Septième rencontre « Physique et interrogations fondamentales »

Organisée par la Société française de physique et la Bibliothèque nationale de France

 

 

 

Bibliothèque nationale de France

Grand auditorium

Mercredi 22 mai 2002, de 9h à 19h

 

 

 

Causalité et finalité

 

D’après la relativité, aucune cause ne peut avoir d’effet instantanément à distance et d’après la mécanique quantique, aucune cause ne peut avoir d’effet si elle ne met pas en jeu au moins un quantum élémentaire d’action égal à la constante de Planck. C’est donc toute la conception de la causalité qu’il a fallu remettre en chantier pour tenir compte de ces deux limitations qui étaient ignorées par la physique classique. Mais malgré cette ré-élaboration, la physique semble rester très en retrait de la subtilité de l’analyse aristotélicienne qui sait discerner les causes matérielles (les divers matériaux dont est faite une maison), les causes formelles (le plan de son architecte), les causes efficientes (le travail de ses bâtisseurs) et les causes finales (sa raison d’être).  A tout le moins, ces causes finales, et avec elles la catégorie de finalité semblent devoir être définitivement exclues du champ de la physique, encore que certains physiciens et cosmologistes adeptes du « principe anthropique » puissent sembler être d’un avis contraire. Que la finalité soit au cœur de l’ensemble des sciences humaines et sociales ne soulève aucune difficulté, mais qu’en est-il en biologie, où elle est, selon le mot de François Jacob, comme une maîtresse dont on ne peut se passer mais avec qui on n’ose pas être vu en public ? Quels liens la causalité entretient-elle, dans les phénomènes que nous connaissons, avec les idées de déterminisme, hasard et chaos ? Les notions de causes et d’effets se retrouvent aussi au cœur du « principe de précaution », dont l’actualité accentue le caractère crucial pour notre société.

 


 

 

Programme et résumés

 

 

 

 

Jean-Michel BESNIER

Professeur de philosophie, Université de Technologie de Compiègne,

chargé de mission auprès de la Direction des enseignements supérieurs du Ministère de l’éducation nationale

 

La causalité entre métaphysique et science

Résumé :

Le positivisme d'Auguste Comte a écarté la recherche des causes du champ de compétences des scientifiques ; il l'a réservée aux seuls philosophes.

Le physicien Ernst Mach le suivra, considérant que l'asymétrie temporelle d'une cause précédant l'effet n'est pas compatible avec la représentation de la dépendance mutuelle des éléments qui prévaut dans la physique fondamentale; il lui préférera l'idée mathématique de fonction.

Les positivistes du Cercle de Vienne, dans la première moitié du vingtième siècle, camperont sur des positions analogues, en reléguant la causalité dans le grenier de la métaphysique. Les historiens de la philosophie identifient déjà chez Descartes les difficultés suscitées par la recherche des causes en tant qu'elle définit l’essentiel du travail scientifique.

On retracera ces difficultés afin de décrire la situation de crise qui s'en est suivie. On examinera la manière dont le kantisme a prétendu dénouer le problème et on se demandera si la place accordée de nouveau à la causalité, dans le monde de la science, n'expose pas parfois à quelques malentendus.

 

Références bibliographiques :

 

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John STEWART

COSTECH, Université de Technologie de Compiègne

 

La physique, la biologie et la clôture sous causalité efficiente

Résumé :

Rosen (1991) propose de ré-interpréter les quatre types de causalité que distinguait Aristote : les causalités matérielles, efficientes, formelles et finales. Dans le cas des systèmes dynamiques déterminés par leur état (SDDE), les trois causes matérielles, efficientes et formelles sont si étroitement imbriquées qu'au fond elles ne forment qu'une seule cause ; et, comme l'a dit Russell, la notion même de « causalité » s'affaiblit dans la mesure où tout est déterminé.  Par conséquent, il n'y a rigoureusement aucune place pour le quatrième type de causalité aristotélicienne, la « cause finale » : elle ne peut  rien ajouter, rien signifier, car tout est déjà  déterminé et il n'y a plus rien à spécifier.

Rosen propose comme définition  d'un organisme vivant le fait qu'il s'agit d'un système matériel qui est clos sous causalité efficiente. Cela n'est possible que si les causalités efficientes bouclent sur elles-mêmes dans une configuration circulaire ; ce qui est impossible dans le cadre conceptuel d'un SDDE car la structure des implications causales est déjà totalement saturée. Par exemple, la physique, en tant que science des SDDE, ne peut  répondre à la question : « pourquoi  la force est-elle proportionnelle au produit des masses et inversement proportionnelle au carré de la distance? » Les « lois dynamiques » sont en fait hétéronomes, « extérieures » en quelque sorte au système lui-même.

En employant la Théorie des Catégories, Rosen propose un modèle formel (minimal) de la clôture sous causalité efficiente, dans lequel il devient possible de donner un contenu scientifique aux notions de cause finale et de fonction. Chaque composant du modèle relationnel ainsi obtenu possède alors des « raisons d'être » qui proviennent de ses conséquences et des fonctions,  non pas au sens mathématique (des applications), mais au sens biologique du terme.

 

Référence bibliographique :

 

Bibliographie de J. Steward :

 

 

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Jacques BROS

SPhT, Direction des sciences de la matière, CEA-Saclay

 

Causalité en théorie des champs

Résumé :

«La cause précède l’effet », mais encore…! Phénoménologiquement, la causalité en physique est limitée par la vitesse de propagation des signaux lumineux, plus généralement du champ électromagnétique.

Le caractère universel de cette vitesse va alors inscrire la causalité dans le bouleversement des concepts d’espace et de temps, d’où naît en 1905 la relativité restreinte : c’est dans la géométrie de l’ « espace-temps de Minkowski » (très comparable à celle d’Euclide, mais où la ligne droite devient le plus long chemin –temporel ! - d’un point à un autre) que s’exprime désormais la causalité du monde qui nous entoure, dite causalité relativiste.

Dans l’infiniment petit, c’est encore la lumière qui, par son double aspect ondulatoire (le champ) et corpusculaire (les photons), est à l’origine d’une autre révolution de pensée dans les années 1920-1930 : l’avènement de la mécanique quantique. Celle-ci n’est pas sans poser de problèmes concernant la causalité dans l’observation des phénomènes à l’échelle (sub)atomique (paradoxe EPR, étalement des « paquets d’onde », « effet tunnel »). Cependant, le champ électromagnétique lui-même, rempart de la causalité relativiste, va se révéler capable dans son aspect quantique de préserver la dite causalité, en un sens bien particulier : les valeurs du champ dans des régions de l’espace-temps « acausalement séparées l’une de l’autre » peuvent être considérées comme des grandeurs indépendantes. C’est ce qui apparaîtra en langage mathématique dans la quantification du champ électromagnétique (peu avant 1950), théorie dont la confrontation à l’expérience va produire un accord remarquable.

Ce succès rend alors possible la formulation d’un ambitieux cadre théorique admettant comme concept de base celui d’« observable locale de champ » et incluant sous le nom de microcausalité l’expression quantique de la causalité relativiste esquissée ci-dessus. Cette théorie quantique des champs, développée au cours de la seconde moitié du siècle, est censée régir les interactions fondamentales de la matière jusqu’aux limites actuelles d’exploration dans l’infiniment petit. Dans ses réalisations les mieux affinées (chromodynamique quantique des champs de quarks et gluons, modèle unifié dit « standard » des interactions nucléaires fortes, faibles et électromagnétiques), elle rend compte de divers aspects quantitatifs de la physique des particules.

Pour le physicien mathématicien, un autre type d’intérêt réside dans l’aspect conceptuel, l’architecture logique et l’esthétique des théories : or même si des problèmes de fond demeurent, la théorie quantique des champs, en permettant la mise en œuvre conjointe de la microcausalité et d’un autre grand principe relativiste, la stabilité  (ou positivité de l’énergie), fournit actuellement l’approche la plus cohérente des structures fondamentales de la matière. L’exploration parallèle et sans cesse croissante d’un univers de concepts mathématiques et d’un univers physique descriptible en termes de ces concepts n’est pas un moindre sujet d’étonnement : une telle architecture de la matière, relativiste et quantique, où microcausalité et stabilité sont si étroitement reliées a de quoi questionner sur sa finalité sous-jacente.

 

Membre du Service de physique théorique de Saclay depuis 1959, Jacques BROS est l’auteur de nombreux articles de recherche traitant de problèmes de fond concernant la structure infinitésimale de la matière, articles publiés dans des revues spécialisées de physique ou de mathématique. Il est également l’auteur de cours d’études avancées (tels que notamment Champs et particules : de l’axiomatique à l’expérience, École de Physique de Gif-sur-Yvette, 1971). Membre du comité de rédaction de la revue Annales de l’Institut Henri Poincaré, section Physique Théorique, il dirige en 1996 l’édition de deux numéros spéciaux de cette revue consacrés aux « nouveaux problèmes en théorie générale des champs et particules »


Marc LACHIÈZE-REY

Directeur de recherches au CNRS,

Dapnia/SAP, Direction des sciences de la matière, CEA-Saclay

 

Le Principe anthropique et la causalité cosmique

Résumé :

La physique et la cosmologie d’aujourd’hui décrivent l’Univers avec un succès grandissant : nous connaissons de mieux en mieux la géométrie de l’espace-temps (représentée par les paramètres cosmologiques) et les valeurs des constantes physiques fondamentales.  Nous sommes pourtant incapables d’identifier un processus qui en serait la cause, incapables de comprendre « pourquoi » l’Univers est comme il est.

La globalité et l’unicité de l’Univers anéantissent la pertinence de la causalité, qui opère si efficacement dans le reste de la physique.

 

Tout discours sur l’« origine » ou la « création » de l’Univers, toute estimation d’un caractère plus ou  moins « naturel », (ou « probable », ou « improbable »…) des paramètres cosmiques ou des constantes de la nature, deviennent périlleux.

Si la causalité n’opère pas, peut-on faire appel au finalisme  et à l’anthropocentrisme ? C’est la réponse du Principe anthropique, dont nous critiquerons la pertinence et l’efficacité.

 

Si elle veut aborder ces questions, la physique doit remettre en cause et rénover quelques-unes de ses notions les plus fondamentales : la causalité, le temps, l’espace,... Nous indiquerons quelques voies, suivies par certaines démarches actuelles (recherche de théories unitaires, conciliation entre relativité et physique quantique, cosmologie et gravité quantiques). 

 

Références bibliographiques :

 

Bibliographie de M. Lachièze-Rey :

 

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Jean-Philippe BOUCHAUD

Drecam/Spec, Direction des sciences de la matière, CEA-Saclay

 

Hasard et déterminisme : de la physique aux  marchés financiers

Résumé :

La physique statistique, née au XIXe siècle pour faire le lien entre une réalité microscopique déterministe mais impossible à décrire complètement, et son expression macroscopique, a connu un essor considérable au XXe siècle. Ses plus grands succès concernent la description des phénomènes collectifs, où le comportement d'ensemble est qualitativement différent des comportements individuels.

La description des transitions de phase (par exemple l'apparition d'un ordre magnétique dans un solide) a permis le développement de concepts et d'outils nouveaux qui trouvent, depuis quelques années, des débouchés dans des domaines très différents, comme la turbulence hydrodynamique, les avalanches et les tremblements de terre, les vols d'oiseaux ou les essaims d'abeilles, où la coordination (induite ou spontanée) de nombreux éléments conduit à des phénomènes singuliers, parfois à des catastrophes.

Les marchés financiers et l'économie sont des domaines privilégiés d'application de ces idées. Les fluctuations des marchés financiers sont-elles modélisables, à défaut d'être prédictibles ? Comment comprendre certains changements de comportement sociaux, qui peuvent conduire, dans le cas des marchés, aux krachs ? Nous discuterons plusieurs idées récentes, qui exploitent les analogies entre les marchés financiers et des phénomènes physiques (comme la turbulence ou les avalanches) pour construire des modèles adaptés à la description des risques financiers. Ces modèles font apparaître l'interpénétration subtile d'effets déterministes et d'effets aléatoires dans la genèse de séries temporelles « chaotiques ».

 

Jean-Philippe Bouchaud, 39 ans, est « expert senior » au Commissariat à l'énergie atomique. Ancien élève de l'École normale supérieure, docteur en physique, ses recherches portent sur la physique des systèmes désordonnés, sur la matière granulaire et, depuis 1992, sur la statistique des mouvements boursiers et la modélisation des risques financiers.  Il est l'un des fondateurs de Science & Finance, qui cherche à promouvoir des méthodes issues de la physique statistique pour aborder des problèmes de finance. Il a reçu le prix IBM Jeune Chercheur en 1990 et la médaille d'argent du C.N.R.S. en 1995.

Bibliographie :

Théorie des risques financiers (avec Marc Potters), Paris : Commissariat à l'énergie atomique, 1997.

 

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Joe ROSEN

Visiting Professor, Department of Physics, The Catholic University of America

 

Pierre Curie’s symmetry principle

Le principe de symétrie de Pierre Curie

Résumé :

The symmetry principle, also called the Curie principle, states that an effect is at least as symmetric as its cause. Pierre Curie, taking a complementary, but completely equivalent view, pointed out that any asymmetry appearing in an effect must also be present in its cause and, moreover, declared that it is asymmetry that produces phenomena1. The symmetry principle plays a tremendous and profound role in physics. It can be used to set a lower bound on the symmetry of an effect or an upper bound on the symmetry of a cause. The latter use is extremely fruitful in basic physics, in the quest to discover fundamental theories, such as, very famously, those of the elementary particles and their interactions. Rigorous proof of the symmetry principle is beyond the scope of this talk2. However, the speaker will discuss a number of components of the proof from among the following list. It can be seen from the list that the validity of the symmetry principle derives both from the nature of Nature and, perhaps surprisingly, also from the nature of science.

 

 

Le principe de symétrie, également connu comme le Principe de Curie, établit qu’un effet est au moins aussi symétrique que sa cause. Pierre Curie, en partant d’un point de vue complémentaire, mais totalement équivalent, fit remarquer que toute asymétrie qui se manifeste dans un effet  doit également être présente dans sa cause, et de plus  déclara que c’est l’asymétrie qui produit le phénomène1. Le principe de symétrie joue un rôle formidable et profond en physique. Il peut être utilisé pour déterminer une limite inférieure à la symétrie d’un effet ou une limite supérieure à celle d’une cause. Cette dernière utilisation est extrêmement riche en physique de base, dans la recherche des théories fondamentales, comme celles, maintenant célèbres, des particules élémentaires et de leurs interactions. Il n’est pas question de donner ici une démonstration rigoureuse de ce principe2. Cependant l’orateur discutera certains arguments de cette démonstration, parmi ceux donnés plus bas. On peut voir, à partir de cette liste, que la validité du principe de symétrie découle à la fois de la nature même de la Nature et, de manière plus surprenante, également de la nature même de la science.

·         L’essence de la symétrie est l’immunité face à un changement possible.

·         La Nature présente des phénomènes reproductibles.

·         La Nature révèle des relations de causalité.

·         Nous exploitons la reproductibilité pour arriver à une compréhension suffisante des relations de causalité, ce qui nous rend capables de prédire avec succès des phénomènes jusque là non observés.

·         Nous exprimons de telles relations causales par des lois.

·         Du fait qu'elle ignore nécessairement certains aspects de la Nature, aucune loi ne peut être omnipotente.

 

1 Pierre Curie, “Sur la symétrie dans les phénomènes physiques, symétrie d'un champ électrique et d'un champ magnétique,” J. Phys. (3e ser.) 3, 393-415 (1894). Voir également Paul Renaud, “Sur une généralisation du principe de symétrie de Curie,” C. R. Acad. Sci. Paris 200, 531-534 (1935).

 2 Pour une preuve complète et détaillée voir Joe Rosen, Symmetry in Science.

 

Bibliographie de J. Rosen :

 

 

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Jean-Jacques KUPIEC

Institut Cochin de Génétique Moléculaire

 

La biologie a-t-elle opéré sa révolution copernicienne ?

Résumé :

Ce qu'il est convenu d'appeler la révolution copernicienne a consisté en l'abandon du système d'Aristote - avec son cosmos complexe et hiérarchisé - pour passer à un univers simple dont la description fut parachevée par Newton. Il s'agit d'un point bien établi.

Ce qui est moins clair, c'est la nature de cette révolution. Elle est souvent réduite à une révolution méthodologique (méthode expérimentale) rendue possible par les conditions techniques et sociales de la Renaissance. On fait alors l'impasse sur le débat interne à la philosophie qui a provoqué la remise en question du système d'Aristote au Moyen-Age. Il s'agit de la querelle des universaux. Cet aspect est important pour l'histoire des sciences en général mais aussi pour celle de la biologie en particulier. En effet, la négation de l'existence des espèces par le nominalisme va de pair avec la négation de la cause formelle et aboutit à l'effondrement de tout le système d'Aristote. Il fallait défaire les objets de leurs caractères spécifiques, qui les liaient les uns aux autres dans un système complexe et hiérarchisé, avant de pouvoir penser le principe d’inertie et se libérer de la finalité. Ainsi, la physique moderne a émergé en oubliant et en transcendant la spécificité en tant que catégorie centrale.

En biologie c'est beaucoup plus difficile à faire. Nous nier en tant qu'espèce humaine nous est évidemment absurde et insupportable. C'est ce qui explique la permanence de l'espèce biologique et non pas son caractère supposé naturel qui serait conféré par les mécanismes de l'hérédité. Ce décalage entre la physique et la biologie explique pourquoi la biologie a tant de mal à échapper à la finalité. La génétique après avoir affirmé la réalité de l'espèce a, par nécessité de cohérence interne, reconstitué une théorie similaire au système d'Aristote. La division entre génotype et phénotype reproduit l'ancienne séparation entre essence spécifique et existence accidentelle. Le programme génétique est l'équivalent de la cause formelle qui vient ordonner les molécules du vivant dans le processus d'ontogenèse. En conséquence il y a une confusion permanente de la cause et de l'effet dans l'explication des phénomènes du vivant qui entrave le développement de la biologie.

Cette analyse nous conduit à poser la question de la possibilité d'une biologie qui renoncerait à faire de la spécificité une catégorie centrale, comme l'a fait la physique, et à proposer un paradigme alternatif à la génétique. Dans cette perspective, nous sommes amenés à retrouver Darwin qui pour élaborer sa théorie de la sélection naturelle avait déjà posé la question de la réalité de l'espèce en biologie et à proposer une nouvelle théorie de l'embryogenèse.

 

J.-J. Kupiec est chercheur à l'INSERM, Institut Cochin de Génétique Moléculaire, www.criticalsecret.com/jjk

En plus de nombreux travaux en biologie moléculaire, il a proposé une théorie darwinienne du développement de l'embryon qui introduit l'aléatoire au niveau du fonctionnement du génome et la sélection métabolique au niveau des relations cellulaires :

·         Kupiec, J.J. A probabilist theory for cell differentiation: the extension of Darwinian principles to embryogenesis. Speculations in Science and Technology, Volume 9, No 1, pp. 19-22, 1986.

·         Kupiec, J.J. A probabilist theory for cell differentiation, embryonic mortality and DNA C-value paradox. Speculations in Science and Technology, Volume 6, No 5, pp. 471-478, 1983.

Il a également développé une recherche en épistémologie analysant la dépendance actuelle de la biologie vis-à-vis de la métaphysique d'Aristote :

·         Kupiec J.J. L'influence de la philosophie d'Aristote sur l'élaboration de la théorie de l'évolution et sur la génétique. Revue Européenne de Sciences, Tome XXXVII No 115 : 89-116, 1999.

En collaboration avec P. Sonigo :

·         Ni Dieu, ni gène, Paris : Seuil, 2000.

 

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Bernard CHEVASSUS-AU-LOUIS

Directeur de recherches à l’INRA, Président du Conseil d’Administration de l’AFSSA.

 

Causalité, finalité, responsabilité : quelles interactions dans le monde de la précaution ?

Résumé :

La pratique de l’expertise scientifique en situation d’incertitude oblige l’expert à prendre en compte et à pratiquer trois logiques de réflexion dont les interactions sont parfois importantes :

 

Ce sont ces trois volets de l’expertise que nous présenterons et illustrerons par des exemples pris principalement dans le domaine de la sécurité sanitaire des aliments.

 

B. Chevassus-au-Louis est, depuis avril 1999, Président du Conseil d’administration de l’AFSSA (Agence française de sécurité sanitaire des aliments), après avoir présidé depuis 1997 celui du CNEVA (Centre national d’études vétérinaires et alimentaires), absorbé au sein de cette nouvelle agence.

Il a également été nommé en juillet 1998 Vice-Président de la CGB (Commission du génie biomoléculaire, qui examine les demandes de dissémination en France d’organismes génétiquement modifiés) et il préside actuellement le groupe de travail « OGM » du Commissariat général au Plan. Il est membre du conseil scientifique du CIRAD (Centre international de recherche agronomique pour le développement) et du comité d'orientation du Muséum national d'Histoire naturelle.

Ses travaux scientifiques, effectués au centre INRA de Jouy-en-Josas (78), portent sur les méthodes d’amélioration génétique des poissons d’aquaculture. Il a publié sur ce thème une cinquantaine d’articles originaux ou de synthèse et une trentaine d’articles de vulgarisation. Il a été chef du Département d’hydrobiologie et faune sauvage de l’INRA (1984-1989) puis Directeur général de cet organisme (1992-1996). Il a participé à de nombreuses évaluations de laboratoires et programmes nationaux (ORSTOM, IFREMER, CNRS, CEMAGEF) et internationaux, en particulier en lien avec les PED (ICLARM aux Philippines, revue globale du CGIAR, réorganisation de la recherche agronomique en Guinée et au Mali).

 

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