[PDF] Chimie chimie quantique et concept démergence: étude dune mise

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ECOLE POLYTECHNIQUE ET UNIVERSITE LIBRE DE BRUXELLES ECOLES DOCTORALES ET DE LUNIVERSITE LIBRE DE BRUXELLES

THÈSE EN COTUTELLE

Pour obtenir les grades de

Domaine : Sciences humaines et sociales

Spécialité : Épistémologie, Histoire des sciences et des techniques

Docteur de LUNIVERSITE LIBRE DE BRUXELLES

Domaine : Philosophie

Présentée et soutenue publiquement à lEcole Polytechnique le vendredi 22 novembre 2013 par

Jean-Pierre LLORED

Directeur principal de thèse à lEcole Polytechnique : Michel BITBOL Co-directrice de thèse à lUniversité Libre de Bruxelles : Isabelle STENGERS

JURY :

BENSAUDE-VINCENT Bernadette, rapportrice, Prof. Université Paris 1 Panthéon-Sorbonne. BITBOL Michel, directeur de thèse, Dir. Rech. CNRS, Archives Husserl, ENS Ulm. FRISON Gilles, examinateur, Chargé. Rech. CNRS, Laboratoire DCMR, Ecole Polytechnique. HARRÉ Rom, examinateur, Prof. Oxford University. LEPLEGE Alain, rapporteur, Prof. Université Paris 7 Diderot. STENGERS Isabelle, co-directrice de thèse, Prof. Université Libre de Bruxelles. TIMMERMANS Benoît, examinateur, Maître de Conférences, Université Libre de Bruxelles. i

Remerciements

Je remercie en premier lieu mes directeurs de thèse, Isabelle Stengers et Michel Bitbol, ouvrages stimulants et précieux, et leur indéfectible soutien. Je remercie plus particulièrement Isabelle Stengers pour son exigence et sa lecture serrée du présent manuscrit, et Michel Bitbol pour ses conseils de rédaction et organiser des conférences, rencontrer des personnages clés, et publier des articles. approcher ces deux grands intellectuels durant mon existence. crire plusieurs textes avec lui. Rom Harré est un grand philosophe, inventif,

anticipateur, et développant une pensée à la fois puissante et profonde. Son humilité et sa

simplicité sont ntinuer à Michel Bourgine et Jean Lassègue, anciens directeurs du CREA, Centre de Recherche en Épistémologie Appliquée, malheureusement dissous le 31 décembre 2012, pour leur soutien humain et financier. Je remercie par la même occasion, elier international de philosophie de la chimie le 11 septembre 2010 au CREA à Paris. Je remercie Roald Hoffmann, lauréat du prix Nobel de chimie, pour nos nombreux échanges à propos de la chimie quantique, ses The Philosophy of Chemistry: Practices, Methodologies, and Concepts dirigé. aboratoire des

Mécanismes R ne

étude menée sur le terrain des praticiens de la chimie quantique. Je remercie plus

particulièrement Gilles Ohanessian, Directeur du laboratoire, Carine Clavaguéra et Gilles

Frison, Chargés de Recherche au CNRS, Sophie Bourcier et Stéphane Bouchonnet, Ingénieurs Laboratoire de Photophysique et Photochimie Moléculaires et Macromoléculaires, PPSM, de Cachan pour nos échanges à propos des propriétés en particulier ma gratitude à Pierre ii -Vincent, Gilles Frison, Rom

Harré, Alain Leplege

Je remercie les anciens chercheurs du CREA pour leur culture bigarrée et leur grande énergie intellectuelle. Je remercie Marie-Jo Lecuyer et Nadiège Coranson, jadis membres de lors des démarches administratives. De la même façon, je remercie le ser, en particulier, Sabrina Dejongh en charge des cotutelles et Catherine Frenay responsable du suivi des doctorants. Ces aides ont été ds que je ne vis ni en région parisienne ni à Bruxelles. Je remercie Jeanine et Jean-Paul Robert, Mélissa Druet et Didier Gomard, Marie-Thérèse et Franck Castagné, Marina Banchetti-Robino et Clevis Headley, Amandine Sabatier et

Cédric Bonafé, Jacqueline et Paul Manevy, Monique Bonnet, Benoît Marcillaud, Patrick

Cansell, et Julien Bois

cette thèse, aimante, pacifiante, et ouverte. La vie est fragile, tellement fragile, nous disposons

de peu de temps alors aut et à aimer. Cette conviction , pendant mon travail de thèse, pour faire travailler ensemble des chimistes, des philosophes, des historiens, des anthropologues, des scientifiques, et de nombreux autres acteurs hétérogènes. 1

Table des matières

Avant-propos ____________________________________________________________ 4 _______________________________________________ 16

1.1 Emergence et chimie _____________________________________________________ 16

1.2 Emergence et chimie quantique ___________________________________________ 24

1.3 Progression et enjeux de ce travail _________________________________________ 32

II. Essai préliminaire : Des pratiques e ______ 41

2.1 Emergere et chimie: recherche une mise en relation possible _________________ 41

2.1.1 Le dauphin : discontinuité apparente et continuité réelle _____________________________ 41

2.1.2 Les étourneaux : asymétrie et émergence _________________________________________ 41

2.1.3 Le ver à soie : émergence, transformation et individuation ____________________________ 44

2.1.4 La s-tétrazine et ses dérivés : émergence, intervention et relations ______________________ 44

2.2 Emergence et chimie : Approfondissements _________________________________ 72

2.2.1 Le rôle du milieu associé et du procédé ___________________________________________ 72

cédés ___________________ 85 ____________ 112

2. ________________________________ 126

: le rôle des représentations___________________ 135

2.2.6 Négocier le multiple au quotidien ______________________________________________ 155

2.3 Premier bilan de notre enquête : emergere et chimie _________________________ 158

III. Les philoso _______________________________ 164 ________ 164

3.2 Contexte d ____________________ 167

le vivant __________________________ 173

3.3.1 Le vitalisme et la chimie : réfutation et mythe ____________________________________ 173

3.3.2 La causalité comme transfert de mouvement : " dynamique » et vie ___________________ 184

3.4 Composition des causes ________________________________ 195

3.4.1 Mill et Lewes : De la collocation à la coopération _________________________________ 195

__________________________________ 206

3.5 _______________________________ 227

3.5.1 Alexander : chimie, " être-ensemble » et processus ________________________________ 227

3.5.2 Morgan : émergence, chimie et relationnalité _____________________________________ 238

2

3.6 Broad, le pragmatisme et la non-déducibilité _______________________________ 247

3.6.1 Contexte et problèmes en jeu dans le travail de Broad ______________________________ 247

relation _______________________ 255

3.7 Deuxième bilan de notre enquête : emergere et chimie ________________________ 270

is paribus en chimie _______ 276

4.1 ____________________________________ 276

4.2 Contextes, émergence et types de bouclage _________________________________ 300

4.3 ____________ 316

4.4 Clause ceteris paribus du point de vue des pratiques chimiques : médiation ______ 367

4.5 Troisième bilan de notre enquête : emergere et chimie _______________________ 402

V. Chimie quantique et émergence ________________________________________ 421

5.1 _________________________ 421

5.1.1 Emergence, chimie quantique et complémentarité _________________________________ 421

Les cantons quantiques et la pluralité de conditions _____________________________ 421 Conjoindre sans réduire : Affordances et contextes ______________________________ 427

5.1.2 Emergence contextuelle ______________________________________________________ 444

5.1.3 Emergence et réduction : Dissolution du débat par glissement sémantique ? _____________ 448

5.1.4 Emergence ontologique, agnosticisme et causalité descendante _______________________ 452

5.1.5 Emergence, fusion et chimie quantique : un nouveau mixte ?_________________________ 457

5.1.6 Discussion _______________________________ 464

5.2 ______________________________ 486

5.2.1 uction des formalismes : Orbites et orbitales moléculaires ______________ 486

Fondements empiriques ____________________________________________________ 486 Le rôle du modèle quantique de Hund dans le scénario entre atomes et molécules _____ 490 Molécules et atome unitaire ________________________________________________ 492

Molécules et atomes séparés : rejet de la notion agrégative de valence ______________ 494

Aufbauprinzip » moléculaire ? __________ 496 La molécule et le labeur de corrélation ________________________________________ 500 e : la version probabiliste du mixte _________________ 506 La relation entre la molécule et ses parties est-elle arbitraire ? _____________________ 509 Le raisonnement à trois niveaux et réquisit commun _____________________________ 513

5.2.2 : émergence et approches chimiques quantiques___________ 529

3

5.3 Retour au laboratoire ____ 543

5.3.1 Le travail de tissage et le perspectivisme chimique quantique ________________________ 544

Les fonctionnelles de la densité _____________________________________________ 545 Les bases de calcul _______________________________________________________ 548 Les niveaux de calcul et la question du perspectivisme ___________________________ 551

5.3.2 __________________________ 555

Le problème à résoudre ____________________________________________________ 555 ____________________________ 561 ________________________________ 566

5.4 Quatrième bilan de notre enquête : emergere et chimie _______________________ 571

: mise en relation _________ 576

6.1 Mettre en relation : Epistémologie expérimentale et pragmatique ______________ 576

6.2 Dispositions, émergence et métachimie ____________________________________ 581

6.3 Emergence et chimie : une voie non ontologique _____________________________ 597

6. __________________ 604

Conclusion ___________________________________________________________ 614 Annexes ______________________________________________________________ 618 Annexe 1 : Les fonctionnelles en chimie quantique ______________________________ 618 Annexe 2 : Les bases en chimie quantique _____________________________________ 619 Annexe 3 : Modélisation du milieu associé _____________________________________ 621 Références bibliographiques _____________________________________________ 624 Table des illustrations __________________________________________________ 669 Résumé en français ____________________________________________________ 673 Résumé en anglais _____________________________________________________ 674 4

Avant-propos

" [L]es choses respectables sont relatives et contradictoires, mais le fait de respecter ne Et ainsi, de même que la vie, sans cesse réduite à des phénomènes physico-

chimiques par le mécanisme, se reconstitue toujours au-delà dans son irréductible vitalité,

de même la liberté, réduite à des déterminations par la science positive, se reconstitue à

esponsabilité. »

Vladimir Jankélévitch

1 Je souhaite commencer en expliquant brièvement les raisons qui entreprendre cette étude, tout en décrivant, avec honnêteté, quel a été mon " » tout au long de cette thèse doctorale. Ingénieur chimiste de formation, je suis sorti de mes premiers cours de chimie quantique " chimique » dans cet enseignement. Je revois encore un tableau rempli abstraitsrien à voir avec les menées ou avec les cours, plus habituels, de chimie organique ou inorganique et de génie des procédés

ressenti très tôt le besoin de prendre du recul par rapport à ma pratique de chimiste et à mes

études afin de mieux comprendre la chimie.

théorique durant mon DEA de chimie à aute-Alsace où il était question de modéliser des dans le cadre Ce travail utilisait les modèles proposés par Rudolph Marcus, lauréat du prix Nobel de chimie en 1992 mise en relation .

Marcus est un exemple parlant de chercheur qui cherche à établir des liens forts entre théorie

et expérience

2. Il a été capable de créer des modèles hybrides qui mêlaient des approches

quantiques et semi-classiques ou différents modèles dynamiques élucider les entre molécules3. Il a ensuite étendu son approche aux échangatomes, entre " protons » (ions H+ dans ses publications) et entre

1 JANKELEVITCH, Vladimir. , Flammarion, Champs essais, Paris,

1983, p. 4.

2 MARCUS, Rudolph, A. " Electron transfer reactions in chemistry. Theory and experiment », Pure and Applied

Chemistry, Vol. 69, n°1, 1997, pp. 13-29.

3 MARCUS, Rudolph, A. " On Quantum, Classical and Semiclassical Calculations of Electron Transfer Rates »,

in Oxidases and related redox systems, King, T.E & al. (Eds.), Pergamon Press, Oxford and New York, 1982.

5

groupements caractéristiques des molécules. Ce va-et-vient permanent entre théorie et

expérience et ce dialogue pragmatique bariolées sont constitutifs de son approche

4. Je pense que ce travail mené en tant que chimiste

ou des comptes-rendus de conférences tout autant que ma présence dans un laboratoire me permettaien justement pris conscience de la façon dont

certains chercheurs font tenir ensemble des éléments très hétérogènes. Ces ensembles ne vont

une réponse, et non pas la réponse, à un problème donné.

intéresse aux réseaux qui relient diverses instrumentations, des types de réaction différents,

des cinétiques multiples, des études des processus biochimiques, la fabrication de capteurs biologiques et de piles, etc. Bref, du nombre impressionnant de médiateurs humains et non- projet de recherchecelui de Marcus à propos du s entre corps chimiques. plus tard ce style de recherche dans les travaux de Robert Sanderson Mulliken lors mon master de philosophie ; nous aurons à développer le rôle des externes à un laboratoire de recherche dans le cadre de ce manuscrit. Je garderai toujours en mémoire ce travail façons de faire des scientifiques,

-à-dire sur les façons de créer de nouveaux modèles, de nouveaux instruments, de

nouveaux composés chimiques et de lier ces " ingrédients » en un tout inédit, stabilisé à un

moment donné, quoique sans cesse en évolution. également toujours pris au sérieux les travaux des historiens et des philosophes en les lisant à leur égard, et ce très tôt, dès mon adolescence. étudiant leurs livres. parallèlement à ma vie professionnelle pour y voir un peu plus clair, pour interroger mes références, mes repères. Etant agrégé a été proposé de recommencer mes études immédiatement dans thèse doctorale ne comprenais pas, qui ne correspondait pas du tout à mes attentes, sans la

4 MARCUS, Rudolph, A. " Transition State Theory in Chemical Reactions », in Femtochemistry &

Femtobiology: Ultrafast Reaction Dynamics at the Atomic-Scale Resolutions, Nobel Symposium 101,

6 moindre hésitation. Si mon choix était de redevenir étudiant en apprenant à travailler différemment pour me donner la chance de comprendre un peu mieux ce que je

faisais, il me fallait au moins préalablement acquérir des bases pour travailler dans de bonnes

conditions ! " Rien ne donne plus le sens que de changer de sens » écrit Michel Serres dans

son livre le Tiers-Instruit5. Mon but était, autant que faire se peut, essayer vraiment

oser les problèmes, à argumenter, à construire une analyse qui soit à la fois

cohérente et personnelle. Il fallait donc devenir différent et informé, bref, se métisser pour

recréer du sens à partir de la complémentaire. de la nuance et de la chance aussi. : " Philosopher consiste à pouvoir se dépayser, à comparer et à renoncer à ses premiers repères.

6 ». Il faut intégrer ces changements

et gagner en maturité au fil des expériences . Semblable au bateau de Thésée, nul ne reste ni tout à fait le même, ni ne devient tout à fait différent , car apprendre est avant toute chose une ouverture à de nouveaux rapports dont la construction ne peut se faire nous transforme : pas dasseoir une essence mais de conjoindre, de façon dynamique, de nouveaux attributs qui modifient notre définition possibles. : une autre

passeport. Non. Cela ne se vérifierait que si le milieu se réduisait à un point sans dimension, comme

dans le cas du saut. Le corps qui traverse apprend certes un second monde, celui vers lequel il se En -dessus tout, il . »7

celle de la philosophie des sciences, est intéressante quoique assez classique. Aquatique

, elle marque le passage, singulier et transformateur

connaissance à une autre en quittant ses attaches terriennes. La traversée insiste ensuite sur le

5 SERRES, Michel. Le Tiers-Instruit, Éditions François Bourin, Paris, 1991, p. 23.

6 DAGOGNET, François. Rematérialiser, Vrin, Paris, 1989, p. 235.

7 SERRES, Michel. Le Tiers-Instruit, op. cit., pp. 23 et 25.

7 vécu, le parcours, son historicité et sa contingencee transformations silencieuses

8, de petites variations subtiles qui font que tout change sans

. Unde, qua et quomodo re qui nous différencient par nos actes et que Vladimir Jankélévitch nous conseille de ne jamais perdre de vue

9. Un beau jour vous vous rendez

rapport à ce que vous aviez accepté sans mot dire. Votre vécu, votre travail, votre parcours

mêlés accompagnent un bouillonnement déclic se produit, vous comprenez tout simplement autrement ce qui, jadis, vous paraissez obscur.

» pour utiliser

la célèbre formule du poète Borgès dans son recueil Fictions10. et surtout une relation qui unit les deux rives. Les relata de chaque côté, la relation qui les unie et les transforme au centre du monde. un autre milieu. Ce besoin a été le moteur aux relations qui nous définissent et nous relient au reste du monde. Les chimistes le savent bien, des tables Etienne-François Geoffroy aux menstrues de Gabriel François Venel, de Dimitri Mendeleïev aux auto-assemblages de Jean-Marie Lehn, ils classent et définissent les corps chimiques , bref, de relations. Relations et relata

sont clairement indissociables dans les pratiques des chimistes, un corps chimique est le

corps. A cette étape de purification correspond celle de médiation, pour parler avec Bruno

Latour

11, qui fait proliférer instruments, verreries, dispositifs et protocoles. Le corps purifié

permet alors de définir une classe de composés qui sera étudiée par le biais de ses types de

" réactions bref, à partir des relations de transformation dans lesquelles ce corps se trouve engagé philosophie pour réfléchir sur notre description du monde en termes de relata et de relations.

8 JULLIEN, François. Les transformations silencieuses. Chantiers I, Grasset, Paris, 2009.

9 JANKELEVITCH, Vladimir. ., op. cit., chapitre 1, Paradoxologie

-obstacle.

10 BORGES, Jorge Luis. Fictions, Gallimard, nouvelle édition augmentée, 2003.

11 LATOUR, Bruno. , Éditions la

Découverte, Paris, 1991.

8 pour ce type de question. -Nanterre sous la direction de Bernadette Bensaude-Vincent. ai assisté aux cours et ai validé toutes les langage et de orbitales moléculaires. l des publications, des comptes-rendus de colloques, et desquelles il émerge. expérience à propo-théoriques, -à-dire de coopérations constitutives

entre pratiques le plus souvent réputées disjointes. Je souhaitais également étudier les

relations entre la chimie, la mécanique quantique et la spectroscopie moléculaire qui avaient conduit à ce type de savoir inédit. en avoir pris la mesure, à est très bien déroulée et a été récompensée comme telle par ses évaluateurs, je commence à comprendre, au moins en partie, certains cours et certaines lectures. Je fais un peu mieux le lien, par exemple, entre les façons de faire det une étude épistémologique ou philosophique de la chimie. Avec plus de maturité et de connaissances scientifiques a toujours été distance à parcourir et surtout de chemins à construire. Je trouve cette situation motivante, il fallait prendre le de laisser ce savoir infuser, de lire, honnêtement, chaque auteur, ligne après ligne, livre après livre. Je me suis instruit pendant ces années, quelle joie en intégrant de nouvelles connaissances permis de dissoudre certaines de mes

représentations usuelles ; en un mot, quelle joie de pouvoir se construire en dépliant le

diamètre de sa propre sphère de finitude ! provisoire et émancipateur ainsi qurecherche entre sciences et philosophie. ex perere partielle et provisoire, de soi. : " Un fondement arrête, alors . »12

12 BITBOL, Michel. Pour une philosophie et une science des relations, Flammarion,

Paris, 2010, p. 420.

9 , en outre, fasciné par la diversité des humains et des non-humains qui nous entourent et avec lesquels nous construisons sans cesse un sens commun. Je Mulliken, mais au-delà dméthodes ou spécialités scientifiques, je aussi ux corps chimiques ; bref, à cette foisonnante proléités qui peuplent et font le quotidien des chimistes et des humains en général. Je lisais beaucoup les philosophes de la ence, quelle aubaine eu idée de prolonger ma formation en philosophie en étudiant une mise en relation entre le , la chimie, et la chimie quantique. Bernadette Bensaude-Vincent a

préféré, en toute bienveillance, que des spécialistes de ces questions pointues accompagnent

ce type de travail, je me suis ainsi dirigé vers Michel Bitbol qui a été mon professeur en

master et vers Isabelle Stengers qui travaille, comme chacun sait, en liens étroits avec

Bernadette Bensaude-Vincent. Ils

quantiques en interrogeant le rôle et le statut des relations et des relata savoir. thèse. aussi, grâce aux recommandations de Michel Bitbol, de bénéficier de

pour enquêter ; de donner des conférences dans divers colloques ; organiser un atelier

international de philosophie de la chimie au CREA

13 en septembre 2010 ; et de participer à

symposium annuel de la Société Internationale de Philosophie de la Chimie en août 2012. en collaboration avec Rom Harré, Michel Bitbol lui-même, Marina Banchetti-Robino ou Olimpia Lombardi et de trouver enfin des éditeurs pour publier un double ouvrage qui regroupe lesquotesdbs_dbs23.pdfusesText_29

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