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La physique quantique

Comprendrons-nous jamais la physique quantique ?

Pour inaugurer ses conférences sur la physique données à Cambridge en 1871, James Clerck Maxwell avait annoncé que dans quelques années "les hommes de sciences passeraient leur temps à ajouter quelques décimales aux grandes constantes de la physique". C'est vrai qu'aujourd'hui, une partie de leur travail consiste à préciser ces constantes fondamentales.

Trente ans plus tard toutefois, Max Planck jetait dans la mare sa formule du spectre du corps noir, la première onde de choc de la révolution quantique.

Plus d'un siècle plus tard, les échos de cette révolution se propagent toujours dans les couloirs et font encore plus de bruit depuis que l'on connaît les succès de la physique quantique.

A part chanter la gloire de la Physique, qu'avons-nous appris en 100 ans de quantique et quelles sont les conséquences de toutes ces découvertes ? Sommes-nous toujours effondrés devant la fonction d'onde qui décohère ou nous dirigeons-nous vers une physique unifiée et une décomposition tripartite sujet-objet-environnement ?[1]

Le verdict de l'expérience : l'Univers est étrange

Ainsi que nous l'avons expliqué dans l'histoire de la "mécanique ondulatoire", tout commença vers 1852, lorsque Lord Kelvin prétendit que "la physique avait fourni une description cohérente et a priori complète de l’univers." A cette époque l'univers était relativement simple à comprendre et se suffisait de quelques lois élémentaires de mécanique (Newton) et de chimie (Lavoisier) parmi d'autres.

Mais en 1871 les scientifiques avaient une bonne raison de croire que nous étions loin de la réalité : la "catastrophe ultraviolette" ne respectait pas la quantité d'énergie prédite par le calcul. En regardant simplement brûler un fourneau, on devait devenir aveugle par l'émission de lumière UV et de courte longueur d'onde. Or depuis que l'homme fait cuire ses aliments, il se porte bien mieux !

En 1900, Planck détermina le profil correct du spectre du corps noir, éliminant du coup la catastrophe ultraviolette. Einstein ira un pas plus loin en assumant que l'énergie ne pouvait être transportée que par quanta. L'idée étant révolutionnaire, on pensait alors avoir fait le tour de la question.

Puis en 1911, les physiciens durent faire face à un nouvel embarras. Ernest Rutherford émit l'hypothèse que les atomes consistaient en électrons orbitant autour d'un noyau chargé positivement, une sorte de système solaire en miniature. Mais la théorie électromagnétique prédisait que dans ces conditions, les électrons disperseraient toute leur énergie et finiraient par tomber en spirale sur le noyau en l'espace d'un millionième de millionième de seconde. Pourtant l'atome d'hydrogène a la réputation d'être éminemment stable. Pour résoudre ce problème, Niels Bohr postula que la quantité de moment angulaire dans un atome était quantifiée, les électrons étant confinés sur un certain nombre discrets d'orbitales, chacune présentant un niveau déterminé d'énergie. Il expliqua également la position des raies dans le spectre de l'hydrogène et celui de l'hélium. Pouvant le calculer pour deux atomes, on se dit qu'il pouvait le faire pour tous les autres. Et de fait, les succès de Niels Bohr dépasseront les murs du laboratoire de Cavendish et rendront le professeur Danois aussi célèbre qu'Einstein.

Qu’est-ce que la réalité pour un philosophe ?

Microcosme + Macrocosme :

Procédure :

Description :

Evolution :

Corrélations :

Equation de Schrödinger + Equation de Newton

Etat quantique linéaire + Réduction d’état non linéaire

Indéterminée (probabiliste) + Déterminée

Non locales + Locales

Réponse : nous devons élaborer une nouvelle physique qui tiendrait compte des observations expérimentales et des théories conventionnelles.

Malgré ses premiers succès, la physique quantique restait toujours mal comprise. Les physiciens ne savaient pas vraiment ce qu'ils devaient faire de ses étranges lois où l'énergie était transportée par quanta. Qu'est ce que tout cela signifiait réellement ?

En 1923, Louis de Broglie proposa une réponse dans sa thèse de doctorat : les électrons et les autres particules agissent comme des ondes stationnaires. Comme les ondes, ils vibrent comme les cordes d'une guitare, sur certaines fréquences discrètes (quantifiés). L'idée était tellement saugrenue que le comité d'examen dû se retirer pour débattre de l'acceptation ou non de la thèse. Einstein donna un avis favorable et la thèse fut acceptée.

Puis vint Edwin Schrödinger et sa fameuse équation en 1926, l'une des clés de voûte de la physique et dont l'interprétation demeure souvent mal comprise. Schrödinger parlait de "paquet d'ondes"... Une nouvelle fois, qu'est-ce que cela signifiait concrètement pour un électron ou un atome isolé ? Max Born répondit à toutes ces interrogations en termes probabilistes, s'écartant du monde concret qui nous entoure. Heisenberg alla dans le même sens précisant que la "fonction d'onde représentait le possible et non pas le réel"... !? Cette remarque est très importante.

Cette fois s'en était trop ! La théorie déjà passablement hermétique prédisait sans nul doute des résultats corrects, mais son interprétation en termes de possibles et de dimensions excédentaires... en excéda plus d'un, la jugeant plus proche d'une... métaphysique. Et elle deviendra plus étrange encore quand Schrödinger trouva en 1935 un chat dans un état indéterminé dans son laboratoire et lorsqu'Everett s'avança en 1957 dans des univers parallèles... Ces expériences de pensées n'allaient pas simplifier son interprétation.

Etat lié et état d'intrication quantique

Il existe une différence essentielle entre un état lié et un état d'intrication quantique.

Dans un état lié les interactions entre les particules liées sont continuelles; dans un atome d'hydrogène par exemple, le proton et l'électron forment un état lié grâce à l'échange continuel de bosons (photons) virtuels.

Dans un état quantiquement intriqué, quelle que soit la distance entre les particules ou le support de propagation, les particules conservent leurs états globalement corrélés. Si le fait est avéré depuis plusieurs décennies, son explication reste une énigme et constitue l'un des plus grands mystères de la science.

Une anecdote résume tout le problème. A Los Alamos, après la seconde guerre mondiale, un jeune physicien demanda une explication à John von Neumann concernant un problème mathématique difficile. “Elémentaire, dit von Neumann. On peut résoudre ce problème en employant la méthode des caractéristiques”. A quoi le jeune physicien répondit : “Je crains de ne pas comprendre la méthode des caractéristiques”. “Jeune homme, dit von Neumann, en mathématique, on ne comprend pas les choses, on s’y habitue, c’est tout”. Toute la philosophie de la physique quantique tient dans cette remarque impertinente.

Il est indéniable que le verdict expérimental nous dit que le monde de la physique quantique est étrange : un photon peut-être à deux endroits en même temps et peut même interférer avec lui-même. Et l'objet quantique ne doit pas nécessairement être très petit. L'expérience de la double fente de Young présentée ci-dessous, considérée par Richard Feynman comme la mère de tous les effets quantiques a été répétée avec succès avec des atomes, des molécules et plus récemment avec un Carbone-60, le "Buckey Ball". Anton Zeilinger du groupe GHZ a même imaginé la réaliser avec un virus. Si ce dernier est doté d'un atome de sagesse, l'interprétation en terme d'univers multiples semble inévitable. Oui, la réalité du monde quantique est étrange, qu'on l'accepte ou qu'on ne l'accepte pas.

A voir : La dualité onde-particule, Hitachi

A gauche, le schéma de l'expérience de la double fente de Young extraite du cours de Richard Feynman. A droite, le résultat présenté à l'époque par Feynman démontre que si on projète aléatoirement des électrons (des particules) à travers une double fente et qu'on observe leur impact sur un détecteur situé derrière le masque, au bout de 30 minutes on constate qu'ils forment des franges d'interférences à l'image des ondes (comme s'ils étaient passés simultanément à travers les deux fentes). Celui qui peut expliquer ce paradoxe et définir la nature de l'électron et plus généralement du photon, gagne le prix Nobel ! Document IOP Publishing et Hitachi, site où vous trouverez d'autres vidéos sur le même thème.

Devant la difficulté de visualiser les phénomènes quantiques, d’avoir une image intuitive des phénomènes et de leur réalité, beaucoup de chercheurs, mathématiciens, physiciens ou philosophes, se sont demandés quel était finalement le statut de la réalité en physique quantique ? Un ouvrage complet ne suffirait pas pour répondre à cette question car pour beaucoup d’auteurs elle soulève également tout le débat concernant la catégorisation de notre pensée, la connaissance objective, la méthode scientifique, le déterminisme, l'unité de la Nature, etc, autant de sujets du ressort de la philosophie, de la métaphysique voire de la théologique. On s’écarte donc de la physique quantique. Mais nous pouvons poser quelques éléments de solutions tout en plaçant des gardes-fous afin de rester fidèle à notre démarche. Quantités d'autres viendront s'ajouter, en particulier dans le dossier consacré à la philosophie des sciences.

Les degrés de liberté de l'Univers

Nous avons vu dans l'article consacré à l'interprétation de la physique quantique, que dans un sondage informel réalisé à Cambridge en 1999, la théorie des univers multiples d'Everett raliait à sa cause 31 % des physiciens concernés par l'informatique quantique, mais la majorité d'entre eux, 52%, ne partagaient aucune des interprétations actuelles (Copenhague, Bohm, Everett, etc.), ils restaient indécis en attendant que l'on invente une théorie plus complète. Le débat est donc ouvert : comment représenter le monde ?

Depuis l'invention de l'équation de Schrödinger, les physiciens ont tendance à représenter le monde par un ensemble constitué de plusieurs sous-systèmes en interactions.

Richard Feynman avait déjà insisté sur le fait que la mécanique quantique statistique divisait l'Univers, où plus exactement ses "degrés de liberté", en deux sous-systèmes : l'objet d'expérience et le reste du monde, ce qu'on appelle communément l'environnement. Pour comprendre certains processus comme la mesure, nous devons inclure un troisième sous-système : le sujet, l'état mental de l'observateur.

Une méthode souvent utilisée consiste à diviser l'équation de Schrödinger gouvernant l'évolution temporelle de l'Univers pris dans son ensemble en deux groupes : ceux décrivant la dynamique interne de chaque sous-système et ceux décrivant leurs interactions.

Problème, cette manière de penser réduit à néant les tentatives d’explications de Schrödinger. En divisant le monde en sous-systèmes, cela tend à prouver que celui qui réfléchit ainsi n’a pas encore compris la théorie de Schrödinger. Voyons malgré tout ce que cela implique.

Analysons le schéma présenté ci-dessus. Un observateur décompose conventionnellement le monde en trois sous-systèmes : les degrés de liberté correspondant à sa perception subjective (le sujet), les degrés de libertésdu phénomène étudié (l'objet) et le reste du monde (l'environnement). Ces différents termes ayant qualitativement des effets très différents comme l'indiquent les différentes interactions entre ces sous-ensembles, on les étudie généralement séparément.

Le terme donnant sa dynamique à l'objet étant normalement le plus important des trois, pour comprendre ce que l'objet fera, tous les autres termes sont souvent ignorés.

Par exemple, dans le cas d'une pièce de monnaie, la dynamique de l'objet est telle que la pièce tombera du côté pile et face en superposition. Quand l'observateur regardera le résultat de son pari, cette interaction sujet-objet créera une superposition de son état mental joyeux et déçu. Toutefois, le sujet n'a pas conscience de son état de schizophrénie étant donné que les interactions entre le sujet et l'environnement (dans ce cas les molécules d'air et les photons rebondissant sur la pièce) vont, en pratique, quasi instantanément provoquer la décohérence, rendant cette intrication d'états inobservable.

Notons que si les processus de mesure et de décohérence semblent différents, il existe une symétrie entre les interactions objet-sujet et objet-environnement, impliquant dans les deux cas un manque d'information sur l'objet (l'entropie) : grossièrement dit, l'entropie d'un objet diminue pendant que vous le regardez et augmente dans l'autre cas. La décohérence est essentiellement une mesure dont vous ne connaissez pas le résultat.

Pour l'observateur, il est donc virtuellement impossible d'éliminer cette décohérence en pratique du fait de la taille de la pièce de monnaie. Mais même s'il y parvenait (répétant l'expérience dans une chambre noire privée d'air), cela ne ferait aucune différence : au moins un neurone de son nerf optique entrerait dans une superposition d'excitation et de non-excitation pendant qu'il regarderait la pièce de monnaie et cette intrication déclencherait la décohérence en l'espace de10-20 secondes environ selon les derniers calculs.

Comme dans la caverne de Platon, l'homme ne voit jamais que les ombres de la réalité : la graduation d’un réhostat, des bulles d’air dans une chambre à bulles, des signaux numérisés ou des chiffres sur un écran. Pour la première fois dans l'histoire de la science, notre perception du monde ne passe plus directement par nos sens.

Mais il reste un problème, car les processus de pensée (la dynamique interne du "système" du sujet) pourraient créer des superpositions d'états mentaux que nous serions incapables de percevoir. En effet, Roger Penrose et ses collègues ont suggéré que de tels effets pourraient transformer notre cerveau en une sorte d'ordinateur quantique. Toutefois, le fait que les neurones décohèrent beaucoup plus rapidement qu'ils ne traitent l'information (ils requièrent environ un millième de seconde pour réagir) signifie que si un complexe de neurones s'active dans notre cerveau, cela n'aurait rien de conscient, ce qui explique que lors la décohérence qui se produit dans notre cerveau, ce phénomène nous empêche de percevoir ces étranges superpositions d'états.

Comme le précisent Tegmark et Wheeler, nous percevons seulement les aspects du monde qui s'opposent le plus à la décohérence. Selon Zurek, la décohérence sélectionne ce qu'il appelle un "pointeur fondamental", des quantités qui nous sont familières en physique classique, tel le neurone dans le cas d'une excitation par l'un des organes des sens de notre observateur.

Selon Zeh, cela justifie le postulat de l'effondrement de la fonction d'onde tel que les manuels la décrivent : on calcule des probabilités comme si la fonction d'onde s'effondrait dès qu'on observait l'objet. A strictement parler, l'observateur entre en permanence dans des superpositions de différents états mentaux, mais la décohérence nous empêche de le remarquer. Subjectivement, tous nos "moi" intriqués percevraient cela comme un simple phénomène aléatoire, ce qui perturba tant Einstein.

Pour un homme éduqué dans un cadre rationnel, on peut comprendre la réticence d'Einstein devant une théorie qui affiche autant de paradoxes et de concepts si hermétiques que la physique quantique. A côté d'elle, les conséquences de la relativité générale sont très claires et ne sont finalement paradoxales que dans l'esprit de la personne qui ne comprend pas cette conception de la réalité.

Dans le cas de la théorie quantique des champ, le problème n'est pas dans la solution mathématique qui n'est qu'une application de formules, mais, ainsi que nous l'avons déjà dit, dans l'interprétation des résultats où la physique statistique revêt une importance majeure. C’est ici que l’interprétation de Zurek ou Zeh ravive cet éternel contresens sur la mécanique quantique... En effet, dans les propos de ces auteurs il manque toujours une considération tout à fait essentielle, c’est la démonstration parfaitement établie que les systèmes à énergie constante E ~En (quantique) se confondent asymptotiquement dans leurs comportements à énergie constante E avec leur modèle homologue de la mécanique classique quand n tend vers l’infini. Il n’y a plus de différence alors entre la mécanique classique sauf dans le cas de systèmes statistiques particuliers, tels ceux ayant une infinité de degrés de liberté.

Mais étant donné que dans l’interprétation probabiliste, la réalité n'est plus immédiatement liée à la mesure comme dans la "bonne vieille" physique classique, pour certains auteurs portés sur l'ésotérisme, un facteur subjectif, peut-être même anthropocentrique, se greffe sur le résultat objectif. La réalité en soi se voile et certains en appellent à une explication philosophique voire métaphysique pour expliquer la réalité des phénomènes. 

Bien que nous ne pouvons pas partager leurs idées dans le cadre de la théorie quantique actuelle, voyons en quelques mots de quelles manières ces explications "exotiques" pourraient nous aider à comprendre la phénoménologie quantique et ses effets paradoxaux. Attention, le terrain est miné !

La suite de cette passionnante aventure est décrite dans mon livre :

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[1] Cet article est un résumé du chapitre consacré au même sujet publié dans mon livre sur la physique quantique.


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