PHILOPURE : Hasard et nécessité en science

Sommaire :

I. L’atomisme et la négation du hasard

II. Entre science et mystique divine : un leur de hasard

III. Le hasard et le chaos

IV. Le vivant et l’homme au cœur des problèmes de mécanique classique et de mécanique quantique

L’une des caractéristique fondamentale de l’Homme est la conscience. L’étymologie du terme nous indique que l’homme est accompagné de savoir, qu’il est con-(« avec ») et scientia (« savoir » qui donna le mot « science » tel que nous le connaissons). C’est ce en quoi l’Homme se différencie de l’animal. L’homme ne se limite pas à son simple présent, il sait qu’il se situe dans le temps, entre un passé et un futur. Plus généralement encore, il est en mesure de comprendre le monde qui l’entour, le « pourquoi » des choses. Toutefois, il y a quelque chose qui fait obstacle à sa quête ; le hasard. Ici le hasard est entendu comme ce qui n’a pas de cause, ce dont on ne peut trouver le « pourquoi ». Ainsi, le monde ne se présente pas à l’Homme comme absolument nécessaire. Il y a des choses qui lui échappent, qui résistent à ses efforts de compréhension. Nous pouvons nous interroger sur ce qui motive une telle quête d’intelligibilité du monde. Il s’agit pour l’Homme de pouvoir comprendre les causes du monde qui l’entour pour mieux en prévoir le futur. Il est donc question d’un pouvoir agir, c’est-à-dire de ne pas être empêché par un événement dont la cause lui aura échappé. C’est à partir de préoccupations pragmatiques tels que de pouvoir échapper aux aléas de la nature ou d’accroître un potentiel technique que la science est apparue pour se charger de répondre à de tels besoins. Ce sont ces besoins alliés à l’inquiétude de ne pas pouvoir y répondre qui ont produit des croyances comme celles de la fatalité, du libre arbitre ou de l’astrologie et des pratiques telles que la prière, le sacrifice ou la délibération face à un choix. La question qui nous intéresse ici est de savoir comment la science a articulé le hasard et la nécessité pour comprendre le monde. En particulier, certaines évolutions de la science ont permis de comprendre que le hasard n’est pas toujours dû à notre ignorance, mais peut aussi être une propriété intrinsèque des choses, notamment au sujet de la mécanique quantique.

Nous commencerons ainsi cette étude avec l’atomisme antique et une vision du monde cosmologique qui nie totalement tout hasard. En dépit de cette ignorance, la découverte de l’atome s’avèrera fondamentale puisqu’elle est toujours au cœur des recherches de la science contemporaine. Nous nous intéresserons ainsi à Newton dont les travaux changèrent notre vision du monde. Par là le monde ne sera-t-il plus absolument déterminé. Pour Newton, la science permet non pas de connaître les raisons du monde, ce qui appartient à la volonté de Dieu mais seulement de décrire le monde en en reconstituant les phénomènes et ce à partir des découvertes fondamentales de l’atomisme. Nous verrons ensuite que la vision de Leibniz diverge de celle de Newton, qu’il nous est possible de découvrir des raisons suffisantes. Laplace reprendra ensuite l’héritage de Leibniz et de Galilée, c’est-à-dire ce principe d’égalité, que les mêmes causes produisent les mêmes effets. Nous verrons ainsi que cette mécanique classique est capable de donner une vision du monde précise mais toutefois imparfaite. Bien qu’il ne soit plus nié, le hasard n’entre cependant pas directement en « action » dans cette vision du monde de la mécanique classique.

Nous nous tournerons alors vers la mécanique quantique que nous introduirons avec Henri Poincaré. Bien qu’il ne parle pas de hasard en mécanique quantique mais de source d’incertitude nous verrons en quoi il introduira ce que nous appellerons plus tard le chaos.

Enfin, après la physique, nous nous intéresserons au vivant puis à l’homme dans le cadre de la société. Le vivant et l’homme nous intéresseront ici au sens où ils concentrent en eux les problèmes de la mécanique classique et quantique tout en ayant des propriétés chaotiques. Ceci conduira à une nouvelle perspective, aussi bien de la science que de sa pratique et de sa vision du monde.

1. L’atomisme et la négation du hasard

L’atomisme s’oppose principalement à l’idée héraclitéenne du changement perpétuel. Bien que, comme Héraclite le disait, « on ne se beigne jamais deux fois dans le même fleuve », la conception atomiste insiste sur l’existence d’une loi cachée qui ordonne le monde en dépit de ses apparences. L’atomisme propose une description du monde plus adéquate, permettant de fonder une connaissance sur une base sûre ; l’atome. L’atome (du grec « atomos », « qui ne peut-être divisé ») permet de décrire l’Univers en terme de vide et de petits mondes microscopiques, insécables et inaltérables. Cette découverte est pour le moins étonnante puisque le savant antique grecque ne possédait que l’observation de la nature pour étudier la matière. L’atomisme se base sur l’idée que la matière ne peut être solide que si les corpuscules qui la composent sont durs. Cette conception exclue ainsi toute instabilité du monde et donc une approche « infiniste » pour laquelle la matière serait un emboîtement de corpuscules et de sous-corpuscules à l’infini. Le hasard est donc par essence contre toute science. C’est pourquoi il est radicalement évacué. Il ne peut faire sens pour le savant antique grec. Aristote considère le hasard comme proche du non-être. De fait l’existence est ce qui est nécessaire et ce qui ne l’est pas se trouve plus du côté du non-être. Le hasard n’existe donc pas. Ainsi, nous nous trouvons face à la distinction suivante : ou bien les choses arrivent de façon aléatoire ce qui signifie que le hasard en est la « cause », ou bien elle possède une régularité ce qui prouve qu’il y a un moteur qui les oriente. Et nous venons justement de voir qu’il existe une régularité, cet atome qui est insécable et inaltérable. Il est donc possible de comprendre leur vision du monde, de l’univers qu’il nommaient « cosmos » à partir de leur science atomiste. En grec, le « cosmos » est un tout complet puisque les atomes sont en nombre limité, éternel puisqu’inaltérable, c’est-à-dire que les atomes n’ont eu ni de naissance ni de fin, et enfin que ce tout est harmonieux, que ces parties s’organisent ensembles par ressemblance, ce que nous pouvons considérer comme une loi de causalité puisqu’il y a une régularité dans le mouvement des atomes. Les atomistes sont de fait les créateurs d’une vision de la causalité et d’une épistémologie dont nous allons étudier l’évolution. Et le fait d’introduire le mouvement comme donnée première à l’étude du monde, du « cosmos » est ce qui nous amène à la réflexion de Newton qui se base sur cette découverte antique.

2. Entre science et mystique divine : un leur de hasard

Pour Newton, il est possible de mesurer l’effet observable d’une force, ce que nous venons de nommer « moteur » dans la pensée antique. Il découvre ainsi la cause du mouvement, ce en quoi il dépasse la connaissance antique du monde. Cependant, sa vision du monde diverge de celle des antiques. Le monde, au sens de newton, ne constitue pas un système déterministe, régit par des lois. L’effet observable des forces en tant que cause du mouvement n’exprime pour lui que l’intervention actuelle de Dieu dans le monde. Pour Newton, les mathématiques ne sont pas en mesure de découvrir les raisons, ce qui appartient à la seule nécessité de la volonté divine. De fait les mathématiques ne constituent qu’une simulation des phénomènes pour en reconstituer une description exacte. Les raisons appartiennent à la volonté de Dieu. Nous pouvons ainsi considérer que la pensée de Newton possède une certaine insuffisance puisqu’elle ne nous donne finalement qu’une vision partielle du monde. Cette vision est encore éloignée de l’enjeu de la science, de son pouvoir d’agir sur le monde. Ici le hasard est celui de la volonté de Dieu à l’œuvre dans chacune de ses interventions.

Leibniz considère cette volonté divine comme despotique et donc imparfaite. Puisque Dieu est parfait il ne peut être d’une telle nature et doit donc se conformer au principe de raison, c’est-à-dire que rien n’arrive sans qu’il y ait une raison suffisante nous permettant d’affirmer qu’il en est ainsi plutôt qu’autrement. Ainsi Dieu est la cause de tel monde plutôt qu’un autre mais ce qui arrive, l’existence effective du monde, est soumis à une nécessité immanente dont nous pouvons saisir les raisons suffisantes. Une raison suffisante est ce qui permet de comprendre en quoi tel phénomène s’est produit plutôt qu’un autre. Cette nécessité immanente au monde a été explicitée par la mécanique galiléenne en soumettant la description de la chute des corps au principe de causalité. Ce principe de causalité, ou principe d’égalité entre une cause et l’effet qu’elle produit permet ainsi non seulement de décrire et de mesurer un phénomène mais aussi de le comprendre. De fait, le monde ne nous offre pas une simple description mais nous permet un accès à son intelligibilité par le principe d’égalité entre la cause et son effet. En outre, remarquons qu’avec sa découverte de la relativité, Einstein a démontré qu’il était possible de découvrir les raisons puisque la relativité est la cause du mouvement. Toutefois, nous pouvons là aussi remarquer que le hasard se trouve à nouveau évacué, comme paralysé par l’affirmation leibnizienne d’un déterminisme universel, bien que l’accès de la raison humaine à ce déterminisme soit un cas rare et exceptionnel.

Cet accès limité à ce déterminisme n’est pas intrinsèque au monde mais appartient à l’imperfection de la raison humaine. Laplace s’intéresse à cette imperfection de la raison humaine par rapport à ce déterminisme physique avec la figure emblématique appelée le « démon de Laplace » qui apparaît au début de son Essai philosophique sur les probabilités. Avant toute chose, il est important de ne pas confondre le démon de Laplace avec le Dieu leibnizien. Le démon de Laplace est celui qui peut tout prévoir dans le champs de l’astronomie et de la mécanique. Cette figure a été conçu sur le modèle de ces sciences ce qui donne un sens à ses prévisions. Ce démon ne comprend donc pas l’univers qu’il juge puisqu’il ne s’agit pas d’une volonté divine, d’un Dieu leibnizien, mais en a une vision tautologique au sens où le démon conçoit le monde comme une succession éternelle et nécessaire d’états équivalents engendrant des états équivalents.

Cette vision mécaniste du monde sera affirmée de manière effective par les héritiers de Laplace avec le principe universel de conservation de l’énergie qui atteste cette vérité mécanique soumise au principe galiléo-leibnizien d’égalité ou d’équivalence entre la cause et l’effet.

Ainsi, nous pouvons constater que la nécessité prime toujours sur le hasard. Le hasard n’est ici qu’une apparence de différences qualitatives d’énergie derrière lesquelles se trouvent cette vérité mécanique, ce déterminisme universel. Le hasard n’est donc qu’une apparence à partir de laquelle nous pourrions être induit en erreur, celle de ne pas reconnaître ce déterminisme.

Jusqu’ici la science n’a articulé le hasard et la nécessité que dans le but de discréditer le hasard, trop gênant dans cette compréhension globale et précise du monde du déterminisme universel. Nous allons à présent nous diriger vers une conception différente du hasard, comme intégrée par la science par le concept de chaos. Pour introduire cette nouvelle considération du hasard, nous allons nous intéresser à une autre mécanique, la mécanique quantique.

3. Le hasard et le chaos

 La mécanique quantique diffère de la mécanique classique que nous venons d’aborder selon les classes de phénomène auxquels nous nous intéressons. Contrairement à la mécanique classique qui s’occupe de phénomènes de grande échelle, la mécanique quantique étudie ce qui est de l’ordre microscopique, par exemple les atomes. Il ne s’agit donc pas de réfuter la validité de la mécanique classique, qui est valable avec une très bonne précision, mais d’utiliser dans la pratique la mécanique la plus facile à appliquer. La physique classique répond certes aux questions qui lui sont posées avec une certaine précision mais cette précision n’est pas absolument parfaite. De fait, la mécanique quantique est plus exacte que la mécanique classique par ce qu’elle s’intéresse à l’incertitude du déterminisme universel fondé sur des raisons suffisantes. C’est cette incertitude qui nous amène enfin à nous intéresser au hasard et à reformuler ce concept. Nous disions que le hasard est ce qui peut se produire ou ne pas se produire, ce qui est indéterminé. Mais l’utilité du concept de hasard est de décrire une connaissance comprenant une part d’incertitude. Dans cette nouvelle conception, le calcul des probabilités entre dans le champ de la science au sens ou celles-ci fournissent des informations utiles. Par exemple, elles permettent de savoir si cette part d’incertitude dans notre connaissance est ou non négligeable. Cependant il ne faut pas croire que les probabilités permettent de « maîtriser » le hasard. Le hasard correspond donc à une information incomplète et il peut avoir diverses origines.

Henri Poincaré s’est intéressé à cette conception du hasard en ne parlant non pas de mécanique quantique comme origine du hasard mais d’une source d’incertitude qui sera analysée plus tard sous le nom de chaos. Selon la physique classique, en connaissant l’état d’un système initial on peut calculer son état à tout instant, dans le passé comme dans le futur. C’est pourquoi il n’y a aucune incertitude et donc aucun hasard. Mais cette connaissance d’une précision totale de l’état initial est en fait implicitement présupposée. L’état initial ne peut être mesuré qu’avec une précision limitée. Ceci explique pourquoi les équations déterministes utilisées par la mécanique classique ne représentent l’évolution réelle du système physique qu’approximativement. Nous allons donc voir comment une petite imprécision dans notre connaissance de l’état initial en un temps zéro va affecter les prévisions déterministes dans différents temps ultérieurs. Ceci implique que l’incertitude va dépendre du temps. Si l’on choisit une durée T au bout de laquelle l’erreur est multipliée par deux, lorsque la durée est doublée (2T) l’erreur est multiplier par quatre. Au temps 10T le facteur de l’erreur est de 1024 et enfin au temps 30T le facteur est de plus d’un milliard. De fait l’incertitude, ou erreur probable, va croître rapidement, c’est-à-dire de façon exponentielle avec le temps T. Si bien que l’incertitude de la prédiction augmente jusqu’à devenir inacceptable. Ce phénomène de croissance rapide des erreurs dans les prédictions est appelé « chaos ». Ce nouveau concept de chaos introduit ainsi le hasard dans la description d’un phénomène physique déterministe.

Pour mieux comprendre cette considération du hasard dans la science et le changement de vision du monde ainsi opérée, nous allons nous intéresser à l’application exemplaire du chaos dans la météorologie.

En effet, l’étude par ordinateur des modèles qui décrivent la dynamique de l’atmosphère terrestre montre qu’ils sont chaotiques. Si l’on change un peu les conditions initiales, les prédictions après quelques jours deviennent assez différentes et l’on atteint la limite du modèle. Après ces quelques jours, les prédictions faites avec ces modèles ne correspondent plus à la réalité observée. Le chaos nous permet de comprendre pourquoi il y a un tel décalage, parce qu’il limite la prédictibilité du temps qu’il va faire. Cette imprécision des conditions initiales a été rendu populaire par le météorologiste Ed Lorenz sous le nom d’ « effet papillon ». Avec cette expression, il explique comment le battement des ailes d’un papillon, après quelques mois, peut avoir de tels effets sur l’atmosphère terrestre, qu’il peut engendrer une tempête dévastatrice à des milliers de kilomètres. Pour comprendre cette image du papillon et voir en quoi elle n’est pas uniquement métaphorique, nous allons considérer que la situation où le papillon bat des ailes est comme une petite variation de la situation où il se tiendrait tranquille, c’est-à-dire de l’état initial. Par le caractère chaotique de la dynamique de l’atmosphère, c’est-à- dire de ses mouvements, on évaluera la perturbation causée par le papillon. Cette perturbation va donc s’accroître très vite, de façon exponentielle, et au bout de quelques mois l’état de l’atmosphère terrestre aura totalement changé. C’est à dire que des lieux très éloignés du papillons seront ravagés par la tempête. Cette image est très pertinente mais une objection pourrait lui être faite. Nous pourrions nous demander comment des battements d’ailes de papillon seraient en mesure de provoquer de pareils effets en l’espace de seulement quelques mois. Il est possible que cela soit plus long et nous ne pouvons pas le déterminer car cela demanderait une précision qui dépasserait nos capacités d’évaluation de l’état initial. La circulation générale de l’atmosphère n’est pas prévisible plusieurs mois à l’avance. Ce qu’il faut retenir de cette image est un fait bien établi. Une tempête peut se déclencher en un lieu ou en un autre de manière imprévue et imprévisible même si les incertitudes sont d’un autre ordre que celles des battements d’ailes d’un papillon.

Ceci change donc totalement notre vision du monde déterministe au sens où nous pouvions connaître le monde par les raisons suffisantes. À la lumière de cette étude du chaos, nous sommes en mesure de dire que ces raisons déterministes ne suffisent pas à prévoir le monde. On voit que le déclenchement d’une tempête à un moment et un endroit donné résulte d’innombrables facteurs agissant quelques mois plus tôt. Ici, la notion de cause perd toute sa signification et se dilue dans la complexité de l’état initial. L’ensemble des causes échappe ainsi à notre pouvoir de compréhension. À un instant donné toutes ces causes entrent en jeu dans le fait qu’il y ait ou non une tempête quelques mois plus tard. Elles nous échappent à ce point que même des perturbations infimes dues à la mécanique quantique ou à la relativité générale pourraient avoir des résultats importants au bout de ces quelques mois. Nous ne pouvons tenir compte de tels facteurs.

Le chaos montre ainsi que la vision déterministe, si elle peut comprendre le monde ne peut cependant pas le prévoir. Il y a bien des facteurs qui nous échappent et nous n’avons pas les moyens de les maîtriser. À présent, nous allons nous intéresser à la biologie et donc au vivant qui, d’une certaine manière concentre en lui le problème de compatibilité de la mécanique classique et quantique.

4. Le vivant et l’homme au cœur des problèmes de mécanique classique et de mécanique quantique

Pour comprendre en quoi le vivant concentre ces deux problèmes, il convient de revenir sur la mécanique quantique. Comme nous l’avons dit, la mécanique quantique s’intéresse à des phénomènes à une échelle de l’ordre de l’atome. Ce qu’elle étudie est très complexe à comprendre car les phénomènes observés ne répondent pas aux principes de la mécanique classique. Pour donner un exemple, il n’est pas possible de déterminer la position d’un atome en un instant T. Ou encore, il est possible d’observer un mouvement identique et spontané de deux atomes en des lieux différents sans que rien ne se passe entre les deux atomes, sans que rien dans chacun d’eux ne puisse constituer la cause du mouvement du second. Une des principales préoccupations de la science contemporaine est de savoir comment le déterminisme de la mécanique classique est possible à partir de telles contradictions dans la mécanique quantique. L’étude du vivant est en mesure de donner sens à cette question même si elle ne la résout pas. Le vivant est à la fois caractérisé par des lois générales telle que la sélection naturelle de Charles Darwin et des contradictions à l’image de celles de la mécanique quantique telle que le hasard des mutations génétiques. En d’autres termes, c’est le hasard qui produit ou détermine la structure et donc la régularité observée par la science déterministe du vivant. Le vivant est caractérisé par l’homéostasie qui maintient les organismes dans des conditions appropriées à la vie. Par exemple, l’homéostasie tend à maintenir la température de notre corps dans d’étroites limites. En supprimant les fluctuations thermiques l’homéostasie est donc de nature anti-chaotique.

Les raisons du monde du vivant ne se rapporte donc pas à la physique classique. Dans Le Hasard et la Nécessité, Jacques Monod affirme qu’il y a une compatibilité entre l’existence du vivant et des raisons de son organisation avec les lois de la physique. Cependant, ni cette existence et ni ces raisons ne peuvent être déduites des lois de la physique au sens où elle ne traduisent aucune capacité que l’on pourrait attribuer à la matière de s’organiser, de créer des formes et de faire apparaître la vie. C’est pourquoi le démon de Laplace, armé de ces seules lois, ne verrait rien de complexe ou de problématique quand il s’intéresserait au vivant. En d’autres termes, il est apparu sur Terre un phénomène, la vie, qui avait une très haute improbabilité d’avoir lieu. La singularité de ce phénomène, dont l’origine est considérée comme étant le code génétique tient dans le fait d’avoir fait exister un nouveau type de nécessité fondé sur le hasard, celui des mutation génétiques. Cette inversion du hasard et de la nécessité opérée en science n’est pas sans conséquence sur notre vision du monde. Cette source d’incertitude, les probabilités, le chaos ou le hasard tel qui vient d’être considéré tendent à dévoiler un fait tragique, la solitude de la vie et donc de l’homme dans l’immensité de l’univers, cet univers d’où il a émergé par hasard.

Après le vivant, nous en venons maintenant plus directement à l’homme lui-même. Dans le domaine de l’économie, de la fiance ou de l’histoire, on voit aussi que des causes minimes peuvent avoir des effets importants. Par exemple une fluctuation météorologique peut causer une sécheresse dans une région et livrer une population à la famine. Comme pour le vivant avec l’homéostasie, des mécanisme régulateurs viendront peut-être effacer l’effet de la famine et l’histoire pourra poursuivre son cours. Comme cela vient d’être dit, cela sera « peut-être » effacé mais ce n’est pas certain.

Contrairement à ce que la science nous fait croire dans l’autorité de sa volonté déterministe, nous vivons dans un monde globalement instable. La rapidité des transports, la transmission presque instantanée de l’information, la mondialisation de l’économie, tout cela améliore peut-être le fonctionnement de la société humaine et par là une certaine maîtrise de son environnement, mais rend aussi cette même société plus instable à l’échelle de la planète. Nous retrouvons là la caractéristique du chaos avec le caractère exponentiel de l’erreur, ici de l’instabilité de la société. Par exemple, un petit changement tels qu’une maladie virale nouvelle, un virus informatique ou une crise financière auraient de grandes et multiples conséquences à l’échelle mondiale et dans un temps cette fois très court.

Par conséquent, le futur de l’homme, mais aussi celui de la vie et de la matière reste incertain. Cependant, jamais jusqu’à présent l’imprévisibilité du futur n’a affecté aussi globalement notre civilisation toute entière. De fait, la question du hasard et de la nécessité a toujours été, dans nos sciences, une question portant à la fois sur nos connaissances du monde et sur la vision que nous en avons eu. Cette évolution conceptuelle et scientifique aboutie ainsi non pas à un renoncement mais à une redéfinition du concept de hasard. Le sens d’une interrogation ne se démontre et ne se réfute pas mais est affaire de conviction. C’est cette conviction qui guide le travail scientifique et intervient dans la confrontation des théories produites. Cependant, elle n’est pas arbitraire puisqu’elle se nourrit du passé pour définir ce que pourrait être demain une nouvelle science qui aura su dépasser les difficultés qu’elle connait aujourd’hui.