le postulat 1 exclut la possibilité que l'imprévisibilité de la mesure résulte d'une connaissance imparfaite de l'état quantique, ou - ce qui revient au même - provienne de
variables cachées. Il y aurait donc, selon ces principes, un indéterminisme
fondamental.
Certains physiciens, dont Einstein (mais aussi De Broglie, Bohm, Penrose..), n'acceptent pas l'idée d'une physique microscopique indéterministe. Ils refusent l'idée que certains phénomènes sont sans causes, ou que celles-ci sont en dehors du champ de la science. Ces physiciens cherchent à attribuer l'aspect probabiliste de la mécanique quantique à l'existence de variables cachées qui seraient à l'origine causale des indéterminismes apparents, remettant ainsi en cause le postulat 1 de la physique quantique.
Ainsi, Einstein, Podolsky et Rosen ont conçu en 1935 l'expérience de pensée du paradoxe EPR comme un test pour mettre en évidence l'existence de variables cachées locales. Le résultat des expériences d'Alain Aspect réalisées en 1981 et 1982, soit près de 50 ans après la conception du paradoxe, exclut finalement l'existence de variables cachées locales. Il est toujours possible d'imaginer contourner les conclusions de l'expérience d'Aspect en introduisant l'existence de variables cachées non-locales mais la localité est un des principes fondamentaux en physique qu'il est très difficile d'abandonner. En définitive il existe aujourd'hui un consensus dans la communauté scientifique pour dire que la mécanique quantique est fondamentalement indéterministe.
État des lieux et interprétations
Tout d'abord, il faut souligner que la physique quantique
est entièrement causale et déterminisme tant que n'intervient pas un processus de mesure. Aussi, dans certaines interprétation de la mécanique quantique excluant la notion de mesure, l'indéterminisme devient une illusion. Par exemple, la
théorie d'Everett propose que tous les résultats possibles d'une mesure soient réalisés dans des univers différents. Cette hypothèse porte en anglais le nom de
many-worlds ou
many-minds (voir
David Deutsch).
Mais se pourrait-il que le déterminisme 'hors-mesure' de la physique quantique suffise à expliquer un certain déterminisme au niveau macroscopique ? Cela pourrait être le cas si on en croit Roland Omnès. Celui-ci tente de démontrer[Alors l'un devint deux, Flammarion],[Les indispensables de la mécanique quantique, Odile Jacob] que l'évolution déterministe d'un système macroscopique peut être retrouvée à partir de l'évolution de son état quantique.
Dans un premier temps, il démontre qu'une cellule C1 d'un espace des phases (représentant un état physique classique) peut être traduit en observable par un dictionnaire de projecteurs (théorème de Hörmander). Cette cellule C1 subit une évolution (classique et déterministe) au terme d'un temps t vers un état Ct. De mème, par le théorème de Hörmander, cette cellule correspond à un état quantique .
Omnès utilise ensuite le théorème de Yuri Egorov en analyse micro-locale pour démontrer que , et donc que correspond bien à l'évolution déterministe classique.
Néanmoins, il existe mathématiquement une certaine probabilié que . Selon Omnès, cette probabilité peut être tenue pour complètement négligeable dans l'immense majorité des cas courants, et selon lui la causalité classique peut donc être retrouvée à partir des lois quantiques.
Pour Bernard d'Espagnat[Le réel voilé, Fayard],[Traité de physique et de philosophie, Fayard], il existerait bel et bien des origines causales aux indéterminismes apparents, mais qui appartiendraient à un réel voilé, fondamentalement et définitivement hors d'atteinte d'un formalisme physique et de la science.
Des physiciens contemporains (comme Roger Penrose, ou Ghirardi/Rimini/Weber) poursuivent la pistes de variables cachées non-locale, en recherchant par exemple les variables cachées du côté d'effets gravitationnels[ Roger Penrose, The road ro reality, Knopf], non encore pris en compte par la physique quantique.
Rétro-causalité
L'
expérience d'Aspect et plus encore l'
expérience de Marlan Scully peuvent s'interpréter comme faisant intervenir une rétroaction temporelle dans les résultats mesurés.
État des lieux et interprétations
Dans la version relativiste de la mécanique quantique qui est la
théorie quantique des champs, le principe de causalité est réduit à l'interdiction de l'existence de corrélations entre des
observables locales situées en des lieux séparés par un intervalle d'
espace-temps de genre espace. Autrement dit, si deux expériences sont effectués en des lieux séparés physiquement et sur un intervalle de temps plus court que le temps nécessaire à la lumière pour relier ces deux lieux alors il ne peut y avoir de corrélation quantique entre les résultats de ces deux expériences.
Cosmologique
Le
modèle standard de la cosmologie, ne préjuge pas de l’existence d’un « instant initial » ou d’un commencement à l'histoire de l'univers.
Certains physiciens comme
Gabriele Veneziano, un des fondateurs de la
théorie des cordes, travaillent sur des modèles, tel le modèle du pré-Big Bang
[M. Gasperini, G. Veneziano, Pre - big bang in string cosmology. ]
, Astropart.Phys.1:317-339,1993 (entrée SPIRES)[M. Gasperini, G. Veneziano, The Pre - big bang scenario in string cosmology. ,Phys.Rept.373:1-212,2003 (entrée SPIRES) ], dans lequel le big bang constituerait un événement physique comme un autre, et dans lequel il pourrait même se dérouler plusieurs big bangs, chacun résultant par exemple de la collision entre deux branes. Néanmoins ce modèle souffre encore de difficultés
[Nemanja Kaloper, Lev Kofman, Andrei Linde, Viatcheslav Mukhanov, On the new string theory inspired mechanism of generation of cosmological perturbations. , disponible sur l'arXiv.] et ne recueille pas l'adhésion d'un grand nombre de cosmologistes.
Andreï Linde, l'un des fondateurs de la théorie de l'inflation cosmique sur laquelle est basée en partie le modèle standard de la cosmologie, imagine quant à lui[A. Linde, Particle physics and inflationary cosmology. , Contemp.Concepts Phys.5:1-362,2005. Voir en particulier le chapitre 10.3.] la possibilité d'un univers bien plus vaste que la région de l'univers observable qui nous est accessible et dans lequel de nombreuses régions causalement déconnectées seraient susceptibles de connaître des big bangs. Cependant il est difficile d'extraire de cette dernière conclusion des éléments permettant de vérifier un tel scénario, même si l'hypothèse de l'inflation cosmique pour notre univers primordial est, elle, très bien vérifiée par les observations.
Le problème des conditions
Le « dans les mêmes conditions » pose un problème de
signification, car si l’on fait deux fois ce qui semble être la même expérience, quelque chose en différera nécessairement
- soit en terme d’espace (l’expérience est faite ailleurs)
- soit dans le temps (elle est faite à un autre moment)
On devrait donc pour être plus précis préciser en quels termes de
symétrie les conditions seront réputées être
les mêmes. Voir
Relativité,
Théorème de Noether.
Les systèmes complexes
Les systèmes complexes n’en permettent pas la vérification aussi simple.
- quand ils comprennent beaucoup de boucles de rétroaction : un être humain réagit différemment à une demande selon le nombre de demandes précédentes.
- quand ils font appel à un très grand nombre de facteurs, même sans rétroaction: c'est de là que provient la limite des prévisions météorologiques (voir théorie du chaos).
Le principe de causalité, dans son acception unilinéaire classique (une cause, un effet), est applicable aux sciences naturelles (dites dures), mais se trouve difficilement applicable aux
sciences sociales et
humaines. Cela ne remet en cause en rien le principe de causalité dans son ensemble, l'étude de ces disciplines encourage plutôt la conceptualisation de la causalité sous d'autres formes : champ causal plutôt que ligne isolable de causalité, action réciproque (cause comme effet de l'effet, notion de boucle de rétroaction) plutôt que dichotomie cause/effet.
Mais partout où ces systèmes sont analysables en termes de composants physiques macroscopiques et chimiques, sa validité, sous sa forme classique, ne prête pas à une mise en cause. En effet, si les composants sont déterminés et qu’aucune autre influence ne joue, alors le composé ne peut être indéterminé sans contradiction. (voir démon de Laplace)
Conséquences
On admet le principe de causalité en physique, sous sa forme adaptée à la physique quantique et à la relativité, à savoir '
quand deux événements ont une relation de cause à effet, la cause précède l'effet dans tout référentiel galiléen, et même la précède d'un délai au moins égal à la durée nécessaire pour aller du lieu de la cause au lien de l'effet à la vitesse de la lumière.'
Il faut alors admettre que certains rêves sont interdits:
- On ne peut remonter le temps (même quand on ne crée pas de paradoxe temporel, le voyage dans le temps contredit la causalité)
- Pour la même raison, la précognition est impossible
- Le temps doit être représenté comme une droite, pas un cercle (le principe n'ayant plus de sens si le passé et le futur se rejoignent)
Bien entendu, cela n'interdit pas de faire des prévisions en se basant sur les informations du présent (la
météorologie ne repose pas sur des visions mystiques).
Historique du principe en physique
La causalité selon Aristote
Les thèses d'
Aristote en physique rejetent tout l'esprit des physiciens antérieurs (les milésiens, les pythagoriciens,
Démocrite,...) et ont longtemps influencé la philosophie et la science occidentales.
S'appuyant sur ses observations, il présente une physique qualitative où sa théorie des causes identifie et classe les raisons pour lesquelles les évènements se produisent, répondant à la question « qu'est-ce que c'est », et en traitant simultanément ce qui relèverait aujourd'hui de la physique, de la médecine, de la sculture, du commerce, de l'âme, etc... Les causes de tout mouvement sont dans l' essence des êtres naturels en mouvement; au point que le mot mouvement évoque, pour lui, le changement d'état de l'être concerné. Ainsi, les notions de mouvement, d'infini, de lieu et de temps ne sont pas conçues comme séparées de la substance des corps, et tout mouvement (dans le sens évoqué plus haut) est l'accomplissement d'un passage d'un état initial à un état final (qui se manifeste par le repos) : l'état final était présent en puissance dans l'état initial.[Émile Bréhier, tome I, p179-190 ]
Analysant ainsi le monde, il distingue quatre causes : matérielle, formelle, motrice, finale.
Par exemples :
La pierre était en haut : son état de pierre (
cause matiérelle) en fait un corps pesant, c'est dire un corps dont l'état propre est d'être en bas, et non pas en haut.
La pierre est tombée : elle est allé rejoindre son lieu propre (état : être en bas). Sa chute est dûe à cet objectif (cause finale).
- Une cause motrice n'intervient que pour sortir un être de son état propre, cela correspond à la phrase d'Aristote : « Tout ce qui est mû est mû par autre chose; ce moteur , à son tour, ou bien est mû, ou bien ne l'est pas; s'il ne l'est pas , nous avons ce que nous cherchions, un premier moteur immobile, et c'est ce que nous appelons dieu [...]. »
[Phrase issue de la Physique d'Aristote, et soulignée par Émile Bréhier tome I, p593]
- La cause formelle peut s'entendre comme suit : à cause de la définition de l'être considéré, ou de l'idée de l'objectif dans l'esprit de la personne agissante. Un médecin soigne une personne à cause de son idée de la santé.
En Occident du XIIème au XVIème siècle
Utilisés depuis son origine, les textes d'Aristote n'étaient pas tous connus de la scolastique chrétienne. Les
croisades et les contacts avec la culture arabo-andalouse permettrons aux théologiens d'avoir accès au
Physique et au reste de l'œuvre d'Aristote, dont l'ensemble se révéla alors fort difficile à intégrer à la doctrine chrétienne.
- Thomas d'Aquin (1225, à Aquin - 1274) s'ingénia à en faire une lecture conforme à l'orthodoxie chrétienne : il chercha ainsi le Dieu chrétien dans le « premier moteur immobile » d'Aristote, en se débattant avec le dieu seulement moteur du monde éternel selon Aristote face au Dieu chrétien éternel et créateur d'un monde appelé à finir, et ainsi que la multitude des moteurs immobiles d'Aristote qui sont interprétés plus ou moins comme étant des anges, et autres difficultés. Le cœur du problème étant que le monde aristotélicien est composé d'êtres ayant chacun en soi le principe de ses mouvements, alors que le monde chrétien est fait d'êtres incomplets, hiérarchisés et déterminés par Dieu.
[É.Bréhier, tome I, p582-607] Dans le cas de l'action d'un corps sur un autre, il s'interrogea sur la nature de ce qui est transmis, « forme ou être », du corps « agent » au corps « patient », la cause étant identifiée à ce qui est transmis. De fait, cette démarche restait aristotélicienne.[Dictionnaire d'his et philo des sciences. Article causalité classique rédigé par Mme Christiane Vilain]
- Les nominalistes tels Roscelin de Compiègne (1050 - 1120), Guillaume d'Ockham (v.1285 - 1349), Nicolas d'Autrecourt (Autrecourt 1299 - Metz 1369), Jean Buridan (1300-1358), s'ingéniant à distinguer les mots dans les textes des choses dans la réalité sensible, et affirmant que les seules distinctions qui sont fondées sont celles qui sont illustrées par des choses individuelles, arrivent à faire admettre l'idée de Guillaume d'Ockham suivant laquelle rien dans la nature ni dans notre rationnalité ne peut nous amener à Dieu, que le domaine de la foi est incommunicable sauf du fait du don de Dieu, et à ébranler la doctrine philosophique d'Aristote et ses catégories.
[É.Bréhier, tome I, p501-666] Ainsi, Jean Buridan ressucite-t'il, sous le nom d'impetus, une idée ancienne destinée à améliorer la cause efficiente d'Aristote, pour mieux expliquer le fait qu'un projectile continue son mouvement dans les airs sans rien de visible pour le pousser durant tout son trajet. Cette notion, novatrice pour l'Occident, restera qualitative et explicative dans un cadre aristotélicien : la cause du mouvement transmise au mobile, s'envole avec lui, mais reste un moteur qui s'épuise, et une fois épuisé laisse le corps reprendre son mouvement naturel vers le sol (ce type d'explication variant d'un auteur à l'autre). Même Nicolas Oresme (1325-1382) et Nicolas de Cues (1401-1464) ne dégageront pas complètement l'impetus des catégories d'Aristote. Cette notion peut être vue comme un intermédiaire entre le moyen-âge et la physique moderne, même si Alexandre Koyré la qualifia de « notion médiévale confuse ».[Dictionnaire d'hist et philo des sciences. Article Impetus rédigé par Mme Christiane Vilain]
En physique du XVIIème au XIXème siècle
Voir aussi
Liens externes
Références
- Histoire de la philosophie par Émile Bréhier, Tomes I à III, Éditeur PUF, 1931, réédité en 1994 (7ème édition), ISBN 213 044378 8
- Dictionnaire d'histoire et philosophie des sciences, sous la direction de Dominique Lecourt, Éditeur PUF, 2006 (4ème édition), ISBN 213054499-1
Notes
Kausalitet
Kausaliteetti
Kausalitet
Kausalitet
