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Le monde bizarre des interprétations quantiques

par Palantir Dewuka

Pour les personnes ordinaires, la plupart des théories quantiques semblent étranges, tandis que d’autres semblent carrément bizarres. Il existe de nombreuses théories qui tentent d’expliquer les subtilités des systèmes quantiques et la façon dont nos interactions les affectent. Et, sans surprise, chaque approche est soutenue par son groupe de scientifiques qualifiés et respectés.

Est-il raisonnable que vous puissiez modifier un système quantique simplement en le regardant ? Qu’en est-il de créer de multiples univers en se contentant de prendre une décision ? Ou que faire si votre esprit se divise parce que vous avez mesuré un système quantique ?

Vous pourriez être surpris de constater que tout ou partie de ces choses pourrait se produire régulièrement des millions de fois chaque jour sans même que vous vous en rendiez compte.

Le monde classique (le monde que nous vivons) a un ensemble de règles et le monde quantique a un ensemble de règles différentes. Mais bien entendu, elles décrivent le même unique univers. En ce qui concerne la physique, il y a deux réalités : il y a celle que nous vivons tous les jours, où un seul objet est un seul objet et rien ne se téléporte à travers les murs ou n’existe à deux endroits à la fois, et puis il y a celle du subatomique, c’est-à-dire le très, très petit, où ces règles ne tiennent plus. Ce sont respectivement les mondes de la physique classique (qui suit les lois de Newton) et quantique (qui suit les lois que nous ne comprenons pas). Mais tout est composé de particules quantiques si vous regardez de près et cela signifie que beaucoup plus de vos expériences quotidiennes se résument à la physique quantique que vous ne le pensez.

La lumière est un exemple populaire de l’étrangeté du monde quantique. Elle existe simultanément sous la forme d’une onde continue et d’une particule discrète connue sous le nom de photon. 

La démonstration la plus célèbre de ce phénomène bizarre est l’expérience à double fente, où des photons individuels qui traversent un mur avec deux fentes produisent des motifs sur un écran comme si toutes ces ondes interagissaient jusqu’à ce que vous configuriez un détecteur de photons pour mesurer les fentes traversées par chaque photon, à ce moment-là, elles produisent deux lignes lumineuses comme s’il s’agissait de photons individuels. 

L’idée est que les particules quantiques existent à la fois sous forme de particules et d’ondes, également connues sous le nom de superposition, jusqu’à ce qu’elles soient mesurées ou observées, moment auquel elles s’effondrent dans un seul état.

Vos yeux créent une image du monde grâce à la lumière qui frappe votre rétine. Est-ce exagéré de les appeler des détecteurs de photons ? Selon des recherches récentes, non : des études suggèrent que les humains peuvent être capables de détecter un seul photon à un rythme meilleur que le hasard. Cela ouvre la possibilité intrigante que nos yeux peuvent également détecter des phénomènes quantiques. `

Votre sens du toucher est également basé sur le monde quantique. Même l’objet le plus dense que vous ayez jamais tenu se compose principalement d’un espace vide. En effet, la matière est constituée d’atomes et les atomes sont constitués d’un très petit noyau entouré d’électrons encore plus minuscules en orbite à une distance relativement énorme. Si vous faisiez exploser le noyau jusqu’à la taille d’une bille, il vous faudrait parcourir la longueur d’un terrain de football pour atteindre les électrons les plus éloignés.

Deux grands physiciens admiratifs comme des enfants des mouvements d’une toupie.
À gauche Wolfgang Pauli, à droite Niels Bohr en 1954 à l’université de Lünd en Suède.

Les choses ne semblent solides qu’en raison de la physique quantique, c’est le principe d’exclusion de Pauli, pour être précis. À sa base, ce principe dit qu’il y a une limite au nombre d’électrons qui peuvent traîner dans une orbite spécifique autour d’un atome. Pour qu’un électron d’un atome de votre main fusionne dans un atome de votre tasse de café, il faudrait plus d’énergie que ce que votre main est prête à exercer. Au lieu de cela, ces électrons se repoussent, ce qui vous donne l’impression de toucher un objet solide.

La vue et le toucher ne sont pas nécessairement les seuls sens qui invoquent la physique quantique ; les cellules ciliées de votre oreille interne sont sensibles aux mouvements à l’échelle subatomique, par exemple. Jusqu’à présent, les scientifiques n’ont pas exploré les particules fondamentales à l’œuvre dans le sens de l’ouïe et du goût. Qui sait, nous découvrirons peut-être que chaque phénomène de physique classique que nous connaissons est vraiment l’œuvre de la physique quantique. Qui a dit qu’il y avait une ligne de démarcation entre les deux, de toute façon ?

Par exemple, dans le monde classique dans lequel nous croyons vivre, nous savons qu’un objet se déplaçant en ligne droite à une vitesse de 100 km/h parcourra 100 km en une heure. Cela fonctionne de la même façon à chaque fois. Si une force extérieure agit sur l’objet, nous pouvons calculer un nouveau taux de déplacement avec une relative facilité. Si nous connaissons la vitesse de l’objet et la position de l’objet, nous pouvons déterminer où il sera à l’avenir.

La mécanique quantique ne se soucie pas beaucoup du temps. Parce que les particules subatomiques ne se contentent pas d’agir comme des objets ordinaires, elles agissent aussi comme des ondes. Nous ne pouvons pas faire les mêmes déterminations sur les objets au fil du temps à l’échelle quantique qu’à l’échelle classique.

Nous ne pouvons pas connaître en même temps la position et la vitesse d’un objet quantique parce que, dans la mécanique quantique, tous les résultats peuvent être également possibles. Cela peut devenir déroutant lorsque vous avez affaire à des possibilités infinies, alors nous allons les décomposer en deux possibilités : ici et pas ici.

En ce moment, vous êtes, vous et les choses que vous voyez et qui semblent exister. L’écran en face de vous est réel, autant que vous pouvez le voir. Mais votre perspective classique limite votre compréhension de la réalité à ces choses que vous pouvez sentir, l’expérience est cognitive. Selon l’interprétation de Copenhague de la mécanique quantique, cet écran n’est là que parce que vous l’avez observé. La myriade de positions que les formes d’onde d’un objet peuvent finalement prendre sont comme des prédictions non formées qui attendent que quelqu’un comme vous vienne, prenne une mesure (en observant simplement) et provoque l’univers pour faire avancer la réalité de l’objet. Fondamentalement, vous êtes un dieu, vous déterminez ce qui est réel en raison de votre existence et de vos observations

Peut-être que vous ne voulez pas croire que vous êtes un dieu. Peut-être, êtes-vous plus à l’aise avec l’idée que la réalité est réelle, que les gens sont là pour l’observer ou non. C’est logique, non ? C’est essentiellement l’interprétation de la fonction d’onde pilote de Louis de Broglie et David Bohm, dont les prémices datent de près d’un siècle (1927). Cette interprétation est déterministe, elle dit que tout allait déjà être ce qu’elle finit par être et il n’y a jamais eu aucune ambiguïté à ce sujet. Elle ne nécessite pas d’observateur, donc dans ce modèle notre existence est inutile. 

C’est sans doute la raison pour laquelle une autre interprétation, la théorie des mondes multiples, connaît un regain de popularité. La théorie des nombreux mondes est l’opposé de celle de l’onde pilote : elle dit que chaque possibilité est réelle et se manifeste à travers des univers infinis. Vous êtes vivant dans cet univers, mort dans un autre, Pierre dans le suivant et Michel dans le quatrième. Tout n’est pas seulement possible, mais défini dans une réalité aux univers infinis.

Et cela nous amène à l’interprétation qui dit « vous n’êtes pas un dieu, je le suis ». Je fais référence à la théorie d’ensemble de la mécanique quantique. Celle-ci explique que tout est possible, mais qu’un seul résultat doit se manifester. L’univers lui-même prépare un nombre infini de possibilités systémiques, une série d’événements qui mèneront à la réalité éventuelle et la cache jusqu’à ce que l’observateur (c’est-à-dire vous) fasse une mesure. C’est comme si l’univers était un restaurant avec un menu qui propose des plats infinis toujours préparés, et serait heureux de me servir celui que je désire à un moment donné.

Cependant, je suppose que cela pourrait être votre univers et je suis juste un objet assez chanceux pour avoir été observé. Dans ce cas, merci.

Il existe d’autres interprétations, mais celles-ci sont parmi les plus répandues et les plus populaires dans le monde de la physique. Il convient de mentionner que, bien que ces théories soient définitivement loufoques, elles représentent également les connaissances collectives les plus intelligentes de notre espèce, les scientifiques les plus déterminés ont réussi à proposer plus d’un siècle d’étude.

Il n’y a pas de théorie simple et ennuyeuse qui relie le monde quantique et classique d’une manière aussi réussie (et résistante à la rigueur scientifique) que la mécanique quantique et ses nombreuses interprétations.

La mécanique quantique décrit des phénomènes naturels fondamentaux qui ne sont pas accessibles à la perception humaine directe. Comme on pouvait s’y attendre, il ressort des données empiriques que les phénomènes du monde quantique ne sont tout simplement pas compatibles avec les images classiques, les notions, les relations créées par les perceptions du monde classique directement accessibles aux sens humains. Le fait empirique indéniablement naturel est que le monde quantique ne peut pas s’exprimer en termes de langue du monde classique. La seule solution trouvée par les grands physiciens (Schrödinger, Heisenberg, Pauli et d’autres) est que les phénomènes quantiques peuvent être entièrement décrits par le langage formel des mathématiques.

La physique quantique est sans doute le plus grand triomphe intellectuel de l’histoire de la civilisation humaine, mais pour la plupart des gens, il semble que c’est trop éloigné et abstrait pour avoir de l’importance. Quand nous parlons de physique quantique, nous soulignons généralement les phénomènes étranges et contre-intuitifs : le chat de Schrödinger dans une superposition de « vivant » et « mort », l’objection d’Einstein par sa phrase célèbre “Dieu ne joue pas aux dés“( God does not play dice with the universe), les corrélations étranges à longue distance de l’enchevêtrement quantique. Ces choses sont passionnantes parce qu’elles sont exotiques, mais les étudier en laboratoire nécessite d’isoler des systèmes quantiques très simples, et il peut être difficile de voir un lien entre ces phénomènes et la vie quotidienne.

Bien que la mécanique quantique ait été inventée pour tenir compte des objets subatomiques, tels que les photons et les atomes, de nombreuses expériences ont établi que la mécanique quantique s’applique également au macro-monde. L’univers de la mécanique quantique est fondamentalement différent de notre perception classique du monde. Des expériences séculaires ont prouvé la validité de la théorie quantique. En fait, la mécanique quantique est de loin la science la plus précise et la plus fiable que les humains aient jamais saisie. 

En fait, la physique quantique est tout autour de nous. L’univers tel que nous le connaissons fonctionne sur des règles quantiques, en revanche que la physique classique qui émerge lorsque vous appliquez la physique quantique à un nombre énorme de particules semble très différent, il y a beaucoup de phénomènes familiers quotidiens qui doivent leur existence aux effets quantiques. 

D’étranges effets surviennent à l’échelle atomique. Même si nous ne la remarquons pas dans la vie quotidienne, la physique quantique agit tout le temps et en tous lieux. Un atome, par exemple, est largement constitué de vide à plus de 99%, il n’existe rien entre le noyau et les couches électroniques qui l’environnent. Et si l’atome avait les dimensions d’un stade, le noyau équivaudrait à un grain de sable. En toute logique, nous devrions donc pouvoir passer à travers les murs, ce qui n’est manifestement pas le cas. 

Alors pourquoi ? La réponse tient à un curieux phénomène, le principe d’exclusion de Pauli, qui affirme que deux électrons ne sauraient se trouver dans un même état quantique. En conséquence, deux électrons à peu près identiques se repoussent quand ils se rapprochent trop. C’est ce principe qui confère aux objets leur solidité alors même qu’ils sont presque entièrement construits de vide. 

Une personne qui s’assoit sur une chaise, par exemple, a l’impression de la toucher. En réalité, cette personne flotte à environ un nanomètre d’elle, repoussée par des forces quantiques et électriques. En d’autres termes, de minuscules forces atomiques nous empêchent toujours de toucher vraiment quelque chose. Si quelqu’un savait neutraliser le principe d’exclusion, nous pourrions donc jouer les passe-murailles.

La théorie quantique ne se contente pas d’éviter que les atomes ne tombent les uns sur les autres, elle leur permet également de se lier entre eux pour former des molécules. Représentons-nous pour l’occasion un atome comme un petit système solaire, constitué de planètes tournant autour d’une étoile. Si deux de ces systèmes venaient à se croiser, ils se détruiraient car les planètes se cogneraient les unes aux autres ou s’échapperaient dans toutes les directions. En toute logique, deux atomes devraient donc se détruire en se rencontrant. 

En réalité, quand deux atomes s’approchent très près l’un de l’autre, ils rebondissent ou se combinent pour former une molécule stable. La seconde possibilité tient à ce qu’un électron se partage entre deux atomes. Cette idée semble absurde, et elle le serait certainement si l’électron obéissait aux lois de la gravitation de Newton. Mais le principe d’incertitude de Heisenberg rend la localisation exacte de l’électron impossible, et celui-ci s’étale donc, en quelque sorte, entre deux atomes, ce qui les retient l’un à l’autre. 

En d’autres termes, si la physique quantique tombait subitement en panne, les molécules se démantibuleraient en se cognant les unes aux autres et nous disparaîtrions dans un gaz de particules. Cette théorie explique pourquoi les atomes, plutôt que de se désintégrer, se lient entre eux pour constituer de la matière. 

Parmi les propriétés étonnantes de la théorie quantique, mentionnons au moins celles-ci :

 – Il est impossible de connaître avec exactitude la position et la vitesse d’une particule, il subsiste toujours une incertitude.

– D’un certain point de vue, une particule peut se trouver en même temps à deux endroits différents.

 – Une particule existe en tant que combinaison de différents états simultanés, l’axe d’une particule en rotation, par exemple, peut pointer vers le haut et vers le bas.

 – Il vous est possible de disparaître et de réapparaître ailleurs.

Toutes ces propriétés paraissent invraisemblables de prime abord. En fait, selon Einstein lui-même : “Plus la théorie quantique fonctionne, plus elle paraît folle“.  Personne ne sait d’où jaillissent ces lois étranges, qui ne sont que des postulats, admis sans autre forme d’explication. Mais la théorie quantique a au moins pour elle un grand avantage : sa justesse. Sa validité a été mesurée avec une précision de 1 sur 10 milliards, un record absolu en la matière. 

Et si nous ne percevons rien de ce monde dans le cours de notre vie quotidienne, c’est que nous sommes composés de milliards et de milliards d’atomes (environ 1028s’écrit avec un chiffre 1 suivi de 28 zéros) et que les effets quantiques, en un certain sens, se compensent mutuellement.

René Magritte, Variante de la tristesse, 1957, huile sur toile, 50 x 60 cm, Kerry Stokes Collection, Perth, Foto: Acorn Photo, Perth © VG Bild-Kunst, Bonn 2017

Tout au long de votre vie, il est certain que vous ressentez les choses en le touchant. Des choses qui vous entourent dans le monde physique, comme par exemple votre téléphone, votre ordinateur ou les vêtements que vous portez en ce moment.  

Tout ce que vous pouvez ressentir et toucher autour de vous est fait d’atomes, atomes concentrés dans une petite composante de matière. La spécialisation qui étudie cela c’est la physique quantique, elle nous donne beaucoup de phénomènes souvent incroyables à comprendre sur le monde qui nous entoure. Notamment, les mouvements invisibles se poursuivent au niveau atomique.

On pourrait croire que le monde atomique ne fait pas partie de notre vie quotidienne. Nous ne pouvons pas voir cela et nous ne pouvons pas le toucher. Cependant, cette information est un point crucial quand il s’agit de notre compréhension de la façon dont les quatre forces fondamentalesfaçonnent le monde physique, et donc, la clé pour comprendre l’univers. Après tout, vous ne pouvez pas comprendre comment fonctionnent de grandes choses sans connaître les tenants et les aboutissants, des petites subtilités aussi.

Parmi les phénomènes, nous avons l’intrication quantique, des particules qui apparaissent et disparaissent. La mécanique quantique nous dit également que nous sommes constitués de particules. Cela signifie qu’au niveau microscopique, toutes sortes de choses étranges se produisent en nous, qui ne sont pas visibles à l’œil humain, des choses qui semblent parfois avoir peu de sens, dit la physique quantique.

Pour comprendre la raison pour laquelle vous ne pouvez jamais toucher quoi que ce soit, vous devez savoir comment fonctionnent les électrons. Pour le comprendre, vous devez connaître un minimum d’informations sur la structure des atomes.

Presque toute la masse (palpable) au niveau de l’atome est concentrée dans des parties incroyablement petites appelées le noyau.

L‘entourage du noyau est un espace, à l’exception des zones à l’intérieur d’un atome où des électrons et des protons peuvent être trouvés en orbite autour du noyau central du noyau. Le nombre d’électrons dans un atome dépend de l’élément que chaque atome est censé contenir.

Comme les photons, une partie subatomique présente également la dualité particule-onde, ce qui signifie que l’électron a les caractéristiques à la fois d’une particule et d’une onde. D’un autre côté, ils ont également une charge négative. Les particules sont, du fait de leur nature, attirées par des particules de charge opposée et elles rejettent d’autres particules de charge similaire, comme les pôles magnétiques, selon la physique quantique.

Une telle pratique empêche les électrons d’entrer en contact direct. Leurs paquets de vagues, en revanche, peuvent se chevaucher, mais ne se touchent jamais.

Il en va de même pour l’humanité tout entière. Lorsque vous vous asseyez sur une chaise ou que vous vous glissez dans votre lit, les électrons de votre corps repoussent les électrons qui composent la chaise. Vous planez au-dessus d’elle à une distance insondable. 

Donc, si la répulsion des électrons nous empêche de toucher vraiment quoi que ce soit, pourquoi percevons-nous le toucher comme une chose réelle ? La réponse se résume à la façon dont notre cerveau interprète le monde physique.

Dans ce domaine, de nombreux facteurs interviennent. Les cellules nerveuses qui composent notre corps envoient des signaux à notre cerveau qui nous indiquent que nous touchons physiquement quelque chose. Lorsque le toucher nous est simplement donné par l’interaction de nos électrons, le champ électromagnétique imprègne l’espace-temps (les ondes électroniques moyennes se propagent à travers).

Il convient de noter que diverses choses jouent un rôle ici pour transformer des collections de particules en objets tangibles. Nous avons des choses comme la liaison chimique et, bien sûr, les quatre forces principales mentionnées ci-dessus. Les liaisons chimiques permettent aux électrons de « s’accrocher » aux imperfections de la surface d’un objet, créant une friction.

Vous verrez que la répulsion purement électrostatique entre les électrons n’est pas la seule raison pour laquelle vous survolez votre chaise. Dans le cas typique, il est à peu près aussi fort que le principe d’exclusion de Pauli lorsqu’il s’agit de séparer les choses. C’est une combinaison de ces deux effets dominant le comportement réel. Ce principe explique une idée incroyable que les électrons savent où se trouvent tous les autres électrons. Ils essaient de s’éviter autant que possible, ce qui entraîne une diminution exponentielle de la force entre les électrons. Ils le font même sans la répulsion électromagnétique en jeu.

Dans l’ensemble, n’est-il pas étonnant de voir comment ces choses sont liées ? C’est une vérité scientifique fondamentale que les choses ne sont souvent pas telles qu’elles semblent, ou du moins, elles ne sont pas telles que nous les percevons. 

Voici ce qu’en dit !’écrivain et dramaturge Tom Stoppard

« Le monde des particules est le rêve de l’officier du renseignement. Un électron peut être ici ou là au même instant. Il peut aller d’ici à là sans passer par les positions intermédiaires ; il peut passer par deux portes simultanément, ou de l’une à l’autre par un chemin visible par tous, jusqu’à ce que quelqu’un regarde, auquel cas il prendra un autre chemin. Ses mouvements sont imprévisibles, car ils sont sans raison. [L’électron] déjoue toute surveillance car quand vous savez ce qu’il fait vous ne pouvez pas savoir où il est, et quand vous savez où il est vous ignorez ce qu’il fait : c’est à cause du principe d’incertitude de Heisenberg. Ce n’est pas parce que vous ne regardez pas avec assez de soin, c’est parce qu’il n’existe rien de tel qu’un électron ayant une position définie et une [vitesse] définie ; si vous avez l’une, vous perdez l’autre ; et tout cela se fait sans truquage, c’est le monde réel. »

Dans l’impossibilité de conclure pareil sujet, laissons le mot de la fin à Max Planck, c’est plus sage…

« La science ne peut pas résoudre le mystère ultime de la nature. Et c’est parce que, en dernière analyse, nous sommes nous-mêmes une partie du mystère que nous essayons de résoudre. » 

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