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Cet ensemble de textes a été conçu à la demande de lecteurs de la revue en ligne Automates-Intelligents souhaitant disposer de quelques repères pour mieux appréhender le domaine de ce que l’on nomme de plus en plus souvent les "sciences de la complexité"... lire la suite

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15 février 2014 6 15 /02 /février /2014 11:47


Jean-Paul Baquiast 15/02/2014

On ne se pose pas assez la question de savoir comment fonctionne le cerveau, en tant que machine à se représenter le cosmos. La lecture du dernier livre de (sir) Roger Penrose « Les cycles du temps », une nouvelle vision de l'univers » Odile Jacob 2014 illustre bien la question. L'auteur, mathématicien universellement reconnu, y présente son hypothèse dite de la Cosmologie Conforme Cyclique (CCC). Celle-ci vise à éclairer les points encore incompris de la cosmologie contemporaine, notamment l'avant-big bang, les trous noirs et la fin de l'univers lorsque celui-ci, au terme d'une expansion paraissant aujourd'hui généralement admise, ne sera plus représenté que par des atomes infiniment éloignés les uns des autres dans un espace lui-même infini. Mais la CCC que propose Penrose, si elle peut selon lui résoudre des difficultés inhérentes aux modèles cosmologiques actuels, nous plonge dans un mystère encore plus grand, celui comme son nom l'indique, d'un univers cyclique, se renouvelant sans cesse dans de nouveaux big bangs. L'univers cyclique est une très vieille idée, mais Penrose la reprend et la développe de façon notamment à la rendre compatible avec la gravitation quantique en cours d'élaboration par ailleurs.

Or ce travail a nécessité de sa part une intense élaboration mathématique. Les quelques éléments qu'il en donne dans le livre sont pratiquement inaccessibles à un lecteur non au fait des structures mathématiques utilisées depuis maintenant plus de 150 ans par la communauté des cosmologistes théoriques pour soutenir leurs propres hypothèses sur l'univers. Se pose alors la vieille interrogation: pourquoi les mathématiques, dans leurs développements quasi exponentiels, peuvent-elles servir de support à ces hypothèses sur l'univers? Pourquoi sont-elles seules capables de le faire? Et devons-nous faire conscience à ces mathématiques pour représenter vraiment l'univers?

Max Tegmark, nous l'avons vu, rejoint ceux qui avant lui avaient postulé, non seulement que l'univers est parfaitement descriptible par les mathématiques - ce que Penrose ne met aucunement en doute - mais qu'il est lui-même mathématique. Même si Penrose ne formule pas explicitement cette dernière hypothèse, son livre pourrait nous conduire, comme beaucoup d'ouvrage de cette nature, à nous demander pourquoi l'univers, y compris l'ensemble des phénomènes étudiés par la science, prennent-ils si facilement des formes mathématiques. Ne serait-ce pas qu'auraient existé, ou existeraient, des structures mathématiques primordiales, hors de l'espace et du temps, qui, si l'on peut dire, s'incarneraient dans l'univers, comme l'embryon s'est incarné dans l'enfant. C'est en tous cas là l'hypothèse forte de Tegmark, qui donne son titre au livre que nous avons précédemment présenté.

Or les mathématiques manipulent des concepts qui, non seulement sont sans correspondance dans notre milieu quotidien, mais qui même sont incompréhensibles par notre cerveau. C'est le cas souvent cité du concept d'infini. Chacun de nous sait ce qu'il désigne mais renonce à lui donner un contenu concret, intéressant notamment la cosmologie. Qu'est-ce qu'un univers infini? Nous sommes devant ce qui risque de demeurer à jamais un mystère, comme l'est le croyant devant le concept de Dieu. Faut-il croire sans comprendre?

Un cerveau mathématique

Nous avons pour notre part souvent observé que la question intrigante, jamais abordée en profondeur par la science, devrait consister à ce demander quel rôle joue notre cerveau dans la production des concepts et structures mathématiques. On pourrait imaginer qu'il s'agit de produits du cerveau et plus généralement de l'organisme vivant, élaborés au cours de l'évolution pour faciliter l'adaptation à un monde dont la complexité paraissait initialement impénétrable. Mais la vie a évolué dans un environnement bien particulier, les milieux terrestres chauds et humides. Pourquoi penser que les outils mathématiques ayant eux-mêmes été produits et ayant évolué en auxiliaires de l'adaptation à ces milieux pourraient aujourd'hui nous servir à nous représenter les milieux cosmologiques?

Nous pourrions poser la question autrement. Ne serait-ce pas notre cerveau qui serait mathématique, et non l'univers profond, encore très largement invisible, dans lequel nous sommes plongés? Autrement dit, nos cerveaux et plus largement nos organismes, ayant développé au cours de leur évolution tout au long de l'histoire du monde animal des outils leur permettant au mieux d'analyser un monde dangereux afin d'y survivre, n'auraient-ils pas projeté ces outils sur le monde non immédiat, celui du cosmos supposé, afin de bénéficier de leur force explicative? L'expérience ayant été satisfaisante, les outils et les modèles du monde qu'ils permettaient se seraient co-développés par la suite.

Personne ne conteste aujourd'hui, même les mathématiciens les plus convaincus du caractère platonicien des mathématiques, le rôle de notre cerveau dans la production des mathématiques élémentaires, arithmétique, géométrie, les plus nécessaires à la survie et d'ailleurs utilisées de façon implicite par tous, mathématiciens ou non. Ce seraient des structures neuronales, aujourd'hui de mieux en mieux connues, qui associées à des structures anatomiques acquises par ailleurs, auraient élaboré l'aptitude à traiter mathématiquement les informations sensorielles basiques provenant de l'environnement.

Il se serait d'abord agi de géométrie. Pour s'adapter aisément aux milieux naturels, il fallait s'habituer à y identifier des courbes, des droites, des volumes. D'abord intuitive, la construction de représentations géométriques du monde aurait été rationalisée, avec le succès que l'on connait, au sein des premières civilisations bâtisseuses. Il en aurait été de même de l'arithmétique. Les neurosciences animales semblent montrer que la plupart des oiseaux et des mammifères sont capables de compter au moins jusqu'à trois, et de différencier les grands groupes des petits groupes. Ceci leur est vital pour la survie. Quant au concept d'infini, si étrange en cosmologie moderne, n'aurait-il pas été inventé spontanément par les cerveaux pour se représenter intuitivement ce qu'il y avait au delà de l'horizon visible. Très tôt ce concept a été repris explicitement par les mythes religieux (c'est-à-dire par des cerveaux humains en proie à certains stimulants chimiques favorisant les visions mystiques) pour désigner une déité omnisciente mais inconnaissable.

Ainsi, l'organisme humain, doté à la suite de l'évolution biologique de 10 doigts, lesquels trouvent leurs commandes au sein du cortex moteur, aurait appris à utiliser ces 10 doigts pour découper dans un environnement non différencié au départ, des artefacts utiles, tels que des outils de pierre, nécessaires à la survie. Le dénombrement de ceux-ci devenait alors impératif. Le cerveau humain se serait par la suite doté, à des niveaux supérieurs du cortex, de circuits neuronaux dits cognitifs, capables de calculs arithmétiques nécessaires pour tirer parti des informations de plus en plus riches recueillies à la périphérie du corps.

Certains biologistes se sont d'ailleurs demandé si d'autres animaux, par exemple les poissons, ne disposant pas de mains telles que les nôtres, seraient capables de compter. Dans la négative, ceci expliquerait que les poissons n'aient pas produit de grands arithméticiens. Il est vrai que les poissons, comme à un niveau inférieur les bactéries, font plutôt appel, notamment par leurs aptitudes à former des « bancs », à des mathématiques différentes de l'arithmétique basique. Les mathématiciens humains viennent seulement de les découvrir, afin de les adapter notamment au traitement des ensembles et des réseaux.

Nous pourrions donc suggérer que les mathématiques évoluées qu'utilisent les physiciens n'existeraient pas en dehors des planètes abritant des êtres vivants. Elles ne seraient pas assez puissantes pour réguler l'évolution globale du cosmos, ni des structures que nous croyons pouvoir identifier au sein d'un cosmos indifférencié. Elles ne pourraient donc pas être attribuées à des univers et entités cosmologiques existant en dehors de l'homme, et que celui-ci se donnerait la mission de redécouvrir. Elles ne pourraient même pas être utilisées pour analyser ou interpréter les données brut que nous apportent des instruments d'observation de plus en plus perfectionnés.

On dira qu'un tel jugement, à supposer que nous hasardions à l'exprimer, méconnaitrait complètement le rôle des mathématiques en astronomie et en cosmologie. Elles servent d'abord à formuler des hypothèses sur l'univers à partir de données existantes. Celles-ci sont ensuite, comme en toute science, soumises à l'expérience instrumentale. Seules les hypothèses confirmées par cette dernière sont conservées, ainsi que les structures mathématiques ayant servi de support à la formulation de ces hypothèses.

Malheureusement, si l'on peut dire, les hypothèses de l'astronomie et de la physique modernes, soutenues par des mathématiques de plus en plus sophistiquées, sont pour l'essentiel invérifiables par l'observation. Autrement dit, conformément à la logique scientifique ordinaire, elles devraient être abandonnées, ou tout au moins mises de coté en attendant des temps meilleurs. Il devrait en est ainsi du big bang, des trous noirs ou de la matière noire. Ceci ne se produit pas en général, car les cosmologistes physiciens proposent sans cesse de nouveaux éléments observables pouvant servir à justifier les théories inobservables qu'ils élaborent.

Il en est ainsi de l'observation du fonds de ciel cosmologique pouvant éclairer, non le big bang mais l'univers tel qu'il était quelques temps après. Il en est de même du rayonnement des trous noirs ou de l'interprétation des images galactiques montrant que les galaxies, hors de l'hypothétique matière noire, ne disposeraient pas de masse suffisante pour survivre. Ainsi, de proche en proche, les présomptions se développent, les observations s'entrecroisent et un panorama général intéressant l'univers et son histoire semble pouvoir se dégager.

Mais faut-il aller plus loin, et prétendre utiliser les outils mathématiques élaborés à cette occasion pour formuler des théories fort belles au plan de l'élaboration mathématique, mais risquant de demeurer très longtemps invérifiables faute d'observation possible. D'ores et déjà, les hypothèses sur l'origine immédiate de l'univers (le big bang) et sur les évènements ayant immédiatement suivi, sont difficiles à vérifier, même de façon indirecte. Aussi bien ne font-elles pas l'objet de consensus. Il en est de même, à un moindre degré, du concept d'inflation cosmologique initiale, admis sans difficulté par Tegmark et sérieusement mis en doute par Penrose. Ne mentionnons même pas la théorie des cordes.

On dira que la science a toujours procédé ainsi: partir du moins hypothétique vers le plus hypothétique et accumuler ce faisant le maximum d'observations susceptibles de préciser le modèle d'ensemble, tout en réduisant le plus possible le champ des débats possibles entre scientifiques. Si Giordano Bruno et Galilée n'avaient pas imaginé la pluralité des mondes, nous en serions resté à la connaissance du cosmos élaborée par les pasteurs chaldéens.

Jusqu'où cependant s'arrêter dans le processus consistant à imaginer puis rationaliser mathématiquement des éléments d'univers, voire des univers eux-mêmes, qui risqueront de rester longtemps, sinon à jamais, inobservable. Autrement dit, pour nous limiter aux deux auteurs cités dans cet article, pouvons nous nous intéresser, autrement qu'à titre de curiosité, à leurs hypothèses concernant soit la Cosmologie Conforme Cyclique (CCC), soit les différents types de multivers. De façon plus terre-à-terre, les pouvoirs publics et les entreprises qui financent leurs recherches ne manqueront pas de s'interroger sur les applications pratiques pouvant en découler.

La cosmologie quantique

Le problème que nous évoquons, celui de l'opportunité de présenter des hypothèses pratiquement invérifiables, ne se limite pas à la cosmologie traditionnelle. Celle-ci s'intéressait et s'intéresse encore à des évènements et objets de grande taille, dits macroscopiques. Or la physique, depuis les années 1930, a été bouleversé par les acquis de la mécanique quantique. Même si, selon l'observation souvent citée de Feynman, la mécanique quantique n'est encore pratiquement comprise par personne, les applications qui en sont faites sont multiples, tant dans les domaines scientifiques qu'industriels. La cosmologie ne pouvait pas ne pas en tenir compte. Malheureusement l'approche microscopique de l'univers, découlant de ce que nous pourrions appeler une cosmologie quantique, suscite de nouvelles hypothèses invérifiables s'ajoutant à celles de la cosmologie traditionnelle.

Certes, certaines hypothèses vérifiables peuvent en être déduites. C'est le cas notamment de celles intéressant la physique des particules de hautes énergies. Des instruments très puissants tels que le Large Hadron Collider européen permettent entre autres problématiques de simuler des états très chauds de l'univers, liés au big bang ou à des explosions de supernovae, à défaut de simuler l'univers primitif ou le milieu cosmologique dans son entier. Mais la physique des particules tient autant de la physique macroscopique que de la physique quantique.

Aujourd'hui d'autres domaines de la cosmologie ne peuvent échapper aux interprétations devenues aujourd'hui quasiment classiques de la mécanique quantique. Les interprétations les plus connues de cette dernière sont couramment évoquées. Il s'agit de celles concernant les problèmes de la superposition des observables quantiques, de leur intrication et plus généralement le vaste problème dit de la mesure faisant appel à la fonction d'onde et aux inégalités d'Heisenberg. Les emprunts à la mécanique quantique ont ouvert de nouvelles pistes précieuses en cosmologie, mais elles n'ont pas réduit, si on peut dire, les incertitudes.

L'exemple le plus souvent cité est ce qu'il advient d'une particule quantique lorsqu'elle est observée, autrement dit lorsque sa fonction d'onde se trouve « réduite ». Le principe d'indétermination veut que dans ce cas, l'on ne puisse observer simultanément les deux propriétés de la particule, position et impulsion, mais seulement l'une d'entre elles. L'autre disparaît dans on ne sait quel univers. Nous avons vu que Tegmark a fait sienne l'interprétation proposée par Hugh Everett, selon laquelle au moment de l'observation, l'univers de l'observateur, et celui par extension de la particule, se divisent en deux. On retrouve dans chacun de ces univers l'une ou l'autre des propriétés de la particule, mais il n'est plus possible de les réunir à nouveau. Cette conception acrobatique du multivers quantique est généralement refusée. Mais le problème reste entier.

Par ailleurs, la mécanique quantique véhicule avec elle un questionnement épistémologique que l'on rencontre certes dans toutes les sciences macroscopiques, mais qui se pose pleinement selon nous en cosmologie, qu'il s'agisse de la cosmologie microscopique, celle des particules, ou de la cosmologie aux grandes échelles. Nous l'avons souvent mentionné sur ce site. Il s'agit, comme l'a bien formulé la physicienne Mioara Mugur-Schachter, de ce que cette dernière a nommé la Méthode de Conceptualisation Relativisé (MCR). Rappelons que pour celle-ci, il n'existe pas de « réel en soi », ce que l'on appelait jadis le Réel des essences. ou réel platonicien, qui existerait en dehors de toute observation. Il n'y a de réel que relatif. On ne peut parler de réalité dans cette conception qu'en conjuguant l'observation d'un réel sous-jacent par un observateur bien défini doté lui-même d'instruments bien définis. Leur conjugaison donne généralement lieu à des résultats plus ou moins différent. Si ceux-ci sont exploitables en termes statistiques, ils ne peuvent prétendre caractériser avec précision une quelconque réalité existant en dehors d'un observateur.

MCR n'a pas été imaginée à partir de rien par Mme Mugur-Schachter, Il s'agit d'une interprétation épistémo-philosophique de la mécanique quantique. Or si cette interprétation nous paraît s'imposer dans tous les domaines scientifiques, elle est encore refusée par beaucoup de chercheurs, en quelque discipline que ce soit, sauf peut-être dans les sciences sociales. Ceux qui la refusent ne veulent pas entrer dans un débat philosophique sur la Réalité. Par conséquent ils préfèrent s'en tenir au réalisme classique. Or ce refus est particulièrement répandu dans le monde de l'astronomie et de la cosmologie. Le réalisme paraît s'imposer de toute évidence. Pourrait-on imaginer, avait dit Einstein, que la planète Mercure n'existe que lorsqu'elle est observée.

Il faut bien voir cependant que MCR, et plus généralement les applications de la mécanique quantique à la cosmologie, pourraient, poussées aux limites, provoquer des résultats surprenants, voire inacceptables, tant par le sens commun que par la communauté scientifique traditionnaliste.On pourrait postuler qu'en dessous de l'univers visible existe un univers profond inobservable, une sorte de continuum sans formes ni limites identifiables a priori, mais qui pourrait faire émerger en permanence des univers ou bulles d'univers, observables dans certaines conditions serait doté de capacités de création ou de transformation infinies. Il pourrait s'agir d'une transposition à la cosmologie du concept de monde infra-quantique utilisé parfois par la mécanique quantique. Rappelons que dans cette acception, le monde infra-quantique est un espace infini, hors du temps et de l'espace tels que définis par la physique macroscopique, où se déroulent des phénomènes non directement observables, ainsi la superposition ou l'intrication des particules.

L'univers profond pourrait ne pas être différent. On le retrouverait à la source de toutes les entités cosmologiques observables, qu'il s'agisse de notre Terre, d'autres planètes ou de l'ensemble du cosmos, tant vers l'infiniment grand que vers l'infiniment petit. Ses manifestations pourraient par contre être observées par les êtres vivants que nous sommes, à partir d'hypothèses qu'ils élaboreraient et qu'ils vérifieraient, le tout grâce à des instruments de plus en plus performants. Les humains seraient donc de plus en plus dans un rôle d'observateurs tels que définis par la physique quantique. Ils inventeraient des hypothèses sur le cosmos de plus en plus audacieuses et s'efforceraient de vérifier la cohérence de ces hypothèses avec ce qu'ils ont précédemment construits sur Terre grâce à leurs outils neurologiques et sensoriels du moment. Ainsi pourraient-ils élaborer des modèles de plus en plus détaillés décrivant les entités cosmologiques auxquelles nous sommes habitués, planètes, soleil , univers proche, champs d'énergie, etc.

Mais qu'en serait-il alors de la véracité de ces modèles, autrement dit renverraient-ils à des objets réels, observables directement? En posant la question autrement, quelles « réalités » seraient sous-jacentes à l'univers que nous observons. La planète Mercure précédemment citée serait-elle seulement une création des cosmologistes? Dans la perspective évoquée ici, son statut au regard d'un univers profond ne serait pas très différent de celui d'une particule au regard du monde infra-quantique. En mécanique quantique, rappelons-le, une particule n'existe pas en soi, non plus d'ailleurs qu'un onde à laquelle on l'assimile généralement. N'existent seulement que des agrégats statistiques résultant d'un grand nombre d'observations. Mais ces agrégats, convenablement manipulés avec les instruments de la physique macrosopique, ont permis de construire toute les technologies électroniques modernes.

Dès ce moment, il n'est plus nécessaire de s'interroger sur la supposée réalité en soi de la supposée particule. Il suffirait de lui attribuer une réalité relative, autrement le produit d'une conceptualisation relativisée telle que définie par MCR. Nous mêmes d'ailleurs, dans cette perspective, tels que nous croyons nous définir à partir d'observations sensorielles coordonnées par notre cerveau, ne serions-nous pas également que le produit d'une conceptualisation relativisée. Ceci ne retirerait rien à nos capacités d'êtres humains au sien d'un univers qui comme nous n'existerait que comme une réalité relativisée.

Pourrait-on pousser ce raisonnement à l'extrême, en imaginant que ce que les cosmologistes appellent l'univers visible, c'est-à- dire l'ensemble des galaxies dont la lumière a eu le temps de nous parvenir, auxquelles il faudrait ajouter la « matière noire » , ne serait qu'une création de nos cerveaux, assistés par des instruments d'observation de plus en plus performants? La seule réalité sous-jacente serait dans ce cas celle de l'infra-univers indescriptible en soi tel qu'évoqué plus haut. Ceci ne nous empêcherait en rien d'agir, en tant que réalités relativisées, au sein d'un cosmos peuplé lui-même d'entités relativisées. Autrement dit, cela ne devrait pas nous empêcher d'envoyer des sondes vers la planète Mercure, telle que nous l'observons et la conceptualisons avec les instrumnts du moment. La modélisation que nous en sommes donnée, autrement dit sa réalité relativisé, ne pourrait qu'y gagner en précision.

Ceci serait valable pour la physique macroscopique. Mais si nous
considérions que Mercure est faite d'un très grand nombre de particules ne pouvant échapper au statut que leur confère la mécanique quantique, c'est-à-dire celui de q.bits, nous devrions aussi, si les outils mathématiques étaient disponibles, la considérer comme une q.planète, susceptible de superposition ou d'intrication.

Le raisonnement suivi jusqu'ici, on l'a remarqué, nous conduit à l'hypothèse développée par Seth Lloyd dans un ouvrage selon nous insuffisamment remarqué « Programming the Universe » selon lequel l'univers serait un immense calculateur quantique, que nous pourrions modéliser au mieux en utilisant les futurs calculateurs quantiques. Encore faudrait-il que les mathématiques utilisées pour la conception des logiciels requis dans les calculateurs quantiques fassent d'importants progrès. Quoiqu'il en soit, on voit que l'hypothèse de Seth Lloyd peut être considérée comme une version renouvelée de celle évoquée plus haut selon laquelle l'univers serait intrinsèquement mathématique. Un continuum commun

L'une des conséquences intéressantes découlant d'une extension de la mécanique quantique à la cosmologie serait qu'il n'y aurait pas de différence entre l'univers infra-physique profond évoqué précédemment, à partir duquel émergeraient des univers matériels proches ou non du nôtre, et l'infra-univers quantique supposé exister à la source des phénomènes quantiques observables. On assimile quelquefois ce dernier à ce que les physiciens nomment le vide quantique. Il ne s'agit pas d'un vide mais d'un « continuum » plein de particules virtuelles hautement énergétique, dont les « fluctuations » donneraient naissance à la matière quantique telle que nous pouvons l'observer. Le vide quantique n'est pas un mythe, même s'il n'est pas directement mesurable. Beaucoup d'observations permettent de le considérer comme une « réalité » , réalité relativisée pour reprendre la terminologie présentée plus haut.

Mais dans ce cas pourquoi ne pas considérer que ce vide quantique serait le même qu'un « vide » cosmologique correspondant à l'infra-cosmos évoqué plus haut, dont les fluctuations donneraient naissance à des bulles d'univers ou bébés-univers se développant ou non en univers semblables ou non aux nôtres, lesquels pourraient théoriquement apparaître à l'infini ? Dans cette hypothèse, celle d'un infra-cosmos ou vide cosmologique qui serait à la source de toutes les structures cosmologiques observées, on pourrait se demander quelle énergie provoquerait les fluctuations donnant naissance à des bulles d'univers. Supposer que le vide cosmologique serait totalement passif et inerte ne serait pas défendable. Il devrait, bien que vide, être animé d'une énergie à la source de l'émergence des bulles d'univers.

Dans ce cas, ne serait-ce pas une énergie assimilable à l'énergie du vide quantique. Plus exactement encore, le vide cosmologique et le vide quantique ne formeraient-ils pas une seule et même entité. dont les fluctuations donneraient naissance, selon qu'elles seraient « observées » ou non, à des particules quantiques ou à des particules matérielles. Tegmark a d'ailleurs, en ce qui le concerne, adopté cette hypothèse.

Dans notre univers et plus précisément sur notre Terre, les observateurs seraient des humains, c'est-à-dire des créatures biologiques ayant résulté de l'évolution du monde quantique. Mais sur d'autres astres, voire sur notre Terre elle-même, pourraient se trouver des observateurs différents de nous. Ils pourraient vraisemblablement se donner des modèles du cosmos différents du nôtre. Ainsi, si ces observateurs disposaient d'instruments observant directement les champs d'ondes électro-magnétiques ou d'ondes gravitationnelles, leur modèle de l'univers serait, au moins dans l'apparence, différent du notre. Il ressemblerait plus à nos cartes météorologiques matérialisant les isobares qu'à nos présentes cartes de l'univers visible. Les astres y seraient identifiés comme nous le faisons des dépressions et des anticyclones, sous la forme de centres d'actions aux limites imprécises.

Conclusion

Si nous retenions ce qui précède, nous pourrons proposer quelques postulats, à la suite desquels nous pourrions mieux apprécier l'ouvrage de Max Tegmark. Le lecteur en trouvera ci-dessous une liste résumée:

* Les capacités neurologiques de nos cerveaux ne nous permettent pas, même associées aux meilleurs instruments du moment, de comprendre en profondeur tous les concepts proposés par la cosmologie. Citons notamment celui d'infini ou même celui de continuum hors du temps et de l'espace. A fortiori elles ne nous permettent pas de considérer que tous les concepts inventés en abondance par les mathématiques présentent un intérêt cosmologique quelconque. Ainsi en est-il d'un des plus simples d'entre eux, celui de « racine carré de moins un » mentionné dans un article précédent.Correspondent-elles à des univers, à des multivers? Nous n'en savons rien. Il est possible que des cerveaux « augmentés » par des prothèses cognitives diverses nous donnent une meilleure compréhension des mystères. Nos successeurs le verront peut-être.

* L'univers est-il mathématique, qu'il s'agisse de mathématiques traditionnels ou de mathématiques quantiques? Là encore, nous n'en savons rien et cela n'a pas réellement d'importance. Ce qui sera de plus en plus important sera d'identifier dans le fonctionnement de l'univers des algorithmes permettant d'en construire des modèles informatiques et robotiques de plus en plus performants. Il n'est pas exclu d'envisager qu'a l'avenir ces modèles puissent nous apparaître comme comparables en complexité à ce que nous croyons avoir observé de l'univers, à condition que celui-ci ne se soit pas modifé dans l'intervalle.

* La problématique est la même, à une échelle différente, que celle intéressant la construction d'un cerveau artificiel. Si nous voulons construire des modèles conceptuels ou robotico- informatiques du monde tel que nous l'observons, il faut procéder comme le fait la bonne recherche scientifique. Autrement dit, il ne faut pas exclure d'hypothèses a-priori, même si elles ne paraissent pas vérifiables dans l'immédiat. Ces hypothèses, pour ne pas tomber dans la mythologie pure, devront évidemment être articulées à partir du corpus des connaissances du moment. Approfondir et développer scientifiquement ces connaissances fera inévitablement apparaître de nouveaux domaines vérifiables, ou falsifiables au sens donné par Popper.

* Dans ces conditions, pourquoi refuser les hypothèses concernant les multivers, qu'elles prennent la forme de celles présentées par Tegmark, ou d'autres encore non imaginables ? Nous avons rappelé plus haut que si Giordano Bruno et Galilée n'avaient pas imaginé la pluralité des mondes, nous en serions restés à la connaissance du cosmos élaborée par les pasteurs chaldéens.

Les humains ne risqueraient donc rien, aujourd'hui , à parier comme le fait Tegmark et de nombreux théoriciens, sur la pluralités des univers. Des conséquences intéressantes et utiles, inimaginables aujourd'hui, pourraient en découler. D'ores et déjà ceux qui se sont persuadés de la « réalité » des multivers ne sont-ils pas d'une certaine façon des « hommes augmentés », comparés à ceux qui se complaisent à ne rien imaginer?

Notes

* Roger Penrose http://fr.wikipedia.org/wiki/Roger_Penrose

* Cycles du temps http://fr.wikipedia.org/wiki/Roger_Penrose
Voir aussi: Commentaires http://guydoyen.fr/2010/11/20/roger-penrose-a-decouvert-des-preuves-d-un-univers-cyclique/

* La Méthode de Conceptualisation Relativisé (MCR) de MioraMugur-Schachter. http://www.automatesintelligents.com/echanges/2004/juin/mrc.html

* Seth Lloyd « Programming the Universe » http://www.automatesintelligents.com/biblionet/2006/avr/lloyd.html

* Vide quantique http://fr.wikipedia.org/wiki/Vide_quantique

* La Méthode de Conceptualisation Relativisée (MCR) de Miora Mugur-Schachter. http://www.automatesintelligents.com/echanges/2004/juin/mrc.html

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31 janvier 2014 5 31 /01 /janvier /2014 12:17

Our Mathematical Universe : My Quest for the Ultimate Nature of Reality
Max Tegmark
(20
14)

Alfred and Knopf

Présentation et discussion
par Jean-Paul Baquiast 29/01/2014

NB. Le texte ci-dessous se limite à la partie Présentation

C'est d'ailleurs grâce à de trop rares chercheurs comme lui que l'Europe a pu se donner une place remarquable dans l'observation astronomique et cosmologiste. Citons le satellite Planck de l'Agence spatiale européenne dont les résultats sont en train de confirmer les hypothèses les plus audacieuses concernant notre univers. Plutôt que s'interroger sans fin sur l'avenir de l'Europe, les responsables politiques européens devraient tout faire pour multiplier les structures permettant de faire naître et se développer de tels esprits.

Tegmark sur Wikipedia (anglais) http://en.wikipedia.org/wiki/Max_Tegmark

Introduction

Indiquons rapidement en introduction que le livre du cosmologiste Max Tegmark, écrit en anglais courant et sans équations, est parfaitement lisible. Il propose, pour un lecteur n'ayant pas d'idées claires en cosmologie et en physique quantique, compte tenu de la prolifération des articles écrits sur ces sujets, un résumé très convenable de ces deux sciences, indispensable pour comprendre le reste. Mais là n'est pas son mérite, qui est à la portée de tout vulgarisateur.

Le livre fait bien plus, d'où le succès qu'il commence à rencontrer. Il pousse aux limites, en matière de physique et de cosmologie, les hypothèses scientifiques, ceci jusqu'aux frontière de la mythologie ou, diraient certains , de la science fiction. Ce faisant, il ne s'embarrasse pas du fait que ces hypothèses ne sont pas vérifiables aujourd'hui, qu'elles pourraient même ne jamais l'être. L'essentiel pour lui est de rester dans le domaine de ce que nous pourrions appeler d'une façon vague le scientifiquement vraisemblable.

L'ouvrage et la démarche devraient, pensons nous (mais peut-être à tort), marquer de façon indélébile la façon dont les citoyens de l'actuelle "société scientifique" pensent le monde et se pensent eux-mêmes dans ce monde. Précisons que nous appelons société scientifique celle qui reconnait la valeur irremplaçable de la science expérimentale, en se distinguant ainsi des sociétés dans lesquelles des mythes essentiellement religieux imposent leur vision du monde et des humains.

Prenons un exemple. Ce serait faire de la science-fiction que décrire des voyages dans le temps réalisés par des humains d'aujourd'hui. Ce ne l'est plus d''évoquer comme une quasi certitude le fait qu'au delà des frontières de l'univers observable existent d'innombrables galaxies, soleils et planètes, certaines de ces dernières pouvant abriter de la vie. Ce ne l'est pas davantage que proposer l'existence, au delà de notre univers, d'univers différents ou proches qui se seraient formés de la même façon que probablement le nôtre, à partir de fluctuations d'une matière primordiale obéissant ou non aux lois de notre physique.

Mais quel intérêt, dira-t-on, que se livrer, même au nom de la science, à de telles spéculations, pour la plupart aujourd'hui invérifiables ? Parce qu'il s'agit du propre de l'esprit humain que procéder ainsi. Si Giordano Bruno puis Galilée n'avaient pas, ce qui était pour leur temps inimaginable, fait l'hypothèse de mondes extra terrestre, ils n'auraient pas été persécutés par l'Inquisition, mais l'astronomie n'aurait pas progressé. Il est évident que nous avons besoin aujourd'hui de l'équivalent d'esprits comme les leurs pour faire évoluer notre vision du monde, c'est-à-dire très précisément nous faire échapper aux mots d'ordre et aux ordres des pouvoirs religieux et économiques qui veulent borner nos esprits afin de mieux les dominer.

Nous nous proposons de commenter le livre en deux parties, l'une consacrée à un effort de présentation, en langage courant, des thèses de Tegmark, l'autre esquissant un début de discussion. On trouvera en note de fin de page des critiques beaucoup plus détaillées et sans doute aussi plus pertinentes que la nôtre. Merci cependant de votre attention

I. Présentation

Le livre, bien qu'il ne les sépare pas explicitement mais au contraire les lie, propose deux concepts jugés généralement relever de la philosophie la plus spéculative. Le premier est celui du multivers, selon lequel la notion d'univers multiples constitue la seule façon scientifique de se représenter notre univers et sa place dans un environnement cosmologique plus large dont il ferait partie. Le second est celui de l'univers mathématique. Tous les univers, dont le nôtre, exprimeraient des structures mathématiques fondamentales en dehors desquelles il n'y aurait pas de réalité profonde.

Pour la clarté de ce court article, nous discuterons séparément ces deux concepts encore que, répétons-le, dans l'esprit de Tegmark, il s'agit de deux approches liées de la réalité. Dans les deux cas, Tegmark n'a rien inventé. Les deux concepts remontent souvent à l'Antiquité et se sont généralisés depuis un siècle, avec l'explosion de la physique moderne. Mais ce qui est intéressant dans le livre est que l'auteur ne les présente pas comme des hypothèses à discuter et à vérifier expérimentalement. Il en fait – si l'on peut employer le terme – des certitudes auxquelles il « croit » personnellement et auxquelles il nous invite à croire, afin de les utiliser sans attendre dans les développements de la science.

Les multivers

Tegmark s'appuie dans ses propositions sur une science, ou métascience, qu'il connait bien, la cosmologie. Aux débuts de sa carrière, il avait personnellement développé divers outils permettant entre autres d'analyser et d'interpréter les observations des satellites Wilkinson puis Planck portant sur le rayonnement micro-ondes du fonds de ciel, dit fonds diffus cosmologique. Ce rayonnement, aussi étonnant que cela ait pu paraître initialement, est désormais considéré par tous les scientifiques sérieux comme le témoin, non d'un problématique Big Bang, mais de l'univers extrêmement chaud et dense tel qu'il était lorsque, de plasma impénétrable il est devenu transparent, autrement dit lorsque, grâce à l'expansion, les photons de la lumière aient pu commencer à y circuler. Le fonds diffus cosmologique fournirait donc une image de notre univers quelques 380.000 ans après sa naissance. Bien plus, il est aussi considéré par la plupart des scientifiques comme illustrant un événement initialement proposé par le physicien Alan Guth pour expliquer l'homogénéité observée de la distribution de la matière dans notre univers. Il s'agissait de l' « inflation » ou expansion très rapide du volume de l'univers (par un facteur de 1078 en un temps de 10-30
secondes)

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Vue instantanée de la première lumière, émise et imprimée sur le ciel 380 000 ans après le big bang. Les minuscules fluctuations de température correspondent aux concentrations de matière, graines d’étoiles et galaxies.
@ ESA and the Planck Collaborati
on

Longtemps refusé par les cosmologistes, ce phénomène d'inflation est désormais admis. Inutile de souligner qu'il est parfaitement invraisemblable au regard de ce que nous connaissons du monde terrestre. Il entraîne différentes conséquences qui sont scientifiquement observables et qui le rendent indispensable aux yeux de la plupart des théoriciens. Cette inflation, après s'être calmée pendant plusieurs milliards d'années, pourrait avoir repris récemment et être responsable de la nouvelle expansion de l'univers récemment observée, bien plus lente pour le moment que la première et que certains attribuent à une mystérieuse « énergie noire ». Pour Tegmark, l'inflation, sous ses différentes formes, est inséparable de la structure profonde de l'univers.

Il faut s'arrêter une seconde sur cette question de l'inflation. La cosmologie n'est pas pauvre en observations qui sont contraires au sens commun mais qui s'expliquent par les lois générales de la physique. Ainsi en est-il des trous noirs. Il n'est plus possible aujourd'hui de pratiquer une cosmologie quelque peu sérieuse sans tenir pour réels de tels phénomènes, même s'ils sont impossibles à comprendre en profondeur. Il en est désormais ainsi de l'inflation. Pour Tegmark, ce concept désigne un mécanisme qui n'est pas limité à l'histoire de notre univers, mais qui pourrait justifier l'hypothèse selon laquelle, dans un cosmos qui s'étend sans cesse, d'autres univers aient pu apparaître dont nous n'aurions pas connaissance, du fait qu'ils sont trop lointains pour que leur lumière ait pu nous parvenir. La création de notre univers et l'inflation en résultant seraient nées de fluctuations quantiques à partir du « vide quantique » Elle pourrait être éternelle. Rien de tout ceci n'est aberrant en termes de physique quantique.

Concernant le multivers, ou si l'on préfère, les multivers, Tegmark propose une taxonomie qui devrait nous permettre d'organiser le zoo des univers parallèles imaginés par les promoteurs de ces hypothèses. Ceci lui permet de concilier des approches initialement très différentes. Il faut d'abord prendre en considération un niveau I, le Multiverse. L'idée comme nous l'avons indiqué plus haut, est généralement acceptée par de nombreux cosmologistes. La rapidité de l'inflation vécue par notre univers aurait pu créer des espaces analogues à celui-ci, avec les mêmes lois fondamentales, mais sans doute plus réduits, si loin qu'aucune lumière ne peut nous en parvenir. Il s'agirait donc d'autres univers. Tegmark explique évidemment dans le livre ce en quoi consistait exactement l'inflation et par quels mécanismes elle aurait pu créer dans l'espace temps de la matière à partir de rien...ou presque. Renvoyons le lecteur à l'ouvrage pour ces développements.
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Un deuxième niveau de Multivers, niveau II, hypothèse proposée par le physicien Alexandre Vilenkin et d'autres, nous projette en dehors de notre univers et de son inflation. Il généralise à un cosmos plus étendu, peut-être infini, le concept d'inflation et même celui d'inflation éternelle. Celle-ci à son tour créerait des espaces ou univers s'éloignant du nôtre à des vitesses supérieures à celle de la lumière. Ils seraient donc radicalement inobservables, mais n'en seraient pas moins aussi réels que le nôtre. Leurs lois fondamentales pourraient être différentes des nôtres.


Vient ensuite, dans la taxonomie de Tegmark, le Niveau III de multivers. Il correspondrait à une hypothèse depuis longtemps proposée en mécanique quantique par le mathématicien Hugh Everett mais longtemps refusée, dite des mondes multiples. Selon Everett, lorsqu'un observateur observe une entité quantique et résout sa fonction d'onde, il ne réduit pas cette entité à l'une seule des dimensions qu'elle possédait initialement en superposition. L'entité conserve ses deux états, mais l'observateur est dédoublé dans un univers parallèle où il retrouve l'état de l'entité qui existait avant l'observation en superposition avec l'état qu'il a observé.

Les physiciens quantiques ont du mal à admettre cette interprétation. Elle oblige en effet à accepter l'existence d'une infinité d'univers se générant en ramifications complexes, chacune comportant un double de l'observateur initial. Si l'on admet par ailleurs que les observateurs, humains ou autres sont infinis, et qu'il se crée une branche d'univers à chacune de leurs observations, l'on se retrouve dans une situation que certains n'hésitent pas à qualifier de complet délire, un nombre effectivement infini d'univers et d'observateurs dédoublés. Pour notre part, nous pensons que cette solution est une solution de facilité, évitant de rechercher d'autres interprétations plus « réalistes » à la question de la résolution de la fonction d'onde .

Les univers mathématiques

Dans la suite de sa taxonomie des multivers, Tegmark aborde avec ce qu'il nomme le Niveau IV de Multivers une approche assez différente, bien qu'il ne semble pas s'en apercevoir. Il s'agit en fait de traiter la question de savoir si comme l'indique le titre de l'ouvrage, l'univers est mathématique. Il insère cette question, examinée depuis l'antiquité par de nombreux penseurs, dans la suite de son recensement des multivers, mais la question peut déjà être évoquée à propos de notre seul univers.

Il s'efforce de démontrer que la réalité n'est pas seulement descriptible en termes mathématiques – ce que personne ne conteste, du moins en principe. Il affirme que la réalité est mathématique et n'est pas autre chose. Encore faut-il s'entendre sur ce que comprend ce terme de réalité.

Echiquier. Les relations entre les pièces peuvent ne pas s'inscrire dans un plan


Pour cela, il est conduit à déshabiller le concept de mathématiques de toutes les fioritures qui l'accompagnent, pour en venir à son essence. Il prend l'exemple de la position des pièces sur un échiquier. Ce qui définit cette position dans le langage des échecs n'est pas la nature physique des pièces ou de l'échiquier, ni même la nature de l'image par laquelle elles sont représentées. C'est la relation mathématique entre ces pièces et l'échiquier. Elle peut être exprimée par un ensemble de symboles, mais plus abstraitement encore, dans le langage numérique, par des suites de zéro et de un. C'est d'ailleurs de cette façon que les ordinateurs jouent aux échecs. Mais même au niveau de l'ordinateur, ces suites de nombres binaires sont encore trop précises pour permettre de visualiser les relations entre les pièces et l'échiquier. Il faut en venir, si l'on peut dire, à l'essence de ces relations, en la dépouillant de toutes les formes permettant de les visualiser. Cette essence est mathématique.

Résumons ici l'essentiel de sa démarche. Il constate que depuis l'antiquité, les observateurs se sont toujours étonnés de voir les mathématiques si bien décrire le monde physique. C'est la question que s'était posée, en 1960, le physicien Eugène Wigner dans un célèbre article : " La déraisonnable efficacité des mathématiques "... Il posait le problème, mais ne l'expliquait pas en profondeur. Tegmark poursa part remarque que, depuis la préhistoire, les physiciens n'ont pas cessé de découvrir dans la nature des formes, des patterns et des régularités qui peuvent être décrites par des équations mathématiques.

Par ailleurs le tissu même de la réalité physique contient des douzaines de nombres pures à partir desquelles toutes les constantes observées peuvent en principe être calculées. Certaines entités physiques tel que l'espace vide, les particules élémentaires ou la fonction d'onde, semblent purement mathématiques, en ce sens que leurs propriétés intrinsèques sont des propriétés mathématiques. Il en déduit la possibilité de formuler ce qu'il nomme l'Hypothèse d'une Réalité Extérieure physique complètement indépendante des humains. En utilisant une définition assez large des mathématiques, cette première hypothèse en implique une autre, l'Hypothèse de l'Univers mathématique selon laquelle notre monde physique serait une structure mathématique. Ceci signifie que ce monde physique n'est pas seulement descriptible par les mathématiques mais qu'il est mathématique. Les humains seraient dans ce cas des composantes conscientes d'un gigantesque objet mathématique.

Une structure mathématique est un ensemble abstrait d'entités reliées entre elles par des « relations ». Elle n'a pas de propriétés autres que ces relations. Par contre, elle peut avoir à l'intérieur de cet ensemble des caractéristiques intéressantes, telles que des symétries. Mais ces entités et ces relations n'ont pas de propriétés intrinsèques. Il en résulte que la nature ne peut pas être expliquée en recherchant jusqu'à l'infini les propriétés de ses composantes ultimes, maisseulement les relations entre ces composantes.

Ainsi, pour Tegmark, le monde physique est un objet mathématique que nous identifions et construisons petit à petit. Nos théories physiques sont des approximations réussies, car les structures mathématiques qu'elles utilisent sont de bonnes approximations de structures mathématiques complexes. Dans ce cas, l'efficacité des mathématiques n'est plus mystérieuse : les objets mathématiques que nous employons pour comprendre le comportement de l'Univers deviennent de plus en plus efficaces parce qu'ils sont de plus en plus proches de ce que l'Univers est vraiment. Tegmark nomme cette approche le réalisme structurel, qui s'oppose au non-réalisme selon lequel la réalité n'existe que dans l'esprit de l'observateur, et au réalisme naïf (ou des essences) selon lequel il a de tous temps existé un réel que l'homme peut décrire par différents moyens d'observation.

Or, pour en revenir aux multivers, le réalisme structurel nous conduit directement au multivers de Niveau IV. Tegmark croit pouvoir postuler que les mathématiques de notre univers ne constituent qu'une structure mathématique parmi une infinité d'autres structures concevables, celles correspondant notamment (mais pas exclusivement) aux mathématiques inventées par les mathématiciens théoriciens dans un travail de découverte ou de construction qui ne cesse de s'étendre. Or si notre structure mathématique d'ensemble constitue un univers, le nôtre, pourquoi les autres structures ne correspondraient-elles pas à d'autres univers ? Tegmark peut alors faire l'hypothèse que toutes les structures mathématiques imaginables existent physiquement sous la forme d'univers parallèles, constituant le Multivers de Niveau IV évoqué ci dessus.

Au delà du cas simple d'un échiquier, mentionné ci-dessus, Tegmark donne l'exemple des structures mathématiques correspondant à ce que la physique appelle l'espace, les particules élémentaires ou la fonction d'onde. Existe-t-il de telles entités dans la nature, susceptibles d'être identifiées et observées comme une table ou des chaises, ou même comme un échiquier. Certainement pas. Il s'agit seulement de relations mathématiques entre éléments de la nature. On ne peut pas visualiser l'espace, qu'il s'agisse de l'espace euclidien, de Minkowski ou de Hilbert. Pourtant la définition mathématique de tels espaces est inséparable de notre univers quotidien, sous ses divers aspects, univers newtonien, univers einsténien ou univers quantique.

De même, il n'est pas possible de visualiser des particules élémentaires, quelles que soient leurs noms, contrairement ce que pense le grand public. Il n'existe que des relations mathématiques entre éléments microscopiques de la nature. Ainsi personne ne verra jamais, enfermé dans une éprouvette, le fameux boson de Higgs. Si ces relations étaient différentes, l'univers tel que nous le connaissons serait différent. Enfin la fonction d'onde, bien que plus abstraite, ne peut pas davantage être visualisée. Certains théoriciens se sont demandés si elle ne vivait pas comme un être autonome, quasiment observable, au sein d'espaces de Hilbert. La réponse est évidemment négative. Cependant les relations mathématiques entre les éléments visés par la fonction d'onde sont indispensables à la définition de tous les objets microscopiques et macroscopiques qui caractérisent notre univers.

Nous avons cité dans un article précédent un chercheur qui se demande s'il pourrait exister un univers dans lequel les structures mathématiques permettraient l ' « existence » de la racine carrée de – 1, qui n'est pas possible dans notre univers. Il a répondu par l'affirmative. Un tel univers doit certainement exister quelque part et il serait très différent sans doute du nôtre. (Voir notre article « l'univers est-il mathématique ? » ). Se serait-il inspiré de Tegmark - ou l'inverse ?

Les humains conscients sont des structures mathématiques

Cette question est inévitable dans la compréhension du caractère mathématique de l'univers. Ici comme dans les autres domaines de la science, et notamment de la physique quantique, il s'établit nécessairement un lien entre l'observateur, les instruments qu'il utilise et l'entité observée. Beaucoup de cosmologistes l'oublient. Ils discutent du cosmos en paraissant ne pas tenir compte du fait que ce sont, non seulement leurs observatoires, mais leurs cerveaux qui reçoivent et traitent les informations recueillies par l'observation. Nous reviendrons sur cette question dans la deuxième partie de notre présentation. Tegmark ne cherche pas à éviter la question. Pour cela il se place dans l'univers mathématique qui est celui des êtres vivants et notamment des humains, c'est-à-dire l'espace à quatre dimensions ; trois dimensions de plan et une de temps. Cet espace, continuellement utilisé, reste cependant difficile à représenter, non seulement sur un plan, mais au niveau de notre imagination.

Tegmark le fait (renvoyons le lecteur au livre). Disons ici que pour cela il dessine un univers fait des couches superposées des trois dimensions du plan. C'est l'empilement de ces couches qui marquent le temps. Pour connaître l'état de l'univers au temps t, il suffit d'extraire l'une de ces couches afin d'observer son contenu. Ceci peut être fait, que ce soit vers le haut ou vers le bas, autrement dit vers le futur ou vers le passé. Il en tire la conclusion que le temps n'existe pas d'une façon absolue, mais découle des relations s'organisant entre les entités peuplant cet espace. On notera que cette conception est à l'opposé de celle de nombreux chercheurs (notamment Lee Smolin) pour qui ce n'est pas l'espace qui constitue si l'on peut dire la réalité première du cosmos, mais le temps.

Dans un tel espace-temps, il est possible de construire les trajectoires que décrivent les entités vivantes au sein dudit l'espace temps. Ceci concerne évidemment aussi les humains et leur cerveau, produisant des faits de conscience. Toujours dans la perspective de déshabiller les structures mathématiques de tous les « détails » empêchant de se les représenter (rappelons l'image du jeu d'échec précédemment évoquée), il propose de considérer les humains conscients comme constitués de particules élémentaires évoluant d'une façon coordonnée dans l'espace-temps. Analyser leurs trajectoires et éventuellement les reconstruire permet de simuler un être conscient.

Biologistes et neurologues critiqueront le « réductionnisme » d'une telle approche, l''essentiel de leurs sciences visant au contraire à démonter que les cellules vivantes, et a fortiori les organismes et les cerveaux, ne peuvent être ramenés au jeu des cellules ou des atomes qui les composent.
Mais pour Tegmark le propre des structures mathématiques est de pouvoir s'organiser dans l'espace temps en ce qu'il appelle des tresses. Il propose d'ailleurs des constructions graphiques montrant qu'à la naissance d'un être vivant, les trajectoires des atomes dont il est fait s'organisent en tresses qui se dénouent à sa mort. Ceci ne fait pas nécessairement appel à la notion de temps, puisque pour chacune des tranches superposées constituant l'espace-temps, il est possible de calculer ce en quoi consiste la structure mathématique résultant de l'association des différentes structures élémentaires composant cet être vivant.

Il est évident que si l'on généralise cette façon de voir les choses à l'ensemble de l'univers, voire à l'ensemble du multivers, en acceptant de les considérer comme des tresses de structures mathématiques correspondant à leurs différents éléments, il devrait être possible d'obtenir une formule mathématique (éventuellement simple) permettant de représenter l'ensemble, voire le manipuler . C'est l'ambition, comme le rappelle l'auteur, des physiciens théoriciens qui s'efforcent d'établir une « Théorie du Tout » dite parfois M. Théorie. L'enjeu est considérable, certains diront même qu'il est hors de portée de la science. Mais il serait sans doute cependant plus facile à atteindre qu'identifier des univers à jamais inobservables de façon scientifique.

Quoiqu'il en soit, ces considérations, dans l'esprit de Tegmark, bouclent la boucle de la démarche consistant à postuler, non seulement que le cosmos est descriptible par les mathématiques, mais qu'il est fondamentalement mathématique, y compris les humains qui en discutent.
Inutile de dire que les thèses ou hypothèses évoquées par le livre ont fait depuis longtemps, avant même Tegmark, l'objet d'intenses discussions dans la communauté scientifique. Pour ce qui le concerne ; Tegmark est même considéré par certains, non comme un imposteur, mais plutôt pour une sorte de fousympathique mais quelque peu délirant.

Sans procéder pour notre part à de telles discussions et jugements, ce qui dépasserait nos capacités, nous allons dans la seconde partie de cette présentation évoquer quelques unes des questions non résolues ou insuffisamment approfondies que le livre selon nous devrait conduire tout lecteur quelque peu informé de l'état actuel de la science à se poser.

2. Commentaires

( à suivre )

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25 janvier 2014 6 25 /01 /janvier /2014 10:07

Dans un livre récent, que nous discuterons prochainement, « Our Mathematical Universe. My quest for the ultimate nature of reality » le cosmologiste Max Tegman développe l'hypothèse selon laquelle l'univers profond ne consiste pas en ce que nous percevons comme des réalités, soit qu'il s'agisse seulement de réalités sensibles, soit qu'il s'agisse de réalités descriptibles par les mathématiques. Il serait, en fait, intrinsèquement mathématique. De plus, selon Tegman, les structures mathématiques permettant de décrire notre univers ne correspondraient qu'à l'une des innombrables structures mathématiques encore à découvrir formant la nature profonde de la réalité.

Ainsi, à toutes ces structures, connues ou inconnues de nous, pourraient être associés (Tegman n'emploie pas le conditionnel) des univers différents. Différentes structures mathématiques devraient exister simultanément, sous la forme des univers parallèles ou du multivers. Beaucoup de cosmologistes font aujourd'hui l'hypothèse, sans pouvoir aujourd'hui la prouver, que ces univers parallèles existent au même titre que notre univers, correspondant lui-même à nos mathématiques – ou à une partie de nos mathématiques.

Il est possible de retenir cette approche afin d'expliquer le fait que deux structures mathématiques différentes, bien connues et pratiquées aujourd'hui, soient utilisées pour décrire le monde ou plutôt deux mondes tels que nous les percevons. Les structures mathématiques classiques, ou disons plus simplifier newtoniennes, s'appliquent correctement au monde de la physique et de la cosmologie dites macroscopiques. Les structures des mathématiques quantiques, longtemps ignorées par l'humanité mais se découvrant progressivement, permettent de comprendre les caractéristiques moins bien connues mais aujourd'hui indiscutables du monde quantique tel que nous l'observons: la superposition d'état, la non-localité, la non temporalité, etc. Cette approche radicalement différente ne surprend plus aujourd'hui personne, dans la mesure où il semble admis que le monde macroscopique n'est qu'une forme parmi les nombreuses autres formes que peut prendre le monde quantique, qui serait le monde fondamental à l'origine de tout. De la même façon, les mathématiques newtonienne ne seraient qu'une des formes susceptibles d'être prise par des structures mathématiques plus générales bien représentées par les mathématiques quantiques.

Mais est-ce bien le cas? Il est possible d'admettre au contraire qu'il y aurait déjà deux univers coexistant en parallèle, celui du monde macroscopique et celui du monde quantique, correspondant à deux mathématiques coexistant elles-mêmes en parallèle, les mathématiques newtoniennes et les mathématiques quantiques. Ces univers, d'une part, ces mathématiques d'autre part, semblent présenter un certain nombre d'analogies permettant à la science moderne d'établir des ponts entre elles. Mais selon certains théoriciens, ces analogies ne seraient qu'une approximation, cachant le fait qu'elles proviennent de deux univers parallèles. Plutôt que chercher à réduire les différences entre ces deux univers, afin de satisfaire le mythe selon lequel l'univers est un, ne faudrait-il pas au contraire approfondir leurs différences, afin, non de démontrer déjà la réalité du multivers, mais de démontrer dans un premier temps la réalité de deux univers parallèles. Ce faisant, notre cerveau biologique, dont la plasticité est grande, pourrait peut-être s'habituer à rechercher dans la réalité profondes des superpositions analogues entre structures mathématiques différentes

La racine carrée de – 1

On dira que ce qui précède relève de supputations. Or les travaux récents du physicien théoricien Bill Wootters (photo) du Williams College à Williamstown, Massachusetts 1), pourraient justifier non seulement l'intérêt mais la nécessité d'une telle approche. On lira à ce sujet un article fort éclairant de Matthew Chalmers dans le Newscientist du 23 janvier 2014 dont nous nous sommes en partie inspirés From i to u: Searching for the quantum master bit. Wooters n'envisage pas comme Tegman l'ensemble des mathématiques correspondant à un éventuel multivers. Il se limite, mais c'est déjà beaucoup, à celles reposant sur un concept mathématique n'ayant pas de correspondance dans la réalité « newtonienne » évoquée plus haut, celle de la racine carrée 2) de – 1 (moins un). 3)

Dans les mathématiques ordinaires, celles qui sont nécessaires au traitement des objets sensibles, - 1 n'a pas de racine carré, puisque toute multiplication de – 1 par – 1 donne 1. Cependant les physiciens utilisent constamment la racine carrée de – 1, représentée par le symbole i. Ceci en algèbre, mais aussi aussi en géométrie dans certaines formes de trigonométrie, ou en physique pour décrire les rotations et les oscillations. Les électriciens l'emploient pour concevoir des courants alternatifs ou décrire les ondes lumineuses ou sonores. Il est donc possible de supposer que i corresponde en quelque sorte à une réalité profonde de l'univers.

Bien que ne s'agissant pas d'un nombre ordinaire permettant de traiter les objets sensibles, i est l'un des fondement de la physique, tant macroscopique, comme nous venons de le voir, que quantique. Que serait alors son statut? S'agirait-il d'une commodité mathématique, ne correspondant à rien de précis dans l'univers? Ne se rattacherait-il pas au contraire à un univers différent du nôtre, faisant la liaison ou se superposant entre deux mondes, le monde macroscopique et le monde quantique? Bill Wooters formule cette dernière hypothèse. Selon lui, i, la racine carrée de – 1, renverrait à une entité non encore décrite, un « bit » d'information universel qui interagirait avec tout ce qui existe dans la réalité, lui conférant selon les cas un comportement quantique ou non.. Il l'a nommé u.bit, par extension du concept de q.bit lequel correspond à un élément d'information quantique.

Pour le montrer, Wooters insiste sur le fait que le u.bit ne serait pas seulement un outil commode pour décrire comme nous l'avons vu certains aspects de l'univers macroscopique. Il serait un outil fondamental pour la description de l'univers quantique, . En physique quantique en effet, il est admis depuis maintenant un siècle que les particules microscopiques, électrons ou photons par exemple, sont à la fois des ondes et des corpuscules. Elles ne peuvent donc pas être simulées par les mathématiques que nous avons appelées newtoniennes, leur assignant avec précision des positions et des impulsions. Il faut faire appel à la fonction d'onde. Celle-ci décrit , à partir d'une série de nombres « complexes » 3), tous les états possibles d'une particule isolée. Mais alors que les mathématiques classiques permettent facilement de décrire une onde, elles ne disposent pas des outils permettant de décrire l'interaction entre une onde et une particule.

Ceci étant, il est admis depuis les débuts de la mécanique quantique que la fonction d'onde ne peut décrire exactement la réalité correspondant à une particule isolée. Celle-ci n'apparait que lorsque la fonction d'onde est « réduite », par exemple du fait de l'intervention d'un observateur, mais dans ce cas, la description est tronquée, faisant apparaître soit la position soit l'impulsion de cette particule, mais non les deux simultanément. Or, mathématiquement, pour Wooters, l'opération consistant à comparer une prédiction quantique prenant la forme d'une fonction d'onde avec la réalité correspond à une opération analogue, celle consistant à réaliser la multiplication de la fonction d'onde par elle-même, c'est-à-dire réaliser sa mise au carré. Ceci fait disparaitre tous les i et fournit une probabilité exprimée par un nombre réel.

S'il existe dans un cas particulier plusieurs façon d'obtenir une probabilité pour une position donnée de la particule, il faut pour les obtenir ajouter tous les nombres complexes représentant ces différentes façons et en faire le carré. Ce n'est pas ce qui se pratique dans le monde réel, avait depuis longtemps observé Wooters. Dans ce monde, la probabilité d'obtenir un 10 à partir d'un jet de deux dés est de 3/36, puisqu'il y a 3 façons d'obtenir un 10 à partir de 36 résultats possibles. On ajoute les probabilités, au lieu de les ajouter et ensuite d'en prendre le carré.

L'intervention de nombres complexes accroit la difficulté. Les nombres complexes (3) comportent des parties réelles et d'autres imaginaires, alors que les probabilités intéressant la réalité observable sont seulement réelles. Ceci implique, précise Wooters, qu'une partie de l'information mémorisée par les nombres complexes se perd lorsque l'on en fait le carré. Autrement dit, un certain lien entre le passé et le future disparaît. Il n'est plus possible de prédire le futur d'un objet, à partir d'informations exactes sur son passé, comme on peut le faire dans le monde réel. Remplacer les racines carrés « complexes » par des racines carrés « réelles » pourrait éviter cette perte troublante d'information. Les racines carrés « réelles » deviendraient des objets compréhensibles et non extraordinaires, la nature démontrant alors son intérêt pour l'établissement d'un lien fort entre le passé et le futur.
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Des bases matérielles macroscopiques pour la mécanique quantique

Dans la recherche, qui n'a jamais cessé, des bases matérielles macroscopiques hypothétiques de la mécanique quantique, le physicien suisse Ernst Stueckelberg avait proposé vers 1960 de reformuler cette dernière en n'utilisant que des nombres réels. Mais quant il avait voulu exprimer de cette façon le fondamental principe d'incertitude, il s'était aperçu qu'il ne pouvait définir avec suffisamment de précision la position d'une particule associée à son impulsion.

Pendant plusieurs années, Wootters avait abandonné l'approfondissement de cette question pour d'autres questions importantes intéressant notamment la théorie quantique de l'information. Puis il l'a reprise en 2009 à l'occasion d'un séminaire donné à Vienne et concernant ses travaux sur cette dernière (4). Que pouvait être le rôle de i,c'est-à-dire rappelons-le, de la racine carré de -1, dans les développements de la théorie quantique de l'information? En 2012 5), avec ses étudiants, il a proposé de remplacer les traditionnels q.bits utilisés par la théorie quantique classique de l'information pour obtenir des versions probabilistes du simple bit traité depuis par des décennies par les ordinateurs ordinaires. Pour ce faire, il a proposer de remplacer les q.bits par des nombres réels équivalents, en retrouvant les relations d'incertitudes de la mécanique quantique classique, mais ceci sans faire appel à i.

Mais ce faisant,Wootters s'est posé un problème d'ampleur, quasiment philosophique. Existait-il dans la réalité une entité physique réelle correspondant au rôle joué par i dans ses équations. Il a répondu par l'affirmative et nommé cette entité U.bit. Il s'agirait alors d'une sorte de nouvelle entité indéfinissable dans les termes de la physique, qu'elle soit macroscopique ou quantique, et interagissant avec tout ce qui existe dans l'univers. Mathématiquement, ce serait un vecteur dans un espace réel à 2 dimensions. Physiquement, en s'intriquant avec tout ce qui existe dans l'univers, cette entité pourrait remplacer chacun des nombres complexes de la théorie quantique. De plus, selon la description mathématique qu'en donne Wooters, elle devrait, quelque soit sa nature réelle, être affectée d'une rotation rapide.

Cette sorte de « monstre » pourrait avoir divers effets inattendus, traduisant son existence d'une façon indirecte. Dont celle de provoquer la décohérence d'une particule quantique isolée. Dans ce cas, il faudrait dire adieu aux perspectives proposées par les développeurs d'ordinateurs quantiques, reposant sur la mise en oeuvre de centaines voire de milliers de q.bits. Mais pourquoi, dira-t-on, ne rencontre-t-on pas déjà cette difficulté dans les calculateurs quantiques existants? Ce pourrait être le cas précisément, mais d'une façon cryptée. Si l'u.bit n'exerçait qu'une action très faible, celle-ci serait longue à se manifester dans nos échelles de temps.

Beaucoup de physiciens restent sceptiques. De toutes façons, disent-ils, pour se convaincre de la réalité d'une forme nouvelle telle que l' u.bit associant l'univers macroscopique avec l'univers quantique, il faudrait l'observer, directement ou indirectement, comme ce fut fait du boson de Higgs grâce au LHC.

La trace d'univers parallèles

Quoiqu'il en soit, si nous nous éloignons des points de vue que peut avoir Wooters et ceux qui le suivent sur cette question, nous voudrions faire pour notre compte quelques réflexions. On pourrait voir dans les recherches de Wooters une sorte de réactivation de l'hypothèse des variables cachées, Celle-ci est supposées permettre d'expliquer les phénomènes les plus étranges de la physique quantique, tels précisément l'intrication, en termes relevant de la physique macroscopique, à supposer que des variables correspondantes soient mises en évidence. Un certain nombre de physiciens n'ont pas renoncé à les identifier.

On pourrait également proposer que l'u.bit soit la manifestation physique d'un univers mathématique associant les propriétés du nôtre et celles du monde quantique. Et qu'en serait-il alors des autres nombres incalculables, tel que l'infini? En ce cas, si notre univers était fondamentalement mathématique et s'il existait plusieurs univers parallèles également mathématiques, on pourrait supposer que ces univers, au lieu de rester étrangers les uns aux autres, puissent générer des entités mathématiques communes inattendues (monstrueuses) pouvant prendre des formes matérielles, c'est-dire éventuellement observables mais non calculables, dans chacun de ces univers.

D'ores et déjà les nombres complexes servent à expliquer les transitions entre divers états de la matière au sein de notre univers physique. Pourquoi ne joueraient -ils pas – que ce soit eux ou de nouvelles structures mathématiques comparables - le même rôle entre notre univers et d'autres univers dont les structures mathématiques seraient à découvrir. Si de telles mathématiques encore inconnues pouvaient générer des transitions matérielles communes à eux et à notre univers, nous pourrions avec un peu d'attention les mettre en évidence. D'ores et déjà, elles existeraient peut-être « sous notre nez », si l'on peut dire, comme existe la racine carré de – 1. Mais nous ne les aurions pas encore découvertes, ou bien nous ne soupçonnerions pas leur universalité ubiquitaire au sein d'un éventuel multivers. Nous les rangerions parmi les fantaisies, sinon les fantasmes, de mathématiciens théoriciens à l'imagination débordante.

Un problème à traiter, dans la suite de ces considérations, serait celui de la nature du cerveau, notamment du cerveau humain, et notamment de celui desdits mathématiciens. L'évolution n'en a-t-elle fait qu'un instrument inutilement complexe servant initialement à découvrir des prédateurs dans la brousse africaine? Pourquoi dans ce cas seraient-ils capables de concevoir des structures mathématiques, soit réelles, soit imaginaires, ressenties comme platoniciennes, et correspondant à des univers eux-mêmes soit réels soit imaginaires? Existerait-il, comme le soupçonne Roger Penrose et de plus en plus avec lui d'autres théoriciens de la biologie quantique, des connexions qui se découvriraient progressivement entre nos cerveaux (Penrose préfère utiliser le terme de conscience) et l' « ultime nature de la réalité » qui, selon les termes de Max Tegmann évoqués en introduction, serait mathématique. Dans ce cas, la question que nous posions en titre « L'univers est-il mathématique? Et de quelles mathématiques s'agit-il ? » pourrait commencer à trouver des débuts de réponse.

Notes

1) William Wootters http://en.wikipedia.org/wiki/William_Wootters

2) Sur la racine carré en général, voir http://fr.wikipedia.org/wiki/Racine_carr%C3%A9e
La racine carrée d’un nombre réel positif x est le nombre positif qui, lorsqu'il est multiplié par lui-même, donne x, c'est-à-dire le nombre positif dont le carré vaut x. Un nombre réel est un nombre qui peut être représenté par une partie entière et une liste finie ou infinie de décimales. Cette définition s'applique donc aux nombres rationnels, dont les décimales se répètent de façon périodique à partir d'un certain rang, mais aussi à d'autres nombres dits irrationnels, tels la racine carrée de 2, p et e. Selon cette définition -1 n'étant pas un nombre positif n'a pas de racine carrée.

3) Sur la racine carrée de -1, voir un petit article de vulgarisation en français http://www.maths-et-tiques.fr/index.php/histoire-des-maths/nombres/le-nombre-i

4) Sur les nombres complexes voir http://fr.wikipedia.org/wiki/Nombre_complexe

5) Voir ArXiv Real-Vector-Space Quantum Theory with a Universal Quantum Bit http://arxiv.org/abs/1210.4535

6) Voir ArXiv .Optimal Information Transfer and Real-Vector-Space Quantum Theory http://arxiv.org/abs/1301.2018

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19 janvier 2014 7 19 /01 /janvier /2014 17:21

Phénomènes quantiques dans les organismes vivants
Jean-Paul Baquiast 19/01/2014

Microtubules reconnues par des anticorps anti-tubuline fluorescents (verts) dans une cellule eucaryote

Nous avons plusieurs fois mentionné sur ce site les hypothèses selon lesquels des mécanismes fondamentaux du monde vivant ne se produiraient pas sans l'intervention de phénomènes quantiques. Ceux-ci, par leurs propriétés fondamentales (superposition d'état, non localité notamment) rempliraient dans le vivant des rôles essentiels, que les atomes et molécules du monde dit macroscopique ne pourraient pas assurer. On a souvent dit que le milieubiologique, chaud et humide, ne pouvait permettre aux particules quantiques de conserver leur « cohérence » c'est-à-dire de ne pas devenir des particules comme les autres au contact de la matière ordinaire. Mais un nombre croissant d'expériences confirment qu'il n'en est rien. La biologie quantique paraît une réalité dont aujourd'hui encore on n'étudierait qu'un nombre limité d'exemples.

Deux série d'expériences, ayant fait l'objet de publications, illustre cette constatation. Elles ne concernent pas des phénomènes nouveaux, car les domaines en cause avaient été évoqués depuis quelques années. Il s'agit de la fonction chlorophyllienne dans les cellules végétales et des vibrations se produisant à l'intérieur des microtubules des neurones cervicaux, susceptible de jouer un rôle dans la production de la conscience. Ce sont les mécanismes quantiques supposés les produire qui se précisent aujourd'hui.

La fonction chlorophyllienne

Les processus grâce auxquels les cellules végétales recueillent et utilisent la lumière afin de fabriquer les molécules de la chimie organique dont elles ont besoin semblent n'avoir pas d'équivalents dans la physique classique. Les macromolécules qui jouent ce rôle sont composées de chromophores (responsables de la couleur verte) attachés aux protéines de la cellule et constituant le premier stade de la photosynthèse. Elles capturent les photons de la lumière solaire et transfèrent l'énergie associée vers le reste de la cellule.

Aujourd'hui des chercheurs de l'University Collège London pensent avoir identifié des processus quantiques assurant l'efficacité de cette fonction, dont il n'existerait pas d'équivalents dans la physique classique. Selon leurs observations, les vibrations des chromophores responsables du transfert d'énergie ne pourraient pas se produire classiquement. Leur efficacité dépendrait de mécanismes quantiques.
Les vibrations moléculaires résultent de mouvements périodiques des atomes dans une molécule. Quand deux chromophores vibrent à l'unisson, une résonance apparaît et des échanges efficaces d'énergie peuvent se produire. Dans certaines conditions que nous ne décrirons pas ici, des unités discrètes d'énergie, autrement dit des unités quantiques, sont échangées. Ceci en un très court temps (inférieur à la pico-seconde) et à température ambiante.

Mais ne s'agit-il pas de processus de la physique classique? . Les chercheurs montrent qu'il n'en est rien. En physique classique les probabilités de trouver les chromophores dans certaines positions et impulsions seraient positives, autrement dit il serait possible de prévoir ces positions et impulsions. Or l'expérience montre que ceci n'est pas possible. Les chromophores ne peuvent être identifiés en position et impulsion que d'une façon probabiliste, autrement dit collective, ce qui rend impossibles les prédictions individuelles. Il s'agit donc bien d'un mécanisme quantique, correspondant à l'échange cohérent d'un quantum d'énergie. Une superposition d'états quantiques, non prédictible en physique classique, s'établit entre excitations et transfert de charge à l'intérieur du chromophore.

D'autres processus quantiques proches ont été identifiés. Nous nous bornerons à les évoquer. Il s'agit des changements structurels qu'enregistrent les chromophores associés à la vision lors de l'absorption de photons ou de la reconnaissance d'une protéine par une autre lors de l'olfaction. Pour explorer plus en profondeur ces phénomènes indispensables au fonctionnement des organismes supérieurs, il faudrait examiner les dynamiques vibratoires associées. Elles constituent clairement, selon les chercheurs, des phénomène non-classique, c'est-à-dire relevant de la physique quantique. Les théories proposées sont très complexes et ne peuvent être présentées et moins encore discutées ici. On se bornera à retenir la conclusion générale qui s'en dégage: les organismes biologiques trouvent leurs origines dans la physique quantique. Ceci pourrait contribuer à l'idée que la vie serait universelle dans l'univers, car cette physique n'est pas associée nécessairement aux conditions observées sur la Terre par des organismes comme les nôtres, qui se sont développées en exploitant les propriétés déterministes de la physique macroscopique. Elle pourrait dominer dans d'autres planètes.

Résumé de l'article publié par Nature Communications

Advancing the debate on quantum effects in light-initiated reactions in biology requires clear identification of non-classical features that these processes can exhibit and utilize. Here we show that in prototype dimers present in a variety of photosynthetic antennae, efficient vibration-assisted energy transfer in the sub-picosecond timescale and at room temperature can manifest and benefit from non-classical fluctuations of collective pigment motions. Non-classicality of initially thermalized vibrations is induced via coherent exciton–vibration interactions and is unambiguously indicated by negativities in the phase–space quasi-probability distribution of the effective collective mode coupled to the electronic dynamics. These quantum effects can be prompted upon incoherent input of excitation. Our results therefore suggest that investigation of the non-classical properties of vibrational motions assisting excitation and charge transport, photoreception and chemical sensing processes could be a touchstone for revealing a role for non-trivial quantum phenomena in bi
ology.

Reference:
Edward J. O’Reilly, Alexandra Olaya-Castro, Non-classicality of the molecular vibrations assisting exciton energy transfer at room temperature, Nature Communications, 2014, DOI: 10.1038/ncomms4012 (open access)

Le rôle dans la production de la conscience des phénomènes quantiques supposés s'exercer au niveau des microtubules neuronales

Stuart Hameroff et (Sir) Roger Penrose avaient présenté il y a une vingtaine d'années l'hypothèse selon laquelle la production des faits de conscience, dont la nature et l'origine demeurent largement encore inconnues, dérivaient d'activités se produisant aux niveaux profonds des neurones cervicaux. Seraient impliqués les microtubules. Celles-ci sont des fibres constitutives du cytosquelette ou « squelette des cellules » au même titre que d'autres filaments.

Or, dans la ligne de la découverte des vibrations quantiques dans les chromophores (dont sont évidemment dépourvus les neurones), des chercheurs japonais suivis par d'autres ont conclu que des phénomènes voisins se produisaient au niveau des microtubules neuronales. Ainsi se trouverait confortée l'hypothèse initiale de Hameroff et Penrose. Celle-ci était demeurée très contestée – d'autant plus que l'anesthésiologiste Stuart Hameroff s'était engagé ensuite dans des considérations considérées comme douteuses sur la vie après la mort.

Les auteurs de l'article référencé ci-dessous suggèrent que les ondes du cerveau identifiées depuis longtemps par les technique d'électro-encéphalographie dérivent de vibrations profondes au niveau des microtubules. L'origine de ces ondes était restée jusqu'ici non élucidée. Hameroff et Penrose avaient à l'époque suggérée que des phénomènes vibratoires au sein des tubulines modifiaient les réactions du neurone ainsi que celles des synapses. Ils participaient de ce fait à un grand nombre d'activités neurologiques, dont celles relatives à ce que l'on nomme la conscience chez l'homme et les animaux supérieurs. Mais Hameroff et Penrose n'avaient pu le prouver.

Roger Penrose vient, avec d'autres collègues, de reprendre ses hypothèses initiales à la lumière des phénomènes vibratoires quantiques mentionnés dans la première partie de cet article et se produisant dans diverses cellules, végétales et animales. D'autres chercheurs, dans le même esprit, suggèrent que l'anesthésie, qui fait disparaître la conscience, sans paralyser le reste des activité cérébrales, modifie également l'activité des microtubules.

Dès que l'on parle conscience, les esprits spiritualistes et religieux s'agitent, notamment aux Etats-Unis. La conscience ne serait-elle pas un don conféré par Dieu aux humains. Au contraire, selon l'hypothèse matérialiste, elle aurait émergé progressivement dans les cerveaux du fait de computations se complexifiant progressivement au fil de l'évolution. Pour Hameroff et Penrose, aujourd'hui, il parait clair que des vibrations quantiques dans les microtubules interviennent directement dans les fonctions neuronales et synaptiques. Elles connectent ainsi le cerveau aux processus auto-organisateurs pré-conscients qui constitueraient en profondeur la réalité quantique.

Les théistes pourront toujours suggérer, comme habituellement dans ces matières, que c'est en fait Dieu et non l'évolution qui a mis au point chez l'homme les processus générateurs de la conscience. Mais les scientifiques éviteront ces incursions métaphysiques. Ils ont devant eux suffisamment de travail pour étudier en finesse ce en quoi consistent effectivement les vibrations quantiques au sein des cellules. Il leur faut dorénavant montrer en effet qu'il ne s'agit pas d'une explication facile analogue – puisque nous avons évoqué l'anesthésie – à la " vertu dormitive" de l'opium ” .

Penrose, Hameroff et Bandyopadhyay ont exploré leurs hypothèses lors d'une session intitulée “Microtubules and the Big Consciousness Debate” lors d'un colloque de 3 jours organisé à Amesterdam les 16-18 janvier 2014 . Nous pourrons en reparler
(voir http://www.brakkegrond.nl/programma/1253/Penrose_Bandyopadhyay_Hameroff/
Lezing_Microtubuli_het_grote_debat_over_het_bewustzijn/#en
g )

Résumé de l'article Consciousness in the universe: A review of the ‘Orch OR’ theory

The nature of consciousness, the mechanism by which it occurs in the brain, and its ultimate place in the universe are unknown. We proposed in the mid 1990's that consciousness depends on biologically ‘orchestrated’ coherent quantum processes in collections of microtubules within brain neurons, that these quantum processes correlate with, and regulate, neuronal synaptic and membrane activity, and that the continuous Schrödinger evolution of each such process terminates in accordance with the specific Diósi–Penrose (DP) scheme of ‘objective reduction’ (‘OR’) of the quantum state. This orchestrated OR activity (‘Orch OR’) is taken to result in moments of conscious awareness and/or choice. The DP form of OR is related to the fundamentals of quantum mechanics and space–time geometry, so Orch OR suggests that there is a connection between the brain's biomolecular processes and the basic structure of the universe. Here we review Orch OR in light of criticisms and developments in quantum biology, neuroscience, physics and cosmology. We also introduce a novel suggestion of ‘beat frequencies’ of faster microtubule vibrations as a possible source of the observed electro-encephalographic (‘EEG’) correlates of consciousness. We conclude that consciousness plays an intrinsic role in the universe.

Référe
nces:
* Stuart Hameroff and Roger Penrose, Consciousness in the universe:
A review of the ‘Orch OR’ theory, Physics of Life Reviews, Aug. 20, 2013
*Microtubules http://fr.wikipedia.org/wiki/Microtubule

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15 décembre 2013 7 15 /12 /décembre /2013 15:49

Cette question ne paraîtra pas urgente, compte tenu des risques plus immédiats qui menacent la vie sur Terre. De plus, beaucoup de théoriciens s'interrogent sur le concept même d'univers. Correspond-il, même si l'objet désigné n'est pas observable dans sa totalité, à une entité que l'on pourrait qualifier de réelle, comme l'est par exemple le système solaire. S'inscrit-il dans l'espace- temps einsténien, avec un début et une fin ?

Faisons cependant l'hypothèse que l'univers existe, que les descriptions de la cosmologie actuelle sont dans l'ensemble pertinentes, malgré les vastes points d'interrogations qu'elles laissent subsister. Il est donc intéressant de discuter les différents modèles intéressant le début et la fin de l'univers, big bang et big crunch notamment. Rappelons que le terme de big crunch désigne une phase de contraction qui succèderait à la phase d'expansion actuelle. Elle s'oppose à l'hypothèse d'une expansion infinie, l'univers de la matière telle que nous la connaissons finissant par se diluer sous la forme d'un espace-temps de moins en moins identifiable.

Parmi les hypothèses intéressant une forme éventuelle de big crunch, celle qui vient d'être présentée par une équipe de chercheurs de l'université de Sud-Danemark, dans le Journal of High Energy Physics, sous le titre un peu énigmatique de « Standard Model Vacuum Stability and Weyl Consistency Conditions » mérite discussion (Cf Référence, ci-dessous). Elle pourrait laisser supposer que notre univers est proche d'un forme brutale d'effondrement. Celle-ci pourrait même avoir commencé quelque part et progresserait vers nous à la vitesse de la lumière.

Dans cette hypothèse, soit demain soit dans un milliard d'années, tout ce que l'univers contient serait comprimé sous la forme d'une petite bille (on parle parfois de Singularité) infiniment dense et infiniment chaude. Ce processus violent résulterait de ce que l'on appelle une transition de phase, le même processus se manifestant lorsque l'eau chauffée se transforme subitement en vapeur ou lorsqu'un aimant lui aussi chauffé perd sa magnétisation.

La transition de phase au niveau de l'univers se produirait si se créait une bulle où le champ dit de Higgs associé aux particules de Higgs atteignait une valeur différente de celle du reste de l'univers. Si cette valeur était de plus faible énergie que celle de la matière environnant la bulle, toutes les particules élémentaires au sein de la bulle se trouveraient dotées d'une masse bien supérieure à celle des particules extérieures. Elles se rapprocheraient sous l'effet de la gravité (ou d'une force comparable) et formeraient des centres super-massifs. La bulle s'étendrait alors dans toutes les directions à la vitesse de la lumière.

De nombreuses théories prédisent un tel changement de phase, comme l'expose dans l'article cité Jens Frederik Colding Krog, chercheur au Center for Cosmology and Particle Physics Phenomenology (CP - Origins) de l'université du Sud Danemark. Mais les calculs précédents comportaient quelques incertitudes que l'équipe estime avoir levées, au moins en partie, Selon ces nouveaux calculs, non seulement la transition de phase se produira un jour quelque part dans l'univers, mais encore elle pourrait avoir commencé.

Les fonctions bêta

Pour soutenir leur hypothèse, les chercheurs s'appuient sur des fonctions bêta 1) qui détermineraient la force des interactions entre les particules légères (photons et électrons) d'une part, le boson de Higgs et les quarks d'autre part. Trois catégories d'équations différentes en avaient découlé. Jusqu'à présent, les physiciens avaient travaillé en utilisant une équation à la fois. Mais l'équipe du CP3 montre que ces équations peuvent être mises en oeuvre simultanément et qu'alors elles interagissent. Dans ce cas, la probabilité d'une transition de phase augmente considérablement. D'où en conséquence la grande probabilité d'un effondrement de l'univers. Ces nouvelles hypothèses rejoindraient les perspectives d'un Big Crunch évoqué au début de cet article. La question des causes déterminantes pouvant provoquer un tel effondrement à un moment précis, restent cependant mal élucidée.

Que l'on se rassure néanmoins. Les hypothèses de l'équipe danoise, outre qu'elles n'assignent absolument pas de date au collapse, ne tiendraient que si l'univers ne comportait pas d'autres particules que celles aujourd'hui comptabilisées à la suite des observations récentes provenant du Large Hadron Collider et supposées avoir mis en évidence le boson de Higgs. Or si l'univers comportaient d'autres particules, pouvant être découvertes ultérieurement, les modèles relatifs aux prévisions de phase devraient être revus.

C'est une nouvelle branche de la physique, dite des hautes énergies, qui recherche l'existence de nouvelles particules. Certains physiciens supposent ainsi que le boson de Higgs pourrait être composé de particules plus petites dite techni-quarks. Rappelons aussi que les théories hypothétiques dites de la super-symétrie prédisent qu'à chaque particule aujourd'hui identifiée correspondent des partenaires à découvrir, par exemple le photino pour le photon et le sélectron pour l'électron. 2)

Notre salut pourrait découler de leur existence.

Référence :
Journal of High Energy Physics : Standard Model Vacuum Stability and Weyl Consistency Conditions. http://link.springer.com/article/10.1007%2FJHEP08%282013%29034
Auteurs : Oleg Antipin, Marc Gillioz, Jens Area, Esben Molgaard, Francesco Sannino (CP3 - Origins and DIA).

Note
1) Sur le concept de fonction bêta, qui ne s'applique évidemment pas qu'à la cosmologie, voir Wikipedia http://fr.wikipedia.org/wiki/Foncti...

2) Rappelons l'ouvrage que nous avions signalé, consacré au boson de Higgs par les deux physiciens français Gilles Cohen Tannoudji et Michel Spiro. "Le boson et le chapeau mexicain "http://www.automatesintelligents.com/edito/2013/mai/lecon_du_cern.html

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Jean-Paul Baquiast
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11 décembre 2013 3 11 /12 /décembre /2013 21:24


Jean-Paul Baquiast 11/12/2013


Bactéries photosynthétiques

Nous nous sommes plusieurs fois fait l'écho d'hypothèses selon lesquelles les phénomènes quantiques ont été indispensables, au coeur des systèmes biologiques, pour permettre l'apparition puis le développement de la vie 1) .

Mais ces hypothèses restent difficiles à prouver, vu le caractère élusif de tels phénomènes. Pour les mettre en évidence, il faut manipuler des particules quantiques ou qbits. Or celles-ci, en interaction avec des particules ordinaires, celles de la physique dite macroscopique, perdent immédiatement leur caractère quantique. Il s'agit du phénomène bien connu dit de décohérence, qui notamment rend très difficile encore la construction de calculateurs quantiques. Dans le domaine des cellules biologiques, la difficulté est accrue, car celles-ci constituent un milieu chaud et humide particulièrement propice à la décohérence d'éventuelles particules quantiques pouvant y apparaître.

Les chercheurs n'ont pas renoncé cependant à tenter d'analyser différents phénomènes biologiques pouvant difficilement s'expliquer sans appel à la physique quantique. C'est le cas notamment de la photosynthèse qui a permis, aux origines de la vie, à certains êtres vivants d'utiliser la lumière solaire pour obtenir l'énergie et le carbone nécessaires à leur développement.

La revue Biosciences vient de publier l'article de 3 chercheurs, Jessica M. Anna et Gregory D. Scholes de l' Université de Toronto, Rienk van Grondelle de l'Université Vrije à Amsterdam 2) . Ils présentent des résultats récents qui, sans permettre de prouver indiscutablement le rôle des phénomènes quantiques dans le développement de la vie, semblent apporter des arguments nouveaux et solides en faveur de cette hypothèse.

Pour ce faire, ils utilisent une technique dite 2-D electronic spectroscopy qui envoie des impulsions laser de très courte durée (1 milliardième de milliardième de seconde - sic- ) sur les molécules de protéines permettant à des bactéries et à des algues photosynthétiques de capturer la lumière. Ces molécules, ainsi excitées, réémettent instantanément de la lumière dans différentes longueurs d'onde. L'article de Biosciences décrit ce dispositif, que nous n'essaierons pas de résumer ici. Nous nous bornerons à remarquer une nouvelle fois que si l'on veut se faire une idée même sommaire de ce qu'est le vivant, il faut se placer à des échelles de temps et de dimension qui sont restées longtemps inaccessibles, et dont d'ailleurs beaucoup échappent encore à l'observation.

Concernant la photosynthèse, les auteurs de l'article expliquent que l'on ne pourrait pas comprendre comment l'énergie lumineuse capturée par le mécanisme qu'ils décrivent pourrait être transportée d'une molécule à l'autre par des entités discrètes se mouvant au hasard entre elles. Il faut pour cela faire appel à la mécanique quantique. Pour celle-ci, les particules ne sont pas des particules ordinaires, telles de petites billes, mais plutôt des ondes réparties dans l'espace et interférant entre elles comme des vagues dans la mer.

Ce mécanisme n'est pas détectable dans les conditions de la physique macroscopique, mais les résultats expérimentaux obtenus par l'équipe montre que des réseaux de molécules peuvent à l'intérieur de la cellule servir d' « antennes » quantiques permettant de capturer les photons lumineux en restant « cohérentes ». Elles conservent alors leurs propriétés quantiques et peuvent échanger de l'énergie à des vitesses et dans des régions de l'espace interne de la cellule inaccessibles autrement. Ainsi enrichies d'énergie, ces cellules peuvent utiliser le C02 de l'atmosphère pour construire des organismes complexes.

Une origine encore mystérieuse

Cependant, les chercheurs estiment que le schéma de principe qu'ils pensent avoir mis en évidence s'est transformé de différentes façons au cours de l'évolution des espèces, si bien qu'il n'est pas possible d'en déduire un mécanisme simple et reproductible permettant pour le moment d'exploiter la cohérence quantique dans des bio-organismes artificiels. Ils ont indiqué une direction, mais de nombreuses recherches seront encore nécessaires pour obtenir des technologies solaires permettant une photosynthèse à grande échelle.

Ajoutons pour notre part qu'aussi utiles en pratique que soient de telles recherches, elles ne permettent pas encore de comprendre, concernant l'étude des origines de la vie, comment certaines molécules biologiques ont pu acquérir leurs propriétés photosynthétiques, soit seules, soit au sein des organismes primitifs, archeae, procaryotes puis eucaryotes.

De même, comme toujours lorsque l'on réfléchit aux origines de la vie, on pourrait se demander si ces propriétés sont apparues, par hasard et une fois, avant de se répandre – ou si leur émergence était quasiment obligée – et pourrait dans ce cas se retrouver sous des formes voisines sur d'autres planètes favorables à la vie, sans mentionner les cas où elle se produirait encore sur Terre sans avoir été détectée.

Notes
1) Voir notamment JohnJoe McFadden « Quantum Evolution, The new science of life » dans Automates Intelligents
Cet ouvrage de plus de 10 ans a été actualisé récemment par son auteur. Voir « Quantum biology: Current status and opportunities. Paper presented at the International Interdisciplinary Workshop. University of Surrey; 2012.; p. 17-18. September 2012, Surrey, United Kingdom. »
2) Bioscience http://bioscience.oxfordjournals.org/content/early/2013/12/05/biosci.bit002.abstract

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7 novembre 2013 4 07 /11 /novembre /2013 19:20


Jean-Paul Baquiast 07/11/2013



Archeae dans un milieu marin. L'obscurité de l'image symbolise assez bien les mystères entourant ces cellules

Nous avions en temps utile signalé le rôle que les paléobiologistes attribuent aux archaea ou archées dans le développement de la vie sur la Terre (voir notamment http://www.automatesintelligents.com/echanges/2009/fev/darwin.html). Ces organismes sont considérés aujourd'hui comme des formes de vie spécifiques, à distinguer des bactéries et des organismes multi-cellulaires (eucaryotes). Il n'est toujours pas possible de préciser comment les archaea seraient apparues sur la planète, autrement dit de quel processus, proche ou non de celui caractérisant les bactéries et les eucaryotes, elles ont pu bénéficier .

L'hypothèse selon laquelle trois formes de vie différentes auraient pu, par des processus différents, se développer sur Terre, serait particulièrement intéressante. Elle pourrait soutenir l'idée que, sur une planète habitable, la vie peut provenir d'origines multiples, éventuellement dans certains cas à partir de composants prébiotiques venus de l'espace (cf notre article Les molécules de la vie prennent leur origine dans l'espace ). D'ou l'intérêt d'essayer d'en rechercher des traces dans le système solaire, en premier lieu sur Mars, au sein de zones éventuellement propices.

Aujourd'hui, bien que plus ou moins dissemblables, les 3 formes de vie connues ont réussi à coexister, voire à former des symbioses. Ceci n'exclut pas que d'autres souches moins bien armées aient été éliminées dès les origines. Les archaea sont particulièrement bien représentées dans les milieux extrêmes, comme dans le fonds des mers où, avec certaines formes de bactéries dite extrémophiles, elles constituent les seules formes de vie active. D'où l'hypothèse qu'elles aient été les premières à coloniser la Terre primitive.

Elles ne sont pas encore étudiées avec les moyens importants consacrés aux bactéries et cellules à noyau, d'autant plus qu'elles ne se reproduisent pas en laboratoire. C'est pourquoi les chercheurs qui dorénavant s'attachent à les observer dans leur milieu naturel devraient avoir l'occasion de faire des découvertes intéressantes, susceptibles même de modifier en profondeur l'idée que l'on se fait de la vie, y compris sous ses formes récentes. Avis aux jeunes scientifiques !!

C'est ainsi qu'une équipe dirigée par la Pr Karen Lloyd, de l'Université du Tennessee, à Knoxville, a montré en 2013 que les archaea pouvaient se nourrir dans les fonds sous-marins en dégradant les protéines qui s'y trouvent sous forme de déchets. Elles utilisent des enzymes extracellulaires secrétées par elles, selon des commandes génétiques spécifiques. Le processus est plus efficace que ceux utilisés par les bactéries et les autres cellules, qui relèvent du cycle alimentaire classique. D'où une adaptabilité plus grande en ces milieux extrêmes. 1)

En 2013 également une équipe dirigée par le Dr Thorsten Allers, de l'Université de Nottingham (UK) a montré que les archeae Haloferax volcanii (image) que l'on trouve notamment dans un autre milieu inhospitalier, les mers très salées (en l'espèce la Mer Morte), peuvent se reproduire en court-circuitant les processus de réplication de l'ADN décrits dans le modèle universel découvert par François Jacob en 1963. Elles y gagnent une plus grande aptitude à se multiplier, ce qui là encore augmente leur adaptabilité. Leur aptitude au transfert horizontal de gènes avait précédemment été observée. 2)

On pourrait se demander pourquoi, dotées de ces propriétés, les archaea n'ont pas éliminé les autres formes de vie. C'est sans doute parce que les processus en cause manquaient de la souplesse nécessaire pour se généraliser dans des conditions d'environnement différentes.

Quoiqu'il en soit, les archaea, selon beaucoup de chercheurs, ne se sont pas limitées à des formes de vie primitives. On soupçonne que certaines d'entre elles ont pu se transformer et donner naissance aux eucaryotes multi-cellulaires, c'est-à-dire finalement à l'espèce humaine, en s'imposant aux monocellulaires procaryotes, et notamment aux bactéries, elles-mêmes omniprésentes sur Terre semble-t-il depuis les origines. Les auteurs de science-fiction pourront imaginer l'existence d''espèces humaines encore inconnues (telles l'abominable homme des neiges) dont les cellules seraient des archeae.

Les archeae pourraient continuer à entre en compétition avec la vie multicellulaire au sein des organismes complexes avec lesquels elles auraient réalisé des symbioses. L'équipe de Nottingham, rejointe par d'autres, soupçonnent que les capacités de réplication « anormales » dont font preuve les cellules cancéreuses dans ces organismes complexes pourraient avoir été héritées d'ancêtres archeae. Les cellules cancéreuses humaines feraient ainsi appel à des formes de réplication proches de celles du Haloferax volcanii. D'où l'intérêt d'approfondir aujourd'hui leur étude dans le cadre de la lutte anti-cancéreuse

Une étude plus approfondie de cette forme de vie, qualifiée par les chercheurs de « proche des autres formes mais néanmoins étrangères à la vie telle que nous la connaissons » devrait pouvoir faire apparaître des propriétés encore inconnues mais indispensables aux équilibres biologiques de la planète. Elle pourrait aussi renseigner sur la vie susceptible de se trouver sur d'autres planètes.

Pour en savoir plus
Wikipedia http://fr.wikipedia.org/wiki/Archaea
Wikipedia http://fr.wikipedia.org/wiki/Haloferax

Références

* Nature: Karen G. Lloyd, Lars Schreiber, Dorthe G. Petersen, Kasper U. Kjeldsen, Mark A. Lever, Andrew D. Steen, Ramunas Stepanauskas, Michael Richter, Sara Kleindienst, Sabine Lenk, Andreas Schramm, Bo Barker Jørgensen. Predominant archaea in marine sediments degrade detrital proteins. Nature, 2013; DOI: 10.1038/nature12033

* Nature: Michelle Hawkins, Sunir Malla, Martin J. Blythe, Conrad A. Nieduszynski, Thorsten Allers. Accelerated growth in the absence of DNA replication origins. Nature, 2013; DOI: 10.1038/nature12650

* Voir aussi Science Daily Life, but Not as We Know It: Rudimentary Form of Life Sidesteps Normal Replication Process http://www.sciencedaily.com/releases/2013/11/131103140259.htm

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29 octobre 2013 2 29 /10 /octobre /2013 23:32

Les molécules de la vie prennent leur origine dans l'espace
Jean-Paul Baquiast 29/11/2013

Le nuage moléculaire Sagittarius B2

Une série de découvertes récentes pourrait bouleverser radicalement la façon dont nous nous représentons en termes scientifiques l'apparition de la vie sur la Terre. Par contre-coup, serait aussi radicalement bouleversée la façon dont nous nous représentons les possibilités de vie proches de la nôtre dans les milliards de planètes potentiellement habitables peuplant l'univers proche.

C'est un article du NewScientist, cité en référence, signé par Leonie Mueck, éditrice au journal Nature communications, dont la réputation de sérieux est indiscutable, qui signale à l'intention du grand public des faits susceptibles de mettre si l'on peut dire le feu aux poudres. Il faut vraiment que les esprits des terriens soient lents à s'émouvoir pour que cette nouvelle n'ait pas encore fait, selon l'expression, un énorme buzz. Il est vrai que les 80% de ces mêmes terriens convaincus du fait que la vie a été créée par une divinité quelconque ne s'informeront pas de ces découvertes. S'ils le font, il les rejetteront comme sacrilège. Dieu merci, ce n'est pas notre cas. Résumons donc la situation.

La découverte révolutionnaire en question bouleverse l'idée que seule la Terre, ou tout au moins seules des planètes habitables telles que la Terre, peuvent permettre la synthèse de la chimie du carbone indispensable à la genèse de premières formes de vie, hydrocarbones, sucres, alcools et peut-être acides aminés simples. Au contraire, de tels composés organiques, voire d'autres plus complexes, se forment ou pourraient se former dans l'espace interstellaire profond.

On sait depuis un certain temps que des molécules telles que l'eau, l'oxyde de carbone CO et l'ammoniaque apparaissent en sous-produits de la nucléosynthèse au coeur des étoiles. Elles se dispersent ensuite sous la forme de nuages moléculaires de très grande taille, tel le nuage Sagittarius B2, au centre de notre galaxie, d'un diamètre de 150 années lumières, très riche en alcool. Ces nuages se condensent régulièrement en donnant naissance à de nouvelles étoiles. La plupart des molécules organiques ainsi constituées ne pourraient sans doute pas se combiner pour donner naissance à des structures capables de se répliquer, autrement dit à des structures vitales, mais elles en sont des précurseurs.

Des météorites

On avait par ailleurs depuis longtemps constaté que des météorites jugés représentatifs des composants du système solaire primitif comportaient des molécules organiques plus complexes que l'eau, le CO et l'ammoniaque. Il s'agissait de divers amino-acides précurseurs des protéines terrestres. Mais alors comment ceux-ci auraient-ils pu se former dans les nuages moléculaires, caractérisés par une densité quasi infinitésimale, un froid intense et l'absence de sources d'énergie nécessaires à des synthèses chimiques?

Le phénomène paraissait hautement improbable, jusqu'aux années 2010. A partir de cette date, les tout récents télescopes radio et infrarouge mis en service, tels le télescope infrarouge Spitzer de la Nasa ou les radiotélescopes ALMA dans le désert d'Atacama au Chili ont permis d'observer avec une précision jusqu'ici inégalées les manifestations de l'existence de molécules organiques complexes dans le nuage Sagittarius B2 ou dans des étoiles très éloignées de la Terre s'étant formées dans ce nuage.

L'article précité du NewScientist donne une liste d'une douzaine de telles molécules ainsi identifiées, que l'on pourrait qualifier de prébiotiques,. Nous ne les reprendrons pas ici. Citons seulement l'aminoacetonitrile précurseur des aminoacides et l'ethanimine précurseur de l'acide deoxyribonucleique constituant l'ADN. Des expériences conduites sur Terre par le Pr. Ralf Kaiser de l'université de Hawaï à Manoa, à partir d'eau, de CO2 et d'ammoniaque dans une chambre à vide refroidie à 10° seulement au dessus du zéro absolu, ont montré que de telles synthèses étaient possibles dans les nuages de poussières cosmique, à partir de l'énergie fournies par les radiations ionisantes parcourant le cosmos. Mais dans ce cas, elles ne surviennent qu'après des délais infiniment longs, rendant le processus inobservable par l'homme. La même équipe est allé plus loin, en annonçant qu'après plusieurs essais infructueux, elle avait réussi en mars 2013 la synthèse d'un dipeptide associant deux aminoacides, ceci dans les mêmes conditions que précédemment, c'est-à-dire dans des conditions simulant le milieu interstellaire

Dans le même temps, en 2012, une autre équipe, dirigée par le Pr. Dwayne Heard, de l'université de Leeds annonçait avoir réalisé dans des conditions analogues à celle de l'espace (- 200 degrés) la synthèse du « radical methoxy CH30 » observé peu auparavant dans des grains de poussière cosmique. Des hypothèses que nous ne reprendrons pas ici, faisant appel à la physique quantique et à l'effet tunnel, peuvent expliquer la formation de telles molécules complexes dans l'espace.

Il résulte de tout ceci que la chimie prébiotiques, nécessaire à l'apparition de la vie, ne s'est jamais limitée à la Terre primitive. Elle est au contraire partout dans le cosmos (sans préjudice de formes encore plus complexes que celles aujourd'hui découvertes). Elle aurait donc très vraisemblablement été apportées par des comètes ou des météorites sur la Terre, où elle a pu prospérer dès que les conditions géologiques de celle-ci se sont stabilisées.

Cela ne veut pas dire que des milliards de planètes favorables à la vie comporteraient des formes développées telles que celles peuplant la Terre. Cela pourrait vouloir dire cependant qu'auraient existé, existeraient ou existeront de nombreuses planètes habitées par des êtres proches de nous, voire plus développés. Ceci peut-être à quelques années lumière de nous seulement. Voici qui devrait donner à penser, en ramenant l'homme à un statut plus modeste que celui qu'il s'est toujours attribué.

Source
* Cosmic chemistry: Life's molecules are made in space
21 Octobre 2013 par Leonie Mueck

D'autres sources sont accessibles à partir de cet article, dans la version en ligne

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25 octobre 2013 5 25 /10 /octobre /2013 10:55

Quantum social science et rapprochement avec la 2e Mécanique quantique de Mme Mugur Schächter Jean-Paul Baquiast, Christophe Jacquemin 25/10/2013

Dans un ouvrage qui vient de paraître sous le titre de Quantum Social Science, Cambridge University Press, deux chercheurs en sciences sociales, Andrei Khrennikov de la Linnaeus University à Kalmar, Suède et Emmanuel Haven de l'Université of Leicester, UK, proposent d'appliquer le formalisme de la mécanique quantique (MQ) à ces mêmes sciences sociales. 1)

Les travaux qui cherchent à étendre au monde dit macroscopique de la science ordinaire les acquis de la MQ ne sont pas nouveaux. Nous avons ici même relaté les nombreuses expériences dont certaines ont été couronnées de succès, visant par exemple à rechercher le rôle que pourraient jouer des particules en état de superposition, dites q.bits, dans le fonctionnement d'organes biologiques chez les animaux. Certains avaient même suggéré qu'au sein du cerveau humain, de telles particules pouvaient expliquer les propriétés élusives de la conscience. Mais à notre connaissance, il a été moins fréquent de chercher à utiliser les acquis méthodologiques de la MQ dans la compréhension des phénomènes sociaux.

« Quantum social sciences » va plus loin. Le livre donne de nombreux exemples dans lesquels cette approche pourrait selon les auteurs apporter une meilleure compréhension de phénomènes collectifs dits complexes tels que la formation des prix sur un marché ou des prises de décisions ne faisant pas appel à une stricte rationalité, rationalité impensable dans le monde économique ou politique quotidien, où l'homo economicus est un mythe.

Ils proposent par exemple d'éclairer avec le formalisme quantique le comportement de joueurs décrits par le paradoxe d'Ellsberg. Il s'agit d 'un concept issu de la théorie de la décision. Il montre que, face à un choix comportant risque et incertitude, l'esprit humain tend à écarter l'incertitude, quitte à prendre successivement des décisions incohérentes (Voir http://www.senat.fr/rap/r11-286-1/r11-286-168.html). Ceci surprend les économistes et les psychologues, car de tels choix violent la formule des probabilités totales, modèle classique pour calculer la probabilité d'un événement (pour détails, voir Wikipedia http://fr.wikipedia.org/wiki/Formule_des_probabilit%C3%A9s_totales). Or cette même formule des probabilités totales est aussi violée dans l'expérience des fentes de Young, quand cette dernière montre qu'un électron interfère avec lui-même. Pour expliquer cela, un facteur dit terme d'interférence est utilisé. Celui-ci peut expliquer les résultats " surprenants " décrits par le paradoxe d'Ellsberg.

Les auteurs de Quantum Social Sciences montrent que, dans le même esprit, des décisions paradoxales de la vie économique peuvent s'expliquer en faisant appel aux lois de probabilité de la MQ.

Nous n'avons pas ici le loisir de les suivre dans toutes leurs démonstrations.Nous ferons une analyse plus détaillée du livre ultérieurement. Certains des cas évoqués peuvent paraître dans de nombreux cas relever du simple bon sens. On peut d'ailleurs se demander pourquoi les chercheurs en sciences sociales n'y avaient pas pensé plus tôt. Cela tient en grande partie à l'ignorance de la physique, et plus encore de la physique quantique, où se trouvent la plupart d'entre eux. Ceci devrait changer, puisque Google (toujours lui) et la Nasa viennent de lancer un Quantum Artificial Intelligence Lab (voir https://www.nas.nasa.gov/projects/quantum.html )

Aller plus loin

Le commentaire d’un lecteur du NewScientist à la suite de l'article précité de Andrei Khrennikov et Emmanuel Haven « While rigorous mathematical modelling of social phenomena is self-evidently a good thing, sticking "Quantum" in front of anything other than the interactions of subatomic particles seems to always result in pseudoscience », nous a paru injuste. Il est certain qu'aujourd'hui les publicitaires n'hésitent pas à affirmer que tel ou tel produit de consommation tire ses qualités de mystérieuses propriétés quantiques, mais faut-il pour autant renoncer à élargir au domaine de la science macroscopique les acquis méthodologiques ayant fait leur preuve dans le monde subatomique? La réponse est évidement négative, comme nous l'avions montré précédemment dans divers articles. Encore faut-il le prouver.

Nous voudrions pour cela faire appel à l'ouvrage que vient de publier sur Arxiv 2) la physicienne Mioara Mugur-Schächter, ouvrage dont nous avions signalé la parution dans un article du 13 octobre. Il s'agit d'un travail très ambitieux dans lequel l'auteure poursuit deux objectifs. D'une part elle veut y préciser les substrats épistémologiques, opérationnels et méthodologiques de la MQ. D'autre part, sur la base de ces substrats, elle s'efforce de purger la formulation mathématique dite Hilbert-Dirac de la MQ de ce qu'elle considère comme des insuffisances majeures. Il s'agit d'abord de l’absence de toute représentation formelle, déclarée et systématique des entités et actes individuels qui interviennent dans la conceptualisation. Il s'agit ensuite de l’absence, autrement importante, d’une théorie des mesures qui soit performante et formellement acceptable. Elle affirme avoir réussi à éliminer ces diverses insuffisances.

Donnons ici quelques précisions pour les lecteurs non spécialistes. L'ambition de Mme Mugur-Schächter a toujours été de montrer que la MQ devrait se présenter sous une forme la rendant plus intelligible qu'elle ne l'est, afin d'être plus largement utilisable. Or elle pense avoir dorénavant réalisé ce but, par voie constructive : D’abord en termes qualitatifs mais formalisés, et ensuite en termes mathématiques, à l’intérieur du formalisme Hilbert-Dirac. Dans un cadre mathématique complété de points de vue sémantiques (significations) grâce à l’élaboration qualitative préalable à laquelle elle s'est livrée, elle estime avoir doté la MQ d’une représentation où le niveau de conceptualisation individuelle est pleinement exprimé et clairement séparé du niveau statistique-probabiliste. De plus la MQ se trouverait ainsi dotée d’une nouvelle théorie des mesures, à la fois intelligible et cohérente.

Il en résulterait une 2ème Mécanique Quantique où la représentation des microétats bénéficierait désormais d’ « un cadre rigoureusement organisé du point de vue factuel, conceptuel, sémantique et épistémologique, tout autant que du point de vue mathématique ». L'ambition est considérable. Mais, vu la technicité de la question, il ne nous appartient pas de juger du résultat.

Notons toutefois que cette 2ème Mécanique Quantique devrait permettre de donner des réponses élégantes aux questions posées par l'extension de la MQ aux sciences sociales, objet du livre Social Quantum Science. Madame Mugur-Schächter affirme en effet dans le dernier chapitre du travail publié sur Arxiv qu'il existe une frontière nette entre ce qui est spécifique exclusivement des entités représentées, à savoir des microétats, et d’autre part, ce qui est spécifique universellement, en relevant du formalisme Hilbert-Dirac en tant que tel.

Autrement dit, ce formalisme devrait permettre une représentation particulièrement efficace de prévisions statistiques probabilistes concernant tout phénomène du "réel macroscopique", qu’il soit physique, social, psychologique ou autres. Si ceci était exact, il serait plus adéquat de parler, par exemple, de "Hilbert-Dirac Social Science", plutôt que de "Quantum Social Science" . Ainsi pourrait-il être répondu à l'observation précitée du lecteur de l'article sur le NewScientis. Mais on pourrait craindre que l'apparente technicité de ce titre n'en éloigne le grand public.

Une preuve expérimentale dans le domaine social ?

Cependant, puisque comme toujours en sciences, les exposés théoriques ne prennent toute leur portée que s'ils sont appliqués à des cas expérimentaux, nous pourrions souhaiter pour notre part que soit présentée une preuve expérimentale de la 2ème Mécanique Quantique de Madame Mugur-Schächter. Celle-ci affirme dans son travail que de telles expériences pourraient être réalisées, notamment, à partir de microétats d’interférence. Mais nous voudrions suggérer aussi, soit à l'auteure, soit à des lecteurs ayant pris la peine de pénétrer les apports innovants des travaux de Mme Mugur-Schächter, de proposer d'autres expériences, et pourquoi pas dans le domaine des sciences sociales étudiées par Andrei Khrennikov et Emmanuel Haven ?

Cette démarche permettrait d'éviter les cas tirés de la physique quantique, qui exigeraient un minimum d'équipement de laboratoire et dont les termes demeureraient ésotériques pour beaucoup de personnes. Nous proposons donc de montrer l'intérêt de la 2ème Mécanique Quantique à propos d'un exemple cas relativement simple inspiré par les nouvelles sciences sociales « quantiques » ? Le Paradoxe d'Ellsberg, mentionné au début du présent article, pourrait semble-t-il être utilisé à cette fin. Nous serions évidemment heureux de publier ici un résumé de la démarche visant à traiter le dit Paradoxe (sans mathématiques) en utilisant l'approche de Mioara Mugur-Schächter.

Enfin, en relation avec les informations et les considérations qui précèdent, nous voudrions aussi saluer ici un ouvrage important du physicien Franck Laloë, Comprenons nous vraiment la Mécanique Quantique ? EDP Sciences 2011. Dans cet ouvrage – sur lequel nous reviendrons – sont très clairement discutées les différentes et très nombreuses interprétations auxquelles a donné naissance à ce jour le formalisme de la MQ. Notons qu'à notre connaissance, Franck Laloë ne met nullement en doute la formulation mathématique Hilbert-Dirac actuelle de la MQ. Il choisit de montrer seulement à quel ensemble étonnamment riche d’ "interprétations" différentes cette formulation a conduit. Ce qui, en soi, est d’ores et déjà intrigant et sans doute fertile.


Notes
1) Un article des auteurs de Quantum Social Science paru dans le NewScientist du 11 juillet 2013 résume leur approche. Nous nous en sommes inspirés.

2) Cf Mugur-Schächter. Arxiv http://arxiv.org/abs/1310.1728 ainsi que le travail proprement dit en .pdf http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1310/1310.1728.pdf « Principes d'une deuxième Mécanique Quantique. Construction des fondements d’une formulation Hilbert-Dirac intelligible »,

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22 octobre 2013 2 22 /10 /octobre /2013 15:55



Life at the speed of
light

par Craig Venter

Viking

oct
obre. 2013

Critique par Jean-Paul Baquiast 21/10/2013


John Craig Venter (né le 14 octobre 1946, Salt Lake City) est un biologiste et homme d'affaires américain. Il s'est illustré dans la course au séquençage du génome humain grâce à une technique innovante. puis il rejoint les National Institutes of Health (NIH) en 1984.

Au sein des NIH, il travaille d'abord sur les récepteurs des neurotransmetteurs. Il cherche en particulier à isoler leurs gènes et les séquencer. Il devient ce faisant un des pionniers du séquençage automatisé.

À cette occasion il invente une approche systématique nouvelle, qu'il appelle les EST, expressed sequence tags, ou étiquettes de séquence exprimées. Il s'agit de fragments d'ADN complémentaires qu'il séquence de manière systématique, sans les caractériser au préalable. En 1991 et 1992, son équipe détermine la séquence de plus de 2500 EST associés à des gènes exprimés dans le cerveau humain, ce qui double d'un seul coup le nombre de gènes humains pour lesquels des données de séquence ADN sont disponibles.

Avec les NIH, son employeur, il dépose des brevets sur tous ces gènes, ce qui déclenche un tollé dans la communauté des biologistes. James Watson (prix Nobel, codécouvreur de la structure de l'ADN) sera parmi les plus farouches opposants à cette appropriation du vivant.

À la suite de la polémique, Venter quitte les NIH en 1992 pour monter une fondation privée appelée TIGR, The Institute for Genome Research et monte une plateforme de séquençage à grande échelle. Il recrute Hamilton Smith, prix Nobel de Médecine 1978 pour la découverte des enzymes de restriction. Avec lui, il va s'attaquer au premier séquençage complet du génome d'un organisme vivant, la bactérie Haemophilus influenzae, qui sera achevé en 1995. Après cet exploit, Venter et le TIGR s'engageront dans les séquençages de génomes de plusieurs organismes.

En 1998, Venter quitte le TIGR et fonde la Celera Genomics avec le soutien de la société Perkin-Elmer. Il devient le président et le directeur scientifique de cette nouvelle société dont l'objectif est de séquencer le génome humain, entrant ainsi en compétition avec le consortium public international. En 2000 Venter et Celera annoncent avoir fini de séquencer le génome, en même temps que le consortium international. On apprendra plus tard que le génome séquencé par Celera est celui de Craig Venter lui-même.

En 2002, Venter quitte Celera et monte le J. Craig Venter Institute. Ses nouveaux objectifs sont d'explorer la biodiversité génomique et de parvenir à recréer un organisme vivant synthétique en laboratoire.
Venter est actuellement président du Center for the Advancement of Genomics. (wikipedia)

* En biochimie, le séquençage consiste à déterminer l'ordre linéaire des composants d'une macromolécule (les acides aminés d'une protéine, les nucléotides d'un acide nucléique comme l'ADN, les monosaccharides d'un polysaccharide, etc.).

En génétique, le séquençage concerne la détermination de la séquence des gènes voire des chromosomes, voire du génome complet, ce qui techniquement revient à effectuer le séquençage de l'ADN constituant ces gènes ou ces chromosomes.(wikipedia)

Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0

Life at the speed of light. From the double helix to the dawn of digital Life, de Craig Venter, fait partie du peu de livres conjuguant à la fois l'information scientifique et la prospective qui soit selon nous aussi importants aujourd'hui. Cet ouvrage reprend à la lumière de l'actualité, avec beaucoup de nouvelles données, les bases exposées par l'auteur dans son premier ouvrage « A life decoded ».

Craig Venter avait jusqu'ici dans certains milieux, notamment chez les biologistes, une réputation de business man plutôt que de scientifique. Cela tenait au fait qu'il avait créé quelques entreprises ou fondations visant à recueillir des fonds pour ses recherches, y compris en brevetant quelques-uns des produits de celles-ci afin de s'en réserver l'exploitation commerciale. Mais la démarche était sans commune mesure avec celle adoptée depuis par les grandes multinationales de la génétique opérant dans le domaine agricole: monopoles sur les semences ou les produits collatéraux imposés aux cultivateurs traditionnels et légitimement combattus par les adversaires des OGM. Craig Venter n'a finalement rien fait de tel, alors que lui et ses équipes se sont donné les moyens théorique de bouleverser les sciences de la vie...et d'en faire payer le prix (en dehors d'un Prix Nobel qui serait parfaitement justifié, si ne s'y opposaient pas des lobbies religieux)

On lui a reproché également un égo surdimensionné. Mais qui peut prétendre se faire entendre dans le monde cruel des chers professeurs et des conflits d'intérêts incessants sans un minimum de personnalité. Le livre en tout cas ne donne pas d'arguments sérieux à cette critique. Une bonne moitié de l'ouvrage, sinon davantage (sans compter des dizaines de pages de références) est consacré à recenser les travaux antérieurs aux siens et ceux de ses équipes successives, comme les recherches menées par d'autres en parallèle.

Sur un plan géopolitique, on se convaincra par contre, en lisant le livre, que, dans le domaine de la génomique comme dans celui d'autres sciences émergentes, rien ne se serait produit d'important sans l'extraordinaire fertilité scientifique de la société américaine. Aujourd'hui, on reproche à celle-ci de privilégier les recherches militaires ou, dans un autre ordre d'idées, de céder aux oukases des créationnistes et autres intérêts religieux pour lesquels la vie ne saurait relever d'une approche scientifique. Mais il faut féliciter Craig Venter de ne pas avoir cédé aux pressions conservatrices, tant de la Darpa qui a financé certaines de ses recherches, que des nombreux représentants des mouvements chrétiens qui l'auraient bien réduit au silence s'il s'était laissé faire.

Quand on constate en Europe les campagnes incessantes que mènent des personnalités incapables de la moindre démarche créatrice, au nom d'un prétendu principe de précaution, pour neutraliser les laboratoires travaillant dans le domaine de la synthèse de la vie et plus généralement les biotechnologies, on se dit que les Européens, chefs d'Etat en tête, ont la société timorée qu'ils méritent, par leurs esprit étroitement bornés, sinon par leur simple ignorance. Reproche injuste, répondra-t-on. On trouve en Europe, par exemple, diverses Génopoles, dont celui d'Evry en France. Mais combien d'années leurs promoteurs ont-il du attendre avant d'être écoutés? Et pourquoi reçoivent-ils des financements aussi squelettiques?

Au demeurant d'ailleurs, Craig Venter ne peut se faire reprocher d'avoir sous-estimé les risques de dérive pouvant provenir des recherches en biologie génétique. Il a multiplié les mises en garde et contribué à la création de divers comités d'éthique dont les recommandations demeurent aujourd'hui d'actualité.

Deux grands thèmes

Le livre comporte deux séries de chapitres. Les premiers sont consacrés aux efforts longs et difficiles ayant permis de mettre au point des méthodes rapides de déchiffrement des génomes (dont le génome humain) puis de créer des espèces originales authentiquement synthétiques. Pratiquement, les premières réalisations, comme l'indique l'article publié par l'équipe de Craig Venter dans la revue Science en 2010 (voir ci-dessous), ont consisté à implanter un génome aux séquences digitalisées et reconstruites à partir d'une synthèse des composants organiques de base dans le « corps » d'un microorganisme proche dégarni de son propre génome.

L'exploit paraît simple, mais lorsque, comme l'explique Craig Venter, on prend conscience de l'énorme complexité des gènes et des protéines impliquées dans le fonctionnement d'une cellule à partir de son génome, on comprend la joie des équipes (et le champagne offert) quant celles ci ont constaté que l'espèce (mycoide) ainsi créée pouvait se reproduire et se battre pour la vie comme n'importe laquelle de ses homologues naturelles.

Un grand pas restait à franchir dans une authentique recréation de la vie à partir de ses composants, construire l'enveloppe ou cytoplasme d'une cellule entièrement artificielle, ainsi que les nombreux micro-organismes eux-mêmes artificiels inclus (chloroplastes, mitochondries), indispensables au fonctionnement autonome de la machine cellulaire. Ce travail est en cours dans le cadre de plusieurs projets intéressant des cellules isolées. Les chercheurs commencent par ailleurs à réfléchir à la façon dont certaines de ces cellules artificielles pourraient se combiner pour produire des organismes multicellulaires aux fonctions diversifiées.

La seconde série de chapitres composant le livre décrit les différentes perspectives de la vie synthétique ainsi ouvertes. Elles vont bien au delà des simples modifications génétiques permettant à des êtres existants de s'adapter à des conditions de milieu nouvelles (chaleur, sécheresse, manque de nutriments). Il s'agira progressivement de construire des organismes originaux jugés utiles. Ce seront d'abord des virus, bactéries, phages, levures capables par exemple de produire de l'énergie à partir de déchets, ou de fournir des matières premières alimentaires ou non consommables par l'homme. Les phages devraient jouer un rôle important dans la lutte contre des bactéries devenues résistantes aux antibiotiques, lesquelles posent un défi majeur à l'humanité actuelle. Mais il s'agira aussi, progressivement, de synthétiser des formes végétales et animales complexes pouvant s'adapter à des environnements nouveaux et modes de vie inattendus.

Un point sur lequel insiste Craig Venter, peut-être avec un peu d'excès, concerne la possibilité, une fois numérisé un génome, de le transmettre à l'autre bout du monde, voire sur une autre planète, jusqu'à une machine dite Digital Biological Converter capable de reconstruire ledit génome à partir des composants disponibles dans le milieu récepteur. C'est ce qu'il nomme la téléportation de la vie, ou « la vie à la vitesse de la lumière ». Les besoins paraissent limités, à première vue. Mais, en dehors de l'exploration planétaire, de tels dispositifs trouveront de nombreuses applications en médecine, notamment au profit des pays pauvres.

Un certain nombre d'ouvrages décrivent dorénavant les perspectives utiles ou dangereuses découlant des avancées rapides en biologie synthétique dont Craig Venter a été le pionner. Tout travail sérieux en prospective doit les connaitre (voir par exemple ci-dessous). Pour notre part, nous ne pouvons que souhaiter au livre de Craig Venter, très facile à comprendre, une large diffusion. Peut-être ce travail donnera-t-il des idées à des responsables économiques et politiques à la recherche de nouvelles perspectives de croissances.

Références

* Science. Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome avril mai 2010

We report the design, synthesis, and assembly of the 1.08–mega–base pair Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 genome starting from digitized genome sequence information and its transplantation into a M. capricolum recipient cell to create new M. mycoides cells that are controlled only by the synthetic chromosome. The only DNA in the cells is the designed synthetic DNA sequence, including “watermark” sequences and other designed gene deletions and polymorphisms, and mutations acquired during the building process. The new cells have expected phenotypic properties and are capable of continuous self-replication.

* Article du Guardian

Livres précédents, sur des thèmes voisins
*George Church. Regenesis http://www.admiroutes.asso.fr/larevue/2013/133/church.htm
*David Berleant The human race to the future Lifeboat Foundation Publications 2013

Voir aussi, sur les origines de la vie (sujet abordé par Craig Venter)
* Life ascending. The Ten Great Inventions of Evolution par Nick Lane Norton 2009
http://www.automatesintelligents.com/biblionet/2010/mar/nicklane.html

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