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Nous supposons généralement que les objets qui nous entourent existent indépendamment de nous et des autres objets. Nous pouvons observer un verre comme un objet bien défini et étudier ses propriétés chimiques ou physiques en laboratoire. Nous pouvons même prédire son comportement à tout moment, à condition de connaître tous les facteurs externes qui agissent sur lui. La science rencontre une réalité constituée d'objets clairement délimités: une réalité qui peut être mesurée par des instruments scientifiques et, en fin de compte, même contrôlée. De la machine à vapeur à l'ampoule électrique, de nombreux exemples de progrès scientifiques reposent sur cette notion, tous condensés par la physique classique en lois de la nature vérifiables telles que la mécanique newtonienne, l'électrodynamique et la thermodynamique. Le domaine de la physique classique est régi par le déterminisme.
Au début du 20e siècle, cependant, cette vision déterministe du monde a commencé à s'effriter. Des physicien·nes tel·les que Max Planck, Albert Einstein et Nils Bohr ont montré que la physique classique ne pouvait pas décrire les phénomènes au niveau des atomes et des particules élémentaires. Le monde des particules microscopiques, semblait-il, était régi par des règles fondamentalement différentes.
La fin du déterminisme
La physique quantique rompt avec l'idée d'une réalité déterministe qui se décompose en sous-systèmes», déclare Hans Christian Öttinger, physicien et professeur à l'ETH Zurich . Il mène des recherches sur la théorie quantique des champs au Département des matériaux et se spécialise dans les implications philosophiques et épistémologiques de la théorie quantique. «Dans le monde subatomique, nous ne pouvons plus observer les choses de manière isolée, car la physique quantique nous dit que tout peut être corrélé», explique Hans Christian Öttinger.
Si nous mesurons ou observons un système d'électrons, de photons ou d'autres particules microscopiques, nous interagissons inévitablement avec ce système et faisons partie d'un système holistique plus vaste. Vu sous cet angle, nous n'étudions pas une réalité indépendante mais aussi tous les changements qui sont inévitablement déclenchés par nos mesures ou d'autres interventions. En outre, alors qu'en physique classique, un comportement apparemment aléatoire n'apparaît que comme le produit d'une information insuffisante ou d'une erreur de mesure, la théorie quantique élève le caractère aléatoire au rang de principe fondamental. «Notre représentation physique quantique du monde implique clairement un véritable caractère aléatoire de l'univers», déclare le professeur.
L'expérience de la double fente
L'expérience bien connue de la double fente illustre parfaitement ce phénomène. Si nous envoyons des photons d'une source lumineuse sur un écran de détection, ils apparaissent sur l'écran en des points aléatoires répartis sur une grande surface, même s'ils ont été envoyés dans des conditions physiques identiques. Aucun modèle ne peut être discerné; le hasard prévaut. Pourtant, si nous tirions plusieurs balles d'un pistolet, toutes dans des conditions expérimentales identiques, nous pourrions être sûrs qu'elles toucheraient toutes le même endroit. Si nous plaçons maintenant une plaque contenant deux fentes identiques et parallèles entre la source de lumière et l'écran du détecteur, puis que nous répétons l'expérience des photons, un motif de bandes alternées apparaît sur l'écran. Ce motif d'interférence en bandes peut être représenté mathématiquement par une fonction d'onde, qui permet aux physicien·nes de déterminer la probabilité que des particules frappent un point spécifique de l'écran. Dans le monde quantique, ce type d'énoncés probabilistes remplace le déterminisme de la physique classique. Et l'expérience réserve une autre surprise: si l'on place un détecteur de particules à chaque fente afin de déterminer par laquelle chaque photon passe, le schéma change à nouveau.
Selon le professeur Hans Christian Öttinger de l'ETH Zurich, il fallait s'y attendre: «Dès que nous ajoutons la plaque à double fente et les détecteurs à l'expérience, nous modifions le monde que nous espérions observer, car chacun interagit avec les photons et affecte leur comportement.» Cela s'applique également aux autres particules élémentaires: on ne peut mesurer ni des atomes entiers ni des électrons individuels sans les considérer comme faisant partie d'un système holistique plus vaste. Mais si tout est corrélé, comment est-il possible que nous puissions observer un verre et d'autres grands objets de manière isolée? Hans Christian Öttinger et d'autres physicien·nes théoriques soutiennent que des effets de décohérence sont à l'œuvre: «Les corrélations mutuelles se désintègrent rapidement dans le cas de grands objets. C'est pourquoi nous pouvons étudier un verre ou une pierre de manière isolée sans avoir à tenir compte de ses interactions avec son environnement.»
Complémentarité et contradiction
Les explications d'Hans Christian Öttinger sur la nature holistique des systèmes quantiques et la décohérence sont certes convaincantes. Pourtant, elles contredisent la lecture dominante de la théorie quantique proposée à l'origine par Nils Bohr. Connue sous le nom d'interprétation de Copenhague, la version de Nils Bohr affirme que la mécanique quantique ne décrit pas la réalité elle-même, mais plutôt un état de connaissance de la réalité. Nils Bohr a travaillé sur l'hypothèse selon laquelle chaque objet en physique quantique présente toujours les propriétés d'une onde et d'une particule. Les scientifiques appellent cela le principe de complémentarité, ou dualité onde-particule. Dans cette interprétation, les bandes claires et sombres de la figure d'interférence dans l'expérience des doubles fentes sont considérées comme une indication que les photons traversent réellement les deux fentes comme des ondes. La mesure de leur mouvement à l'aide d'un détecteur provoque un effondrement de la fonction d'onde, ce qui explique pourquoi les photons apparaissent ensuite sur l'écran comme des particules discrètes. Hans Christian Öttinger et d'autres physicien·nes affirment que cette lecture soulève plus de questions qu'elle n'apporte de réponses. Pourquoi devrions-nous supposer que les particules se déplacent à la manière d'une onde? Cette hypothèse ne contredit-elle pas la notion d'effondrement de la fonction d'onde? De toute façon, comment devons-nous interpréter le concept de particule en physique quantique? Et ces particules peuvent-elles vraiment se déplacer le long de chemins?
Théorie quantique des champs
Selon Hans Christian Öttinger, ces questions nous obligent à abandonner les termes classiques tels que particule, onde et mouvement. Il considère la théorie quantique des champs comme le point de départ le plus prometteur pour une explication fondamentale des phénomènes quantiques, même si sa formulation robuste et graphique pose des problèmes majeurs. Dans la théorie quantique des champs, de nouvelles particules peuvent apparaître et disparaître à tout moment. Plutôt que de se concentrer sur les particules individuelles, Hand Christian Öttinger préfère parler de nuages de particules ou d'essaims de particules, dans lesquels les particules individuelles ne peuvent être discernées qu'à partir d'une certaine résolution. En dessous de ce seuil, elles sont floues ou étalées, un peu comme dans une image où les pixels individuels ne deviennent visibles qu'en zoomant, et où la résolution exacte des pixels n'a pas d'importance pour l'image dans son ensemble.
La question de savoir si cette interprétation du monde quantique sera finalement plus convaincante restera probablement un sujet de débat pendant un certain temps encore. Néanmoins, les applications de la théorie quantique font depuis longtemps partie de notre vie quotidienne, même s'il semble que nous ne comprenions pas entièrement le formalisme mathématique sur lequel elles reposent. Pour franchir cette étape, il faudrait être prêt à élargir notre champ d'expérience actuel en y intégrant de nouvelles connaissances.
Ce texte est paru dans le numéro du 21/03 du magazine Globe de l'ETH Zurich.