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Comment le langage de la bande dessinée travaille des savoirs

« A la recherche du réel perdu » ou la pertinence de l’utilisation d’une bande dessinée dans l’enseignement de la mécanique quantique en Licence.

Philippe Lautesse, Lionel Chaussard, Juliette Tuaillon, Fabrice Ferlin et Jean-Loup Héraud

Résumés

Le but de notre étude consiste à analyser les enjeux épistémologiques et ontologiques de la physique quantique au travers de la bande dessinée Le Mystère du MONDE QUANTIQUE de Damour et Burniat (2016), dans la perspective d’un enseignement de mécanique quantique en 2ème année de licence. Nous discutons au préalable de la pertinence, pour l’enseignement, de ce récit de fiction dans le cadre de la théorie des mondes possibles de Lewis, basée sur le principe de contrefactualité. Nous présentons ensuite une analyse en deux temps de cette bande dessinée. Nous proposons dans un premier temps une approche réflexive pour l’enseignement de la mécanique quantique, en discutant les concepts de la physique quantique introduits dans la bande dessinée (enjeux épistémologiques) et en analysant différentes interprétations de la mécanique quantique (enjeux ontologiques). Nous présentons dans un second temps une analyse préliminaire d’une séquence de cours portant sur les concepts et interprétations de la mécanique quantique dans laquelle des vignettes de la BD ont été utilisées pour répondre aux questions des étudiants.

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Texte intégral

Introduction et contexte

  • 1 Une analyse (« Du texte à l’image ») de récits de fiction a été présentée lors de la première éditi (...)
  • 2 Thibaut Damour a par ailleurs été récompensé par de nombreux prix (dont la médaille d’or du CNRS ou (...)

1Notre groupe de recherche travaille depuis plusieurs années sur l’enseignement de la mécanique quantique (MQ) en terminale scientifique (Lautesse, Vila Valls, Ferlin, Héraud, et Chabot, 2015) en particulier sur l’utilisation de récits de fiction pour cet enseignement (Héraud, Lautesse, Ferlin, et Chabot, 2017). Ces récits peuvent être un support original et motivant pour les élèves (Soudani, Héraud, Soudani-Bani, et Bruguière, 2015). Par ailleurs, Singh, Belloni, et Christian (2006) ont montré que pour une bonne compréhension des phénomènes il n’était pas suffisant d’aborder la MQ uniquement par son formalisme mathématique. En effet, une approche réflexive facilite l’apprentissage de cette nouvelle physique. Dans ce contexte, nous travaillons actuellement sur l’extension de l’utilisation de ces récits de fiction1 au niveau de la transition enseignement secondaire/supérieur. Nous nous intéressons notamment à l’usage didactique de la bande dessinée (BD) Le Mystère du MONDE QUANTIQUE (2016) dans la perspective d’un enseignement en licence de physique. Cette BD est écrite conjointement par Thibaut Damour, physicien français2 engagé dans la médiation scientifique et Mathieu Burniat, dessinateur et scénariste belge.

  • 3 L’épistémologie est la réflexion qui porte sur la manière de construire les savoirs scientifiques.
  • 4 L’ontologie est l’interrogation philosophique qui porte sur la nature et la structure de la réalité (...)

2Nous formulerons dans un premier temps notre problématique et nous proposerons un cadre théorique permettant d’une part de justifier l’intérêt épistémologique3 d’un récit de fiction dans un contexte d’enseignement et d’autre part d’éclairer les enjeux ontologiques4 liés au mystère du « monde quantique » qui est le « cœur » de la BD. Nous analyserons ensuite ces enjeux épistémologiques et ontologiques tels qu’ils sont abordés dans cette BD puis nous présenterons notre corpus ainsi que la méthodologie utilisée dans notre contribution. Nous discuterons enfin une séquence d’enseignement de MQ en 2ème année de licence de physique, où une partie réflexive a été proposée aux étudiants, grâce à l’intervention conjointe de l’enseignant et d’un philosophe de la connaissance. Nous avons utilisé une trentaine de vignettes de cette BD comme support à notre séquence d’enseignement.

Problématique et cadre théorique

3Notre objectif était de proposer aux étudiants de deuxième année de licence de physique (L2) une réflexion sur les concepts et interprétations de la MQ, en allant au-delà de la stricte utilisation du formalisme mathématique à laquelle l’enseignement se cantonne généralement. En effet, l’histoire de la physique quantique ne se réduit pas à l’histoire des progrès de son formalisme mathématique, car elle doit intégrer la question du genre de réalité qui peut correspondre à la MQ. Cette question controversée de la réalité physique que l’on peut attribuer -ou non- à la MQ est l’axe permettant de comprendre les étapes de son développement scientifique.

4Aujourd’hui encore, le « mystère » de la MQ n’est pas résolu. En effet, bien que la théorie quantique soit solidement établie depuis maintenant une centaine d’années et que ses succès soient nombreux tant du point de vue de ses résultats expérimentaux que de ses applications technologiques, le monde qu’elle « dessine » pose encore problème et reste en débat, sans qu’une réponse unique ne s’impose au sein de la communauté scientifique.

5Partant de ce constat, notre usage didactique du Mystère du MONDE QUANTIQUE se centrera principalement autour du questionnement ontologique qui est au cœur de l’exploration historique de la physique quantique par les deux personnages principaux, Bob et Rick. L’intrigue de la BD est centrée sur l’énigme suivante : pourquoi Rick le chien empaillé de Bob, se met-il soudain à revivre, alors qu’il avait été écrasé avec sa combinaison à oxygène par une météorite lors d’une expédition spatiale sur la Lune ? Comment comprendre le mystère d’une telle métamorphose -un chien mort en chien vivant- sans que celle-ci ne soit pour autant ni irrationnelle, ni inexplicable, ni relevant du magique ou du fantastique ? Les deux héros vont alors remonter le temps et partir à la rencontre des physiciens à l’origine des grandes découvertes de la physique quantique. Ils vont ainsi découvrir un autre monde obéissant à des lois physiques sans équivalent dans notre monde quotidien.

  • 5 David Lewis (1941-2001) est un philosophe américain de la deuxième moitié du vingtième siècle. Il f (...)

6Notre groupe de recherche a élaboré un cadre théorique (Héraud et al., 2017), que nous utilisons pour l’étude de cette BD. Ce cadre, issu de la philosophie analytique, est basé sur la théorie des mondes possibles de Lewis5 (1973). Cette théorie s’appuie en particulier sur le principe de contrefactualité, justifiant le recours à des récits de fiction comme levier pour se représenter les phénomènes physiques décrits par la MQ et inaccessibles à nos sens.

7Ainsi, les phénomènes physiques accessibles dans notre monde quotidien et représentables à notre échelle, sont les phénomènes qui mettent en jeu la physique macroscopique. Pour les étudier on a recours à la physique classique. Les grandeurs qui caractérisent ce monde macroscopique peuvent être mesurées avec des instruments de mesures classiques, tels un thermomètre, un baromètre, un microscope optique, une balance. A contrario, les phénomènes physiques décrits par la MQ ne sont généralement pas accessibles dans notre monde quotidien. Ils sont décrits par la physique microscopique. Ces phénomènes nous échappent donc au quotidien. Des instruments de mesure plus complexes, voire des mesures indirectes, tels que le microscope électronique ou les mesures d’absorption de photons par exemple, sont nécessaires pour les mettre en évidence. Ces phénomènes nous sont la plupart du temps imperceptibles.

8De ce fait, le recours à des récits de fiction est d’autant plus justifié dans le cas de la MQ que ces récits vont proposer un registre ontologique (de réalité possible) dans lequel les phénomènes non représentables à notre échelle seront figurés par des substituts graphiques ou narratifs. Il est important de constater que la non représentativité des phénomènes quantiques ne se réduit pas à une simple question d’échelle car ceux-ci sont régis par des lois intrinsèquement différentes. Par exemple, tout objet quantique peut se trouver simultanément dans différents états, ce qui est appelé « superposition d’états ». Dans cette BD, la superposition d’états se traduit graphiquement par la juxtaposition de couleurs différentes.

9On soulignera que cette BD est épistémologiquement rigoureuse quant à la structure d’un monde possible de nature quantique, construit en cohérence avec les principes et concepts de la MQ.

  • 6 Le « monde actuel », selon la terminologie de Lewis, est le monde quotidien dans lequel nous vivons

10Le cadre théorique sur lequel nous nous appuyons pour justifier la pertinence de l’utilisation de récits de fiction à des fins d’enseignement scientifique, est construit sur les cinq principes suivants définissant les rapports entre le « monde actuel »6 et celui de la fiction à partir de la théorie des mondes possibles de Lewis :

Principe de contrefactualité

  • 7 Tant qu’il n’est pas observé, un objet quantique n’a pas de position ni d’état déterminés. Il a une (...)

11Ce principe, fondateur des mondes possibles, s’énonce dans une proposition qui, pour un fait (ou une loi) contraire au monde actuel, donc faux dans notre monde, établit une conséquence vraie dans un autre monde, appelé monde possible. Dans la BD, ce principe est relatif au fait que la théorie quantique « semble doter le monde microscopique de propriétés surprenantes, comme la délocalisation spatiale ou la superposition de réalités contradictoires ! La théorie quantique remet en cause la vision habituelle du monde macroscopique qui nous entoure » (Damour & Burniat, p. 13)7

Principe de similarité comparative

12Le principe de similarité implique une modification a minima du monde actuel. Dans la BD, le monde dans lequel évoluent les personnages est un monde possible analogue au nôtre excepté l’apparition de phénomènes quantiques lors d’expériences de physique à l’échelle macroscopique. Par exemple, Rick, le chien de Bob, qui obéit au principe de superposition est donc à la fois « mort » et « vivant » mais reste similaire aux chiens de notre environnement familier.

Principe de consistance

13Ce principe consiste à proposer, dans un récit, une version fictionnelle consistante (c’est à dire non contradictoire) scientifiquement. Ainsi, les lois de la physique du monde possible créé par Damour et Burniat forment un ensemble cohérent.

Principe d’accessibilité cognitive

14Ce principe consiste en ce que le monde contre-intuitif d’un récit soit intelligible pour un lecteur sur un plan conceptuel. Ainsi, le caractère graphique de la BD permet de rendre visibles, sur un registre macroscopique, les principes et concepts quantiques, qui n’ont pas d’effet dans notre monde quotidien. Par exemple, la constante de Planck, qui est la porte d’entrée dans le monde quantique, est représentée sous différentes formes graphiques.

Principe de reconstruction

15Ce principe impose de pouvoir reconstruire les lois du monde actuel par confrontation avec les faits du monde possible. Dans le cas de la BD, l’apparition de phénomènes quantiques lors d’expériences de physique à l’échelle macroscopique dans le monde contrefactuel du récit, permet au lecteur de mieux s’approprier les principales interprétations de la physique quantique.

  • 8 Bohr est un physicien danois qui a été un des principaux fondateurs de la théorie quantique dans le (...)
  • 9 Everett est un physicien américain qui a proposé en 1957 une interprétation de la MQ en termes d’ét (...)
  • 10 A l’image de la BD, nous présentons cette opposition de points de vue entre les deux physiciens de (...)

16En mettant en avant le questionnement ontologique qui traverse la BD, notre objectif est d’aborder la MQ en confrontant deux points de vue antagonistes de la part des fondateurs de la théorie quantique. Le premier considère que la MQ est seulement une physique mathématique ne renvoyant à aucune réalité propre, alors que le second considère que la MQ a une réalité propre. Ainsi, deux postures et interprétations ontologiques principales, logiquement possibles, seront en jeu dans cette BD : soit la MQ est une fiction (au sens où elle n’a pas de réalité propre), seul existe le monde de la physique classique comme l’a souligné Bohr8, ou bien « Tout est quantique », ce que la posture de Everett9 peut justifier10.

17C’est bien là l’objectif de la BD et son parti-pris ambitieux : montrer que le monde quantique, malgré son caractère contre-intuitif à l’égard de notre monde quotidien n’a rien d’un monde fictif, mais correspond bien à la réalité du monde physique dans son ensemble. C’est ce mystère que la BD aura pour tâche de résoudre.

18Cette BD nous permettra de questionner, dans le paragraphe qui suit, la nature et les propriétés contrefactuelles des objets quantiques.

Enjeux épistémologiques et ontologiques de la MQ dans la BD

  • 11 Einstein fut lui aussi professeur à l’université de Princeton.
  • 12 De Broglie est un physicien français, et est un des pères fondateurs de la mécanique quantique. Il (...)
  • 13 Schrödinger est un physicien autrichien et un des pères fondateurs de la mécanique quantique. On lu (...)

19Ces enjeux, que les auteurs de la BD mettent en avant, nourrissent les débats des fondateurs de la MQ. On va assister avec Einstein11 d’abord et de Broglie12 ensuite à un renversement ontologique des positions ancrées dans la science en cours. Einstein va mettre en évidence le caractère corpusculaire de la lumière, de Broglie (voir vignette ci-dessous, Damour & Burniat, 2016, p. 50) mettra en évidence les propriétés ondulatoires de la matière que Schrödinger13 exprimera ensuite mathématiquement en proposant l’équation d’onde qui porte son nom, et qui s’applique à l’ensemble des objets quantiques non relativistes, de masse non nulle. 

Illustration 1

Illustration 1

Damour, Burniat © Dargaud, 2019

20Mais de Broglie ne va pas au bout de son intuition ondulatoire qui sera formalisée par Schrödinger.

21La question ontologique ainsi ouverte va entrainer de nouvelles aventures pour Bob qui est invité par Schrödinger : « J’ai justement rendez-vous avec certains d’entre eux pour débattre de ce que suggère la physique quantique sur notre réalité… ça promet d’être fort animé ! Voulez-vous m’accompagner ? » (p. 85). Ces débats auxquels Bob va participer (et même intervenir activement cette fois) feront se confronter quatre postures ontologiques.

L’ontologie ondulatoire de Schrödinger

22Emporté par un tourbillon dans le tableau des matrices, s’accrochant à la constante, h, comme à une bouée, Bob est tiré hors de l’eau par Schrödinger qui manifeste tout de suite son opposition de principe à l’idée que la MQ soit sans réalité physique :

  • 14 Heisenberg est un physicien allemand et un des pères fondateurs de la MQ. Son article fondateur sur (...)

« Même si ses résultats mathématiques sont exacts, Heisenberg14 se refuse à concevoir ce qui se cache derrière. Selon sa théorie, l’infiniment petit est un monde impénétrable et abstrait. J’ai moi-même décidé d’emprunter un autre chemin théorique. » Bob répond : « Vous … vous avez trouvé une façon plus intuitive pour décrire la physique des atomes ? » (p. 75).

  • 15 Notons que cette onde est décrite dans un espace à 3N dimensions (N étant le nombre d’objets quanti (...)

23Schrödinger explique à Bob qu’il a mathématisé la notion d’onde proposée par de Broglie et l’a étendue à toute la réalité physique : « A mon sens, il faut tout simplement abandonner l’idée que la matière soit faite de particules ! » (p. 82), « Toutes ces notions, je les remplace par une description purement CONTINUE ET ONDULATOIRE DE LA MATIERE ! […]. J’espère en effet être revenu à une vision déterministe de la physique quantique. » (p. 84). C’est sur ce postulat ontologique que Schrödinger formulera sa célèbre équation d’onde avec la fonction Ψ « […] notation que j’ai choisie pour noter l’onde associée à n’importe quel système matériel. » (p. 79) ; « Aussi étrange que soit cette onde15 Ψ, elle m’a permis d’obtenir une équation qui décrit toute la physique quantique ! ! » (p. 80), « […] LA formule qui résout, je l’espère, définitivement le mystère du monde quantique ! » (p. 81). « […] mon formalisme permettait de retrouver les tableaux infinis de Heisenberg » (p. 84). Notons que Schrödinger est en conflit avec certains de ses contemporains sur son ontologie ondulatoire et son épistémologie déterministe.

24Pour cette première posture nous avons sélectionné 4 vignettes se trouvant dans les pages 81 et 84, en particulier la vignette ci-dessous (Damour & Burniat, 2016, p. 81) : pendant que Bob et Schrödinger discutent au bord de l’eau, apparait dans un nuage, comme une formule magique sortant de nulle part, LA fameuse équation de Schrödinger, celle qui semble tout résoudre, sans que cela soit vraiment démontré.

Illustration 2

Illustration 2

Damour, Burniat © Dargaud, 2019

Le refus d’une interprétation ontologique

25L’école de Copenhague rejette toute interprétation ontologique spécifique de la théorie quantique. Born, en particulier, exclut l’interprétation ondulatoire de l’objet quantique comme on peut le lire sur la vignette ci-dessous (Damour & Burniat, 2016, p. 94).

Illustration 3

Illustration 3

Damour, Burniat © Dargaud, 2019

26Bob, qui comprend maintenant les enjeux relatifs aux différentes postures ontologiques objecte à Born, que ce dernier ne réfute pas l’équation de Schrödinger mais s’oppose à l’interprétation exclusivement ondulatoire qu’en a faite son auteur : « Mais alors, que nous dit cette équation sur la réalité ? Car enfin, elle met bien en jeu une onde Ψ » (p. 95). A quoi Born répond « c’est une onde de PROBABILITES. » (p. 96). Born rejette la formulation déterministe de l’équation de Schrödinger pour l’interpréter mathématiquement sous une forme probabiliste.

27Le questionnement ontologique est-il superflu et dénué de sens ? A la recherche insistante de Bob sur « la nature de la réalité quantique », Bohr répond « Jeune homme, c’est le genre de question qu’il ne faut pas poser » (p. 98), « Eh bien, je pense qu’il n’y a pas de réalité quantique objective … Seuls existent les résultats des observations, faites par des appareils que l’on peut décrire par les lois habituelles du monde classique ! Il ne faut pas essayer de savoir sous quelle forme est l’électron, avant qu’il ne se révèle dans un détecteur ! » (p. 100).

28Autrement dit il faut s’en tenir dans l’interprétation des lois scientifiques, aux phénomènes qu’elles permettent de prédire et d’observer, sans vouloir rechercher l’essence cachée du monde physique.
S’il n’y a donc pas de réalité quantique, il faut en revenir aux images classiques d’onde et de corpuscule pour décrire les phénomènes quantiques que nous pouvons observer soit sous forme de corpuscule soit sous forme d’onde, en accord avec le principe de complémentarité (p. 99) qui sera énoncé par Bohr.

29Afin d’illustrer ces propos lors de la séance de cours, nous avons choisi une dizaine de vignettes (p. 96-101) dans lesquelles nous retrouvons cette fois-ci les échanges de Bob avec les physiciens qu’il vient de rejoindre avec Schrödinger. Ils se retrouvent autour de différents jeux de hasard comme un jeu de roulette ou des jets de dés pour caractériser les « probabilités » d’obtenir tel ou tel résultat. La conversation se poursuit autour d’un jeu de billard dans lequel les boules sont là pour représenter un électron et un atome. On retrouve ici l’idée de la représentation du monde microscopique à notre échelle, sans que cela ne dérange personne. Le choc entre ces deux « boule/électron et boule/atome » de billard induit une onde de probabilité qui est représentée par un graphisme spécifique autour de l’atome afin de montrer les différentes probabilités d’obtenir telle ou telle position pour l’électron après le choc. Le code graphique permet là-encore de nous représenter ce que les formules mathématiques générées par la MQ semblent nous imposer.

30La discussion s’engage alors avec Bohr, qui n’est pas convaincu de l’existence de ces probabilités. Il est représenté comme un homme taciturne, fumant la pipe lorsqu’il s’adresse à Bob pour lui exposer ses idées, mais qui finit par se mettre en colère pour affirmer ses idées lorsqu’il est poussé dans ses retranchements.

L’incomplétude ontologique du monde quantique

31Entérinant la déception de Bob sur le fait que « ces messieurs [de l’école de Copenhague] nous disent que la physique quantique n’a rien à nous apprendre sur la réalité de l’Univers » (p. 102), Einstein rejette le positivisme et maintient la légitimité du questionnement ontologique : « Bohr et Born ne cessent de considérer tout questionnement sur la réalité quantique comme une hérésie à combattre ! […] Cette philosophie positiviste est absurde ! » (p. 102). « Born nous dit que la physique quantique est fondée sur le hasard… …Mais pour moi, Dieu ne joue pas aux dés ! » (p. 102). Le dialogue entre Bob et Einstein se poursuit alors, comme on peut le voir sur les vignettes ci-dessous (Damour & Burniat, 2016, p. 103) :

Illustration 4

Illustration 4

Damour, Burniat © Dargaud, 2019

32Selon Einstein, la théorie est incomplète dans son état actuel : « Cependant, elle [la formule de Schrödinger] nous donne une vision incomplète de la réalité » (p. 103).

33Une nouvelle interprétation ontologique serait-elle alors à concevoir ?
Les vignettes choisies se trouvent pages 102 et 103. La première montre Einstein et Born, debout sur un dé géant, échangeant leurs idées sur le rôle du hasard. Dans les autres vignettes, Bohr intervient, au clair de Lune qui apparait derrière la fumée de sa pipe. Puis Bob, accompagné de son chien Rick, se retrouve finalement devant ces trois grands physiciens et pense pouvoir conclure sur la question de la réalité quantique. Cependant la réponse n’arrive pas, et les savants, par leur attitude, montrent qu’ils ne savent pas répondre et qu’ils ne sont pas d’accord.

L’ontologie des « mondes multiples » d’Everett

34La dernière rencontre de l’album est celle d’Everett qui passe en revue critique la divergence des positionnements ontologiques soutenus par les scientifiques de la MQ dans la vignette (p. 110) qui résume l’ensemble du périple effectué, à partir de l’exigence ontologique posée par Einstein contre l’Ecole de Copenhague : « Il ne faut jamais renoncer à essayer d’avoir une description objective du monde ! » (p. 110). Everett tente de combiner les acquis de ces différentes positions en proposant une nouvelle interprétation. Ainsi, l’expérience de pensée du chat de Schrödinger sera jouée par le chien Rick dans la BD, avec les risques que cela comporte : le trouver mort lorsqu’on ouvrira l’enceinte dans laquelle on va répéter l’expérience mortelle. Everett ajoute comme Schrödinger « La fonction d’onde est comme le génie d’Aladin. Une fois qu’elle sera sortie de la petite bouteille du monde atomique, elle envahira le monde macroscopique de sa nébulosité ! » (p. 115). On voit en effet Rick à la fois mort et vivant dans son enceinte, de deux couleurs différentes.

35C’est une fiction que rend possible le graphisme de la BD, pouvant représenter des situations contradictoires que l’on ne peut rencontrer dans la vie réelle. « C’est cette même absurdité que Schrödinger voulait dénoncer en proposant l’expérience que nous venons de réaliser. » (p. 116).
Nos deux protagonistes demandent à Everett sur cette base qu’ils ont eux-mêmes acquise de « … RESOUDRE LE MYSTERE DU MONDE QUANTIQUE ! » (p. 112).

36Si les états de superposition existent pour les objets macroscopiques, comment expliquer qu’on ne les voit pas ? C’est que la fonction d’onde décrit mathématiquement l’ensemble des configurations possibles, auxquelles sont associées des nuances de couleurs différentes, plus ou moins intenses en fonction de leur probabilité de se produire. La réalité est un peu comme un film fait de la surimpression de plusieurs sous-films sur la même pellicule. (p. 121). A la remarque de Bob selon laquelle tout cela n’est que de la fiction : « Vous n’avez pas l’air de comprendre…Ce qui se passe sous vos yeux est bien réel ! ! C’est là que réside ma découverte ! » (p. 122). « Chacune de ces configurations existe réellement, sans être « consciente » l’une de l’autre ! » (p. 122).

37Everett radicalise la conception du monde quantique de Schrödinger en lui trouvant une issue logique pour ce qui concerne le monde macroscopique. « Chaque configuration […] n’est consciente que de l’environnement avec lequel elle interagit… » (p. 123), « c’est un peu comme les ondes émises par des stations radio différentes… » comme le précise Everett dans la vignette ci-dessous (Damour & Burniat, 2016, p. 124).

Illustration 5

Illustration 5

Damour, Burniat © Dargaud, 2019

« Tu as compris, Bob ! Il existe une autre surimpression de la réalité, où j’ai bien été tué par le gaz. Dans cette réalité, tu dois être en train de pleurer sur ma misérable dépouille. » (p. 126).

38Voilà l’énigme du départ résolue, celle de deux mondes qui coexistent, mondes générés par le fait que le météore s’écrase ou non sur Rick lorsqu’il se trouve en mission sur la Lune. Il y a de façon complémentaire un monde dans lequel le météore ne s’écrase pas sur Rick, et où le chien rentre vivant sur Terre et un monde dans lequel Rick est écrasé par le météore et meurt.
On peut alors conclure que le monde quantique est une surimpression de réalités multiples.

39Finalement, « …LE MONDE QUANTIQUE EST PARTOUT ! » (p. 124), veut dire deux choses : En premier lieu, « Le monde quantique est un monde multiple fait de la superposition de réalités classiques différentes ! » (p. 126). En second lieu, « Cette superposition de réalités […] s’étend à tout l’Univers, y compris l’Univers lointain des galaxies ! » (p. 127).

40Pour illustrer cette dernière interprétation nous avons à nouveau sélectionné des vignettes (p. 124-127) où les couleurs choisies sont fondamentales. La couleur des personnages ou du décor des vignettes représentent cette « superposition d’états possibles », dans des mondes différents. Nous avons choisi de présenter la dernière vignette de l’album (voir ci-dessous, Damour et Burniat, 2016, p. 138) où l’on voit, sur le même dessin, Bob pleurant son chien mort sur la Lune, tous deux dessinés en bleu, et simultanément Bob et Rick, parfaitement vivants, apparaissant cette fois-ci en rouge, partant à la découverte de la Lune. Encore une fois, les codes graphiques amplifient la narration et facilitent la compréhension du phénomène de superposition.

Illustration 6

Illustration 6

Damour, Burniat © Dargaud, 2019

41Cette présentation des enjeux épistémologiques et ontologiques de la BD, tant du point de vue narratif que du point de vue graphique, justifie la pertinence de l’utilisation de cette BD dans un contexte d’enseignement. Dans cette narration, les physiciens fondateurs de la MQ jouent leur propre rôle personnifiant ainsi l’histoire conceptuelle de la MQ. On voit ainsi évoluer ces personnages qui défendent chacun dans leurs travaux, leurs conceptions de la MQ et de la réalité physique qu’elles sous-tendent. Du point de vue graphique, l’exposition de différentes interprétations de la MQ par ces physiciens est appuyée par des éléments visuels (couleurs, mises en situation, postures et expressions…) qui permettent de renforcer les interrogations de Bob sur la pluralité des solutions possibles.

42Comment alors cerner le bénéfice potentiel présenté par le recours à cette BD dans un contexte d’enseignement ? Précisons dans un premier temps notre corpus et notre méthodologie de recherche.

Corpus et méthodologie

Corpus

43A travers un voyage rétrospectif dans le temps, la BD Le Mystère du MONDE QUANTIQUE restitue les étapes de formation de la théorie quantique, à travers les débats ontologiques et épistémologiques qu’elle a suscités. Cette histoire conceptuelle de la physique quantique est présentée en utilisant les modes de narration verbal et graphique pour introduire certains concepts de la MQ (« dualité » onde/corpuscule, superposition des états quantiques, etc.). Il s’agit ici de faire comprendre aux lecteurs ce qui se passe dans un monde possible et qui est incompréhensible selon les repères qui sont ceux de notre connaissance des phénomènes de notre monde quotidien. Il faut pour cela changer de paradigme (Kuhn, 1962) c’est-à-dire révolutionner notre cadre de compréhension intellectuelle en réinterrogeant les concepts d’onde et de particule notamment, et en essayant de dépasser ce qui peut alors faire obstacle.

  • 16 Les vignettes choisies sont : p. 81, Vignette 2 (V 2) ; p. 84, V 4 et 5 ; p. 96, V 1 à 6 ; p. 97, V (...)

44A partir de la BD, nous avons construit une séquence de cours dont l’objectif est de permettre aux étudiants d’aborder sous un angle plus philosophique les concepts de la physique quantique étudiés lors des séances précédentes, ainsi que des interprétations possibles de la mécanique quantique. Une trentaine de vignettes16 tirées de la BD ont été utilisées lors de cette séquence de cours analysée dans la suite de l’article. Ces vignettes ont été sélectionnées comme support visuel afin d’aider les étudiants à se représenter ces différentes postures ontologiques de la MQ et à mieux suivre le débat.

Méthodologie 

45Cette séquence a été élaborée et proposée par l’enseignant de cours magistraux (CM) de MQ de L2 et par un philosophe de la connaissance, tous deux impliqués dans le groupe de recherche présenté en introduction.

46La promotion est composée de 139 étudiants, 105 dans la mention physique et 34 dans la mention physique chimie. Les étudiants ont été prévenus dès le premier cours du semestre, lors de la présentation de l’Unité d’Enseignement (UE), de la venue d’un philosophe de la connaissance en toute fin d’année afin d’aborder d’une part le rôle de l’observateur dans les expériences faites avec des objets quantiques, et d’autre part les interprétations de la mécanique quantique.

47Ce cours suit une approche historique de la physique moderne. L’objectif de cette UE est de faire prendre conscience aux étudiants de la rupture épistémologique qu’il est nécessaire d’opérer afin de comprendre cette nouvelle physique. Nous n’abordons donc que très peu le formalisme mathématique qui sera principalement étudié en troisième année de licence.

48L’UE se divise en quatre chapitres. Le premier chapitre porte sur une introduction à la physique statistique. Les deuxième et troisième chapitres sont consacrés à la compréhension de la transition entre la physique classique et la physique moderne. Les expériences fondatrices de la mécanique quantique que sont le rayonnement du corps noir, la variation de la capacité calorifique en fonction de la température et l’effet photoélectrique sont utilisées pour justifier l’introduction de la constante de Planck, h. Le quatrième chapitre concerne à proprement parler l’introduction à la mécanique quantique. L’expérience des doubles fentes de Young est alors utilisée pour montrer le « double aspect » ondulatoire et corpusculaire des photons. En complément de cette expérience des fentes de Young, nous introduisons la célèbre expérience de pensée proposée par Schrödinger. Un chat est enfermé dans une boite dans laquelle se trouve un atome radioactif qui présente une probabilité égale de désintégration et de non désintégration pendant une durée de référence d’une heure. Si l’atome se désintègre, il actionne un dispositif qui libère un poison volatil qui tue le chat. Tant que la boite est fermée, la théorie quantique impose que l’atome est dans une superposition d’états « désintégré » et « non désintégré ». Si on poursuit le raisonnement, le chat est donc lui-aussi dans un état de superposition « vivant » et « mort » ce qui est évidemment absurde. Il semble donc exister une contradiction entre les lois de la MQ et celles de notre monde quotidien (macroscopique). Cette expérience permet d’aborder le rôle de l’observateur dans les expériences sur des objets quantiques et le difficile passage de la physique quantique à la physique classique, donc des objets microscopiques aux objets macroscopiques. L’expérience des fentes de Young et celle du chat de Schrödinger sont propices au questionnement ontologique sur les fondements mêmes de la mécanique quantique. Les étudiants posent régulièrement des questions sur l’interprétation que l’on peut donner de ces deux expériences.

49Dans ce contexte, le récit de Damour et Burniat s’articule bien avec le cours dispensé aux étudiants de L2 sur la physique microscopique. Cet enseignement est construit pour susciter une réflexion sur ce qu’est la fonction d’onde (signification physique, complétude, problème de la mesure, superposition…) en proposant une ouverture sur des interprétations possibles. La BD, au travers de l’histoire conceptuelle de la MQ et de certaines de ses interprétations, peut justement permettre aux étudiants de recentrer leur réflexion sur la nature de la fonction d’onde.

50La séquence d’enseignement au cours de laquelle la BD a été mobilisée intervient à la fin du quatrième chapitre du cours. D’une durée de 50 minutes, elle était prévue comme un échange libre entre les étudiants, l’enseignant de CM et le philosophe, dont la venue avait été annoncée au début du chapitre aux étudiants afin qu’ils préparent leurs questions et réflexions. Le rôle du philosophe a été conçu avec l’enseignant non sous forme d’un exposé mais pour susciter un questionnement collectif des étudiants à propos des enjeux ontologiques se rapportant aux différentes interprétations de la MQ.

51Pour construire cette séquence, nous avons utilisé une trentaine de vignettes de la BD, sélectionnées majoritairement entre les pages 81 et 103 de la BD, concernant les différentes représentations des physiciens correspondant à certaines grandes interprétations actuelles de la mécanique quantique qui seront exposées dans la suite de l’article. Ces vignettes ont été en partie décrites lors de la présentation des différentes interprétations dans le paragraphe III.

52La séquence a été construite autour des questions des étudiants et les diapositives ont été projetées au fur et à mesure des échanges. Avant de donner la parole aux étudiants, l’enseignant a projeté la diapositive de la figure 1 qui est une synthèse des notions abordées dans les deux CM précédents concernant le rôle de l’observateur. Le but est de pouvoir revenir sur la nature de la fonction d’onde Ψ de l’équation de Schrödinger et sur certaines des interprétations qui en sont faites.

Figure 1 : diapositive d’introduction de la séquence d’enseignement.

Figure 1 : diapositive d’introduction de la séquence d’enseignement.

53Cette diapositive permet à l’enseignant, dans une première approche, de synthétiser les concepts de la physique quantique (onde, particule…) notamment au travers du problème de la mesure tel qu’il a été abordé en cours avec l’expérience des doubles fentes de Young et l’expérience de pensée du chat de Schrödinger. Dans une seconde approche, et c’est son objectif principal, cette diapositive a permis à l’enseignant de discuter quelques interprétations principales de la mécanique quantique (en plus de celles qui ont été présentées dans le paragraphe III et qui étaient issues de la BD) :

    • 17 Pauli est un physicien autrichien connu pour sa définition du principe d'exclusion en MQ, ou princi (...)

    le cas où la fonction d’onde décrit complètement le système conduit à la théorie des états relatifs (Everett, 1957) que DeWitt (1973) reformulera en terme de multivers, ou à l’interprétation dite standard de la mécanique quantique (appelé aussi interprétation de Copenhague, même si ce qualificatif mériterait une plus vaste discussion). Dans la théorie des multivers, DeWitt considère que le formalisme décrit totalement la réalité. En revanche l’interprétation standard (portée par Bohr, Heisenberg, et Pauli17) correspond à une conception positiviste de la mécanique quantique, selon laquelle la théorie quantique ne décrit pas la réalité, mais permet seulement de connaître les résultats d’opérations de mesure. Dans ce cadre, l’équation de Schrödinger est interprétée en terme de densité de probabilité (interprétation de Born) et elle est probabiliste par essence. L’interprétation standard est celle qui est proposée dans l’enseignement de la mécanique quantique, en France mais aussi dans la plupart des pays.

    • 18 Dans cette théorie, Bohm (1952), ajoute des variables cachées dites non locales (positions, vitesse (...)
    • 19 Bohm est un physicien américain qui a notamment repris les travaux de de Broglie (physicien françai (...)

    le cas où la fonction d’onde ne décrit pas complètement le système conduit à ajouter des termes supplémentaires dans l’équation de Schrödinger. C’est le cas des théories à variables cachées non locales18, dont l’exemple le plus connu est la théorie de Bohm19 (1952) qui constitue ainsi plusieurs équations et réintroduit l’aspect déterministe, donnant ainsi une alternative aux interprétations probabilistes.

  • 20 On pourra se reporter au chapitre II de Laloë (2017) pour davantage de précisions.
  • 21 D’autres physiciens ont proposé d’introduire une évolution de type stochastique en introduisant des (...)

54Notons que les interprétations de la MQ sont extrêmement nombreuses20 et nous avons seulement pris pour exemple celles qui sont le plus fréquemment citées21 et qui permettent une discussion directe sur la complétude ou non de la fonction d’onde.

55Nous avons ensuite présenté l’intrigue de la BD et justifié l’utilisation des vignettes comme support de réponses aux questions et commentaires en faisant l’hypothèse que les vignettes présentées seront une aide pour la compréhension des étudiants lors des réponses à leurs interventions

Grille de lecture

56En amont de la séquence proposée, nous avons défini une grille de lecture a priori pour catégoriser les questions des étudiants et leurs commentaires. De notre point de vue, les interventions des étudiants, suite au cours qui avait été dispensé et compte tenu de ce qu’ils pouvaient potentiellement connaître de manière informelle, peuvent être synthétisés dans une grille de lecture comprenant trois points principaux :

  1. le premier item est relatif à un questionnement portant sur le caractère « mystérieux » des phénomènes quantiques (contre-intuitifs car non explicables ou observables à l’échelle du monde empirique, tel l’exemple du chien Rick mort-vivant),

    • 22 En mécanique quantique, la mesure fait passer le système d’un état de paquet d’ondes (s’il y a lieu (...)

    le deuxième item est relatif à une problématisation des concepts propres à la MQ : superposition des états, réduction du paquet d’ondes22,

  2. le troisième item est relatif à un enseignement de la MQ, soit complètement centré sur le formalisme en privilégiant donc l’aspect mathématique, soit au contraire ouvert sur les concepts ou principes, et qui n’est donc pas réduit au formalisme de la MQ mais qui aborde aussi la dimension ontologique.

57Les questions et commentaires des étudiants lors de la séquence, ainsi que les réponses des intervenants ont été enregistrés. Par ailleurs, suite à la séquence de cours, les étudiants ont été invités à donner leurs impressions, par écrit, sur la séance. L’analyse de ces différentes réactions des étudiants constitue l’objet de la partie suivante.

Résultats et discussions

Analyse des commentaires et questions des étudiants pendant la séance

58Rappelons que cette séquence de 50 minutes a été élaborée et conduite conjointement par l’enseignant de physique et par un philosophe de la connaissance. L’objectif du philosophe est de faire émerger chez les étudiants une prise de distance critique sur la signification des concepts de la MQ enseignés, au-delà ou en complément de leur expression mathématique, sans imposer une présentation détaillée des interprétations auxquelles elle a donné lieu. Le tableau synthétique (figure 1) sert de cadre pour susciter les questions et commentaires des étudiants.

59Concernant les vignettes, l'enseignant s’appuie sur une vignette du début de la BD pour relier l'énigme de l'intrigue (le sort du chien Rick) au « mystère du monde quantique », la résolution de celui-ci apportant une solution à celle-là :

« Dans la première image du livre, Rick, le chien de Bob meurt. Bob est inconsolable de la mort de son chien. Puis, Bob est « projeté » au début du XXème siècle et va ainsi traverser l’histoire de la MQ. Il va rencontrer la plupart des physiciens qui ont apporté des contributions majeures sur le sujet et discuter avec eux. La constante, h, fondamentale de la MQ, accompagne également Bob dans ses pérégrinations. A la fin de l’histoire, Bob comprend que le monde dans lequel son chien est mort n’est qu’un des mondes possibles et donc il peut en exister d’autres où il continue à vivre. Nous pourrons discuter cette interprétation de la MQ que propose le livre, celui des univers multiples. »

60Comment expliquer que Rick, le chien (empaillé) mort dans notre monde, puisse revivre dans un monde gouverné par les lois la physique quantique ?

61Les étudiants ont posé une quinzaine de questions et fait des commentaires. Deux grands sujets ont été abordés du point de vue d'une réflexion philosophique, celui des mondes multiples d'Everett sous-tendu par le problème de la réduction du paquet d’ondes par l’observation, et celui de la place des mathématiques dans la MQ, sujets encore en débat pour lesquels aucune réponse définitive n’est apportée à ce jour. Dans les deux cas on retrouve bien le questionnement ontologique sur la nature de la fonction d’onde Ψ et sur le statut des états de superposition régis par l’équation de Schrödinger.

62Nous allons discuter ces questions et commentaires en fonction de la grille de lecture définie a priori lors de notre lecture de la BD.
Au fur et à mesure de ces interventions, l’enseignant projette les vignettes de la BD en rapport avec la nature des interventions relatives soit aux états de superposition, soit à l’interprétation des univers multiples où le graphisme prend toute sa pertinence, à la fois synthétique et explicite par sa nature visuelle. En effet, dans cette séquence, les vignettes ont été utilisées comme illustration et clarification des événements caractéristiques de la MQ, sur un autre registre que verbal

63Il est important de souligner que le débat, bien que guidé par la présentation faite par l’enseignant, était totalement libre. Les items n’ont pas tous été abordés par les étudiants et à l’opposé, certains sujets abordés par les étudiants n’ont pas pu être illustrés par les diapositives que nous avions préparées puisque certains de ces sujets sortaient du cadre de la BD.

64Pour cette analyse, nous reprenons les trois items de notre grille :

  1. le premier item porte sur le questionnement relatif au caractère « mystérieux » des phénomènes quantiques. Sur les 15 interventions, aucune n’est véritablement relative à cet aspect mystérieux ou contre-intuitif : le terme « contre-intuitif » n’est cité qu’une seule fois. Comme on le verra dans l’item c/, certains étudiants pensent que « la » solution consiste à s’intéresser uniquement à l’aspect mathématique de la MQ, c'est-à-dire à son formalisme et non à son ontologie de l'objet quantique. Notons que l’expérience des doubles fentes de Young, ou l’expérience de pensée du chat de Schrödinger ont été l’objet de cours précédents, ce qui peut contribuer à atténuer l’effet « mystérieux » de la physique quantique.

    • 23 Von Neumann est un physicien américano-hongrois et un des pères fondateurs de la mécanique quantiqu (...)
    • 24 Wigner est un physicien américano-hongrois. Il fut professeur à Princeton.

    le deuxième item porte sur la problématisation des concepts propres à la MQ : Davantage de questions abordent ces concepts, notamment l’expérience des doubles fentes de Young et sur cette base le problème de la réduction du paquet d’ondes. Ces aspects ayant été exposés en cours, plusieurs étudiants abordent ce problème du côté de la non réduction et de ses conséquences sur l’ontologie de la physique quantique. Dans l’intervention 3, l’étudiant demande : « ...il y aurait combien de mondes, une infinité de mondes différents, ou ça serait... ? ». Trois autres interventions (1, 10 et 11) portent sur l’existence de mondes multiples bien séparés avec un observateur par univers : « Les univers, pardon, oui, voilà c'est pour dire [...] qu'y a aucune observation possible entre eux en fait, aucune preuve tangible de ça... »
    Pour répondre à ces commentaires ou questions, deux vignettes de la page 126, jouant sur la dualité de couleurs pour expliquer l’existence de mondes multiples ont été projetées aux étudiants. Rick fait prendre conscience à Bob de l’existence de ces mondes différents : « Dans cette réalité, tu dois être en train de pleurer sur ma misérable dépouille. »
    La dernière vignette de la BD a ensuite été projetée : elle représente le chien Rick à la fois mort et vivant sur la Lune, sous la modalité de deux couleurs, pour marquer la séparation de mondes parallèles, exemplifiant les états de superposition.
    Ces deux vignettes ont été discutées dans la partie du paragraphe III relative à « l’ontologie des « mondes multiples » d’Everett ».
    Des étudiants veulent comprendre au-delà du constat, les raisons et/ou les conséquences du phénomène de réduction. Ainsi dans l’intervention 3, l’étudiant poursuit : « Mais justement, avec la réduction du paquet d’ondes, ce que je ne comprends pas, c’est ce que devient l’énergie associée aux autres… ». Plus surprenante encore, est l’intervention 7, qui relie la réduction du paquet d’ondes à la conscience : « Le rôle de la conscience. Est-ce qu'on ne serait pas avec la réduction du paquet d’ondes à la limite de l'intelligible en fait ? […] Est-ce qu’on n’atteint pas une limite par rapport à la conscience ? »
    Concernant la question sur le rôle de la conscience, elle ne correspond à aucune vignette de la BD, mais on relèvera la pertinence d'une telle question, redoutable du point de vue philosophique : elle ouvre une perspective épistémique, celle de savoir si ce sont les structures de la conscience humaine qui formateraient la connaissance des phénomènes quantiques. Il convient de noter que l’aspect « réduction du paquet d’ondes par la conscience », cher à Von Neumann23 (1932) mais aussi à Wigner24 (1967), n’a pas été du tout abordé au cours de cette séance, et n’est pas non plus présent dans la BD, mais reste un problème important en physique quantique.

  2. le troisième item est relatif à un enseignement de la MQ, soit complètement centré sur le formalisme en privilégiant donc l’aspect mathématique, soit au contraire ouvert sur les concepts ou principes, qui ne soit pas réduit au formalisme de la MQ mais qui aborde aussi les aspects épistémologique et ontologique. Les questions posées relatives à cet item sont également très surprenantes et instructives. Les aspects ontologiques ne sont pas vus comme complémentaires au formalisme mathématique, mais plutôt en opposition. Les mathématiques se suffisent à elles-mêmes et point n’est besoin d'interprétations, affirme l'étudiant lors de l’intervention 8 : « C’est juste, l’interprétation elle apporte rien, y’a le niveau purement physique, comme vous l’avez dit pour les forces, ça a beau paraître contre-intuitif les maths sont là, elles fonctionnent, elle continuent, donc ce que vous disiez à l’instant, ça peut juste bloquer dans le pire des cas, au mieux ne rien faire, mais l’interprétation… » Seules les mathématiques peuvent nous apporter la solution, le reste sont des spéculations intellectuelles.

65Les progrès de la théorie quantique n’ont été réalisés que grâce aux équations successives établies par différents physiciens, en partant d’une théorie non relativiste (Schrödinger) à des théories relativistes (Klein-Gordon, Dirac) selon l'étudiant lors de l’intervention 6. En tout état de cause, seuls les formalismes sont à considérer pour cet étudiant : « ...je vois qu’on utilise un peu les équations de Schrödinger, et tout ça mais par contre on sait très bien que les équations de Schrödinger partent d’un avis classique, [...] Il faut regarder du côté de Dirac, Klein-Gordon. Je ne sais pas pourquoi on parle de Schrödinger tout le temps… ».

66Pour alimenter ces débats, les 4 vignettes sélectionnées, concernant la discussion entre Bob et Schrödinger, ont été utilisées ici afin de montrer l’importance de cette fameuse équation de Schrödinger. Ces vignettes ont été discutées dans la partie du paragraphe III relative à « l’ontologie ondulatoire de Schrödinger ».

67Un autre aspect concerne les interventions relatives à l’ontologie des univers multiples d'Everett : d'une part, la question de savoir s'il y a une démonstration mathématique (intervention 1) : « C’est par rapport aux états multiples, ça se démontre mathématiquement ou peut-être autrement, est-ce que c’est une hypothèse simplement ou est-ce que ça a été démontré d’une manière quelconque ? » ou d’autre part s'il y a une preuve expérimentale (intervention 10) « ... y a aucune observation possible entre eux en fait, aucune preuve tangible de ça. [...] on pourra jamais prouver qu’il existe différents univers. »

68Un étudiant revient vers la fin de la séquence sur la difficulté à comprendre et à se représenter l'ontologie de la MQ. Pourquoi l'ontologie du monde quantique nous reste mystérieuse ? On remarquera la pertinence de son argumentation (suite de l’intervention 8) :

« ...Mais est-ce qu’on ne peut pas se dire que ces questions d’interprétations sont plutôt du domaine de la métaphysique, ou pourquoi c’est plus difficile pour nous d’imaginer un objet quantique, alors que pour nous c’est très facile d’imaginer une particule ou une onde, et même une force, alors que de manière objective, est-ce qu’une force, une particule, une particule classique a plus de raison d’exister qu’un objet quantique ? Nous, on est né dans un monde qui est quand même classique, avant qu’on soit là, on n’a pas expérimenté la MQ. »

69Nous avons projeté les vignettes relatant les interventions de Bohr quant à son refus d’envisager l’hypothèse même d’un monde quantique dans la partie du paragraphe III « Refus d’une interprétation ontologique ».

70Nous allons présenter maintenant notre analyse des commentaires écrits par les étudiants à la suite de la séquence.

Présentation des réponses écrites des étudiants à l'enseignant de physique

71Une question totalement libre concernant leur impression sur cette séance didactique leur a été posée : « Pouvez-vous donner votre avis sur la deuxième partie du cours de vendredi dernier, le 6 avril ? »

72Sur les 139 étudiants inscrits à cette UE, 120 suivent régulièrement les enseignements. 90 étudiants environ étaient présents à cette séance d’enseignement et nous avons eu 71 réponses, ce qui rend ce retour significatif. Certaines réponses détaillées ci-dessous s’inscrivent dans plusieurs thèmes, ce qui fera un total supérieur à 71.

Réactions des étudiants concernant la séance de cours

7312 étudiants ont juste signifié que cela était « intéressant » et 4 que l’on perdait son temps à se poser ce genre de questions. 30 étudiants ont apprécié d’avoir une ouverture, avec un enseignant d’une autre discipline, pour les amener à réfléchir sur ces questions fondamentales et aux limites que comportent ces théories. Voici un exemple de commentaire : « Très intéressant, je suis sortie du cours avec beaucoup plus de questions que j’en avais avant de venir. Maintenant je suis plus intéressée par le sujet. »
14 ont déclaré être trop novices pour pouvoir profiter pleinement de cette séquence. Certains indiquent qu’ils auraient aimé une conférence à part entière ou a minima une présentation des différentes interprétations afin de pouvoir mieux apprécier ces échanges : « Un résumé rapide des concepts historiques et propositions d'explications par les différents physiciens serait utile pour apprécier la discussion/débat. »
5 étudiants ont indiqué être satisfaits de pouvoir aborder la MQ sans mathématiques.
Enfin, une quinzaine de réponses porte sur différents domaines comme la durée de la séquence, la pertinence du sujet, des intervenants et du type d’enseignement, le lien avec le cours et la durée des prises de parole des intervenants.

Réactions des étudiants concernant l’utilisation de la BD

745 étudiants sont revenus sur le support visuel proposé avec la projection des vignettes de la BD au fur et à mesure de la séquence, en fonction des questions posées. « Le support (la BD) était assez ludique. », « J'ai bien aimé lire les quelques extraits de la BD qui expliquaient bien les différentes interprétations. », « J'ai aussi été très intéressée par la BD "les mystères du monde quantique" qui semble être un bon moyen d'aborder cette matière. »

« J'aurais préféré une vraie partie "cours", avec la vision qu'ont les philosophes sur les sciences, basée sur la BD (qui est vraiment bien faite, et qui nous aide à se représenter les idées) et seulement dans un second temps, plus court, des questions. »

« J'ai vraiment trouvé que c'était un cours très intéressant. Il y avait beaucoup de discussions, et cela faisait vraiment penser à tout le monde, et toutes les questions quantiques qui font mal à la tête. J'ai bien aimé le livre (la BD) qu'on a regardé, et j'ai bien aimé cette expérience de grande discussion en CM, surtout avec un thème avec beaucoup d'interprétations différentes, et avec beaucoup des gens qui pensent différemment. »

Réflexions préliminaires sur le retour des étudiants

75Uniquement 5 étudiants sont revenus sur l’utilisation de la BD. On note qu’ils ont apprécié ce support et que pour un étudiant, cela l’a aidé à suivre les échanges. En fonction des autres réponses, nous estimons que cette séquence a permis aux étudiants d’entrer dans un questionnement portant sur les fondements de la MQ. Ce questionnement a été largement suscité et facilité par les interventions du philosophe. Cette expérience est donc à renouveler, et à améliorer afin que le maximum d’étudiants puisse suivre ces échanges. L’utilisation de cette BD, pour faire une petite introduction sur le sujet, avec des points de repère tout au long des échanges, est envisagée.

76D’une part, les interprétations ont passionné un bon nombre d’étudiants même si quelques-uns préfèrent ne s’intéresser qu’au formalisme pur et dur. D’autre part, le support de la BD a été considéré comme ludique mais également comme une aide à la compréhension. Il y a certes peu d’étudiants qui ont évoqué la BD mais tous l’ont fait en termes positifs.

77Le fait qu’une minorité d’étudiants commentent la BD comme support à la discussion et à la compréhension de la MQ semble venir du fait que les vignettes n’ont été montrées qu’en réponse aux questions, et non introduites comme support d’un cours magistral de MQ.

78Un étudiant fait d’ailleurs explicitement remarquer qu’il serait judicieux de présenter la BD avec ses enjeux comme complément de cours et de proposer une discussion ensuite.

Conclusion et perspectives

79Notre article a permis de présenter les aspects épistémologiques et ontologiques de la MQ dans la BD de Damour et Burniat, et de rendre compte de l’utilisation d’extraits de cette BD pour développer une réflexion critique sur les interprétations de la MQ. L’analyse que nous avons faite permet de préciser le statut de cette BD dans la fonction éducative que nous voulons lui faire jouer. La BD n’est pas étudiée comme objet littéraire, sans cependant négliger sa fonction heuristique émanant de sa dimension narrative. En faisant le choix de certains épisodes-clés nous pouvons montrer que cette BD ne se réduit pas à une fonction d’illustration documentaire, mais est aussi un support original pour faire entrer ses lecteurs dans la logique du monde quantique (ni magique, ni irrationnelle), au sens où sa « compréhension » exige le bouleversement des cadres de pensée par lesquels nous nous représentons notre monde physique. En plus de sa richesse scientifique, la BD nous offre une palette graphique extrêmement intéressante qui permet une représentation visuelle de la « réalité quantique » telle que la superposition d’états avec des images de couleurs et d’intensités différentes en surimpression.

80D’autre part, notre article a également permis de présenter une première approche relative à une séquence de cours où l’épistémologie et l’ontologie de la MQ ont été abordées de manière originale (intervention d’un philosophe de la connaissance et bande dessinée). Ce type de discussion a été apprécié par la grande majorité des étudiants, aussi bien sur la forme que sur le fond. Les rares critiques négatives, regrettant que l’on ne s’intéresse pas en cours exclusivement au formalisme sont également riches d’enseignements. Bien que depuis 2012, en terminale scientifique, les concepts soient privilégiés et notamment dans les chapitres d’introduction à la MQ qui a fait sa réapparition dans les manuels cette année-là, certains étudiants semblent continuer à privilégier une conception bohrienne de la MQ, proche du positivisme. Sans doute les enseignements de physique dans le secondaire et le supérieur et une certaine continuité dans l’inductivisme, au moins jusqu’au niveau licence, ne sont-ils pas étrangers à cette posture ? Cette constatation nous semble justifier que l’on essaie de développer le sens critique des étudiants, et les faire réfléchir à la fois sur les concepts, dans la continuité de la terminale scientifique, et sur la question des interprétations de la MQ comme les intervenants l’ont fait lors de cette séquence de cours.

81Néanmoins, la grande majorité des étudiants s’est intéressée à l’ontologie de la MQ à travers ses interprétations ou plutôt celle dominante dans la BD de Damour et Burniat, concernant les univers multiples. Bien que la BD n’ait été que peu utilisée dans cette séance, les retours quant à sa pertinence et son aspect ludique, ainsi que l’étude épistémologique que nous avons faite de ce support, nous incitent à vouloir approfondir le travail initié. Nous envisageons, pour la suite de notre recherche, de construire un enseignement où des vignettes de la BD seront introduites en parallèle aux notions de MQ abordées lors du cours de physique microscopique de la deuxième année de licence. Nous pourrons alors exploiter toute la richesse scientifique et la palette graphique de la BD de Damour et Burniat lors de la prochaine séance avec le philosophe.

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Bibliographie

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Lautesse, P., Vila Valls, A., Ferlin, F., Héraud, J.L., Chabot, H. (2015). Teaching Quantum Physics in Upper Secondary School in France. Science & Education, 24 (7-8), 937-955. https://doi.org/10.1007/s11191-015-9755-9.

Laloé, F. (2017). Comprenons-nous vraiment la mécanique quantique ? EDP Sciences/CNRS Editions.

Lewis, D. (1973). Counterfactuals. Cambridge: Harvard University Press.

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Von Neumann, J. (1932). Mathematische Grundlagen des Quantenmechanik. Berlin, Springer. Trad. Anglaise (1955). Mathematical Foundations of Quantum Mechanics. Princeton, Princeton University Press. Trad. française (1992). Fondements mathématiques de la mécanique quantique. Ed. Jacques Gabay.

Wigner, E. P. (1967). Symmetries and Reflections, Scientific essays of Eugene. P. Wigner. Bloomington & London, Indiana University Press.

Zeh, H. D. (1970). On the interpretation of measurement in Quantum Theory. Foundations of Physics, 1, 69-76.

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Notes

1 Une analyse (« Du texte à l’image ») de récits de fiction a été présentée lors de la première édition du colloque « Telling Science, Drawing Science » à Angoulême, en 2016 (Héraud, Lautesse, et Ferlin, 2016).

2 Thibaut Damour a par ailleurs été récompensé par de nombreux prix (dont la médaille d’or du CNRS ou le prix A. Einstein), et il est membre de l’Académie des sciences.

3 L’épistémologie est la réflexion qui porte sur la manière de construire les savoirs scientifiques.

4 L’ontologie est l’interrogation philosophique qui porte sur la nature et la structure de la réalité, s’agissant dans notre étude de l’exploration du monde quantique.

5 David Lewis (1941-2001) est un philosophe américain de la deuxième moitié du vingtième siècle. Il fut professeur à l’Université de Princeton. Il est reconnu pour ses contributions majeures en métaphysique analytique et on lui doit la théorie de la pluralité des mondes (ou réalisme modal).

6 Le « monde actuel », selon la terminologie de Lewis, est le monde quotidien dans lequel nous vivons.

7 Tant qu’il n’est pas observé, un objet quantique n’a pas de position ni d’état déterminés. Il a une probabilité non nulle d’être au même moment à différents endroits (« délocalisation ») et dans plusieurs états (superposition).

8 Bohr est un physicien danois qui a été un des principaux fondateurs de la théorie quantique dans les années 1920.

9 Everett est un physicien américain qui a proposé en 1957 une interprétation de la MQ en termes d’états relatifs, que DeWitt (physicien américain également) reformulera en 1973 en termes d’univers multiples ou multivers.

10 A l’image de la BD, nous présentons cette opposition de points de vue entre les deux physiciens de la manière la plus marquée possible. On pourra se reporter à l’ouvrage de Laloë (2017) ainsi qu’aux références incluses dans ce livre, pour une vision plus nuancée et plus approfondie de ces points de vue.

11 Einstein fut lui aussi professeur à l’université de Princeton.

12 De Broglie est un physicien français, et est un des pères fondateurs de la mécanique quantique. Il a en particulier proposé d’associer une onde à chaque « particule de matière » (1924).

13 Schrödinger est un physicien autrichien et un des pères fondateurs de la mécanique quantique. On lui doit la célèbre équation qu’il a établie en 1926.

14 Heisenberg est un physicien allemand et un des pères fondateurs de la MQ. Son article fondateur sur la théorie matricielle de la MQ a été publié en 1925.

15 Notons que cette onde est décrite dans un espace à 3N dimensions (N étant le nombre d’objets quantiques considérés) appelé espace de configurations et non dans l’espace tridimensionnel ordinaire.

16 Les vignettes choisies sont : p. 81, Vignette 2 (V 2) ; p. 84, V 4 et 5 ; p. 96, V 1 à 6 ; p. 97, V 5 ; p. 98, V 4 et 6 ; p.99, V 5 ; p. 100, V 1 ; p. 101, V 4 et 5 ; p. 102, V 5 et 6 ; p. 103, V 1 à 4 ; p. 126, V 1 et 2 et 4 ; p. 127, V 1 ; p.138, V 3.

17 Pauli est un physicien autrichien connu pour sa définition du principe d'exclusion en MQ, ou principe de Pauli (1925).

18 Dans cette théorie, Bohm (1952), ajoute des variables cachées dites non locales (positions, vitesses…) à la théorie quantique. Grâce à ces variables cachées, un objet quantique a alors de nouveau en permanence une vitesse et une position bien définies, à l’instar d’un objet classique.

19 Bohm est un physicien américain qui a notamment repris les travaux de de Broglie (physicien français) pour tenter de réintroduire le déterminisme en mécanique quantique.

20 On pourra se reporter au chapitre II de Laloë (2017) pour davantage de précisions.

21 D’autres physiciens ont proposé d’introduire une évolution de type stochastique en introduisant des termes non linéaires dans l’équation de Schrödinger (cette approche n’est pas citée dans la diapositive mais elle constitue néanmoins une des principales interprétations actuelles). C’est le cas de l’interprétation GRW (Ghirardi, Rimini, Weber, 1985, 1986). Un autre aspect important (mais qui ne sera pas non plus discuté) est la théorie de la décohérence (Zeh, 1970). Dans le cas d’un système macroscopique, on ne peut pas négliger l’interaction de ce système avec son environnement. La théorie de la décohérence montre que cette interaction entraine la disparition des superpositions quantiques

22 En mécanique quantique, la mesure fait passer le système d’un état de paquet d’ondes (s’il y a lieu) à celui d’un état unique : on dit qu’il y a réduction du paquet d’ondes.

23 Von Neumann est un physicien américano-hongrois et un des pères fondateurs de la mécanique quantique. Il fut professeur à Princeton, où il repose, pas très loin de Lewis.

24 Wigner est un physicien américano-hongrois. Il fut professeur à Princeton.

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Table des illustrations

Titre Illustration 1
Légende Damour, Burniat © Dargaud, 2019
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Titre Illustration 2
Légende Damour, Burniat © Dargaud, 2019
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Titre Illustration 3
Légende Damour, Burniat © Dargaud, 2019
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Titre Illustration 4
Légende Damour, Burniat © Dargaud, 2019
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Titre Illustration 5
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Titre Illustration 6
Légende Damour, Burniat © Dargaud, 2019
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Titre Figure 1 : diapositive d’introduction de la séquence d’enseignement.
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Pour citer cet article

Référence électronique

Philippe Lautesse, Lionel Chaussard, Juliette Tuaillon, Fabrice Ferlin et Jean-Loup Héraud, « « A la recherche du réel perdu » ou la pertinence de l’utilisation d’une bande dessinée dans l’enseignement de la mécanique quantique en Licence. », Tréma [En ligne], 51 | 2019, mis en ligne le 01 avril 2019, consulté le 16 septembre 2019. URL : http://journals.openedition.org/trema/5138 ; DOI : 10.4000/trema.5138

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Auteurs

Philippe Lautesse

Université de Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, laboratoire Sciences, Société, Historicité, Education, Pratiques (S2HEP, EA 4148)

Lionel Chaussard

Université de Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, laboratoire Sciences, Société, Historicité, Education, Pratiques (S2HEP, EA 4148)

Juliette Tuaillon

Université de Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, laboratoire Sciences, Société, Historicité, Education, Pratiques (S2HEP, EA 4148)

Fabrice Ferlin

Université de Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, laboratoire Sciences, Société, Historicité, Education, Pratiques (S2HEP, EA 4148)

Jean-Loup Héraud

Université de Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, laboratoire Sciences, Société, Historicité, Education, Pratiques (S2HEP, EA 4148)

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