Archives 1996–2012 de l’ancienne équipe REHSEIS
Laboratoire SPHERE – UMR 7219

Résumé : Depuis quelques décennies, la théorie quantique des champs (« quantum field theory », TQC) définit le cadre dans lequel se formulent plusieurs théories physiques fondamentales. À tel point qu’elle apparaît comme une espèce de lingua franca pour des pans entiers de la physique et même des mathématiques. La portée universelle de la TQC ouvre des horizons philosophiques fascinants. Si la philosophie de la physique a surtout porté sur la mécanique quantique, la relativité, la thermodynamique et la physique statistique, plusieurs philosophes se sont récemment attelés à l’analyse conceptuelle de la TQC. Le point commun de ces travaux est qu’ils privilégient les approches rigoureuses, en termes de TQC algébrique et constructive, plutôt que les approches heuristiques et les formulations physiques en termes d’intégrales de chemin.

Je suivrai pour ma part l’exemple de quelques mathématiciens comme Atiyah, Connes ou Kontsevich, qui ont fait preuve en la matière d’un pragmatisme remarquable en adoptant une perspective heuristique « non corseté par la rigueur » (selon une expression de Connes). Je discuterai d’un point de vue conceptuel certaines des avancées de cette TQC heuristique en analysant les principales idées qui ont jalonné son développement. Je me pencherai également sur les interactions qui existent entre les concepts de la TQC et qui apparaissent dans différents domaines, tels que la physique des particules, la mécanique statistique, la gravité et la géométrie.

Le but de cette communication sera s’interroger sur la signification philosophique de la perte de la notion de « temps universel » induite par la théorie de la relativité restreinte. Après en avoir rappelé les principaux acquis (dislocation de la simultanéité, dilatation des durées), on reviendra sur la tentative bergsonienne pour sauver la notion de « temps universel », puis on se demandera si l’universalité du temps n’est pas à chercher plutôt dans des structures invariantes du temps présentes dans tous les systèmes de références galiléens. Parmi celles-ci, il faudra examiner en particulier la succession dans son lien avec la causalité, et la tridimensionnalité passé/présent/futur en relation au cône de lumière. On tentera de montrer que la relativisation du temps ne signifie pas nécessairement sa réduction à l’état d’« illusion tenace ».

On proposera une ontologie formelle pour les systèmes quantiques selon laquelle la mécanique quantique fournit une description ontologiquement complète desdits systèmes. L’ontologie quantique que l’on proposera dépend de deux postulats fondamentaux, à savoir ce que l’on appellera le postulat des phases et le postulat quantique. Le postulat des phases généralise aux systèmes Hamiltoniens ordinaires (i.e. sans contraintes) un postulat fondamental (formulé par P.A.M. Dirac) provenant des théories de jauge, à savoir que les contraintes de première classe génèrent des transformations de jauge. A son tour, le postulat quantique permet d’établir une relation fidèle entre les deux rôles joués par les observables physiques en mécanique, à savoir celui d’assigner des valeurs numériques aux états physiques et celui d’induire des transformations de ces états au moyen des opérateurs associés. Cette ontologie quantique permet de faire l’économie tant de la supposition selon laquelle il y aurait des « variables cachées » capables de « compléter » la description quantique que des tentatives d’expliquer « critiquement » la « limitation » supposée de la description quantique au moyen d’arguments de type transcendantal.

Si l’existence du vide n’est plus en question aujourd’hui, son statut ontologique et sa signification exacte au sein des théories physiques continuent de poser problème. Les débats de l’âge classique et les développements de la science galiléo-newtonienne avaient permis de dissocier les concepts de vide et de néant : l’hypothèse de l’existence physique du vide, appuyée sur des montages expérimentaux, conduisait en effet à l’insérer dans un réseau de concepts associés à l’élaboration de la mécanique et de la théorie de la gravitation. Ainsi les notions d’espace absolu et d’éther mettaient l’accent sur le nouage problématique de la matière et de l’espace. Restait à comprendre quelles propriétés positives pouvaient être attribuées au vide au-delà de sa fonction de substrat ultime des relations physiques. Or l’espace-temps de la relativité einsteinienne, la notion même de champ dans un contexte classique ou quantique, suggèrent l’idée d’un vide qui serait – comme l’espace – une forme de la matière, ou tout au moins un état de la matière défini par des propriétés dynamiques. Ce mouvement de concrétisation conduisant à l’idée d’un vide matériel participe d’une ontologie nouvelle où la relation prend de plus en plus nettement le pas sur la substance, une ontologie que l’on pourrait qualifier d’intensive, parce qu’elle invite à envisager les entités physiques selon divers degrés d’existence. . Là où il n’y a « rien », les relations peuvent encore instaurer quelque chose. De ce point de vue, la fécondité du concept tient à sa dimension événementielle : les expressions « énergie du vide », « fluctuations du vide » témoignent d’une puissance du vide qui renvoie, ultimement, à la question cosmologique et métaphysique de l’origine de l’univers, dont on se demande par exemple s’il est né, ex vacuo, d’une fluctuation primordiale.

Ce faisceau de problèmes au croisement de la physique et de la philosophie trouvent une actualité particulière au moment où certains théoriciens n’hésitent pas à réactiver les idées de Leibniz, Mach ou Poincaré sur la nature relationnelle de l’espace et du temps en vue de construire une théorie quantique de la relativité générale. Dès les années 1960, Julian Barbour eut l’audace de renoncer à toute carrière universitaire pour se consacrer pleinement à ces questions touchant aux fondements de la dynamique. Son influence a été décisive sur les actuels théoriciens de la « gravité quantique à boucles » et notamment sur Lee Smolin qui le revendique explicitement. Ses articles et ses ouvrages (The Discovery of Dynamics, The End of Time) sont des contributions majeures aux discussions philosophiques sur l’ontologie de la physique, sur la nature de l’espace et du temps, du vide et de la matière. La première moitié de cette journée d’étude lui sera tout entière consacrée.

L’ambition première du groupe de travail « Philosophie et Physique » (REHSEIS / Université de Paris-Ouest Nanterre) est de réunir un certain nombre de compétences en histoire et en philosophie de la physique afin d’aborder des questions susceptibles de résonner avec des recherches philosophiques transversales concernant, en particulier, la nature de l’espace et du temps. Il nous semble que les transformations du concept d’espace-temps au cours du XXe siècle, jusqu’à son dépassement annoncé dans la perspective des théories contemporaines d’unification de la théorie quantique et de la relativité générale, constituent un terrain particulièrement fécond pour une telle entreprise. La recherche d’une théorie quantique de la gravitation pose des problèmes de nature aussi bien technique que conceptuelle ; bon nombre de physiciens estiment que seul un retour réflexif sur la mécanique quantique et la relativité générale est à même de contribuer de façon décisive à l’élaboration d’une telle théorie.

C’est dans cet esprit que nous proposons la mise en place de ce séminaire de recherche visant à examiner l’évolution des concepts d’espace et de temps, depuis l’introduction du syntagme d’« espace-temps » par Minkowski en 1907-1908 jusqu’aux théories contemporaines (théorie des cordes, théorie des boucles, causal sets, géométries non-commutatives) qui – nonobstant leur différence – semblent consacrer, selon des modalités qu’il s’agira de clarifier, la disparition de l’espace-temps.


La variété espace-temps de la relativité générale est composée de plusieurs structures : structure topologique, différentielle et métrique. Quelle structure quantifier ? Quelle est la nature de la géométrie à l’échelle de Planck ? Qu’est-ce qu’un espace-temps quantique ? Quelles sont les conséquences sur l’espace, le temps, la localisation et l’évolution, d’une théorie quantique de la gravitation qui serait « background independent », c’est-à-dire sans toile de fond spatio-temporelle ? Comment l’espace-temps classique émerge-t-il lui-même de structures discrètes ? Telles sont quelques-unes des questions que ce séminaire tâchera d’aborder.

Parallèlement, nous pensons qu’il est opportun de s’interroger sur la manière dont la philosophie de la physique est capable de réagir sur certaines questions traditionnellement « réservées » aux philosophes, touchant notamment l’ontologie, la métaphysique, et plus généralement la philosophie de la nature ou de l’esprit. Il faut en effet constater que les travaux remarquables publiés ces dernières années en histoire et en philosophie de la physique n’ont pas beaucoup diffusé au-delà du cercle des épistémologues, alors même qu’ils réactivent souvent des questions transversales à l’histoire de la philosophie tout entière (débats autour du statut des objets, des propriétés, du relationnisme et du substantialisme, de la signification du temps et du devenir ou encore, du problème de l’individuation).

C’est pourquoi il paraît opportun d’ouvrir le champ, de manière à inclure dans ce groupe de travail, non seulement des spécialistes reconnus de l’histoire et de la philosophie de la physique, mais aussi bien des scientifiques (mathématiciens, physiciens) intéressés par les enjeux conceptuels de leur discipline, et des philosophes soucieux de ne pas se couper des intuitions et des idées qui s’élaborent dans le sillage de la physique contemporaine. En ce sens, le « et » de « Philosophie et Physique » porte l’idée d’un mode renouvelé de collaboration et de circulation entre les savoirs et les spécialités, tout en maintenant un ancrage fort dans un type de questions spécifiquement liées au développement de la rationalité physique.

Ce séminaire de recherche s’organisera sur la base de rencontres régulières ponctuées par des exposés ou des discussions de travaux en cours, et dans une articulation à un cycle de cours-conférences destiné à un public plus large de collègues non spécialistes, d’étudiants et d’amateurs désireux de s’initier à quelques problématiques fortes de la physique contemporaine.