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Einstein avait raison, finalement

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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.


© 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, po
ur 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 comme relevant de la physique classique). Or le lieu matériel de cette séparation n’est nullement fixé. Il dépend de ce que l’on a choisi de considérer comme l’objet mesuré et ce que l’on a choisi de considérer comme l’appareil de mesure. On peut tracer la frontière entre un objet d’expéri­mentation subatomique et l’appareil ­expérimental macroscopique utilisé pour l’étudier, mais aussi entre ce dernier et le technicien de laboratoire qui consigne ses résultats, entre ce technicien et moi à qui il remet son rapport, voire entre mes yeux et mon cerveau. Mais il faut tracer la frontière quelque part, il faut qu’il y ait quelque chose de part et d’autre, si bien que l’idée même d’un traitement quantique de l’Univers tout entier ou de l’acte d’observation lui-même débouche nécessairement sur une contradiction dans les termes. Ou sur quelque chose de ce genre. Car, encore une fois, les exposés que nous en avons ne s’accordent pas tous. Bohr se souciait peu de la clarté, qu’il jugeait surfaite. Il enseignait, paraît-il, à ses étudiants que clarté et vérité tendent à s’exclure mutuellement et que si une vérité simple est une proposition dont la négation est fausse, une vérité profonde est une proposition dont la néga­tion est aussi vraie. Et, visiblement, ce genre de propos fumeux lui valait de passer pour un sage. Tout cela a fini tant bien que mal par se cristalliser pour donner une interprétation orthodoxe rigide et largement ­acceptée. Dès 1927, Werner Heisenberg et Max Born, tous deux d’éminentes ­figures du cercle de Bohr et ­futurs Prix Nobel, jugent opportun de déclarer que les idées exposées ci-dessus constituent « une théorie close, dont les postulats physiques et mathématiques de base ne peuvent plus être modifiés ». À partir de ce moment-là, on a décrété que toutes sortes de questions familières du genre « Comment ça fonctionne ? » ou « À quoi ça ressemble ? » étaient dépourvues de sens et qu’il était inutile de chercher à les creuser. Les arguments convaincants et accablants formulés à l’encontre des idées de Bohr et de son cercle par des personnalités comme Erwin Schrödinger, David Bohm, Hugh Everett, John Bell et surtout Albert Einstein furent accueillis par du silence, des railleries, une inexplicable incompréhension ou du pur charabia. Et tout cela allait persister sous différentes formes mais avec toujours la même intensité pendant près d’un siècle. Il apparaît pourtant en fin de compte que Bohr et son cercle s’étaient trompés. Et que tout ce qu’ils avaient jugé impossible a été réalisé. Nous disposons aujourd’hui de nombre de théories prometteuses sur ce qui se passe réellement à l’intérieur des atomes. Toutes ces théories donnent à entendre que le monde est très différent de tout ce nous avions ima­giné jusqu’ici, mais l’important en l’occurrence c’est que toutes décrivent de façon réaliste et ­exhaustive ce qu’est ­objectivement la nature, qu’il y ait ou non quelqu’un pour l’observer. Aucune de ces théories n’exige que l’on trace une frontière ou que l’on fasse une distinction entre l’objet mesuré et l’appareil de mesure ; toutes considèrent l’opération de mesure comme une interaction physique tout à fait ordinaire, comme quelque chose d’analogue à la collision entre deux entités physiques tout à fait ordinaires. Et toutes ces théories sont compatibles avec toutes les données expé­rimentales dont nous disposons. Une façon bien connue d’exprimer ce que l’expérience des deux fentes a de si déroutant est de dire que les électrons semblent se comporter tantôt comme des ondes (qui s’amplifient et passent par les deux fentes, et dont les différentes parties peuvent interférer entre elles), tantôt comme des particules (qui restent localisées et passent soit par une fente, soit par l’autre). Et nombre de ces théories cherchent à expliquer ce comportement en décrivant l’électron comme une sorte de combinaison des deux. Une famille de théories qui remonte à Louis de Broglie et à David Bohm veut que les électrons soient formés à la fois d’une particule et d’une onde. Les particules-­électrons, qui ont toujours une position bien précise dans l’espace et ne passent que par l’une ou l’autre des deux fentes, sont guidés dans leur parcours par une « onde pilote » qui les accompagne et se propage à travers les deux fentes. C’est l’interaction entre ­diverses composantes de ces ondes, une fois qu’elles sont passées par les deux fentes, qui fait que même des électrons traversant le dispositif un par un forment la curieuse « figure d’interférence » du cas no 3. Et c’est la perturbation méca­nique de ces ondes par les détecteurs d’électrons qui donne le sentiment que le seul fait d’observer peut faire disparaître la figure d’interférence. Un autre ensemble de théories, dite de la « réduction du paquet d’onde », postule qu’il n’y a que des ondes, mais que ces ondes ont parfois tendance à se condenser spontanément pour former de petits amas corpusculaires qui se comportent comme des particules. Les diverses théories de cette famille font des prédictions légèrement différentes les unes des autres quant au résultat de certaines expériences, et toutes font des prédictions légèrement différentes de celles des théories de la famille de Broglie-Bohm, et les théories de ces deux familles font des prédictions légèrement différentes de celles du formalisme standard de Bohr et de son cercle. Nous ne savons toujours pas si l’une de ces théories se révélera être la bonne et, si oui, laquelle. Nous ne le savons pas parce que les expériences qu’il faudrait mener pour en avoir le cœur net dépassent nos possibilités technologiques. Mais de plus en plus de physiciens sérieux sont convaincus qu’une telle théorie est possible et qu’on finira par la découvrir, et reprochent à ceux qui pensent qu’elle est inconcevable de manquer d’imagination. Le livre d’Adam Becker est l’un des premiers à tenter de raconter cette histoire en prenant acte de la façon dont elle s’est terminée, c’est-à-dire en disant quel camp a eu le dessus dans la controverse sur l’interprétation de Copenhague, lequel a perdu, lequel a prétendu le contraire et comment il s’en est tiré. Il s’embrouille parfois un peu dans l’exposé des détails scientifiques et philosophiques de la querelle, mais quelques faux pas comptent peu au ­regard du service rendu. Et c’est quand il raconte l’histoire des grands esprits impliqués dans cette affaire qu’il est le plus convaincant. Prenons par exemple Einstein. On présente habituellement son rapport à la physique quantique sous l’angle de la tragédie. Il était incontestablement le plus grand scientifique de son temps. Il avait à lui seul infirmé toutes les conceptions antérieures de l’espace et du temps pour leur substituer sa théorie de la relativité générale, l’une des idées les plus profondes et les plus belles que personne ait jamais conçues. Qui plus est, il était lui-même l’un des pionniers de la méca­nique quantique. Mais il se trompait. Il était fier et obstiné. Il n’était pas préparé à suivre la nouvelle science jusqu’à ses aboutissements. Il n’était pas disposé à croire que la nature pouvait refu­ser de se ranger à ses intuitions. À la lecture du livre de Becker, on en conclut que cette interprétation ne tient pas debout. Si Einstein n’était pas en phase avec ses collègues physiciens, c’est que sa pensée était plus limpide que la leur et qu’il s’exprimait avec plus d’honnêteté. Il s’avère qu’Einstein a été le premier (en 1935) à mettre le doigt sur ce que la mécanique quantique avait de réellement nouveau et choquant, à ­savoir ce qu’on appelle l’« intri­cation quantique », l’idée que deux particules émises par une même source conservent une relation d’interdépendance même lorsqu’elles sont séparées par une grande distance. Mais, comme personne ne l’écoutait, cet apport essentiel – que même ses nombreux éminents biographes ont laissé passer – n’apparaît qu’aujourd’hui, plus d’un demi-siècle après sa mort. La première théorie concurrente parfaitement au point et objectivement réaliste de la version orthodoxe de la mécanique quantique (selon laquelle un électron est à la fois une onde et une particule) date du début des années 1950. On la doit au physicien américain David Bohm. Il la propose alors qu’il vient de perdre son poste à l’université de Princeton pour avoir refusé de témoi­gner contre certains de ses collègues accusés de sympathies communistes et qu’il s’apprête à prendre le chemin de l’exil. En 1952, alors qu’il vit au Brésil, un physicien nommé Max Dresden donne une conférence sur les découvertes de Bohm à l’Institute for Advanced Study de l’université de Princeton, sans doute le plus important centre de recherche en physique théorique à l’époque. Becker rend compte des réactions, qui furent violentes : « Quelqu’un traita Bohm de “calamité publique”, un autre de “traître”, un troisième de “trotskyste”. » Le directeur de l’institut, Robert Oppenheimer, avait dit auparavant de la théorie de Bohm : « Nous considérons cela comme du déviationnisme juvénile. » Quand on lui avait demandé s’il avait lu les ­articles de Bohm, il avait répondu : « Nous n’avons pas de temps à perdre. » Lors de la conférence de Max Dresden, il prodigua ce conseil à l’assistance : « Si nous ne pouvons pas réfuter Bohm, nous devons nous mettre d’accord pour l’ignorer. » Et c’est exactement ce qui s’est produit. Bohm avait démontré pour la première fois de façon décisive que Bohr et son cercle avaient tort. Mis à part deux ou trois objections confuses, on lui ­opposa un cruel mur de silence. Bohm était ­dévasté, il alla de pays en pays avant de se fixer au Birkbeck College, à Londres, et décida apparemment de ne plus jamais parler de sa belle théorie à quiconque. Elle resta dans l’obscu­rité jusqu’en 1964, année où le physicien irlandais John Bell se mit à l’examiner sérieusement. Il se demanda pourquoi il n’en avait jamais entendu parler et entre­prit de la rendre claire et accessible dans une série de conférences et d’articles. Mais il fallut attendre les années 1980 pour qu’une petite communauté très critiquée de physiciens, de mathématiciens et de philosophes, qui avaient appris l’existence de la théorie par Bell, s’intéresse activement aux travaux de Bohm. Sa théorie est aujourd’hui considérée comme l’une des deux ou trois plus ­importantes réa­lisations dans l’histoire de notre compréhension de la mécanique quantique. Ce pour quoi tous ces physiciens se battaient n’est autre que l’ambition et les principes du projet de la science. L’histoire qu’on nous a racontée jusqu’ici à propos de cette controverse est que Niels Bohr et son cercle étaient l’avant-garde d’une révolution intellectuelle ­courageuse et visionnaire et que les Einstein, ­Schrödinger, Bohm et Bell, en dépit de leur incontestable génie, étaient trop timorés, étroits d’esprit ou prisonniers des modes de pensée traditionnels pour les suivre. Il s’avère que c’était beaucoup plus compliqué que cela. On pourrait même dire, au vu de tout ce que nous avons appris entre-temps, que c’était exactement l’inverse. Ce que l’imagination scientifique a d’authentiquement et de définitivement révolutionnaire, c’est son ambition dévorante, terrifiante, sans bornes, de réduire le monde tout entier, et nous-mêmes et tous nos faits et gestes, à un vaste enchaînement de simples pressions-tractions mécaniques. C’est cela qu’on ne parvient pas à assimiler entièrement. C’est cela qui contrarie toute prétention au savoir. Bohr et son cercle se sont employés de façon éminemment conservatrice – un peu comme le Vatican trois siècles plus tôt à l’égard de Galilée – à fixer une ­limite à ce genre d’aspirations. Mais leur entreprise s’est révélée moins aisée qu’ils l’avaient imaginé.   — Cet article est paru dans The New York Review of Books le 19 avril 2018. Il a été traduit par Nicolas Saintonge.
LE LIVRE
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What Is Real? The Unfinished Quest for The Meaning of Quantum Physics de Adam Becker, Basic Books, 2018

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