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Un réaliste s’empare de la mécanique quantique et la conteste.

Graham Farmelo analyse la déconstruction par Lee Smolin de la théorie physique la plus réussie jusqu’à présent. (article dans Nature 568, 166-167)

La Révolution Inachevée d’Einstein : La quête de ce qui se trouve au-delà du Quantum. C’est le titre du livre que vient de publier Lee Smolin, que je ne pourrai avoir entre les mains qu’au début Mai. L’article de G. Farmelo donne un avant-goût de ce qui est proposé à notre réflexion et je vous le communique avec quelques commentaires.

Article traduit par mes soins. (L’original est communiqué à la suite de celui-ci)

La mécanique quantique est peut-être la théorie, jamais formulée, la plus réussie. Pendant près de 90 ans, les expérimentateurs l’ont soumise à des tests rigoureux, dont aucun n’a remis en cause ses fondements. C’est l’un des triomphes de la science du XXe siècle. Le seul problème avec elle, soutient Lee Smolin dans ‘La Révolution Inachevée d’Einstein’, c’est que c’est faux (sic). Dans ce livre difficile, il tente d’examiner d’autres options pour une théorie du monde atomique.

Smolin est un physicien théorique à l’Institut Perimeter de Waterloo, au Canada, et un critique franc de la direction qu’a prise la physique théorique au cours des quatre dernières décennies. Une source d’idées provocantes, il les a présentées dans plusieurs livres populaires, y compris le ‘Trouble avec la Physique’ (2006) et ‘Renaissance du Temps’[1] (2013). Il est peut-être encore mieux connu pour son rejet de la théorie des cordes, un cadre largement utilisé pour la physique fondamentale, qu’il rejette car malvenue. Bien que l’opposition fougueuse de Smolin à certains développements courants dans le physique moderne irrite un bon nombre de ses pairs, j’ai un faible pour lui et toutes autres personnes qui n’ont pas peur de s’interroger sur la façon standard de faire les choses. Comme l’a observé le journaliste Malcolm Muggeridge : « Seuls les poissons morts nagent avec le courant. »

Le livre de Smolin est à bien des égards ambitieux. Il va de nouveau à la case départ, introduisant la mécanique quantique à un niveau assez basique pour que des étudiants en sciences la saisisse. Il souligne que le concept de champ a permis de donner une description véritablement révolutionnaire du monde atomique, quelque chose qui s’était avéré impossible avec les théories (rétrospectivement étiquetées « classiques ») précédentes. La structure mathématique de la mécanique quantique est arrivée avant que les physiciens aient pu l’interpréter, et Smolin donne un compte rendu clair des arguments ultérieurs sur la nature de la théorie, avant enfin de définir ses propres idées.

Pour moi, le livre démontre qu’il est préférable de considérer Smolin comme un philosophe de la nature, plus intéressé à réfléchir sur les significations fondamentales de l’espace, du temps, de la réalité, de l’existence ainsi que des sujets connexes. James Clerk Maxwell, premier pionnier du XIXe siècle de la théorie de l’électricité et du magnétisme, pourrait être décrit de la même façon — il aimait à débattre des questions philosophiques avec des collègues dans une série de disciplines. La façon de penser de Maxwell a eu un impact profond sur Albert Einstein, qui pourrait aussi être considéré pour partie comme philosophe de la nature, et pour partie physicien théorique. (Mon commentaire : à propos de cette séparation entre philosophe de la nature et physicien théorique, il ne faut pas l’exagérer car que penser d’un théoricien qui n’aurait aucune pensée propre sur l’ordre de la nature ? Dans ce cas, est-ce que Dirac aurait été le précurseur et le découvreur qu’il fut ?)

Comme Einstein, Smolin est un « réaliste » sur le plan philosophique, quelqu’un qui pense que le monde réel existe indépendamment de nos esprits et en conséquence peut être décrit par des lois déterministes. Celles-ci nous permettent, en principe, de prédire l’avenir de toute particule si nous avons suffisamment d’informations à ce sujet. Cette vision du monde est incompatible avec l’interprétation conventionnelle de la mécanique quantique, dans laquelle les principales caractéristiques sont l’imprévisibilité et un rôle incontournable des observateurs dans le résultat des expériences. Ainsi, Einstein n’a jamais accepté que la mécanique quantique était significative mais considérait qu’elle annonçait un espace réservé impressionnant pour une théorie plus fondamentale conforme à son credo réaliste. Smolin est d’accord.

(Mon commentaire : ainsi dans ce paragraphe il est simplement exprimé le clivage essentiel, insoluble jusqu’à présent, entre la physique classique incluant la Relativité Générale et la Physique Quantique. Il faut à mes yeux préciser que le paradigme énoncé par Einstein « Le monde réel existe indépendamment de nos esprits » est un point de vue philosophique qui conduit directement au corollaire mathématique de l’invariance qui a une efficacité heuristique remarquable. La problématique de l’invariance de grandeurs physiques a surgi en 1905 comme aboutissement des lois de la relativité restreinte et cela n’a pas échappé à Einstein qui a ensuite travaillé à sa généralisation pendant 10 ans avec ténacité parce qu’il en avait préalablement la conviction philosophique. Pour ce qui est de la physique quantique, le processus de son émergence est différent car la problématique quantique s’est imposée à l’insu des physiciens. Elle ne résulte pas a priori d’une conviction sur ce qu’est la nature et du rapport de l’être humain doté de son intelligence avec celle-ci. Il suffit de lire la biographie de Planck sur ce sujet. Parce que la pensée humaine n’est pas à la source de la physique quantique on ne peut pas encore ‘penser quantique’ voir article : ‘Non on ne peut pas penser quantique, pas encore’ 26/09/2015 et ‘Fondamentalement renoncer’ le 19/08/2015 )

Smolin mène sa recherche par d’autres voies afin d’établir la mécanique quantique dans une langue intelligible pour un public non initié, avec à peine une équation en vue. Smolin est un pédagogue lucide, capable de rafraîchir le discours quantique théorique qui a été présenté des milliers de fois. Les non-experts pourraient, cependant, lutter lorsqu’il plonge dans certaines des interprétations modernes de la mécanique quantique, seulement pour les rejeter. Parmi celles-ci, par exemple, l’approche du super déterminisme du théoricien Gerard’t Hooft.

Le livre est cependant entrainant et, enfin, optimiste. S’inspirant sans s’excuser de la tradition historique et même de la philosophie moderne, Smolin propose un nouvel ensemble de principes qui s’applique à la fois à la mécanique quantique et à l’espace-temps. Il explore ensuite comment ces principes pourraient être réalisés dans le cadre d’une théorie fondamentale de la nature, bien qu’il s’arrête de fournir des détails sur la mise en œuvre (ce qui affaiblit sérieusement la teneur de son livre comme son livre précédent spécifique sur le temps). (J’espère pouvoir commenter ce nouvel ensemble de principes quand j’aurai le livre entre les mains)

Smolin conclut avec les implications de tout cela conduisant selon sa version à notre compréhension de l’espace et du temps. Il suggère que le temps est irréversible et fondamental, en ce sens que les processus par lesquels les événements futurs sont produits à partir de ceux présents sont vraiment fondamentaux : ils n’ont pas besoin d’être expliqués en termes d’idées plus basiques (sic). L’espace, cependant, est différent. Il affirme qu’il émerge de quelque chose de plus profond. (Idem quand j’aurai lu le livre !)

Pourtant, il est loin d’être clair si les nouvelles méthodes de Smolin permettent que l’espace et le temps soient étudiés efficacement (sic). Au cours des dernières décennies, il y a eu de nombreuses avancées passionnantes dans ce domaine, presque toutes réalisées en utilisant la mécanique quantique standard et la théorie de la relativité d’Einstein. À mon avis, Smolin minimise le succès extraordinaire de cette approche conservatrice. C’est la base de la théorie quantique des champs (descendant de la théorie de Maxwell de l’électricité et du magnétisme), qui rend compte des résultats de toutes les expériences subatomiques, certains d’entre eux avec de nombreuses décimales. Malgré l’impression que Smolin donne, la physique théorique moderne est florissante, avec des idées potentiellement révolutionnaires sur l’espace et le temps émergeant d’une combinaison de la mécanique quantique standard et de la théorie de la relativité enseignée dans les universités pour les générations. Peut-être que les bouleversements de la physique auxquels Smolin aspire sont tout simplement inutiles.

Gratifiant, je doute que la ‘Révolution Inachevée d’Einstein’ convertira beaucoup des critiques de Smolin. Pour ce faire, il devra présenter ses idées plus rigoureusement que ce qu’il peut raisonnablement faire dans un livre populaire.

Une chose sur laquelle chaque physicien dans le domaine de Smolin peut convenir, c’est qu’il y a un besoin criant pour des indices plus juteux sur la nature. Il n’y a pas eu de surprises concernant le fonctionnement interne des atomes depuis une vingtaine d’années. Ce sont des résultats expérimentaux qui décideront si Smolin est correct, ou s’il proteste trop. Après tout, bien que la mécanique quantique pourrait ne pas satisfaire l’esprit philosophique, il s’est avéré être un outil totalement fiable pour les physiciens, même ceux qui n’ont aucun intérêt à débattre sur son interprétation.

Article original :

A realist takes on quantum mechanics

Graham Farmelo parses Lee Smolin’s takedown of the most successful physics theory ever.

Einstein’s Unfinished Revolution: The Search for What Lies Beyond the Quantum Lee Smolin Penguin Press (2019)

Quantum mechanics is perhaps the most successful theory ever formulated. For almost 90 years, experimenters have subjected it to rigorous tests, none of which has called its foundations into question. It is one of the triumphs of twentieth-century science. The only problem with it, argues Lee Smolin in Einstein’s Unfinished Revolution, is that it is wrong. In this challenging book, he attempts to examine other options for a theory of the atomic world.

Smolin is a theoretical physicist at the Perimeter Institute in Waterloo, Canada, and an outspoken critic of the direction his subject has taken over the past four decades. A fount of provocative ideas, he has showcased them in several popular books, including The Trouble with Physics (2006) and Time Reborn (2013). He is perhaps best known for his rejection of string theory, a widely used framework for fundamental physics that he dismisses as misguided. Although Smolin’s spirited opposition to some mainstream developments in modern physics irritates quite a few of his peers, I have a soft spot for him and anyone else who is unafraid to question the standard way of doing things. As the journalist Malcolm Muggeridge observed: “Only dead fish swim with the stream.”

Smolin’s book is in many ways ambitious. It goes right back to square one, introducing quantum mechanics at a level basic enough for high-school science students to grasp. He points out that the field gave a truly revolutionary account of the atomic world, something that had proved impossible with the theories (retrospectively labelled ‘classical’) that preceded it. The mathematical structure of quantum mechanics arrived before physicists were able to interpret it, and Smolin gives a clear account of subsequent arguments about the nature of the theory, before finally setting out his own ideas.

For me, the book demonstrates that it is best to regard Smolin as a natural philosopher, most interested in reflecting on the fundamental meanings of space, time, reality, existence and related topics. James Clerk Maxwell, leading nineteenth-century pioneer of the theory of electricity and magnetism, might be described in the same way — he loved to debate philosophical matters with colleagues in a range of disciplines. Maxwell’s way of thinking had a profound impact on Albert Einstein, who might also be considered part natural philosopher, part theoretical physicist.

Like Einstein, Smolin is a philosophical ‘realist’ — someone who thinks that the real world exists independently of our minds and can be described by deterministic laws. These enable us, in principle, to predict the future of any particle if we have enough information about it. This view of the world is incompatible with the conventional interpretation of quantum mechanics, in which key features are unpredictability and the role of observers in the outcome of experiments. Thus, Einstein never accepted that quantum mechanics was anything but an impressive placeholder for a more fundamental theory conforming to his realist credo. Smolin agrees.

He conducts his search for other ways of setting out quantum mechanics in language intelligible to a lay audience, with scarcely an equation in sight. Smolin is a lucid expositor, capable of freshening up material that has been presented thousands of times. Non-experts might, however, struggle as he delves into some of the modern interpretations of quantum mechanics, only to dismiss them. These include, for instance, the superdeterminism approach of the theoretician Gerard ’t Hooft.

The book is, however, upbeat and, finally, optimistic. Unapologetically drawing on historical tradition and even modern philosophy, Smolin proposes a new set of principles that applies to both quantum mechanics and space-time. He then explores how these principles might be realized as part of a fundamental theory of nature, although he stops short of supplying details of the implementation.

Smolin concludes with the implications of all this for our understanding of space and time. He suggests that time is irreversible and fundamental, in the sense that the processes by which future events are produced from present ones are truly basic: they do not need to be explained in terms of more basic ideas. Space, however, is different. He argues that it emerges from something deeper.

Yet it is far from clear whether Smolin’s new methods allow space and time to be investigated effectively. In recent decades, there have been many exciting advances in this subject, almost all made using standard quantum mechanics and Einstein’s theory of relativity. In my opinion, Smolin downplays the extraordinary success of this conservative approach. It is the basis of modern quantum field theory (a descendant of Maxwell’s theory of electricity and magnetism), which accounts for the results of all subatomic experiments, some of them to umpteen decimal places. Despite the impression that Smolin gives, modern theoretical physics is thriving, with potentially revolutionary ideas about space and time emerging from a combination of the standard quantum mechanics and relativity theory taught in universities for generations. Maybe the upheaval in physics that Smolin yearns for is simply unnecessary.

Rewarding as it is, I doubt Einstein’s Unfinished Revolution will convert many of Smolin’s critics. To do that, he will need to present his ideas more rigorously than he could reasonably do in a popular book.

One thing on which every physicist in Smolin’s field can agree is that there is a crying need for more juicy clues from nature. There have been no surprises concerning the inner workings of atoms for some 20 years. It is experimental results that will decide whether Smolin is correct, or whether he protests too much. After all, although quantum mechanics might not satisfy the philosophically minded, it has proved to be a completely dependable tool for physicists — even those who have no interest in debates about its interpretation.

Nature 568, 166-167 (2019)

doi: 10.1038/d41586-019-01101-0