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La règle et la lumière

Qu'est-ce que cela signifie d'exister ? Que dit la théorie qui explique le comportement essentiel de la nature, sur la nature de la réalité ? Cette question a été à l'origine d'un siècle de débats passionnés. Dans cet article, nous abordons le défi de l’interprétation de la mécanique quantique dans des eaux chargées de questions profondes et inconfortables.

Ander Tobalina Novo

Un arbre tombe dans une forêt solitaire où il n'y a pas de créatures autour. Fait-il du bruit quand les arbres tombent ? Deux réponses possibles: oui ou non. Le premier texte qui reçut cette question fut une réponse négative^[1]. On y expliquait que le son est une sensation perçue par nos oreilles et que, par conséquent, en l'absence de créatures à oreilles, il n'y a pas de bruit. D'un autre côté, j'ai posé la question aux membres de l'équipe, pendant que nous étions au mariage de l'un d'entre nous, et un ami a fermement défendu la réponse affirmative. Il m'expliqua qu'il y avait du bruit bien qu'il n'y ait pas de créature avec des oreilles à cause de la vague qui se propage dans l'air. Pourquoi ? Eh bien, tous les deux et personne.

Ces réponses contradictoires sont la preuve de deux cadres philosophiques face à face pour comprendre la nature de la réalité. Qu'est-ce que cela signifie d'exister après tout ? La réponse négative a un point de vue subjectif idéaliste, car elle conditionne l'existence du son à la perception des êtres. En revanche, la réponse affirmative, en reconnaissant que le son existe indépendamment des êtres, adopte un point de vue réaliste.

La physique développée de la Renaissance au XXe siècle, que nous appelons aujourd'hui physique classique, était basée sur une compréhension réaliste de la nature. Il existe une réalité objective indépendante de la perception, et le but de la science est d'expliquer cette réalité. Pour ce faire, nous utilisons des grandeurs physiques telles que la position, le temps, l'énergie, etc., qui, en fin de compte, expriment la réalité du monde. En outre, l'évolution de ces propriétés est déterministe et réversible. C'est-à-dire qu'en connaissant la valeur initiale d'une grandeur et les conditions de son évolution, nous pouvons prédire toutes les valeurs suivantes. Même le contraire : en connaissant les conditions de l’évolution et son résultat, nous pouvons déduire toutes les valeurs ci-dessus. C'est ainsi que l'on comprenait le monde au tournant du XXe siècle.

si nous avions posé à un savant occidental la question qui a inauguré cet article en 1900, il aurait certainement donné la même réponse que mon ami. L'arbre, sa hauteur, son poids sont réels, ils existent, ainsi que le bruit qu'il fait quand il tombe, bien que personne ne l'entende. Cependant, en 1950, alors qu'ils se promenaient dans les alentours du Princeton Institute for Advanced Study, deux physiciens renommés ont eu cette conversation^[2]:

— Croyez-vous vraiment que la lune n’existe que tant que nous la voyons ?

— Le XX. les physiciens du siècle ne peuvent évidemment pas apporter de réponse définitive à cette question.

La réponse du second physicien indique un changement profond de paradigme. Qu'est-ce qui l'a poussé ? Eh bien, au début du XXe siècle, la mécanique quantique s'est développée et, avec elle, des fissures sont apparues dans le réalisme qui était à la base de la science. Et des questions. Beaucoup de questions.

La mécanique quantique, disons-le franchement, est l'outil de prédication le plus précis que l'homme ait jamais développé. Dans toutes les expériences menées depuis l'origine de la théorie jusqu'à nos jours, même dans les conditions les plus extrêmes qu'on puisse imaginer, les résultats obtenus coïncident avec les prédictions de la mécanique quantique. Toujours. Le formalisme mathématique de la théorie est solide, il n'y a aucun doute. Quant à ce que ce formalisme nous dit sur le monde et sur la nature de la réalité, nous avons un siècle de débat. Pourquoi ?

Le défi de l'interprétation de la mécanique quantique repose sur une distance fondamentale^[3] qui sépare le formalisme mathématique de la théorie de la réalité quotidienne humaine. Mettons les choses au clair. Prenons deux systèmes, l'un classique, comme un ballon, et l'autre quantique, comme un atome, et examinons une certaine grandeur physique de ces systèmes; pour le cas présent, la position. En ce qui concerne le ballon, nous déterminerons sa position en fournissant des coordonnées basées sur un système de référence. Dans ce cas, une seule chose, les ensembles de coordonnées, indique à la fois l'état du système (l'objet mathématique que nous utilisons pour décrire la position) et la propriété physique du système (le résultat que nous obtiendrons en mesurant la position).

La distinction entre l'état et la grandeur physique peut sembler un peu confuse pour la plupart, nous sommes tellement habitués à penser que c'est la même chose. Après tout, c'est ce qui se passe dans la physique classique qui régit notre quotidien. En physique quantique, en revanche, l'objet que nous utilisons pour exprimer l'état d'un système (le formalisme mathématique) diffère du résultat (la réalité) que nous obtiendrons en mesurant une propriété physique du système. Voici l’essentiel ! L'état de l'atome est exprimé à l'aide d'un objet mathématique abstrait - la fonction d'onde. Cela ne détermine pas directement la position de l'atome. Au contraire, elle donne la probabilité de rencontrer l'atome dans l'une ou l'autre position. Nous pouvons souvent répéter la même mesure et voir que les probabilités sont satisfaites, mais en observant un essai individuel, nous ne pouvons pas prédire le résultat.

Pour défendre l'intuition quotidienne, qui nous dit que la position a une valeur précise, nous pouvons penser que ces probabilités sont le reflet de notre ignorance. La dynamique du système est tout simplement trop complexe et la fonction d'onde est incapable de décrire le processus dans son ensemble. Il y a des variables cachées derrière, et si nous connaissons leur valeur et leur dynamique, nous pourrions prédire exactement la position de l'atome. Si cette idée inspire un calme intellectuel chez quelqu'un, j'ai de mauvaises nouvelles.

Des expériences, qui ont valu le prix Nobel de physique en 2022, semblent indiquer qu'il n'existe pas de variable aussi cachée^[4]. La nature probabiliste est une caractéristique naturelle de la nature. Ce n'est donc pas en mesurant une propriété que nous pouvons prédire le résultat que nous obtiendrons, non, la propriété elle-même n'est pas déterminée avant la mesure. Qu'est-ce que ça veut dire ? Que les choses n'existent pas avant d'être mesurées ? Donc, la vitesse de l'arbre qui est sur le point de tomber, existe-t-elle à moins que quelqu'un ne la mesure ? Et l'onde de pression qui s'est formée dans l'air en tombant, existe-t-elle si personne ne la perçoit ? Bien sûr, les arbres, comme les chats, ne sont pas des systèmes quantiques, il n'y a donc pas de raison d'attribuer des caractéristiques quantiques, mais on comprend les fissures causées par la mécanique quantique dans la mentalité réaliste, n'est-ce pas ?

L'intervalle fondamental à la base de la mécanique quantique affecte non seulement les résultats des mesures des propriétés physiques, mais aussi l'évolution des systèmes. Comme nous l'avons déjà mentionné, l'état d'un système quantique est exprimé par la fonction d'onde et la mécanique quantique décrit l'évolution de la fonction d'onde. Cette évolution est déterministe et réversible. C'est comme la physique classique, rien de spécial jusqu'ici. Le problème vient de la mesure. Selon la théorie, lors de la mesure d'une propriété du système, la fonction d'onde change soudainement, à un état lié au résultat de la mesure, à un état guidé par la probabilité. C'est ce que nous appelons l'effondrement de la fonction ondulatoire, qui empêche le déterminisme et la réversibilité qui sont à la base de la science. Rappelez-vous que dans la physique classique, en connaissant l'état d'un système et les conditions de son évolution, nous pouvons connaître tous les états antérieurs et postérieurs. Cependant, dans un monde régi par la mécanique quantique, comment peut-on déduire les états antérieurs si le système a suivi une dynamique guidée par la probabilité? Ou comment prédire l'évolution d'un système, même en connaissant l'état actuel et toutes les conditions de l'évolution, si cette évolution est régie par les lois de la probabilité ? Dans ce contexte, la question de savoir d'où nous venons ou où nous allons a-t-elle un sens scientifique ?

Les deux thèmes que nous avons évoqués — l'indétermination intrinsèque des propriétés des systèmes quantiques et l'effondrement de la fonction d'onde — nous ouvrent la porte à de nombreux autres défis d'interprétation. Par exemple, nous avons parlé de mesurer les propriétés des systèmes quantiques, mais qu'est-ce qu'une mesure ? Est-il nécessaire qu'un être vivant observe le résultat de la mesure ? Où est la frontière entre la physique classique et la physique quantique ? S’agit-il vraiment d’un effondrement soudain ou d’une transformation suivant des règles que nous ne connaissons pas ? La fonction ondulatoire est-elle un objet physique réel ? Ou seulement l'outil mathématique ? Comme je l'ai dit, beaucoup de questions.

Il y a aussi beaucoup de réponses. Cet article est basé sur l'interprétation standard de la mécanique quantique, que nous appelons de Copenhague. Cependant, pour répondre aux questions que nous avons posées, onze interprétations alternatives sont apparues^[5]. Pour le moment, toutes les propositions font les mêmes prédictions, de sorte qu'il n'y a pas de forme empirique pour préférer l'une ou l'autre. La controverse sur l'interprétation de la quantique est aujourd'hui métaphysique. Le domaine de la physique est différent, à savoir le développement de modèles mathématiques qui permettent de faire des prévisions. Et cela, même si c'est probabiliste, la mécanique quantique le fait parfaitement. Pourquoi alors insister pour une interprétation?

D'une part, on peut citer l'appropriation indue subie par la mécanique quantique^[6]. Oui, la théorie a des caractéristiques qui vont à l'encontre de l'intuition sculptée dans notre cerveau depuis des siècles, ce qui lui a attribué une sorte d'aura mystérieuse. Et oui, sur la base de nombreuses technologies de pointe, la théorie a également une image prestigieuse dans le monde. Toutefois, il n'est pas juste de tirer parti de la popularité de la mécanique quantique pour améliorer l'image des produits de vente qui n'ont rien à voir avec la théorie. Plus grave encore, le nom de la quantique a également été utilisé à la recherche de la légitimité des lâches pseudo-scientifiques et des pseudo-thérapies. Face à cette situation, la communauté scientifique doit parvenir à articuler un récit accessible et précis de ce qu'est la mécanique quantique et de ce qu'elle n'est pas, pour lequel il serait utile de parvenir à un consensus sur l'interprétation de la théorie.

Cependant, la raison principale, la plus profonde, qui donne un sens à ce que la mécanique quantique dit de la nature de la nature et de la réalité, est le désir de satisfaire la curiosité pure qui est le soufflet de la science. C'est tout. Par les belles paroles de Xabier Lette, le travail des hommes est la connaissance, le changement de connaissance. Nous cherchons avec et sans efforts, ne pouvons nous arrêter à cet effort, la règle et la lumière. On a la règle. Il nous reste à trouver la lumière.

Bibliographie et sources

The Chautauquan : Organ du cercle scientifique littéraire de la chautauqua. M. Bailey. 1884.

[2] A. País Subtle is the Lord : La science et la vie d'Albert Einstein. Oxford University Press, 2005.

[3] N. D. Mermin, commentary : Quantum mechanics : Fixing the shifty split. Physics Today 1 juillet 2012 ; 65 (7) : 8–10. https://doi.org/10.1063/PT.3.1618

Article détaillé : Prix Nobel de physique en 2022. NobelPrize.org. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/summary/

[5] A. Cabello, Interpretations of Quantum Theory : Un A Map. What is quantum information ? (2017) 138.

[6] Sabín, C. (2020) Verdades y mentiras de la física cuántica, ed. La CSIC.