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11 juillet 2007
par Jean-Paul Baquiast

Pourquoi les lois fondamentales de la physique paraissent-elles ajustées pour permettre la vie et la conscience ?

Résumé. Une série d'articles publiés indépendamment les uns des autres par la revue NewScientist du mois de juin 2007 signale des recherches récentes permettant d'entrevoir quelques pistes en réponse à la question fondamentale posée par le principe anthropique : pourquoi les lois de la physique paraissent-elles favorables à la vie (telle que nous la connaissons) ? Ces pistes font appel aux interprétations de la physique quantique selon lesquelles - pour simplifier - c'est l'observateur macroscopique qui crée l'univers observé à partir d'un indéterminisme quantique primordial. La plus fructueuse, en termes scientifiques comme philosophiques, a été baptisé le "Darwinisme quantique".

La question donnant son titre à cet article est posée aujourd'hui avec de plus en plus d'insistance. Par lois fondamentales, on entend les lois, découvertes progressivement par les physiciens, qui définissent les conditions nécessaires à la construction des particules matérielles. Elles régulent l'organisation de la matière aussi bien en vastes structures cosmologiques qu'en organismes vivants de type terrestre, y compris ceux qui, comme nous, dotés de conscience, peuvent se donner des représentations d'eux-mêmes dans l'univers et modifier l'ordonnancement de cet univers en faisant appel à la science. On dit que les lois fondamentales sont « bio-friendly ». Elles sont réglées à quelques millièmes d'unités près (fine-tuned) d'une façon telle qu'elles sont compatibles les unes avec les autres et, finalement, avec la vie telle que nous la connaissons sur Terre. Ainsi, si le proton était plus lourd que le neutron de 0,1%, tous les protons produits dans les suites du Big bang n'auraient pu acquérir de charge électrique et auraient dégénéré en neutrons. De ce fait les atomes n'auraient pas existé et la chimie aurait été rendue impossible.

Cette propriété des lois fondamentales a été exploitée par les tenants du principe anthropique fort qui en déduisent que l'univers aurait pu, dès le début, avoir été conçu par une super-intelligence voulant faire apparaître la vie et l'homme. Inutile de dire que cette hypothèse d'une super-intelligence n'a aucun intérêt scientifique puisqu'elle n'est pas démontrable. Elle permet seulement aux spiritualistes de justifier la création telle que racontée dans les Ecritures. Le principe anthropique faible est plus modeste. Il se borne à constater que, dans l'univers tel qu'il est défini par les lois de la physique, des organismes vivants tels que nous ont pu se développer. Il n'exclut d'ailleurs pas que dans d'autres cantons de l'univers, à partir des mêmes lois fondamentales, d'autres formes de vie et de conscience soient possibles. Mais là encore, le principe anthropique faible n'a guère d'intérêt scientifique. Il n'ouvre pas de pistes pour rechercher derrière l'ensemble des lois fondamentales de la physique un principe explicatif unique qui permettrait de comprendre pourquoi ces lois sont ce qu'elles sont et grâce auquel la science, le cas échéant, pourrait imaginer ou construire des univers différents.

Faut-il alors que les scientifiques matérialistes – ceux qui excluent le recours à la divinité comme principe explicatif - ne puissent faire autre chose que constater l'existence des lois fondamentales, aux origines inexpliquées, flottant si l'on peut dire comme autant de principes organisateurs au-delà (ou au-dessus) du monde matériel et du monde biologique. On retrouverait là une sorte d'idéalisme ou réalisme des essences, de type platonicien, qui inspire aujourd'hui encore, dans un domaine voisin, beaucoup de mathématiciens. Pour certains de ces derniers, les lois mathématiques constituent un univers situé en dehors du nôtre, qu'ils découvrent peu à peu et dont d'ailleurs ils retrouvent les grandes règles logiques à l'œuvre dans les lois de la physique. Au contraire, pour d'autres mathématiciens, que nous qualifierions d'évolutionnaires ou darwinistes, les lois mathématiques sont des produits de l'architecture des cerveaux. Ceux-ci auraient progressivement acquis, dès le règne animal, la capacité de qualifier et quantifier des « objets » à partir d'un continuum de signaux physiques émanant du monde extérieur.

Une variante du principe anthropique faible vise à expliquer pourquoi nous nous trouvons dans un univers favorable à la vie, sans faire appel à la simple lapalissade selon laquelle si nous sommes là, c'est parce que nous sommes là. Il s'agit de l'hypothèse bien connue du multivers. Selon cette dernière, le monde quantique fondamental générerait en permanence des bulles d'univers qui s'organiseraient en évoluant selon des modes différents, intégrant plus ou moins de complexité. Le monde quantique n'étant pas limité par des facteurs temporels ni par le nombre des combinaisons que peut produire l'émergence de particules physiques à partir des entités quantiques, un nombre infini d'univers, présentant un nombre infini d'organisations différentes, pourrait résulter des fluctuations quantiques produites par la supposée énergie du vide. De cette infinité de tirages de la loterie quantique, rien n'interdit de penser qu'un bon numéro, celui d'un univers permettant la vie, ait pu apparaître. Mais à nouveau cette explication n'est pas satisfaisante. Non seulement parce qu'il n'a pas été à ce jour possible de prouver l'existence d'univers multiples, mais surtout parce que les lois primordiales ou méta-lois, autrement dit le mécanisme générateur permettant aux multi-univers d'apparaître, y compris en comportant de « bons numéros » favorables à la vie, ne sont pas plus connaissables ni explicables, dans cette hypothèse, que dans les précédentes.

Cependant, aujourd'hui, une série d'articles publiés indépendamment les uns des autres par la revue NewScientist du mois de juin 2007 permettent d'entrevoir quelques réponses à la question fondamentale posée par le principe anthropique : pourquoi les lois de la physique paraissent-elles favorables à la vie (telle que nous la connaissons) ? Ces réponses font appel, comme l'on pouvait s'en douter, aux interprétations de la physique quantique selon lesquelles - pour simplifier - c'est l'observateur macroscopique qui crée l'univers observé à partir d'un indéterminisme quantique primordial.

La post-sélection quantique

Une première de ces réponses(1) a été baptisée du terme de post-sélection quantique (quantum post-selection). Elle repose sur une expérience proposée il y a une vingtaine d'années par le physicien John Wheeler reprenant le fameux dispositif des fentes de Young. Cependant la création du réel par l'observateur, dans l'expérience de Wheeler, ne concerne pas le réel d'aujourd'hui, mais celui du passé. On sait que dans le système de Young classique, le fait de placer un détecteur derrière une des fentes détruit la nature quantique des micro-états (par exemple des photons) envoyés sur ces fentes. Autrement dit, au lieu de se comporter en onde et de générer des franges d'interférences sur un écran, les photons se comportent en particules et génèrent des points d'impacts ponctuels. On dit aussi que l'observation réduit leur fonction d'onde ou les oblige à décohérer. Dans l'expérience de Wheeler, des télescopes placés derrière l'écran et observant les photons une fois qu'ils ont interféré et produit des franges sur l'écran détruit ces franges. Autrement dit, l'observation remonte dans le temps et modifie rétroactivement le résultat de l'expérience. Stephen Hawking et Thomas Hertog en ont conclu, dans un article de février 2006(2) que « l'histoire de l'univers – autrement dit (c'est nous qui le disons) les phénomènes par lesquels cette histoire se manifeste – dépend des questions qu'on lui pose ». L'existence des observateurs et de la vie aujourd'hui a un effet sur le passé. En formulant la chose autrement, avec un peu d'extrapolation, on pourrait dire que si les lois de la physique nous paraissent favorables à la vie, c'est parce que ce sont des êtres vivants qui observent le monde quantique primordial et y ont vu, ou plutôt créé, des lois favorables à la vie.

Les lois de la physique seraient donc flexibles. Elles dépendent des observateurs. On parle de « flexi-laws ». Paul Davies, auteur de l'article, et des collègues tentent actuellement de donner une base mathématique cohérente au concept de lois flexibles et de sélection post quantique. Il faut en effet tenter d'expliquer pourquoi le processus ainsi décrit produit des résultats déterminés au lieu de générer un désordre total. La question est encore à l'étude(3).

Le darwinisme quantique

L'hypothèse selon laquelle l'observateur d'aujourd'hui définirait ce qu'était l'univers avant lui paraît cependant assez « tirée par les cheveux ». Une hypothèse plus simple est présentée dans ce même numéro du NewScientist(4). Elle fait appel au principe bien connu de la superposition, selon lequel une particule ne peut être décrite que par sa fonction d'onde, tant du moins que celle-ci n'a pas été réduite par un observateur. La particule, de quantique et indéterminée, devient alors, une fois observée, physique (on dit aussi macroscopique) et sujette aux lois physiques que nous connaissons. Mais qui observe ? S'agit-il seulement d'un physicien armé d'un instrument adéquat ?

Les chercheurs Robin Blume-Kohout et Wojciech Zurek ont proposé récemment d'admettre que ce serait l'environnement de la particule qui jouerait le rôle d'observateur. Ils ont nommé ce phénomène le darwinisme quantique. Les physiciens quantiques, quand ils isolent des bits quantiques, pour faire notamment de la cryptologie quantique, les maintiennent à l'abri de l'environnement, composé de particules macroscopiques, car celles-ci provoqueraient la décohérence des q.bits. Mais au lieu de considérer l'environnement comme exerçant un effet négatif, les auteurs proposent de voir dans celui-ci un agent de sélection permettant de stabiliser dans un sens favorable à la « survie » de cet environnement les propriétés quantiques des particules avec lesquelles il interfère. Ainsi, progressivement, les produits de ces interactions, c'est-à-dire des particules quantiques décohérées (dont la fonction d'onde aura été réduite), seront intégrés aux systèmes macroscopiques et copiés en grand nombre, avec leurs nouvelles caractéristiques physiques et chimiques, s'ils sont favorables à la survie de ces systèmes. Les auteurs de l'hypothèse ont construit un dispositif expérimental utilisant un objet quantique oscillant interagissant avec son environnement, que nous ne décrirons pas ici en détail et qui illustre ce processus(5).

On voit le grand intérêt de cette approche. Si nous nous appuyons sur elle, nous n'aurions plus à nous étonner du fait que l'univers physique tel qu'il nous apparaît (au niveau des lois macroscopiques que nous y observons) soit favorable à la vie et à la pensée, puisque c'est cet univers qui, à partir des multiples possibilités permises depuis son origine par l'interaction avec le réservoir infini de possibles propre au monde quantique, a provoqué la décohérence dans le sens favorable à sa croissance des particules quantiques avec lesquelles il interagissait (qu'il « observait »). Nos lecteurs se souviennent peut-être que le biologiste quantique John John MacFadden avait suggéré une hypothèse voisine pour expliquer l'introduction d'une variation orientée dans les mutations, à l'occasion d'interaction entre des particules quantiques et les atomes du génome(6). Bien évidemment, une telle approche est strictement darwinienne. Elle exclue tout finalisme. Elle postule seulement que les systèmes macroscopiques, qu'ils soient physiques, biologiques ou mentaux, se construisent par des variations au hasard résultant des décohérences favorables à la survie qu'ils provoquent en interagissant avec le monde quantique. Ne sont conservées que les variations physiques, chimiques ...et biologiques... favorables au développement de ces systèmes.

Mais les auteurs de l'hypothèse du darwinisme quantique ne semblent pas encore s'être posés la question des origines tout à fait première de la construction de l'univers macroscopique et des lois que nous y observons. Pour cela, il faudrait remonter au niveau de la première des particules quantiques décohérée à partir de laquelle le Big Bang se serait déchaîné. Pourquoi cette particule primitive supposée a-t-elle adopté tel état macroscopique et non tel autre, alors qu'aucun "observateur" ne l'observait. On peut penser qu'il s'est agi d'un simple hasard, parmi de nombreux autres choix surgissant en permanence du vide quantique - et pouvant donner naissance à d'autres bulles d'univers que nous ne connaîtront jamais. Pour comprendre cela, il semble que les hypothèses proposées par Seth Lloyd concernant les origines de l'univers à partir du vide quantique peuvent alors être appelées à la rescousse. Le postulat retenu par Seth Lloyd, qui ne se distingue pas en ceci de la grande majorité des cosmologistes contemporains, est que notre univers serait né, au sein d'une infinité d'autres, d'une fluctuation dans l'énergie du vide quantique (ou énergie de point zéro).

Ce terme d'énergie du vide désigne un univers sous-jacent à tous les univers possibles, notamment à notre univers. Il est dénué de temps, d'espace et de masse. Son entropie est maximum (infinie ?) dans la mesure où il est impossible de donner la moindre information concernant ce qui s'y trouve. Mais cet univers sous-jacent se manifeste en permanence au niveau de notre univers. D'abord par l'existence des trous noirs, si on conserve l'hypothèse de l'existence de ceux-ci. Mais aussi simplement parce que toutes les particules matérielles qu'étudie notre physique doivent être considérées comme résultant de la décohérence de processus ondes-particules quantiques appartenant au monde quantique. Selon certaines hypothèses de la physique quantique, l'énergie du vide n'est pas statique. Elle est bouillonnante. A grande échelle, elle manifeste des fluctuations imprévisibles (création de paires particules-anti-particules). En permanence, des particules ou bouffées d'énergie sont créées et d'autres annihilées. Autrement dit, des «bulles d'univers», dotées de temps et d'espace locaux, sont aléatoirement créées. Certaines sont annihilées, d'autres se développent. On peut faire l'hypothèse que notre univers a été le produit d'une de ces fluctuations. Une particule quantique aurait vu sa fonction d'onde réduite et se serait retrouvée sous la forme d'une particule matérielle ou macroscopique dont les propriétés auraient été favorables à la création de particules plus complexes par « observation » du monde quantique environnant. Des décohérences et des computations en chaîne en auraient résulté, d'où seraient sortis le monde que nous connaissons et les lois d'organisation des objets physiques, biologiques et même mentaux qui régulent son développement.

L'apport de Seth Lloyd à ce schéma est que l'univers primordial se serait comporté comme un ordinateur quantique et aurait calculé son propre développement, ce qui expliquerait la vitesse avec laquelle il aurait exploré toutes les possibilités physiques, chimiques puis biologiques macroscopiques offertes par la décohérence de la particule initiale(7).

Quoiqu'il en soit, la réponse à la question posée en titre: " Pourquoi les lois fondamentales de la physique paraissent-elles ajustées pour permettre la vie et la conscience? " serait donc assez simple. L'univers qui est le nôtre se serait construit, dès la décohérence de la première particule, en même temps qu'il construisait ses lois. L'état physique affecté, suite à un évènement aléatoire, par cette première particule, aurait déterminé la suite. Les particules ultérieures ont obligatoirement adopté, lors de l' "observation" qu'exerçait sur elle cette première particule, un état physique compatible avec l'état de celle-ci. Par la suite, lors de la réduction de la fonction d'onde des particules quantiques ultérieures, seuls ont été sélectionnés les états compatibles avec l'amorce d'univers en train de se construire. Mais ceci ne veut pas dire que les lois de la physiques ont été "ajustées", par une force inconnue, pour permettre la vie. Cela veut seulement dire que les différentes organisations matérielles, physiques et chimiques qui sont nées de la décohérence initiale se sont édifiées selon certaines lois constructales qui ont permis l'apparition des grandes et petites structures de l'univers, et éventuellement des atomes nécessaires à l'auto-synthèse de la vie. Mais on peut penser que le vide quantique initial produit en permanence un nombre infini de solutions différentes, dont nous n'aurons jamais connaissance.

L'observateur crée-t-il la réalité ?

Peut-on déduire de ce qui précède que l'observateur humain crée la réalité et que le monde n'a pas d'existence en dehors de lui ?(8) Nous pensons qu'il faut distinguer selon les temps de l' "observation". Les objets du monde macroscopique, ceux avec lesquels nous sommes en contact tous les jours, n'ont pas été créés en premier lieu par des observateurs humains. Dans l'hypothèse de la décohérence en chaîne à partir d'une particule quantique matérialisée, l' « observation » a été provoquée par les ensembles macroscopiques apparus progressivement. Il s'agissait d'abord de systèmes matériels, puis, sur Terre, de systèmes biologiques et d'objets mentaux. Ce sont tous ces systèmes qui ont créé le monde matériel et ses lois par interactions et sélections croisées.

Aujourd'hui cependant, au moins sur Terre, le processus se poursuit et s'amplifie du fait de l'apparition d'observateurs humains qui observent aussi bien les objets macroscopiques que le monde quantique. On notera là une intéressante boucle étrange (pour reprendre le terme de Douglas Hofstadter) puisque ces observateurs sont les produits d'un processus physique d'observation antérieur et qu'ils se retournent sur ce processus pour l'étudier. Ceci notamment dans le cadre de la recherche scientifique expérimentale. Nous avons indiqué à d'autres occasions, dans cette revue, qu'il s'agit d'un mécanisme constructiviste. La science, les technologies, les idées créent de la complexité dans le monde macroscopique, à partir de leurs activités quotidiennes. Cette complexité, comme l'on sait, n'est d'ailleurs pas toujours intelligible par cette même science. Il nous semble que Miora Mugur-Schächter ne dise pas autre chose lorsqu'elle analyse la façon dont l'observateur humain isole et qualifie de micro-états quantiques afin d'en faire des réalités matérielles(9).

Mais peut-on pour autant dire que l'interaction des particules quantiques avec des particules matérielles et à plus forte raison des observateurs humains puisse créer le monde quantique ? Ceci supposerait que notre univers matériel et plus précisément que les observateurs humains qui s'y trouvent, soient capables d'imposer leurs lois au monde quantique. Il s'agirait évidemment d'une erreur. Tout au plus peuvent-ils constater quelques régularités dans le monde quantique, exploitées dans les technologies récentes. Mais ils ne créent pas d'hypothétiques lois quantiques fondamentales, à supposer qu'il en existe. Ou tout au moins ils n'en sont pas encore capables.

Aujourd'hui la physique, qu'elle soit simplement quantique ou qu'elle s'inspire des hypothèses nouvelles de la gravitation quantique, ne peut produire des hypothèses testables relativement à de telles lois. Les expériences actuelles sur l'intrication, notamment, ne permettent pas de comprendre ce qui se cache derrière les phénomènes observés(10). L'esprit humain y arrivera-t-il un jour ? Beaucoup de physiciens sont confiants et pensent que la physique fondamentale est aujourd'hui à un tournant. Elle devrait enregistrer tôt ou tard un changement important de paradigme. Peut-être pourra-t-on mieux comprendre la logique profonde du monde quantique, notamment le mécanisme permettant de générer des univers, semblables ou différents du nôtre. Certains comptent pour cela sur ce que révélera le Large Hadron Collider du Cern quand il entrera en service, mais pour le moment il s'agit de simples vœux de leur part. Il n'est pas exclu non plus, autre possibilité, qu'une illumination vienne un jour d'une direction totalement inattendue. Quand on dit que la science ne fait pas rêver…

Notes
(1) Voir Paul Davies, Laying down the laws, Newscientist, 30 juin 2007, p. 32.
(2) Voir Hawking-Hertog, Populating the Landscape: A Top Down Approach http://www.arxiv.org/abs/hepth/0602091
(3) Voir Aharonov et Tollaksen, Juin 2007, New insights on time symmetry in quantum mechanics, http://www.arxiv.org/abs/0706.1232
(4) Voir Zeeva Merali, Quantum reality, Darwinian style, NewScientist, 30 juin 2007, p. 18.
(5) Voir Avril 2007, Robin Blume-Kohout et Wojciech H. Zure, Quantum Darwinism in quantum Brownian motion: the vacuum as a witness : http://eprintweb.org/S/authors/All/zu/Zurek/2 aussi http://www.arxiv.org/abs/0704.3615
(6) Voir notre article : John John Mac Fadde, 'Quantum Evolution'
(7) Voir notre article : Seth Lloyd, 'Programming the Universe' :
(8) Voir Michaël Brooks, 'Reality Check', NewScientist, 23 juin 2007 p. 30.
(9) Voir notre article: MMS, 'Sur le tissage des connaissances'
(10) Voir Lee Smolin et Fotini Markopoulou, Disordered locality in loop quantum gravity states : http://www.arxiv.org/abs/gr-qc/0702044

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