un essai dans la série perspectives scientifiques

5 avril 2020 (traduit de l’anglais par DeepL)

Les sciences suivent traditionnellement une approche réductionniste. Elles demandent en fin de compte un ensemble minimal d’entités et de lois qui peuvent décrire tous les phénomènes observés, qui prédisent de nouveaux phénomènes, qui sont ensuite également observés, et qui sont cohérentes entre elles. C’est la quête des éléments constitutifs de notre monde, du “jeu de Lego” à partir duquel tout est construit et de sa fonction.

Comme le révèle en regardant plus profondément, la quête n’est en fait pas pour la “vraie chose”, et ne peut l’être. Il s’agit plutôt d’un ensemble de pièces élémentaires à partir desquelles nous pouvons construire notre représentation de la réalité, notre monde modèle. Dans ce qui suit, cependant, l’accent n’est pas mis sur ces petits caractères philosophiques, mais sur la reconnaissance de ce qui peut et ne peut pas être fait avec des éléments élémentaires.

bases élémentaires

L’approche réductionniste est la plus développée en physique. Elle établit que tout ce que nous observons aujourd’hui est construit à partir d’un ensemble de 17 particules élémentaires, toutes indivisibles et parfaitement identiques au sein de leur groupe. Un véritable “ensemble Lego”. Ces particules sont assorties d’un ordre : 3 générations de 2 quarks et 2 leptons, 4 bosons d’échange, et le boson de Higgs. A partir de ceux-ci, en fait juste à partir de la première génération, tous les atomes sont formés et à partir d’eux toute la matière normale. Cependant, l’astrophysique indique clairement que tout ce que nous pouvons observer jusqu’à présent ne représente qu’environ 5 % de l’énergie-matière totale de l’univers, que 95 % est de la matière noire et de l’énergie noire de composition inconnue. Pourtant, pour décrire tout ce qui se trouve dans notre environnement non vivant et toute la vie, ces 17 particules élémentaires suffisent. Soit dit en passant, il serait plus prudent de dire que rien de ce que nous avons étudié jusqu’à présent, et pour lequel le chemin vers les particules élémentaires pourrait être suivi, n’a fait apparaître quoi que ce soit de différent de l’ensemble des 17. Mais pour l’instant, il s’agit encore une fois d’un détail philosophique.

Le chemin complet vers les 17 particules élémentaires n’est presque jamais utile, même en physique. Les bases les plus communes sont les quelque 100 atomes différents qui en sont issus, ou les molécules déjà innombrables qui sont basées sur des atomes, ou encore des constructions plus importantes comme les composants de la machinerie biomoléculaire de la vie basés sur des molécules.

En effet, partir de notre monde directement observé et descendre réellement sur la voie du réductionnisme – en descendant vers la base élémentaire et en établissant les différents niveaux hiérarchiques en cours de route – est extrêmement difficile et a tenu la science occupée pendant quelques siècles. C’est ainsi que la science a découvert que le monde non vivant à sa base suit des lois simples (Newton,…) et le monde vivant aussi (Darwin,…).

Des lois simples. Ceci est vrai même si une explication fondamentale de tout phénomène apparemment anodin s’avère généralement assez exigeante. Les difficultés se situent invariablement au niveau des premiers pas de l’abstraction. Un exemple en est la formation d’anneaux par le séchage de gouttes de café renversées, ou tout autre phénomène dans votre cuisine d’ailleurs.

à la base, et maintenant ?

Au cours des dernières décennies, la science a également appris que la connaissance des éléments de base élémentaires ne nous dit pas grand-chose sur le monde en général. En effet, imaginez l’ensemble d’une centaine d’atomes différents et regardez le monde sous vos yeux : voyez-vous le lien ? Si vous êtes un adepte des sciences naturelles, vous pouvez certainement “voir” votre environnement tel qu’il est composé d’atomes. Mais dans l’autre sens ? Pourriez-vous prédire ce que vous voyez, simplement en connaissant l’ensemble des atomes ? Jamais ! Pas dans sa structure générale, et certainement pas dans ses détails spécifiques. Pour commencer : comment prévoyez-vous qu’il y a de l’oxygène dans l’atmosphère ?

Il n’y a pas de lien prédictif entre les éléments de base et le monde macroscopique qui nous entoure.

Il y a un lien entre la base élémentaire et le monde macroscopique, mais c’est un long chemin tortueux qui contient une infinité de bifurcations pratiques. Toutes ces bifurcations auraient pu être prises, mais presque aucune ne l’a été. C’est ce chemin qui relie l’élémentaire à ce qui est réalisé ici et maintenant, et il traverse des éons, des milliards d’années.

Bien sûr, nous le savions tous depuis le début : En donnant un grand jeu de Lego à un enfant joueur, nous n’avons aucune idée de ce qu’il va construire. Le set ne détermine que ce qui peut être construit, et même cela à un degré très limité. Quelles sont les différences avec notre monde ? Ses pièces en Lego sont vraiment petites et il y en a beaucoup. Et il n’y a pas d’enfant qui joue. Les pièces s’arrangent d’elles-mêmes sous un doux flux d’énergie. Quelle est l’essence de tout cela ?

Notre monde est construit à partir de pièces simples et suit des lois simples. Mais cela n’implique pas des phénomènes simples.

pas le Graal, tout en donnant du pouvoir

Apparemment, l’idée que la compréhension des éléments constitutifs et des lois qui les régissent suffirait pour comprendre notre monde est fondamentalement erronée. L’approche réductionniste ne mène pas au Graal. Elle permet néanmoins à notre culture de se développer et de se renforcer.

La compréhension des éléments constitutifs et des lois élémentaires permet à l’humanité de créer comme aucune autre espèce, de révolutionner sa vie et de remodeler le monde. Jusqu’à présent, cela a abouti à la formidable avancée de notre culture technologique dont nous avons été les témoins au cours des dernières décennies et dont nous pouvons tirer des enseignements de l’histoire des derniers siècles. On peut citer, parmi d’innombrables autres exemples, les réseaux mondiaux denses pour le transfert d’énergie, d’informations, de biens et de personnes, les outils extrêmement compliqués comme les iPhones, les formes de vie génétiquement modifiées avec des chaînes de traitement hiérarchisées pour notre nutrition, notre demande énergétique et notre santé, ou encore les bases de connaissances et les couches de traitement mondiales avec l’émergence de l’intelligence artificielle.

en cours de route, les limites de la prévisibilité

La prédiction, en regardant vers l’avenir, est une capacité clé des êtres cognitifs. Elle permet de choisir les actions en cours de manière à ce qu’elles conduisent aux résultats souhaités quelque part dans le futur. La profondeur de ce regard, ainsi que le pouvoir de réaliser les actions identifiées, déterminent les capacités d’un individu, d’une espèce, d’un système plus vaste. Cela est vrai à tous les niveaux de la vie cognitive, du niveau des micro-organismes, voire des systèmes de réaction chimique, à celui de l’humanité.

La prédiction est plus générale que la prévision dans le temps. C’est le transfert de la compréhension d’un milieu à un autre.

Encore une fois, il y a des petits caractères philosophiques. Qu’est-ce qui est prévisible, ou formulé de manière plus technique, quels aspects de notre monde sont fondamentalement déterministes ? Quel est le résultat souhaité ? Comment le juge-t-on ? Sur quel ensemble de valeurs et comment sont-elles pondérées les unes par rapport aux autres ? À quelle profondeur dans le temps, ou dans un autre contexte, la projection est-elle nécessaire pour décider de son caractère souhaitable ? De toute évidence, ces questions sont éminemment importantes sur le plan opérationnel. Toutefois, l’accent sera mis dans ce qui suit sur un sujet beaucoup plus court, à savoir le degré de prévisibilité, sans aborder les questions plus profondes.

La raison d’être de l’approche réductionniste est qu’une compréhension fondamentale en termes de blocs de construction élémentaires et de lois en vigueur permet la prédiction. Il y a un accord unanime, certainement au sein des sciences naturelles, sur le fait que la vision réductionniste du monde est correcte. Après tout, nous en sommes venus à comprendre que le monde observable est en effet constitué de particules élémentaires et de rien d’autre, il est vrai d’un très grand nombre d’entre elles. Étant donné que c’est le cas et que nous connaissons les particules et les lois qui les régissent, ce que nous faisons, jusqu’où pouvons-nous alors prévoir, jusqu’où pouvons-nous nous élever à des échelles de temps et d’espace plus grandes, jusqu’au “moi, ici et maintenant”, voire, espérons-le, jusqu’au “eux, là-bas et ensuite” ?

Comme nous l’avons souligné plus haut, il n’existe aucun lien prédictif entre les éléments de base et le monde macroscopique qui nous entoure. Par conséquent, les questions “jusqu’où” auront toutes une réponse limitée. Bien sûr, la nature intègre la base élémentaire au monde en général – elle ne connaît en fait rien de tous ces concepts humains – et elle prend simplement tel ou tel tournant à chaque bifurcation qui se présente. Imaginez qu’un rocher dévale une pente de montagne et heurte un autre rocher. Il continue à rouler à gauche ou à droite, ou bien il reste coincé, ou bien il se désintègre d’une manière ou d’une autre. Nous ne savons rien de tous ces zillions de virages qui ont finalement mené à l’ici et maintenant.

De nombreux aspects de notre vie sont bien sûr prévisibles de manière fiable, du fonctionnement de mon corps et de mon esprit à celui de la machine à café. Où le “bien sûr” n’est qu’un point, nous le savons, et la base n’est pas l’élémentaire.

Comprendre le monde exige évidemment plus que la compréhension de sa base élémentaire.

En effet, l’orientation de la recherche fondamentale actuelle est sur le point de changer de direction, passant d’une plus grande précision des éléments de base élémentaires à des principes qui conduisent et guident le développement de notre monde. Nous sommes encore loin d’une appréciation globale, et encore moins d’une compréhension opérationnelle. Néanmoins, quelques grands axes sont sortis du brouillard au cours des dernières décennies : le chaos déterministe, la complexité et l’évolution.

Le chaos déterministe

Une contradiction apparente en termes, le chaos déterministe ne fait que lier les deux régimes dans le temps que l’on retrouve dans tous les processus macroscopiques : prévisible (déterministe) sur de courtes périodes, imprévisible (chaotique) sur de longues périodes. Cela introduit une limite fondamentale à la distance que nous pouvons voir dans l’avenir, l’horizon temporel défini. Cet horizon diffère largement pour différents processus – environ 10^-8 s pour le trajet d’une molécule dans l’eau à température ambiante, environ 10^8 y pour le trajet des planètes dans notre système solaire -, mais il est fini pour tous les processus macroscopiques, c’est-à-dire supérieur à 0 et inférieur à l’infini.

Si le concept de chaos déterministe a une longue histoire en mathématiques et en physique théorique, qui remonte aux alentours de 1890 avec les travaux de Poincaré et Hadamard, il n’a été popularisé en physique que par les travaux de E. N. Lorenz en 1963, et dans le grand public après 1970. Lorenz a joliment défini le concept comme suit : le chaos déterministe est le cas où le présent détermine le futur, mais le présent approximatif ne détermine pas approximativement le futur.“

Complexité

On constate que de très grands ensembles de particules en faible interaction s’auto-organisent en une structure caractéristique largement indépendante des propriétés des particules individuelles. Ces structures donnent à leur tour naissance à un comportement qualitativement nouveau et inattendu dit “émergent”. De tels systèmes sont appelés complexes.

Un exemple archétypique de système complexe est un tas de sable sec avec ses faces de glissement. De telles faces avec leurs pentes constantes sont observées dans une grande variété, des tas de riz aux dunes de sable et aux pentes des montagnes. L’angle de ces pentes dites critiques est auto-organisé et une propriété émergente qui ne peut être prédite à partir de la connaissance des propriétés des particules.

Les pentes critiques ne sont cependant pas la seule manifestation de l’auto-organisation. Une deuxième classe sont les motifs, des rayures d’un tigre à la végétation dans les paysages secs et les fissures dans les sols secs.

De plus, les “particules” peuvent être très compliquées. De très grands groupes d’humains, par exemple, se comportent comme des ensembles de particules, comme cela se manifeste par la formation de vagues dans l’intensification de la circulation sur les autoroutes ou, malheureusement, dans les grands mouvements de panique occasionnels où les gens meurent sur les fronts de choc qui se forment.

Les divers exemples de comportements complexes laissent déjà entrevoir un phénomène très répandu. En effet, tous les ensembles suffisamment grands font preuve d’auto-organisation et d’émergence, des particules élémentaires à la structure de notre univers. Pour citer le remarquable article “More is Different” publié en 1972 par le prix Nobel de physique P. W. Anderson, “à chaque niveau de complexité, des propriétés entièrement nouvelles apparaissent“.

Évolution

La complexité conduit à l’auto-organisation d’un grand nombre de pièces en une structure à grande échelle qui présente de nouvelles propriétés. Un tas de sable ou quelques motifs de fissures ne sont cependant qu’une première étape. L’auto-organisation peut progresser et progresse effectivement à tel point que l’on reconnaît qu’une chose complètement nouvelle émerge et continue de se déployer. C’est ce que nous appelons l’évolution.

Une ligne d’évolution, la plus profonde que nous connaissions, a commencé avec la condensation et la différenciation physico-chimique de la planète Terre il y a environ 4 milliards d’années, par l’origine de la vie, jusqu’à l’émergence de l’Homo sapiens il y a environ 2 millions d’années, et de sa culture il y a environ 100 000 ans. Si l'”évolution” est principalement associée au développement de la vie biologique, et souvent limitée à celle-ci, elle est en fait beaucoup plus générale. En effet, à l’origine, la vie est née de simples minéraux et de petites molécules soumis à un faible flux d’énergie externe. À l’autre extrémité, l’évolution culturelle de l’humanité, elle quitte apparemment le domaine de la biologie.

Comment l’évolution fonctionne-t-elle ? Les agents sont des entités auto-répliquées dans un environnement donné, d’où ils extraient les ressources dont ils ont besoin, comme l’énergie et les éléments de construction. Ces entités présentent une variation d’apparence, appelée phénotype, qui influence leur taux de réplication dans leur environnement. La dernière exigence est l’hérédité, à savoir que les aspects du phénotype qui influencent le taux de réplication soient transmis à la génération suivante. Chaque fois qu’une telle situation se présente, l’évolution s’installe, doit s’installer et crée des couches successives de nouveauté imprévisible, jusqu’à ce que l’une des conditions échoue.

Les entités dans l’arène de l’évolution peuvent être des êtres biologiques, naturellement, mais il peut également s’agir de systèmes de réaction chimique, comme on le suppose pour l’ère précédant l’émergence de la vie. Il peut également s’agir de structures plus abstraites, comme des groupes, qui présentent en fait une certaine analogie avec les réseaux chimiques. Enfin, dans le contexte de l’évolution culturelle, les entités en évolution comprennent des aspects immatériels comme les langues, les idées et les concepts, et éventuellement aussi la compréhension.