Le tout est le vrai

Normalement, nous partons du principe que les objets qui nous entourent existent indépendamment de nous ou d'autres objets. Nous pouvons considérer un verre comme un objet bien défini et étudier ses propriétés chimiques ou physiques en laboratoire. Si nous connaissons en outre toutes les influences environnementales qui agissent sur le verre, nous pouvons prédire son comportement à n'importe quel moment. Face à la science, il y a une réalité composée d'objets clairement délimités qui peuvent être mesurés et finalement contrôlés à l'aide d'instruments scientifiques. De la machine à vapeur à l'ampoule électrique, de larges pans du progrès scientifique reposent sur cette idée. La physique classique, avec les lois de la mécanique newtonienne, de l'électrodynamique et de la thermodynamique, l'a coulée dans des lois naturelles vérifiables.

Mais au début du 20e siècle, cette vision déterministe du monde a été de plus en plus ébranlée. Des physiciens comme Max Planck, Albert Einstein ou Nils Bohr ont montré que la physique classique échouait dans la description des atomes ou des particules élémentaires. Dans le monde de l'infiniment petit, il semblait que d'autres lois s'appliquaient fondamentalement.

La fin du déterminisme

"La physique quantique rompt avec l'idée d'une réalité déterministe qui se décompose en sous-systèmes", explique le professeur de l'ETH Hans Christian Öttinger. Il mène des recherches sur la théorie quantique des champs au Département de science et ingénierie des matériaux et s'intéresse aux implications philosophiques et épistémologiques de la théorie quantique. "Dans le monde des particules subatomiques, les choses ne peuvent plus être considérées isolément, car tout peut être corrélé", explique le physicien.

Si l'on mesure ou observe un système d'électrons, de photons ou d'autres particules minuscules, on entre inévitablement en interaction avec lui et on devient une partie d'un système global plus grand. En ce sens, nous n'étudions pas une réalité indépendante, mais aussi les changements qui sont inévitablement déclenchés par des mesures ou d'autres interventions. Mais cela ne suffit pas. Si, en physique classique, un comportement prétendument aléatoire est le produit d'un manque d'informations ou de mesures erronées, la théorie quantique en fait un principe. "Notre image de la physique quantique du monde de l'infiniment petit montre clairement qu'il existe un véritable hasard dans le monde", explique Öttinger.

L'expérience de la double fission

L'expérience dite de la double fente l'illustre de manière impressionnante. Si l'on tire des photons d'une source de lumière sur un écran de détection, ceux-ci atterrissent de manière aléatoire à des points différents, répartis sur une large zone, bien qu'ils aient été tirés dans les mêmes conditions physiques. Aucun modèle n'est reconnaissable. C'est le hasard qui prévaut. En revanche, si l'on tire plusieurs balles d'un pistolet dans des conditions environnementales exactement identiques, elles tombent toujours au même endroit de manière fiable. Si l'on place une cloison avec deux fentes parallèles et de même taille entre la source de lumière et l'écran du détecteur, un motif en forme de bande se forme sur l'écran. Ce motif d'interférence peut être décrit mathématiquement par une fonction d'onde qui permet aux physiciens de déterminer la probabilité d'impact des particules à certains endroits. Dans le monde quantique, les énoncés probabilistes remplacent le déterminisme de la physique classique.

Mais l'expérience réserve une autre surprise : Si l'on installe un détecteur supplémentaire sur chacune des deux fentes, qui mesure par quelle fente les photons se déplacent, le motif sur l'écran change à nouveau. Pour le professeur Öttinger de l'ETH, cela n'a rien d'inattendu : "En insérant la cloison et les détecteurs dans l'expérience, nous modifions le monde que nous voulions observer. Ils interagissent avec les photons et influencent leur comportement". Cette prise de conscience est également valable pour d'autres particules élémentaires. Ni les atomes entiers ni les électrons individuels ne peuvent être mesurés sans les voir dans un système global plus grand. Mais alors, pourquoi de grands objets comme un verre sont-ils observables de manière isolée alors que tout est corrélé ? Pour des physiciens théoriques comme Öttinger, ce sont des effets de décohérence qui sont à l'œuvre : "Les corrélations mutuelles s'atténuent rapidement pour les objets plus grands. Cela nous permet d'étudier un verre ou une pierre séparément, sans devoir tenir compte de leurs interactions avec l'environnement".

Complémentarité et contradictions

Aussi plausibles que puissent paraître les explications d'Öttinger sur le caractère holistique des systèmes quantiques et sur la décohérence, elles sont en contradiction avec la lecture dominante de la théorie quantique, initialement marquée par Nils Bohr, l'interprétation de Copenhague. Selon cette interprétation, la mécanique quantique ne décrit pas la réalité, mais un état de connaissance sur la réalité. Bohr a supposé que tout objet de physique quantique présente toujours à la fois des propriétés ondulatoires et particulaires. Dans le jargon, on parle de principe de complémentarité ou de dualisme onde-particule. En conséquence, le motif d'interférence en forme de bande de l'expérience de la double fente est considéré comme un indice que les photons se déplacent effectivement comme des ondes à travers les deux fentes. Si l'on mesure ce mouvement avec un détecteur, on observe un effondrement de la fonction d'onde. Les photons deviennent alors visibles sur l'écran sous forme de particules discrètes.

Pour Öttinger et d'autres physiciens, cette lecture soulève plus de questions qu'elle n'apporte de réponses. Devons-nous partir du principe que les particules se déplacent de manière ondulatoire ? Cette hypothèse n'est-elle pas en contradiction avec l'affirmation de l'effondrement ? Qu'entendons-nous exactement par "particule" en physique quantique ? Et celles-ci peuvent-elles vraiment se déplacer selon des trajectoires ?

Théorie quantique des champs

Selon Öttinger, de telles questions nous obligent à abandonner des notions classiques comme les particules, les ondes ou le mouvement. Lui-même voit dans la théorie quantique des champs l'approche la plus prometteuse pour expliquer fondamentalement les phénomènes quantiques, bien que sa formulation robuste et descriptive pose de gros problèmes. Dans la théorie quantique des champs, de nouvelles particules peuvent apparaître et disparaître à tout moment. Plutôt que de parler de particules, le physicien préfère parler de nuages ou d'essaims de particules, qui ne sont reconnaissables en tant que particules individuelles qu'à partir d'une certaine résolution. En dessous de cette limite, elles sont brouillées, un peu comme une image dont les différents pixels ne sont visibles qu'en zoomant, la résolution exacte des pixels ne jouant aucun rôle dans l'image globale.

La question de savoir si cette image du monde quantique est finalement plus convaincante donnera sans doute encore longtemps lieu à des discussions. Les applications de la théorie quantique font néanmoins partie de notre quotidien depuis longtemps. Il semble seulement que nous ne comprenions pas encore tout à fait le formalisme mathématique sous-jacent. Pour cela, il faudrait que nous soyons prêts à intégrer de nouvelles connaissances dans notre monde empirique.