Enphilosophie des sciences, laphilosophie de la physique étudie les questions fondamentales sous-jacentes à laphysique moderne, soit l'étude de lamatière et de l'énergie et la façon dont elles interagissent. La philosophie de la physique se penche sur les questionsmétaphysiques etépistémologiques essentielles que pose la physique : lacausalité, ledéterminisme, et la nature d'uneloi physique. Elle se concentre également sur des questions que soulèvent les grands thèmes de la physique contemporaine :
Il y a des siècles, l'étude de la causalité et de la nature fondamentale de l'espace, du temps, de la matière, et de l'Univers faisait partie intégrante de la métaphysique. Aujourd'hui, la philosophie de la physique fait surtout partie de laphilosophie des sciences. Les physiciens se servent de laméthode scientifique pour définir les vérités universelles et les constantes qui gouvernent les phénomènes physiques, et la philosophie de la physique se penche sur les résultats de ces recherches empiriques.
Niels Bohr définit l'objectif de la physique :
« Elle n'a pas pour but de révéler l'essence réelle des phénomènes, mais simplement de découvrir autant que possible (...) les relations entre les nombreux aspects de notre existence »
— Atomic Theory and the Description of Human Knowledge (Cambridge University Press, 1934, p. 19
Traduction (Trinh Xuan Thuan, Les voies de la lumière : Physique et métaphysique du clair-obscur).
Nombreux sont ceux - en particulier des réalistes - , qui pensent que cette formulation minimaliste de l'objectif de la physique est inappropriée et qui considèrent que la physique offre une vue plus large sur le monde.
Le temps est considéré comme uneunité fondamentale (c'est-à-dire, une unité qui ne peut être définie par rapport à d'autres unités ou quantités), parce qu'au moment présent, rien n'est plus fondamental que le temps. Ainsi le temps est-il défini grâce à une mesure : celle de son intervalle de temps standard. De nos jours, l'intervalle de temps standard (appelé "seconde") est défini par 9,192,631,770oscillations d'unestructure hyperfine dans l'atome deCésium 133. (ISO 31-1). On peutdéduire de la définition précédente ce qu'est le temps et comment il fonctionne. Les physiciens se servent de lathéorie pour prédire la façon dont le temps est mesuré. Le temps peut alors être associé mathématiquement aux unités fondamentales d'espace et demasse pour décrire et quantifier les mouvements et les déplacements, et pour définir des concepts tel que lavitesse, laquantité de mouvement, l'énergie et les différents champs.
Newton etGalilée, comme la plupart des scientifiques jusqu'au début duXXe siècle, pensaient que le temps était le même pour tout le monde et partout.Notre conception moderne du temps se fonde sur lathéorie de la relativité d'Einstein et sur l'espace-temps deHermann Minkowski, dans lequel des parts de temps s'écoulent différemment dans divers cadres de référence inertiels, et où l'espace et le temps sont combinés en unespace-temps. Le temps peut être quantifié grâce à la plus petite unité théorique de temps existante sur l'échelle de Planck. Larelativité générale d'Einstein ainsi que ledécalage vers le rouge dans la lumière provenant des galaxies distantes qui s'éloignent indiquent que l'Univers tout entier et probablement l'espace-temps lui-même ont commencé il y a environ13,8 milliards d'années lors dubig bang. La question de savoir si l'Univers aura une fin ou comment il finira reste ouverte.
Certaines théories, plus particulièrement celles de la relativité restreinte et de la relativité générale, suggèrent que les géométries appropriées à l'espace-temps, ou certains types de mouvement dans l'espace, rendraient possible le voyage dans le passé et le futur. Des concepts tels que celui du "closed timelike curve" appuient cette théorie.
La théorie de la relativité restreinte d'Albert Einstein (et, par extension, celle de la relativité générale) prédit ladilatation du temps qui peut être interprétée comme levoyage dans le temps. Avec cette théorie, Einstein affirme que, d'après un observateur stable, le temps semble passer plus lentement pour des corps bougeant plus vite : par exemple, les aiguilles d'une horloge en mouvement sembleront tourner plus lentement ; lorsqu'une horloge approchera la vitesse de la lumière, ses aiguilles sembleront presque s'arrêter. Les effets de cette espèce de dilatation du temps sont présentés plus en détail dans le célèbre "paradoxe des jumeaux". Ces résultats sont observables par expérience et affectent l'activité des satellites GPS et d'autres systèmes de haute technologie de notre vie quotidienne.
Un second type de voyage dans le temps, similaire au premier, est permis par larelativité générale. Dans ce second système, un observateur distant verra le temps passer plus lentement pour une horloge qui se trouve au fond d'unpuits gravitationnel profond, et une horloge qu'on mettrait dans un puits gravitationnel profond et qu'on ressortirait ensuite de ce puits indiquerait que moins de temps a passé en comparaison avec une horloge stable en présence d'un observateur distant.
Ces effets sont en quelque sorte similaires à ceux de l'hibernation ou du refroidissement d'êtres vivants (qui ralentit les processus chimiques chez le sujet) qui mettent en suspens, presque indéfiniment, leur vie, leur permettant ainsi de "voyager dans vers le futur", mais jamais vers le passé. Ils ne violent donc pas le rapport decausalité. On ne parle pas ici du "voyage dans le temps" qu'on trouve dans la science-fiction (où le rapport de causalité n'est quasiment jamais respecté), et il y a peu de doute quant à son existence. "Le voyage dans le temps" fera donc référence au voyage avec un certain degré de liberté dans le passé "ou" dans le futur dutemps propre.
De nombreux scientifiques pensent que le voyage dans le temps est très peu probable, justement parce qu'il viole le rapport decausalité, c'est-à-dire la logique de cause à effet. Par exemple, que se passerait-il si vous tentiez de retourner dans le passé et que vous vous tuiez vous-même quand vous étiez plus jeune (ou bien votre grand-père, ce qui nous amène auparadoxe du grand-père) ?Stephen Hawking a un jour suggéré que l'absence de touristes venus du futur constituait un argument fort contre l'existence du voyage dans le temps (une variante duparadoxe de Fermi, avec des voyageurs dans le temps à la place des aliens). Ainsi n'avons-nous aucune preuve expérimentale du voyage dans le temps, ce qui n'en fait qu'une simple hypothèse et non un fait empirique.
L'espace est l'une des quelques unités fondamentales enphysique, ce qui veut dire qu'il ne peut être défini en fonction d'autres unités puisqu'il n'y a rien de plus fondamental connu au moment présent. Ainsi, tout comme la définition des autres unités fondamentales (comme letemps et lamasse), l'espace est défini par desmesures. De nos jours, la mesure standard de l'espace, appelée le mètre standard ou simplement mètre, est définie comme ladistance parcourue par la lumière dans le vide pendant un intervalle de temps de 1/299792458 de seconde exactement.
Enphysique classique, l'espace est unespace euclidien en trois dimensions, où n'importe quelle position peut être décrite par troiscoordonnées. La relativité restreinte et la relativité générale se fondent sur l'espace-temps plutôt que sur l'espace ; l'espace-temps est construit comme un espace à quatre dimensions (l'axe du temps étantimaginaire dans larelativité restreinte etréel dans larelativité générale), et de nos jours, il existeplusieurs théories[Lesquelles ?] qui prennent en compte plus de quatre dimensions spatiales.
La mécanique quantique a provoqué de grandes controverses au sein des interprétations philosophiques. Au cours de son développement, au début duXXe siècle, les théories naissantes commencèrent à contredire de nombreuses philosophies acceptées. Pourtant, ses prédictions mathématiques coïncident avec les observations scientifiques.
AuXVIIIe siècle, de nombreux progrès ont été faits dans le domaine de la science. AprèsNewton, la plupart des scientifiques s'accordèrent sur le postulat que l'Univers est gouverné par des lois naturelles strictes qui peuvent être découvertes et officialisées au moyen d'observations et d'expériences scientifiques. Cette façon de penser est connue sous le nom de déterminisme. Cependant, le déterminisme semble exclure toute possibilité de libre arbitre. Autrement dit, si l'Univers, et donc toute personne qui s'y trouve, est gouverné par des lois strictes et universelles, alors le comportement d'une personne pourrait être prédit à partir d'une connaissance suffisante des circonstances précédant le comportement de cette personne. Cette vision semble contredire la perception du libre arbitre de la personne en question, sauf si l'on considère la façon dont elle est interprétée dans le cadre ducompatibilisme. À l'inverse, si nous considérons que les êtres humains ont unlibre arbitre libertaire ou incompatibiliste, alors nous devons accepter que le monde ne soit pas entièrement gouverné par la loi de la nature. Certains ont avancé que si le monde n'est pas entièrement gouverné par une loi naturelle, alors la science ne peut pas remplir son objectif. Cependant, le développement de lamécanique quantique a permis aux penseurs d'envisager des alternatives à ces théories strictes et limitées, en proposant un modèle où l'Univers suit des règles générales mais n'a jamais eu de futur prédéterminé.
Face aux partisans dudéterminisme comme Einstein etMax Planck, l'indéterminisme – défendu par l'astronome anglaisSir Arthur Eddington – soutient qu'un objet physique a forcément un composant indéterminé qui n'est pas dû aux limitesépistémologiques de la capacité de compréhension des physiciens. Ainsi, leprincipe d'incertitude ne serait pas nécessairement lié à desvariables cachées mais à l'indéterminisme présent dans la nature elle-même.
Heisenberg,de Broglie,Dirac,Bohr,Jeans,Weyl,Compton,Thomson,Schrödinger, F. W. Jordan,Millikan,Lemaître, Carl Reichenbach, et alii, étaient tous d'illustres défenseurs de l'indéterminisme.
Leprincipe d'incertitude est une relation mathématique certifiant l'existence d'une limite supérieure à la précision d'un calcul simultané de n'importe quel couple devariables conjuguées, par exemple, la position et la quantité de mouvement. D'après l'application d'opérateurs en mécanique quantique, cette limite est le calcul ducommutateur des opérateurs correspondant aux variables.
Le principe d'incertitude est une réponse possible à la question suivante : Comment mesurer la position d'un électron autour du noyau si l'électron est une onde ? Lorsque la mécanique quantique est apparue, elle était considérée comme un lien entre les descriptions classiques et quantiques d'un système basé sur la mécanique ondulatoire.
En, alors qu'il travaillait à l'institutNiels Bohr,Werner Heisenberg découvrit le principe d'incertitude, établissant ainsi les fondements de ce qui devint par la suite l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique. Heisenberg avait alors étudié les recherches effectuées parPaul Dirac et parPascual Jordan. Il découvrit une anomalie dans le calcul des variables de base de leurs équations. Son analyse démontra qu'il y avait toujours des incertitudes, ou imprécisions, lorsqu'on essayait de calculer la position et la quantité de mouvement d'une particule en même temps. Heisenberg en conclut que ces incertitudes ou imprécisions dans les calculs n'étaient pas la faute du scientifique, mais bien des éléments fondamentaux dans la nature et des propriétés mathématiques inhérentes aux opérateurs en mécanique quantique provenant des définitions de ces opérateurs.
Le terme "interprétation de Copenhague de la mécanique quantique" était fréquemment employé à la place ou comme synonyme du principe d'incertitude de Heisenberg par ses détracteurs (comme Einstein ou le physicienAlfred Landé), qui croyaient audéterminisme et qui voyaient les points communs entre les théories de Bohr et Heisenberg comme une menace. Dans l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique, le principe d'incertitude a été pris en compte pour désigner le fait que, dans le savoir élémentaire, l'univers physique n'existe pas sous une forme déterministe, mais plutôt comme un ensemble de probabilités, ou d'issues possibles. Par exemple, le schéma (loi de probabilité) produit par des millions de photons qui passent à travers un réseau de diffraction peut être mesuré en utilisant la mécanique quantique, mais aucune méthode connue ne permet de prédire le chemin exact de chaque photon. L'interprétation de Copenhague soutient que cette mesure ne peut être prédite par aucune méthode, pas même grâce à des calculs en théorie infiniment précis.
La notion decomplémentarité est cruciale en mécanique quantique. Elle stipule que la lumière se comporte à la fois comme une particule et comme une onde. Lorsque l'expérience de la double fente (dans un réseau de diffraction) fut réalisée, la lumière agissait dans certains cas comme une onde, et dans d'autres comme une particule. Les physiciens ne trouvèrent aucune théorie convaincante pour expliquer ce phénomène jusqu'à ce que Bohr et la complémentarité apparaissent.
Albert Einstein était passionné par les conclusions philosophiques qu'il tirait de ses recherches. Voici ce qu'il écrit :
"Je suis tout à fait d'accord avec vous quant à l'importance et la vertu éducative de laméthodologie tout autant que celles de l'histoire et laphilosophie des sciences. Tant de gens de nos jours - et même certains scientifiques - me semblent être des gens qui ont vu des milliers d'arbres mais qui n'ont jamais vu une forêt. Posséder ces connaissances historiques et philosophiques permet d'avoir un certain recul face auxpréjugés de notre génération que subissent la plupart des scientifiques. Ce recul, qu'on obtient grâce à la philosophie est, selon moi, le signe distinctif entre un simple artisan ou spécialiste et celui qui cherche vraiment la vérité."Einstein. Lettre à Robert A. Thornton,.
"Comment se fait-il qu'unbiologiste naturellement doué en vienne à se poser des questionsépistémologiques ? N'y a-t-il plus aucune recherche qui en vaille encore la peine dans sa spécialité ? J'entends beaucoup de mes collègues le dire, et je le sens chez beaucoup d'autres : c'est ce qu'ils pensent. Je ne partage pas ce sentiment... Certains concepts qui se sont révélés utiles dans l'organisation des choses ont facilement atteint une telle autorité parmi nous que nous oublions leurs origines triviales et les acceptons comme des acquis immuables. Ainsi sont-ils désignés comme "les bases de la pensée", "des faits avérés", etc."
"Le chemin de l'avancée scientifique reste souvent bloqué pendant longtemps à cause de telles erreurs. C'est pourquoi ce n'est en rien par paresse que nous prenons l'habitude d'analyser des concepts bien connus et d'expliquer les circonstances sur lesquelles s'appuient leur justification et leur utilité, de quelle façon ils ont grandi, individuellement, à partir des acquis des expériences scientifiques. C'est de cette façon qu'ils perdront leur autorité suprême ."Einstein, 1916, "Memorial notice forErnst Mach,"Physikalische Zeitschrift 17: 101-02.
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