Einstein avait raison, finalement
par David Z. Albert

Einstein avait raison, finalement

La mécanique quantique décrit la manière dont se comportent les objets microscopiques. Ses fondateurs, Niels Bohr en tête, ont déduit de son étrangeté qu’elle sonnait le glas de la prétention de la science à accéder à une réalité extérieure à l’observateur. Leur vision est à présent discréditée.

Publié dans le magazine Books, février 2019. Par David Z. Albert

© World History Archive / Abacapress

Bohr et Einstein débattent de la mécanique quantique en 1925. Dans la controverse qui a opposé les deux physiciens, le Danois a longtemps eu le dessus.

  Laissez-moi dire tout d’abord que je ne pardonne à personne. Samuel Beckett   La mécanique quantique est le cadre le plus précis et le plus général jamais conçu pour faire des prédictions sur le comportement des systèmes physiques. A son avènement, dans les années 1920, tout le champ de la chimie s’est ­trouvé, du jour au lendemain, réduit à une appli­cation particulière des lois de la physique. Soudain aussi, on a compris la brillance des étoiles, la conduction de l’électricité ainsi que l’existence même et la stabilité des objets les plus familiers. La mécanique quantique a rendu possible le développement de quantité de technologies qui ont radicalement transformé la vie moderne. Et elle est surtout le fondement logique sur lequel repose toute la physique. Pourtant, la conception de la réalité qu’implique la mécanique quantique fait l’objet depuis près d’un siècle de controverses qui passionnent les physiciens mais aussi les philosophes, les médias et de vastes pans de la culture contemporaine. L’histoire de ces controverses est le sujet du livre d’Adam Becker, What Is Real. La voici résumée en quelques mots : il était une fois une physique qui aspirait à proposer une description objective, littérale, réaliste, complète et mécanique de ce qu’est le monde. Et puis soudain, dans les premières décennies du XXe siècle, cette aspiration est apparue ­bizarre, naïve, dépassée, sous les assauts de découvertes déconcertantes relatives au comportement de particules ­subatomiques. L’expérience de la double fente en est un exemple célèbre. À gauche, une source d’électrons ; au ­milieu, une plaque comportant deux fentes par lesquelles les électrons peuvent passer et qui peuvent être obturées ; à droite, un écran recouvert d’un matériau fluorescent qui s’éclaire un instant au point d’impact de l’électron. Considérons trois cas différents. Cas no 1 : on obture une des deux fentes et on laisse la source diffuser un grand nombre d’électrons. Certains vont atteindre l’écran fluorescent et y produire de petits éclairs de lumière. Ils se concentrent autour du point x1 si l’on a obturé la fente du haut et autour de x3 si l’on a obturé la fente du bas. Cas no 2 : on envoie d’abord des électrons en ne laissant ouverte que la fente du haut, puis en ne laissant ouverte que la fente du bas. On observe deux concentrations sur l’écran fluorescent, l’une autour de x1, l’autre autour de x3. Cas no 3 : on envoie une grande quantité d’électrons en laissant les deux fentes ouvertes. On s’attend à ce que la moitié environ passent par la fente du haut, l’autre moitié par la fente du bas, et à retrouver les deux concentrations autour de x1 et x3, comme dans le cas no 2. Or, étonnamment, ce n’est pas ce qui se produit. Quand les deux fentes sont ouvertes en même temps, on a toujours deux concentrations en x1 et x3, mais on voit aussi une série de petites concentrations, qui forment des bosses et des creux, au voisinage de x2 – ce que les physiciens appellent une figure d’interférence. On pourrait supposer que le phénomène est dû à des collisions entre les électrons qui passent par la fente du haut et ceux qui passent par la fente du bas. Mais ce n’est pas le cas. On le confirme en ralentissant le flux d’électrons au point qu’à un moment donné il n’y ait plus qu’un seul électron présent dans le dispositif. En envoyant ainsi une succession d’électrons solitaires, on observe la même ­figure d’interférence. Tout se passe comme si un électron atteignant l’écran fluorescent quand les deux fentes sont ouvertes ne passait pas par l’une des deux fentes mais par les deux. Et pourtant, si l’on fixe un détecteur d’électrons à chacune des fentes et que l’on envoie un électron dans le dispositif, on le détecte bien passant soit par la fente du haut, soit par la fente du bas. C’est comme si le seul fait de regarder, de consigner ce que produit le passage de chaque électron dans une fente, produisait à nouveau le schéma attendu des deux pics de concentration en x1 et x3, sans la figure d’interférence en x2. Malgré l’étrangeté du phénomène, on a pu découvrir un ensemble succinct et efficace de règles qui se sont révélées extraordinairement utiles pour prédire le comportement d’électrons dans ce type de circonstances, puis extra­ordinairement utiles pour prédire le comportement de tous les systèmes physiques que nous connaissons, dans toutes les circonstances. De plus, ce phénomène d’interférence s’est lui-même révélé être bien plus qu’une simple ­curiosité. Il est absolument essentiel au fonctionnement microscopique de la nature. Sans lui, les lasers ne pourraient pas fonctionner, les métaux ne conduiraient pas l’électricité, il n’y aurait pas de combinaisons chimiques et les atomes eux-mêmes cesseraient vite d’exister. Les règles qui prédisent tout cela constituent la mécanique quantique. Mais distinguer une vision du monde dans cet ensemble de règles pouvait paraître insurmontable. Pensons aux électrons du cas no 3. Quel chemin prennent-ils pour aller de la source à l’écran fluorescent ? On ne peut manifestement pas se dire que chaque électron passe soit par la fente du haut, soit par la fente du bas, puisque sur l’écran fluorescent nous observons autre chose que les deux seules concentrations en x1 et x3. Mais on ne peut pas non plus se dire que chaque électron passe à la fois par la fente du haut et par celle du bas, puisque les détecteurs nous disent le contraire. Dans les années 1920, un cercle de brillants physiciens gravitant autour de Niels Bohr, à Copenhague, et constituant l’avant-garde du développement mathématique de la mécanique quantique, acquiert la conviction qu’il va falloir « revoir de fond en comble [la] façon d’aborder le problème de la réalité physique », selon les termes de Bohr. Ils sont convaincus que toute tentative de décrire ce qui « se produit réellement » dans l’expérience des deux fentes ou ce qui se produit réellement à l’intérieur des atomes aboutit inéluctablement à un paradoxe. Ce à quoi on assiste, pensent-ils, n’est rien d’autre que la découverte scientifique des limites de la science. La physique ne peut plus prétendre découvrir ce qu’est la nature. Comme l’écrit Becker, pour Bohr « la physique quantique ne nous dit rien de ce qu’est le monde […], car les objets quantiques n’existent pas de la même manière que les objets qui nous entourent ». Selon Bohr et son cercle, ce que la physique doit faire, tout ce qu’elle peut aspirer à faire, c’est formuler des prédictions sur les résultats d’expérience. Exposer de façon détaillée cette nouvelle conception de la physique – ce qu’on appelle l’interprétation de Copen­hague – n’est pas une mince affaire. Les diverses tentatives de Bohr et de son cercle ne sont pas toujours compatibles entre elles et n’ont parfois même pas de cohérence interne. Ce qui est clair, c’est qu’ils voyaient dans la mécanique quantique une théorie universelle pouvant en principe s’appliquer à tout système physique. Mais il y avait un hic : pour appliquer l’appareil mathématique de la mécanique quantique à un système physique X donné, il faut se référer à quelque chose d’autre, quelque chose d’extérieur à X, au moyen duquel X peut être ­mesuré ou observé. Or, pour des raisons qui n’ont jamais été entièrement expliquées, selon Bohr et son cercle, cet observateur ou point d’observation extérieur doit, lui, être décrit dans le langage plus familier de la physique « classique ». Toute application de la mécanique quantique nécessite donc de commencer par tracer une séparation entre l’objet mesuré (auquel on applique le formalisme mathématique de la mécanique quantique) de l’appareil de mesure (qui doit être traité…
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