Pensez à quelques nombres aléatoires. Des nombres comme 8, 12, 876, 93... Ce sont des nombres aléatoires en biologie, et ces nombres apparemment simples détiennent les clés des mystères les plus profonds de l'univers : nous-mêmes. Pour être plus précis (et moins dramatique), ce ne sont pas les chiffres mais le processus par lequel les chiffres ont été produits qui ont de sérieuses implications. Par exemple, on peut poser des questions fascinantes comme Ces chiffres sont-ils vraiment aléatoires ? Suis-je susceptible d’obtenir les mêmes nombres si on me demande des nombres aléatoires à l’avenir ? Comment notre cerveau produit-il ces nombres aléatoires ? Est-il probable que le cerveau ait simplement étiqueté quelques nombres comme étant aléatoires ? Existe-t-il un algorithme impliquant des processus aléatoires comme lancer des dés se déroulant inconsciemment dans le cerveau ? Nos processus de pensée sont-ils libres ? Existe-t-il pour commencer un libre arbitre ? Vous aurez tous remarqué à juste titre que ce sont des questions pour lesquelles nous n’avons pas de réponses satisfaisantes pour le moment. Certains d’entre vous pourraient croire que la science finira par trouver les bonnes réponses à ces questions, et d’ici là, il n’est pas nécessaire de tourner autour du pot et de créer un battage médiatique. La plupart d’entre vous ne réalisent peut-être pas que la science offre quelques réponses et quelques pistes où un peu plus d’efforts peuvent répondre à des questions profondes. À la fin de cet article, je vous proposerai une expérience que vous pourrez réaliser chez vous pour sonder vos processus de pensée. En attendant, parlons de quelques processus aléatoires. Le caractère aléatoire perçu n’est pas aléatoire Recherchons des nombres aléatoires dans le monde mécanique. Ce sont le résultat de processus aléatoires comme le tirage au sort d’une pièce de monnaie ou le lancer de dés. Il existe d'autres phénomènes aléatoires comme le nombre de voitures rouges traversant un échangeur dans une journée, le nombre de météorites entrant dans notre atmosphère, etc. Ensuite, il y a la sortie de (ou de toute autre routine de votre langage informatique préféré). Le dernier n’est sûrement pas aléatoire car il est le résultat d’un algorithme. L'algorithme produira les mêmes nombres s'il commence ses calculs à partir du même nombre « de départ ». Ce sont en fait des nombres pseudo-aléatoires. Bon à toutes fins pratiques, mais complètement prévisible et donc pas exactement aléatoire. numpy.random.rand() La majeure partie du hasard que nous vivons dans nos vies est en fait du pseudo-aléatoire, causé par le manque d’information. Prenons l’autre exemple : le nombre de voitures rouges traversant un échangeur. La personne qui attend à l'échangeur peut constater l'apparition d'une voiture rouge comme un processus aléatoire, mais une personne ayant une vue en direct du trafic de la région via un satellite saura combien de voitures rouges traverseront l'échangeur. Le processus, apparemment aléatoire pour un observateur, est complètement déterministe pour un autre observateur disposant de plus d’informations. Il s’agit d’une caractéristique générale de la plupart des phénomènes aléatoires auxquels nous sommes confrontés dans notre vie quotidienne. Le caractère apparemment aléatoire est dû à un manque d’information. Pensez maintenant au tirage au sort. Le résultat est encore une fois apparemment aléatoire. Mais pensez-vous vraiment que nous pouvons tirer une fusée dans l’espace et déterminer exactement quand et où elle atterrira sur Mars sans pouvoir prédire le résultat d’un tirage au sort ? Les lois qui régissent le mouvement de la fusée sont-elles si différentes de celles qui déterminent le mouvement de la pièce de monnaie ? En effet, ce n'est pas le cas. Les mêmes lois de la physique prévalent dans deux cas. La seule différence est que nous manquons d’informations précises sur la dynamique de la pièce lorsqu’elle est lancée. Non pas que l’information n’y soit pas. Nous ne nous soucions tout simplement pas de l’effort nécessaire pour le récupérer et prétendons que la nature a pris une décision aléatoire, quelle que soit la raison pour laquelle la pièce a été lancée. En effet, les séquences vidéo des premières fractions de seconde d'une pièce de monnaie qui vient d'être lancée à travers une caméra rapide peuvent décoder la dynamique de la pièce de monnaie et prédire l'issue du tirage au sort. Il en va de même pour le lancer de dés, votre loterie préférée ou la plupart des processus aléatoires auxquels vous pouvez penser (jeu de mots). En effet, les lois de la nature dont nous faisons l'expérience dans notre vie quotidienne (pour simplifier, les lois de Newton que nous étudions au lycée) sont déterministes. Si vous connaissez les conditions initiales (positions, vitesses) des objets d'intérêt et les forces agissant sur ces objets, vous pouvez déterminer avec précision la dynamique future des objets. Tout ce qui semble aléatoire dans ce domaine est dû à notre manque d'accès à l'information. Les informations sont là. Nous avons simplement besoin d’une meilleure technologie pour enregistrer et traiter ces informations. Les casinos pourraient faire faillite dans un avenir proche lorsque nos smartphones commenceront à prédire le résultat des dés alors qu’ils sont encore en cours de lancement. Cela signifie que dans quelques décennies, le tirage au sort d’une pièce de monnaie et le lancer de dés ne serviront peut-être pas plus que le boulier d’aujourd’hui. Nous aurions dans nos smartphones la technologie requise, capable de résoudre la dynamique de la pièce en une fraction de seconde et de prédire le résultat. Quelques instantanés rapides du lancer de dés et nos téléphones prédiront le résultat du lancer. Il y a peut-être des gens qui créent de telles applications en ce moment. Peut-être qu’il y a des gens qui gagnent de l’argent de cette façon en ce moment. Mais pour les plus humbles comme nous, la question naturelle est de savoir comment jouerons-nous aux casinos à l’avenir ? Ou commencer les matchs ? Ou gagner aux loteries ? Et pour ceux d’entre vous, je présente le hasard brut et pur --- la mécanique quantique. Rencontrez le vrai hasard est une théorie qui traite de la description de la nature au niveau le plus fondamental. C’est à ce niveau que nous traitons des éléments constitutifs de la matière et de l’énergie, des atomes, des molécules, des électrons, des photons, etc. À ce niveau, la nature se comporte très différemment de la façon dont elle apparaît dans notre vie quotidienne, comme nous le verrons bientôt. La mécanique quantique Une pièce quantique Pensez encore au tirage au sort. Mais cette fois, il s’agit d’une pièce quantique, par exemple le spin d’un électron. Les électrons font partie des éléments constitutifs de la matière. Ce sont les génies que nous avons sortis de la théière magique à la différence que nous pouvons faire plus de trois vœux. Tout ce qui bouge autour de vous fait du bruit et n’est pas un bébé, fonctionne grâce aux électrons. Les électrons ont une propriété appelée spin. La mesure du spin des électrons est assez simple. Tout ce que vous avez à faire est de faire passer l’électron près d’un aimant en forme de coin. Le champ magnétique d’un tel aimant exerce une force sur l’électron, et l’électron est dévié dans un sens ou dans l’autre en fonction de son spin. Lorsque l’on réalise l’expérience de mesure du spin d’un électron, on constate qu’il n’a que deux valeurs possibles. Nous les appelons tête (spin-up) et queue (spin-down), et nous avons obtenu une pièce quantique. Si vous lancez maintenant la pièce quantique, vous obtiendrez à nouveau une sortie aléatoire, soit face, soit face. Mais la différence avec le modèle classique (celui dont nous avons parlé plus tôt) est que l’indétermination n’est pas due à un manque d’information. Nous savons tout ce qu'il y a à savoir sur l'électron, et pourtant, il n'existe aucun moyen de prédire si la mesure du spin entraînera une rotation ascendante (tête) ou une rotation descendante (queue). Chaque événement dans le monde quantique est un lancer de dés. Cela contraste avec la pièce de monnaie classique, où le caractère aléatoire était dû à un manque d’information. C'est le premier mystère de la nature au niveau quantique. La nature ne nous permet pas de savoir quand et quelle interaction fondamentale entre les éléments constitutifs de la matière et de l’énergie aura lieu. Chaque événement se produisant à ce niveau est un lancer de dés. En fait, cet aspect de la mécanique quantique fait partie d’un débat animé depuis le début de la théorie. De nombreuses personnes, dont Albert Einstein, n’étaient pas satisfaites de la description indéterministe des événements au niveau quantique. Vous avez sûrement entendu sa célèbre citation : « ». Il pensait que la théorie était incomplète et manquait probablement certaines variables cachées qui restaureraient le monde classique, comme le déterminisme dans le monde quantique, lorsqu'elles seraient ajoutées à la description. Dieu ne joue pas aux dés Cependant, d’innombrables expériences menées au cours des 100 dernières années ont exclu la possibilité de ces théories à variables cachées. Et notre meilleure compréhension de la nature au niveau quantique est celle fournie par la mécanique quantique, qui en principe ne nous permet pas de prédire l’issue du tirage au sort d’une pièce quantique. Le point clé jusqu’à présent est que pour un processus aléatoire classique, l’information est présente mais peut ne pas être accessible, mais le processus quantique est intrinsèquement aléatoire. Il ne manque aucune information. Forts de cette compréhension des processus aléatoires dans les mondes classique et quantique, nous sommes prêts à explorer les très grandes questions du monde biologique. Premièrement, vous pouvez comprendre que le libre arbitre absent dans le monde déterministe des lois classiques peut être restauré grâce à l’indéterminisme du monde quantique. La seule chose que nous devons explorer est de rechercher des signatures quantiques dans le fonctionnement du cerveau. De nombreuses personnes l’ont déjà suggéré, mais la technologie actuelle promet une vérification expérimentale. Nous pourrions bientôt entendre des nouvelles fantastiques de la part de spécialistes de la biologie quantique. Le design déguisé ? Ensuite, il y a cette autre question dont je souhaite parler. Considérez la vie. Il existe deux théories dominantes concernant l’émergence de la vie sur cette planète. Soit nous faisons partie d’un dessein intelligent, soit la vie est apparue sur la planète par accident et, grâce à des mutations aléatoires, elle a évolué vers toutes les formes de vie dont nous sommes témoins aujourd’hui (et malheureusement, celles que nous avons éradiquées de la planète). La science privilégie naturellement le deuxième point de vue. Mais la plupart des partisans du point de vue scientifique ne se rendent pas compte qu’il existe encore une possibilité de conception dans leur vision du monde. En effet, nous devons encore déterminer si les processus provoquant une mutation dans un génome sont régis par des lois classiques ou quantiques. Si les lois classiques peuvent modéliser de manière satisfaisante ces mutations, alors celles-ci ne sont pas aléatoires. Il s’agit de processus déterministes pour lesquels l’information, c’est-à-dire la conception, était déjà présente. Que quelqu'un ait eu cette information (Le Dieu tout-puissant ?) ou non est une question distincte à laquelle on peut répondre subjectivement. Ce qui peut être objectivement établi, c'est qu'un modèle était disponible. Il s’agit d’une perspective unique sur le débat entre la sélection naturelle et la conception intelligente qu’offre un physicien. Des recherches plus poussées en biologie quantique et l’exploration des signatures quantiques dans les mutations génétiques permettront de savoir si nous faisons partie d’une conception ou si nous sommes le résultat d’accidents véritablement aléatoires. La biologie quantique révélera si nous sommes conçus. Enfin, je souhaite proposer une expérience pour explorer les processus de pensée comme je l'ai promis. Avec un peu de patience et beaucoup de courage, vous pouvez facilement réaliser cette expérience à la maison. Prenez un morceau de papier et écrivez dessus quelques nombres aléatoires. Pliez le papier et mettez-le dans une boîte. Mettez la boîte de côté. Maintenant, attendez quelques semaines. En attendant, n’essayez pas de vous rappeler les chiffres que vous avez écrits. Évidemment, n’ouvrez pas la boîte. Après quelques semaines, prenez un autre morceau de papier, écrivez-y à nouveau quelques nombres aléatoires et mettez-le dans la même boîte. Attendez encore quelques semaines et répétez. Sur une période prolongée (disons un an ou six mois), vous auriez beaucoup de papiers pliés dans la boîte. Maintenant, ouvrez la boîte et regardez tous les nombres aléatoires que vous avez écrits au fil du temps. Sont-ils tous aléatoires ? Y a-t-il des nombres aléatoires préférés ? Y a-t-il des modèles ? Y a-t-il un dessin ?
