Physique quantique: "Observateur" un terme trompeur?

[ThM55]

Quand on dit que l'ontologie appartient à la métaphysique et quand on affirme que la physique doit se borner à prédire ou expliquer les corrélations observables, on pose une contrainte sur une théorie particulière connue à un instant donné dans le temps, à savoir la physique quantique telle qu'elle est connue au début de ce siècle. Mais c'est un choix arbitraire, il n'est pas vraiment fondé, car rien ne prouve par exemple que l'ontologie postulée par la théorie de Bohm, avec ses extensions en théorie des champs par Dürr (avec nombre variable de particules), n'est pas pertinente. On n'en sait rien en fait, et cela n'a rien à voir avec la métaphysique. Pour ma part j'estime qu'il ne faut rien exclure a priori pour des motifs philosophiques.
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[Adrien Vila Valls]

Chaverondier : Pour ma part, du moins tant que l'on s’en tient au domaine de la physique (le domaine de ce qui est observable), je ne crois pas au concept d'ontologie dotée de propriétés qui seraient objectives, des propriétés qui existeraient indépendamment de toute considération de type : "nous observons reproductiblement la même chose". Ce concept d'ontologie ne me semble pas avoir sa place en physique. Par contre, la notion de réalité objective a sa place dans le domaine de la philosophie et de la métaphysique. »

Avant de vous répondre directement, je voudrais clarifier nos positions respectives sur la place de l’observation en physique.
D’après ce que je comprends, votre position — proche d’un certain positivisme — consiste à faire dépendre le contenu même des théories physiques de l’observabilité : les concepts n’auraient de sens qu’en tant qu’ils se rapportent à des résultats d’observation.
La mienne : elle s’inscrit dans une perspective du naturalisme et du réalisme structurale. Une théorie scientifique vise à décrire et expliquer la structure du monde, y compris à travers des entités non directement observables. L’observation ne fonde pas la théorie, mais la contraint empiriquement. Il y a d’autres contraintes : par exemple l’interconnexion au sein d’un réseau cohérent de connaissances.
Le désaccord porte donc sur la place de l’observation : fondement dans un cas, contrainte dans l’autre.
Si je comprends correctement votre position, elle me semble poser au moins deux difficultés.
Premièrement, elle ne correspond pas à la pratique réelle des physiciens. Les théories physiques ne se contentent pas d’organiser des observations : elles introduisent des structures explicatives — champs, fonctions d’onde, états microscopiques — qui ne sont pas directement observables mais qui portent l’essentiel du pouvoir explicatif, et qui sont parfois empruntés au moins partiellement à des cadres théoriques préexistants.
Deuxièmement, elle me semble difficilement compatible avec des arguments bien établis en philosophie des sciences. Les travaux de Quine, Hanson ou Sellars ont montré que l’observation n’est jamais un “donné” indépendant, mais qu’elle est toujours interprétée à travers un cadre théorique. Il n’y a pas d’accès neutre à des observations bruts qui pourraient jouer le rôle de fondement ultime.
Autrement dit, l’observation ne peut pas être ce à partir de quoi tout le reste est construit, puisqu’elle est elle-même déjà structurée par des modèles du monde.
C’est précisément pour cette raison que les théories scientifiques ne se contentent pas d’organiser des observations, mais cherchent à expliquer ce qui les produit.

Laquelle dynamique a été établie sur la base de lois aptes à prédire les faits d'observations reproductiblement observables. On ne peut pas se passer de la base : des observations reproductibles (qualifiées, de ce fait, « d’objectives ») »

Les observations auxquelles vous faites référence ne constituent pas une base primitive au sens où vous semblez l’entendre. Elles sont elles-mêmes le résultat de processus inférentiels. Comme l’avait déjà pressenti Helmholtz à la fin du 19ème siècle, et comme l’ont confirmé toute la philosophie post positiviste et les sciences cognitives modernes, l’observation est en partie un processus top-down qui dépend du contenu des connaissances et des croyances de l’observateur. Lorsque nous observons, nous construisons déjà un modèle du monde, non pas uniquement à partir de données sensorielles, mais à partir d’un réseau de croyances déjà établi. Nous faisons déjà des inférences sur ce qui cause les signaux sensoriels. L’observation est un processus génératif et non pas un enregistrement passif de signaux. C’est ce qui cause les illusions d’optique, par exemple, ou le basculement perceptif lorsque l’on regarde la fameuse image du canard lapin. Ceci illustre bien un des points d’Hanson dans sa critique du positivisme : « voir, c’est voir comme ». Autrement dit, l’observation elle-même génère un engagement ontologique automatique. Nous ne pouvons pas y échapper.
Il en résulte que les lois physiques ne peuvent pas être dérivées d’un socle d’observations supposées neutres, puisque ces observations sont déjà le produit d’une activité de modélisation implicite.
Bien entendu, les observations contraignent fortement nos théories. Mais elles n’en constituent pas le fondement exclusif : les théories reposent également sur des structures conceptuelles et des inférences explicatives qui dépassent ce qui est directement observable.
Dans ce contexte, rappeler que les lois sont établies (en partie) à partir d’observations reproductibles ne permet pas de trancher la question de savoir si ces lois portent uniquement sur des régularités observées ou sur des structures physiques qui les sous-tendent.

« Et pourtant si. On ne peut établir aucun modèle sans lois et propriétés physiques et aucune loi ou propriété physique sans les tirer d'observations reproductibles. Cette reproductibilité nécessite des enregistrements irréversibles d'information, cad des états dont les grandeurs accessibles à la grille de lecture des observateurs macroscopiques sont des constantes. »

Regardons la structure de votre argument :
Prémisse 1 : établir des modèles suppose des lois et propriétés physiques
Prémisse 2 : ces lois et propriétés sont inférées à partir d’observations reproductibles
Prémisse 3 : cette reproductibilité implique des enregistrements irréversibles d’information (donc des conditions macroscopiques stables)
Conclusion : la réalité du système physique dépend de nos observations
Le problème est que la conclusion ne découle pas des prémisses.
Les prémisses parlent de conditions d’inférences, la conclusion parle de dépendance d’existence. Il y a ici un changement de registre qui n’est pas justifié par l’argument.

« Elles l'alourdiraient si on pouvait s'en passer, mais, à mon sens, c’est impossible. Par contre, la notion de réalité objective, d'ontologie possédant des propriétés objectives inobservables nous est inaccessible, par sa définition même, donc inutile… »

Le rasoir d’Occam porte ici sur le contenu des théories physiques, non sur la manière dont les observateurs formulent et vérifient ces théories. Le fait que l’on ne puisse pas se passer de la notion d’observateur pour décrire la manière dont les observateurs acquièrent et formulent des connaissances est une tautologie.
La question pertinente est de savoir si la notion d’observateur est indispensable en tant que concept fondamental dans le contenu des théories physiques, et il me semble que l’on peut s’en passer sans difficulté.
La physique classique se formule sans faire intervenir des observateurs comme éléments fondamentaux. En relativité, la notion d’observateur est parfois utilisée pour décrire des différences de mesure, mais elle peut être remplacée par celle de système de coordonnées, et le cœur conceptuel de la théorie repose sur des invariants. Plus généralement, une grande partie de la physique moderne consiste à extraire des structures invariantes à partir de symétries (théorème de Noether).
Vous pouvez toujours objecter que ces invariants reflètent des structures intersubjectives stables plutôt que des structures physiques objectives, mais je ne vois pas ce que cette reformulation apporte à la description théorique.
De même, la mécanique quantique peut être formulée sans faire intervenir d’observateur comme élément fondamental. Typiquement, on peut très bien par exemple présenter la règle de Born non pas comme donnant la probabilité d’observer tel résultat, mais comme fournissant des structures de corrélations après une interaction entre un système et son environnement. Bien sûr, cela ne règle pas le problème de la mesure. Pour ma part, ma grille de lecture de la « MQ des manuels », avec postulat de la réduction du paquet d’onde, est celle d’une théorie effective d’une formulation plus fondamentale d’une mécanique quantique unitaire, qui n’a absolument pas besoin de la notion d’observateur pour être formulée (comme par exemple l’approche d’Everett ou celle de Bohm)
Précisons que dire que l’on peut se passer de la notion d’observateur comme concept fondamental ne signifie pas que l’on ne peut pas en parler : les observateurs font partie du monde physique, et sont eux-mêmes décrits par les lois de la physique.
En revanche, il est difficile de se passer d’entités théoriques non directement observables (champs, fonction d’onde, particules, etc.). Ce sont elles qui portent l’essentiel du pouvoir explicatif et prédictif des théories, et leur introduction repose sur des cadres théoriques élaborés, et non uniquement sur l’observation brute.
Donc en conclusion, j’ai la tentation d’inverser votre propos : la notion de réalité physique extérieure est tellement indispensable dans la pratique de théorisation qu’elle en est implicite. La notion de dépendance à l’observateur est tout à fait dispensable et c’est elle qui m’apparait comme une excroissance philosophique de certaines interprétations théoriques.

[oualos]

Ce qui est en question avec la MQ (mais pas que!) et qui revient souvent dans les discussions est la "réalité objective".
Et du coup le questionnement d'une ontologie dans le matérialisme évidemment...
D'où découle aussi une remise en question du rationalisme kantien et même plus tôt et plus tard, ce qui a été dit à ce sujet avant et aussi après.
Einstein faisait preuve d'un réalisme naïf en disant que s'il tournait la tête après avoir observé la lune, il était néanmoins sûr que la lune serait toujours là.
Et pour une bonne part, il refusait de croire dans les résultats de la MQ qu'il qualifiait de "surnaturelle".
Heisenberg avait tranché: il disait que ce qui l'intéressait c'était la particule au moment de la mesure et ce qu'elle était avant ne l'intéressait absolument pas. Catégorique...
Bien sûr ça remet en cause toutes ces notions que nous avons apprises à l'école et qui plus tard dans la philo et l'épistémologie ont oscillé ou balancé dans une sorte de valse-hésitation entre réalisme et idéalisme pendant des siècles, avec des tas de variantes comme l'idéalisme objectif et subjectif comme dans la philo allemande au XIXème siècle avec Fichte Schelling et les autres
Et tutti quanti

[Adrien Vila Valls]

Cela me parait très discutable de dire qu'Einstein faisait preuve d'un réalisme naïf. C'était un réaliste à ne pas douter. Bien qu'il ait été attiré par la philosophie de Mach lorsqu'il était jeune. S'il a ensuite rejeté la position positiviste de Mach qu'il connaissait très bien, ce n'est certainement pas par naïveté, mais par compréhension du fait que non seulement la théorie n'était pas tirée de manière simple de l'expérience, mais qu'elle contraignait elle-même le type d'observation que l'on pouvait faire. (Par exemple, je ne peux pas mesurer un champ électrique en un point donné sans disposer d’une théorie décrivant la manière dont ce champ interagit avec un appareil de mesure : la conception même de cet appareil suppose une compréhension théorique de ce qu’il mesure effectivement).
Et Einstein n'a jamais rejeté les résultats de la mécanique quantique. Ce qu'il lui reprochait n'était pas d'être fausse mais incomplète. Ce qu'il a appelé "surnaturelle" ou pour être précis "spooky", c'est une certaine lecture de l'expérience EPR selon laquelle l'état d'un objet pourrait être changé à distance par la mesure que l'on pourrait effectuer sur un autre objet avec lequel il aurait interagi.

[ordage]

Ce qui est en question avec la MQ (mais pas que!) et qui revient souvent dans les discussions est la "réalité objective".
Et du coup le questionnement d'une ontologie dans le matérialisme évidemment...
D'où découle aussi une remise en question du rationalisme kantien et même plus tôt et plus tard, ce qui a été dit à ce sujet avant et aussi après.

Bonjour
Dans "Le nouvel esprit scientifique" Bachelard qualifiait les sciences physiques de "Métaphysiques impures" car elles devaient "rendre des comptes" à l'expérience. Il y développe les relations entre ce qu'il appelle le "rationalisme" (associé à la théorie) et le réalisme (associé à l'expérience) pour conclure qu'elles ne peuvent être totalement indépendantes. Il souligne la "coopération" entre les deux, où tantôt c'est l'expérience qui est "moteur" et contraint la théorie à évoluer pour expliquer certains faits et tantôt c'est la théorie qui est "moteur" et prédit certains phénomènes non connus qui contraignent l'expérimentateur à les vérifier.
Cordialement

[oualos]

La phénoménologie de Kant avec la relation sujet-objet s'appuie sur la physique de Newton.
Ça a toujours été le cas de la philo de s'appuyer sur la physique de l'époque même du temps d'Aristote.
Il est clair que pour la MQ nous ne disposons pas d'outils conceptuels intuitifs ou même préhensibles pour comprendre ce qui se passe pour la particule avant la mesure. En s'appuyant sur la rationalité évidemment.
Ça donne des ouvrages scientifiques écrits par des gens de renom (je ne citerai pas de nom!) qui pour les trois-quarts sont compréhensibles et pour le dernier quart font appel à un boulgui-boulga de notions pêle-mêle avec des mots comme matérialisme, réalisme, idéalisme, objectivisme, phénoménologisme et j'en passe. On trouve même le terme de holisme qui comme on sait n'est pas du tout scientifique mais se trouve plutôt dans des ouvrages mystiques ou spiritualistes.
La physique emploie le terme d'émergence pour dire que par exemple dans la thermodynamique statistique la chaleur et température ne sont pas des données intrinsèques mesurables mais elles émergent au niveau molaire.
Et là elles sont mesurables...

P.S. J'en reste à la théorie de Süsskind ER=EPR qui suppose un maillage de l'univers par des trous de ver dans une cinquième dimension.
Théorie belle parce que simple mais difficilement prouvable évidemment (?)
Ça explique(rait?) beaucoup de choses voir tout comme l'étrange expérience de Wheeler menée dans l'espace avec des lasers.

[stefjm]

[...]On trouve même le terme de holisme qui comme on sait n'est pas du tout scientifique mais se trouve plutôt dans des ouvrages mystiques ou spiritualistes.[...]

Tout dépend de la définition adoptée.

Une particule (par exemple un proton ou un électron) désigne un tout dont les conditions sont bien précisées.
Idem pour plus gros, voir même pour le tout de tout.

La physique emploie le terme d'émergence pour dire que par exemple dans la thermodynamique statistique la chaleur et température ne sont pas des données intrinsèques mesurables mais elles émergent au niveau molaire.
Et là elles sont mesurables...

Et en miroir, on a aussi l'immergence, car il est souvent bien compliqué de faire abstraction dans la description de l'environnement (même si on essaie d'isoler au mieux ce dont on veut parler). Par exemple le principe de Mach et le seau de Newton.

[chaverondier]

Conclusion : les lois, constantes et propriétés physiques que nous attribuons à (nos interactions avec) l'univers sont extraites des traces du passé, des enregistrements irréversibles d'information.

Le problème est que la conclusion ne découle pas des prémisses. Il y a ici un changement de registre qui n’est pas justifié par l’argument.

A condition d'adopter comme premisse l'existence de propriétés physiques objectives, cad indépendantes de la possibilité de les observer (un jour ou l'autre) par le recueil d'informations irréversiblement enregistrées (base de l'intersubjectivité et de la reproductibilité de nos observations grâce à notre "myopie" commune d'observateurs macroscopiques).

la notion de réalité physique extérieure est tellement indispensable dans la pratique de théorisation qu’elle en est implicite.

et, par extension, c'est même l'existence de propriétés physiques objectives de la réalité extérieure (au lieu de propriétés physiques intersubjectives de cette réalité extérieure) qui est jugée indispensable et tellement évidente qu'elle est en fait implicite (même la formuler semble absurde tant elle "tombe sous le sens").

Le fait que l’on ne puisse pas se passer de la notion d’observateur pour décrire la manière dont les observateurs acquièrent et formulent des connaissances est une tautologie.

Par contre, le fait que l'on ne puisse pas se passer d'un recueil d'information (tirées d'enregistrement irréversibles) par ces même observateurs est tellement évident que l'on peine à le remarquer. On ne le remarque pas plus que l'air que l'on respire.

Et Einstein n'a jamais rejeté les résultats de la mécanique quantique. Ce qu'il lui reprochait n'était pas d'être fausse mais incomplète.

Et sur ce point, il s'est avéré qu'il avait raison, ce qui n'est pas encore largement admis, et pourtant c'est vrai comme le montre la formulation time symmetric de la physique quantique.

[ThM55]

Le problème c'est que ce n'est pas la seule formulation qui l'illustre (je préfère le verbe illustrer à montrer) et en l'absence de preuve expérimentale décisive pour l'une ou l'autre formulation, ce n'est pas de la physique (pas encore peut-être).

[oualos]

c'est même l'existence de propriétés physiques objectives de la réalité extérieure (au lieu de propriétés physiques intersubjectives de cette réalité extérieure)

Ces termes proviennent directement du vocabulaire de Kant or il s'avère que c'est inadéquat pour décrire l'observable en l'absence d'observation mais la relation observant-observé peut elle tout à fait se rattacher à la physique classique
C'est bien là le problème

[chaverondier]

Le problème c'est que ce n'est pas la seule formulation qui l'illustre (je préfère le verbe illustrer à montrer) et en l'absence de preuve expérimentale décisive pour l'une ou l'autre formulation, ce n'est pas de la physique (pas encore peut-être).

Si vous évoquez :

• La formulation time-symmetric à deux vecteurs d'état :
  Time Symmetry in the Quantum Process of Measurement, Y. Aharonov, P. G. Bergmann, and J. L. Lebowitz, 1964
  The Two-State Vector Formalism of Quantum Mechanics: an Updated Review Y. Aharonov, L. Vaidman, 2007
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• La mesure faible qui en a découlé en 1988 :
  How the result of a measurement of a component of the spin of a spin-1/2 particle can turn out to be 100 Yakir Aharonov, David Z. Albert, and Lev Vaidman, 1988
  Introduction to Weak Measurements and Weak Values B. Tamir, E. Cohen, 2013
  A time-symmetric formulation of quantum mechanics, Yakir Aharonov, Sandu Popescu, and Jeff Tollaksen, 2010

Il y a bien eu un peu de contestation en 1989 :

• Comment on ‘‘How the result of a measurement of a component of the spin of a spin-1/2 particle can turn out to be 100’’, A. J. Leggett
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• Quantum measurements with postselection, Asher Peres

Les mesures faibles ont émergé de la formulation time-symmetric à deux vecteurs d'état. Cette modélisation donne une description plus complète de l'état quantique entre deux mesures quantiques. En effet, la prise en compte du deuxième vecteur d'état (celui qui évolue à rebrousse-temps) permet de postdire les résultats intermédiaires de mesure faible. La formulation à un seul vecteur d'état ne le permet pas. Ce complément de description de l'état quantique ainsi obtenue donne raison à Einstein reprochant à la description standard (à un seul vecteur d'état) d'être incomplète...

...mais (comme le fait remarquer E.T. Jaynes, Clearing up mysteries, § Confrontation or reconciliation) Bohr avait raison aussi de son point de vue puisque l'état quantique à un seul vecteur d'état donnne une description complète de l'information accessible à l'observateur (le deuxième vecteur d'état est connu seulement après réalisation de la post sélection).

Depuis, à part la contestation due à une erreur d'interprétation d'un auteur isolé (cf. Weak value controversy, Vaidman, 2017) il n'y a plus eu contestation de la mesure faible (1). De plus, des réalisations expérimentales ont démontré la pertinence et l'efficacité des mesures faibles.

• Observation of the spin hall effect of light via weak measurement, Onur Hosten, Paul Kwiat, 2008
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• Ultrasensitive beam deflection measurement via interferometric weak value amplification, P. Ben Dixon, David J. Starling, Andrew N. Jordan, John C. Howell, 2009

Enfin, la formulation à deux vecteurs d'état offre un formalisme explicitement time-symmetric et explicitement invariant de Lorentz de l'effet EPR
Can a future choice affect a past measurement's outcome, Yakir Aharonov, Eliahu Cohen, Avshalom C. Elitzur 2015
Dans la formulation à deux vecteurs d'états, le photon de Bob n'est pas instantanément et non localement projeté dans un état de polarisation déterminé quand Alice fait une mesure de polarisation de son côté.

(1) Il y a, par contre, contestation de son interprétation rétrocausale, cf. Weak-Measurement Elements of Reality, L. Vaidman, 2007

Pour ma part, je ne partage pas l'inteprétation rétrocausale de la mesure forte sur une mesure faible antérieure proposée par Vaidman. Cette interprétation repose, selon moi, sur l'attribution d'un caractère objectif au principe de causalité, cad l'hypothèse selon laquelle le principe de causalité ne serait pas la conjonction d'une corrélation ET d'une information irréversiblement enregistrée donc accessible aux observateurs macroscopiques.

L'interprétation du principe de causalité comme présentant un caractère objectif impliquerait, effectivement, d'interpréter le lien de corrélation entre mesures faibles et mesures fortes postérieures comme un lien de causalité dans le sens rétrocausal au même titre que celui entre mesures faibles et mesures fortes antérieures est un lien de causalité. Pour ma part, je conteste cette équivalence. Elle repose sur l'attribution d'un caractère objectif aux principe de causalité, cad l'hypothèse selon laquelle ce principe (ainsi d'ailleurs que les lois et prropriétés physiques dites fondamentales) ne devraient rien à la grille de lecture des observateurs macroscopiques.