Jusqu'à la fin du XIXème siècle, le monde physique était expliqué par l'électro-magnétisme de Maxwell et la mécanique newtonienne. Il y avait une réalité physique objective que l'on pouvait étudier sans que l'observation du physicien perturbe cette réalité. Tout objet pouvait être localisé dans l'espace à tout moment, et répondait soit à l'analyse de la trajectoire d'un corpuscule, selon sa masse et sa vitesse (lois de Newton), soit à l'analyse du déplacement d'une onde (lois de Maxwell).
La physique classique est fondée sur les principes :
Après Laplace et Newton, la physique classique connaît son âge d'or à la fin du XIXème siècle. La physique classique est suffisante pour expliquer les phénomènes de la vie quotidienne car la vitesse quotidienne est infime par rapport à celle de la lumière. Après avoir décrit la nature quantique de la lumière, Einstein pose les principes de la relativité. La théorie de la relativité marque l'apogée de la physique classique.
Pour des petites vitesses, celles de notre monde quotidien, les lois de Newton sont valides, même si elles reposent sur des approximations. Pour les vitesses proches de celle de la lumière, la relativité entre en jeu.
Pour des vitesses constantes, donc sans accélération, la relativité restreinte (1905) stipule que les lois de la physique doivent être les mêmes pour tous les observateurs, quelle que soit leur vitesses. Tout observateur peut trouver précisément le temps et la position que tout autre observateur assignera à l'événement, pourvu qu'il connaisse sa vitesse relative. Ainsi est définit le couple espace temps alors que la mécanique classique newtonienne s'inscrivait dans un espace à trois dimensions régit par un temps absolu qui se déroule indépendamment des phénomènes extérieurs (la fuite du temps). L'espace et le temps sont inséparables.
Deux événements simultanés dans un système de référence, ne le sont plus dans un autre système de référence. Le principe de relativité implique l'absence d'observateur privilégié. La description des phénomènes ne doit pas dépendre des différents observateurs. Chacun d'entre eux doit trouver la même loi physique. Chacun peut trouver les coordonnées référentielles des autres observateurs.
Il n'y a pas de temps absolu, chaque individu a sa propre mesure du temps qui dépend du lieu et de la manière dont il se déplace. Chaque objet en mouvement a sa propre horloge. Si des observateurs observent un phénomène tout en se déplaçant à des vitesses différentes, ils vont décrire différemment dans le temps les séquences événementielles et ce qui pour l'un survient dans son futur, apparaît pour l'autre dans son passé. Pour des vitesses proches de celles de la lumière, les séquences temporelles sont différentes selon les observateurs. Non seulement il n'y a pas de temps absolu, mais il n'y a pas non plus de séparation objective entre le passé et le futur. Le temps est déployé de telle sorte que passé et futur sont figurés à la fois (Olivier Costa de Beauregard). Ceci semble bien sûr impensable pour notre conscience ordinaire qui fait quotidiennement l'expérience d'une flèche du temps, l'inexorable écoulement d'un passé vers le présent puis le futur.
De plus, le temps s'écoule plus lentement si la vitesse se rapproche de celle de la lumière (c'est la dilatation du temps). La vitesse augmente la durée de vie (dans des accélérateurs, une particule à durée de vie très courte voit sa durée de vie augmenter à de très grandes vitesses proches de celle de la lumière). Les horloges mobiles retardent par rapport aux horloges fixes
Enfin, la formule E = mc² pose l'équivalence de la masse et de l'énergie. La masse est une forme de l'énergie.
L'étude du domaine microscopique va bouleverser les concepts de la physique classique. Les lois de Newton, applicables aux objets de grande taille, ne s'appliquent pas dans le domaine subatomique. Lorsqu'on se penche sur l'infiniment petit, il n'y a pas de monde physique objectif qui évolue de façon indépendante de nous. Le hasard remplace le principe de causalité. On ne peut connaître en même temps la position et la vitesse d'un objet quantique. Ce dernier peut être une chose et son contraire. Développée vers 1920-1930, la physique quantique est une théorie probabiliste qui heurte le sens commun. De plus, les phénomènes quantiques ne peuvent être représentés visuellement. Mais la théorie est toujours vérifiée par l'expérimentation qui vient la valider. La physique quantique ne donne pas une vision de la « réalité en soi » mais décrit des phénomènes avec exactitude.
Ainsi, au cours du XXème siècle, la science va réintroduire le mystère
dans le monde, rendant obsolète la croyance matérialiste et scientiste
pure.
En 1900, Max Planck avance l'idée des quanta. Contrairement à ce que soutient la physique classique pour laquelle les échanges d'énergies se font régulièrement et graduellement, dans le monde subatomique, il y a une discontinuité des échanges d'énergie entre matière et rayonnement. Ces échanges s'effectuent par paquets d'énergie, par quanta. Cette discontinuité se retrouve au coeur de l'atome puisque, comme l'a avancé Bohr en 1913, les électrons occupent des orbites spécifiques et passent de l'une à l'autre sans aucune orbite intermédiaire.
Les particules subatomiques ne sont pas des grains de matière solide
mais des quanta, des paquets d'énergie en perpétuelle transformation.
La matière nous apparaît comme stable et solide alors qu'en fait les
particules forment des systèmes dynamiques qui subissent
perpétuellement des transformations ou transmutations avec des
phénomènes de création et d'annihilation, et ce flux dynamique est
créateur d'énergie. La matière est en fait constituée d'espace vide
traversé par quelques particules.
En 1923, Louis de Broglie associe une onde à tout corpuscule. Jusqu'alors, selon une logique apparente, une entité sub-atomique devrait être soit un corpuscule, soit une onde. En fait, pour la physique quantique, une particule est à la fois corpuscule et onde, mais elle n'est ni corpuscule ni onde. Selon la manière dont nous l'observons, elle apparaît soit comme particule, soit comme une onde. Comme Einstein l'avait montré en 1905 pour la lumière, la matière est aussi une coexistence d'ondes et de particules. L'apparence de la matière dépend de nous, elle nous apparaît tantôt comme des ondes, tantôt comme des particules. Cette apparence dépend de la façon dont nous observons la matière. Les ondes électromagnétiques peuvent se comporter comme des corpuscules. A tout corpuscule est associé une onde. La matière s'est dématérialisée, s'est « déchosifié » selon l'expression de Bernard d'Espagnat.
En physique classique : A est A (axiome d'identité), A n'est pas non A (axiome de non contradiction), et il n'existe pas de troisième terme qui soit à la fois A et non A (axiome du tiers exclu).
En physique quantique : A est A et non A (axiome du tiers inclus), mais par ailleurs, A n'est ni A ni non A.
L'état T (T comme tiers inclus) est un troisième terme qui peut se
manifester à la fois sous l'apparence de A et de non A, mais qui n'est ni A ni non A (Lupasco). Une
particule est à la fois onde et corpuscule, mais elle n'est ni
corpuscule ni onde. L'état T implique l'intégration du contradictoire
(symboliquement, l'intégration de l'ombre).
Un objet quantique est défini par une probabilité de présence. La
connaissance de la réalité est impossible car la connaissance d'un
paramètre exclut nécessairement la connaissance d'un autre paramètre.
Le réel est connaissable seulement dans certaines de ses structures. Il
y a des limites à la connaissance du réel, le réel est voilé. Le
dévoilement du réel (le rêve du matérialisme) est impossible. Le réel
en soi existe, indépendamment de l'homme, mais la science ne peut en
fournir une connaissance complète. On ne peut connaître simultanément,
et avec la même précision, la position et la vitesse d'une particule
(principe d'incertitude d'Heisenberg énoncé en 1927). On ne peut que
prédire une probabilité d'existence. Toute mesure modifie la grandeur
mesurée. L'observation n'est pas neutre, contrairement à ce qui ce
passe dans le monde macroscopique. On ne peut prédire le moment où un
atome va se désintégrer. Le hasard règne sur le monde microscopique. Le
monde quantique n'est pas représentable visuellement. L'électron ne
tourne pas autour du noyau et on ne peut se représenter une trajectoire
pour les particules. La physique quantique attribue à une particule une
probabilité de présence en un endroit donné et à un temps voulu. Il est
impossible de fournir un modèle de la réalité qui représenterait les
événements eux-mêmes et non leur probabilité de présence. Cependant,
cette représentation prédit correctement les micro phénomènes. La
physique quantique décrit l'interaction de l'observateur avec le monde
mais le réel n'est pas accessible.
A tout événement correspond un anti événement. A toute particule correspond une
antiparticule. Une antiparticule a la même masse, le même spin que sa
particule correspondante, mais elle a une charge électrique opposée.
Tout contact d'une particule avec son double, de la matière avec
l'antimatière se traduit par une annihilation, une disparition des
deux, une dématérialisation, avec une libération d'énergie
(transformation de la masse en énergie et émission d'un rayonnement de
photons gamma, analogue à la lumière).
La physique classique étudie des objets séparés et indépendants. Elle
suppose l'existence d'objets extérieurs que l'on peut étudier
indépendamment. Dans le monde microscopique, à l'encontre du principe
de causalité locale et de séparabilité, il existe des connexions non
locales et inexplicables entre des éléments qui se révèlent tous
interdépendants même s'ils sont séparés par de grandes distances : il y
a violation du principe de séparabilité et on ne peut parler séparément
de chacune des particules. Ces connexions, ces variables cachées non
locales, sont situées hors de notre espace-temps, dans un autre niveau
de réalité, mais elles ont une influence dans notre monde.
Bernard d'Espagnat fait la distinction entre le réel voilé qui ne sera
jamais accessible par la science, (même si on peut en avoir une
certaine idée et en faire l'expérience car il existe un lien entre ce
réel voilé et notre monde d'existence) et la réalité empirique, le
monde des apparences que décrit et analyse la science.
L'univers est une totalité inter reliée dans les moindres de ses éléments, et cette totalité s'oppose à la description du monde en entités séparés et indépendantes. Ainsi la célèbre expérience d'Alain Aspect en 1982 (confirmée par celle de Nicolas Gisin en 1997 sur une distance de dix kilomètres entre les deux particules) a montré que deux particules qui sont entrés en interaction à un moment donné gardent chacune des informations sur l'autre même si elles se trouvent éloignées l'une de l'autre (plus de 12 mètres dans l'expérience d'Aspect). Contrairement à ce que pensait Einstein, il n'y a pas de variables cachées locales (c'est ce que démontrait déjà des expériences précédentes sur la violation des inégalités de Bell).
Il n'y a pas de moi isolé indépendant, tout est interdépendant. Le monde ne peut pas être indépendant du chercheur. Observer, c'est perturber. Et pour Michel Bitbol, la physique quantique révèle que la Nature n'a aucune nature propre à révéler -- une intuition qui rejoint, depuis un tout autre point de vue, le travail sur l'interdépendance du psychisme individuel et collectif.