Préambules à la physique quantique

Il est difficile en quelques mots de décrire clairement la physique quantique tant elles nous paraissent si éloignées de notre perception de la réalité et de nos intuitions. Certains n’y voient que des subtilités mathématiques quand d’autres ne considèrent aucune réalité en dehors de cette science. La physique quantique tente de décrire l’infiniment petit, c’est-à-dire le monde des particules de la taille de l’atome ou des corps plus petits encore. Elle est aussi capable d’expliquer notre vie quotidienne comme l’infiniment grand. Elle dépasse la physique classique qui n’apparaît plus qu’une approximation de la réalité. Aujourd'hui, elle est le socle fondamental sur lequel repose la physique. « La mécanique quantique est en fait l’épine dorsale de l’ensemble de la science moderne »[1]…

La physique quantique, une réponse aux limites de la physique classique 

Il existe plusieurs pédagogies pour expliquer les principes de la physique quantique. La plus classique est de les décrire à partir des limites de la physique classique, soit à partir des expériences les plus convaincantes qui les ont révélés, soit à partir de l’histoire scientifique, riche en événements. La physique classique ne parvient pas en effet à expliquer tous les phénomènes et se révèle même contradictoire dans certaines situations. Devant un tel embarras, la communauté scientifique a mené une intense activité, où se sont illustrés de nombreux génies. En très peu d’années, les travaux ont conduit à l’élaboration d’une nouvelle théorie capable de surmonter les limites de la physique classique. « La théorie quantique représente la plus grande réalisation de la science » [2], certainement une des plus grandes aventures scientifiques. 

La physique quantique, une extraordinaire aventure humaine

En quelques années, de 1925 à 1930, des hommes comme Einstein, de Broglie, Bohr, Schrödinger, Dirac et tant d’autres encore ont donné naissance à une nouvelle science. Si tout a été dit en si peu de temps, l’histoire s’est poursuivie jusqu’à nos jours, notamment par des expériences plus précises qui ont permis de confirmer la théorie et de l’améliorer. 

La physique quantique est d’abord le résultat d’intuitions, de suggestions, de débats avant d'avoir été confirmée par des résultats expérimentaux. La théorie a surtout été développée par des expériences dites de pensée qui révèlent des paradoxes soit de la physique classique, soit de la physique quantique. Il a fallu attendre de nombreuses années pour que ces expériences puissent être effectuées. L’une des plus célèbres est le paradoxe EPR (1935) du nom des concepteurs Einstein, Podolsky et Rosen. Ces scientifiques ont pensé à une expérience qui devait mettre à défaut une interprétation indéterministe de la physique quantique en révélant son incomplétude, c’est-à-dire son incapacité de tout décrire. Bohm a pu répondre à leurs objections en supposant le principe de non-localité, un des principes de la physique quantique. En 1964, Bell a traduit ce paradoxe en une expérience. Au lieu de confirmer leurs objections, la réalisation de cette expérience entre les années 1980-1982 a permis de valider la réponse de Bohm, mettant fin à un long débat.

La découverte du monde quantique est une aventure extraordinaire sur plusieurs générations de génies : Max Planck (1858-1947), Albert Einstein (1879-1955), Max Born (1882-1970), Niels Bohr (1885-1962), Erwin Schrödinger (1887-1975), Louis de Broglie (1892-1987), Wolfang Pauli (1900-1958), Werner Heisenberg (1901-1976), Dirac (1902-1984) et bien d’autres encore. Le commencement de l'aventure date probablement de 1900 quand Planck énonça une formule qui déboucha de manière involontaire sur la mécanique quantique. Un ensemble d’hypothèses furent ensuite proposées, des expériences furent menées, validant ou non ces hypothèses et leurs conclusions. Une intense activité mêla de nombreux scientifiques au travers de conférences et de publications. « Il semble que la science européenne ait été nourrie par un ferment d’idées qui arrivaient à maturité, et que des idées différentes éclosaient en des lieux différents, pas nécessairement dans ce qui semble être aujourd'hui un ordre logique. »[3]

A la fin des années 20, les progrès fondamentaux ont ainsi été réalisés de manière disparate, avec des échecs et des succès. D’autres découvertes seront réalisées ensuite mais la théorie quantique apparaît complète. Une nouvelle phase débute à la fin des années 20, celle de la recherche de cohérence et de signification. Dans les années 30, alors que la théorie quantique commençait à être enseignée, elle donna lieu à des questionnements philosophiques sur certains principes comme le principe de la causalité, sur la nature du temps, sur les limites de la science, sur la réalité. Une nouvelle vision du monde apparaît ainsi au XXème siècle…

La physique quantique, une vision extrêmement mathématique du Monde

Une autre méthode pour présenter la science quantique est de se lancer dans les formules mathématiques et dans des notions complexes au point que la présentation devient finalement un cours d’algèbres et de probabilités. Elle a pu en effet se développer et être si efficace grâce aux progrès des mathématiques qui ont su fournir aux physiciens les opérateurs nécessaires. La collaboration entre physiciens et mathématiciens ont permis le développement rapide de la théorie. Mais, en contrepartie, rien ne semble compréhensible en dehors du langage mathématique. 

La physique quantique, une démarche scientifique

Enfin, une dernière solution pédagogique est de donner directement les principes et les concepts de la physique quantique pour développer ensuite la théorie et ses implications, et présenter les expériences qui la confirment. La physique quantique est, comme toute science, le résultat d’une démarche rationnelle, combinant raisonnement et expérimentation. Néanmoins, il s’avère que la philosophie, notamment d’origine allemande, a joué un rôle dans certaines interprétations. 

Le fait qu’il y ait finalement autant de pédagogies et de soins pour introduire et développer la physique quantique révèle une véritable difficulté intrinsèque à la théorie, non seulement d’ordre scientifique mais aussi d’ordre philosophique et même psychologique. 

« Une nouvelle façon de penser le réel, une nouvelle logique »[4]. 

« Un orage souffle sur la physique du vingtième siècle, faisant trembler ses fondations et jetant la confusion sur la nature même de ses concepts les plus ultimes. Véritable révolution qui vient jeter un pavé dans la mare pourtant si tranquille de nos croyances acquises jusqu'alors »[5]. La physique quantique est une science étonnante, « contre-intuitive ». Ce que arrive dans l’infiniment petit n’est pas pensable dans la physique classique. Toutefois, la physique quantique inclut la physique classique et explique des phénomènes de l’infiniment petit jusqu’à l’infiniment grand sauf les phénomènes relativistes. Elle est ainsi plus puissante que la physique classique. 

Mais la physique quantique nécessite un cadre conceptuel différent, entièrement nouveau. Les résultats expérimentaux et les interprétations des formules dépassent en effet notre entendement si nous demeurons dans le cadre de la physique classique. Des notions traditionnelles perdent en effet tout leur sens si nous les utilisons pour interpréter les résultats mathématiques ou expérimentaux. « Dès que l’on tente d’exprimer par des mots les règles de calcul […] on est conduit à formuler des vues qui frisent, vraiment, l’absurdité »[6]. La question est de savoir si la difficulté réside dans l’utilisation de nouveaux concepts, dans le changement de modèle scientifique ou dans une réalité irrationnelle.

La physique quantique peut remettre en cause nos certitudes scientifiques. Elle peut souligner les faiblesses de notre raison et notre dépendance à l’égard de concepts hérités de la physique classique. Des scientifiques parlent de « révolution épistémologique ». Il est indéniable qu’une présentation de la physique quantique ne laisse guère indifférente une âme éprise de vérité. 

La physique quantique, une science efficace

La physique quantique ne se réduit pas à des formules ou à des spéculations. Elle est aujourd'hui fondamentale dans certaines activités : la biologie moléculaire, l’imagerie médicale (IRM), l’énergie nucléaire, la technologie des lasers et des supraconducteurs, l’informatique, la cryptographie, etc. Il n’est pas non plus possible d’essayer de concevoir le Big Bang en dehors du monde quantique. Comment comprendre la Création et louer Dieu dans ses œuvres en refusant d’appréhender l’infiniment petit ? Notre Créateur n’a pas seulement créé ce que nous pouvons percevoir. Tout ce qui existe est son œuvre… 

En outre, « il est indubitable que les expériences, qui deviennent chaque décennie de plus en plus élaborées et précises, n’ont jamais réussi à mettre en défaut la mécanique quantique »[7].

Nous pouvons cependant relativiser l’enthousiasme des partisans de la physique quantique. Elle connaît quelques contradictions et limites. Une de ses interprétations, qui a longtemps dominé dans les communautés scientifiques, celle de Copenhague, semble aujourd'hui être contestée. La physique quantique reste une théorie scientifique…

Le monde quantique

Nous parlons de monde quantique :

• soit pour désigner le monde des particules de la taille des atomes et en deçà ;
• soit des phénomènes auxquelles s’appliquent les règles de la physique quantique ;
• soit enfin le modèle de la réalité élaboré selon les principes de la physique quantique.

Dans nos articles, le monde quantique désignera ce modèle.

La physique quantique ne s’applique pas simplement à l’infiniment petit mais tend à tout l’Univers. La physique classique apparaît alors comme une approximation ou un cas particulier de la physique quantique. Pour les besoins de notre vie quotidienne, cette approximation est suffisante. Ainsi la physique classique demeure valable. Cependant, en dépit des efforts, la physique quantique ne parvient pas encore à « englober » la théorie de la relativité générale. Ainsi est-elle incapable d’expliquer tous les phénomènes.

La principale caractéristique du monde quantique est son étrangeté. Il est complètement différent de notre monde quotidien, plus précisément du modèle de la physique classique. Tout ce que nous croyons connaître, perd en effet tout sens. Si nous devons lui appliquer les principes de la physique classique, certains phénomènes seraient incompréhensibles et absurdes. Il est fort probable que les scientifiques du XIXe siècle l’auraient rejeté. L’un des premiers principes de la physique classique est donc de s’éloigner de la perception du Monde telle qu’elle était envisagée et enseignée depuis le XVIIe siècle.

Différentes attitudes devant la physique quantique

Supraconducteur : l'effet lévitation

Les différents résultats de la physique quantique paraissent ainsi étranges, déroutants, voire totalement fous. Ils ont donné lieu à de nouvelles notions, à des formules mathématiques, à des règles élémentaires qui forment en quelques sortes des recettes nécessaires pour manipuler les particules. Comme un cuisinier qui ne soucie guère des réactions chimiques qui se réalisent lors de la confection d’un plat, il est possible de manipuler les particules selon la physique quantique sans même comprendre le sens des modèles utilisés. L’important est d’obtenir des résultats et de faire progresser les technologies. C’est une interprétation empiriste, utilitariste de la physique quantique. Dans certains cours, son aspect interprétatif et philosophique est rejeté, même combattu…

Mais si au-delà de leur aspect pratique et efficace, nous interrogeons les théories, si nous essayons de comprendre le modèle sous-jacent, si nous osons nous frotter à l’étrangeté du monde quantique, inévitablement, nous sommes dans l’obligation de nous interroger sur la réalité des choses. Car quel que soit le discours, le scientifique aborde un domaine central de la connaissance de la matière et du Monde. Il ne peut interroger la Création dans son intimité et la manipuler dans ses profondeurs sans s'interroger sur ses fondements et sans se remettre en cause lui-même puisqu'il fait aussi partie de la Nature. Leurs études et leurs manipulations engagent une certaine responsabilité non seulement envers notre Créateur mais aussi envers les hommes. Nous abordons alors inévitablement la philosophie, voire la métaphysique … 

Responsabilité philosophique

La Corde est un film d’Hitchcock. Pour avoir écouté leur professeur philosophe et voulu appliquer sa philosophie, des étudiants tuent un de leur camarade et cachent leur victime. L’intrigue policière tourne autour de la découverte du corps et sur la raison qui les a conduits à commettre un assassinat gratuit. Leur crime n’est qu’une mise en pratique des cours du philosophe. Le film pose donc la responsabilité de l’enseignant qui a indirectement inspiré un acte infâme. Dans l’histoire récente et aujourd'hui encore, des philosophies ont donné lieu à des ignominies sans pourtant que leur auteur en porte une quelconque responsabilité. La liberté d’expression et d’enseignement n’exclut pas une certaine responsabilité…

De nombreux scientifiques ne sont pas restés au niveau des formules. Ils ont cherché à donner du sens et de la cohérence à la physique quantique par rapport à notre vie quotidienne. L’interprétation la plus classique, celle qui domine encore la communauté scientifique, est celle de Copenhague ou ses dérivées. Elle se focalise davantage sur l’interaction entre l’élément observé et l’observation, sur les limites de notre langage et de nos concepts. A partir de cette interprétation, certains ont essayé de montrer que la réalité n’est qu’une création de la conscience... Il existe d’autres interprétations qui se penchent davantage sur la réalité, celle de « l’onde pilote » ou des « variables cachées » (Bohm-Broglie), celle des « univers multiples », ou encore celle des « histoires décohérentes »…

Références

[1] John Gribbin, Le Chat de Schrodïnger, physique quantique et réalité, Flammarion,trad. de l’américain par Christel Rollinat, 1984. 
[2] J. Gribbin, Le Chat de Schrodïnger, physique quantique et réalité.
[3] J. Gribbin,Le Chat de Schrodïnger, physique quantique et réalitér, Flammarion,
[4] Jean-Louis Basdevant et Jean Dalibard, Mécanique quantique, cours de polytechnique, février 2002.
[5]Donald Nadon, Introduction à la physique quantique, www.futura-sciences.com.
[6] Bernard d’Espagnat, Bernard d’Espagnat – De la physique à la métaphysique ? http://journaldesgrandesecoles.com/bernard-despagnat-de-la-physique-a-la-metaphysique.
[7] F. Laloë, Comprenons-nous vraiment la physique quantique ?, www.phys.ens.fr/cours/notes-de-cours