100 ans de mécanique quantique : avec cette expérience, la théorie des atomes et des électrons est devenue philosophique

Il existe des expériences qui se révèlent être des moments clés dans le développement de la physique moderne. L’une d’elles est l’expérience de la double fente. Dans l’expérience, des particules – par exemple des électrons – sont projetées sur un mur avec deux fentes, et derrière elles, elles heurtent un écran détecteur. Si les particules se comportaient de manière classique, on devrait observer deux bandes sur l'écran où la plupart des électrons frappent.

En fait, on observe un motif d’interférence similaire à celui observé dans les ondes. Pour une raison quelconque, les électrons se comportent comme des ondes. Attention : cela ne signifie pas une propriété collective de nombreux électrons. L'électron unique manifeste un caractère ondulatoire. Vous pouvez ainsi tirer une particule après l'autre sur le mur avec la double fente et après un nombre suffisant d'impacts, vous pouvez observer un motif d'interférence.

Dans ses célèbres conférences sur la théorie quantique, le physicien et lauréat du prix Nobel Richard Feynman décrit l’expérience de la double fente comme le « cœur de la mécanique quantique ». Il contient son « seul secret ». Quel est ce secret ?

En tant que particule classique, un électron se déplace le long d'une trajectoire unique, de la source d'électrons à travers l'une des fentes jusqu'à l'écran. En fait, l’électron – attention, l’électron unique – se comporte comme s’il traversait les deux fentes en même temps et interagissait avec lui-même : c’est complètement fou !

L’histoire de la théorie quantique est aussi une histoire de cette folie. Feynman encore, dans son livre « QED. « L’étrange théorie de la lumière et de la matière » : « La nature, telle que décrite par l’électrodynamique quantique, apparaît absurde au sens commun. Néanmoins, la théorie et l’expérience coïncident. Et j’espère donc que vous pourrez accepter la nature telle qu’elle est : absurde.

« La nature telle qu’elle est » – c’est précisément cette expression qui s’avère extrêmement trompeuse. Et l’expérience de la double fente révèle sa nature problématique. L’expression accentue la différence fondamentale entre deux manières de décrire les choses.

Nous lançons une balle de tennis. La physique classique décrit sa trajectoire clairement définie. À tout moment, il est dans un état : par exemple, il a une position x et une vitesse v. Et nous utilisons les lois du mouvement pour calculer comment l'état change au fil du temps. La théorie quantique décrit également le mouvement des particules, mais elle le fait d’une manière différente, avec une fonction dite d’état.

Et c’est là que la différence fondamentale devient apparente. Un état classique définit de manière unique les propriétés d’un objet. Un état quantique définit uniquement la probabilité qu’un objet possède les propriétés. En d’autres termes : la physique classique parle de la nature à l’indicatif – telle qu’elle est – tandis que la physique quantique parle au subjonctif – telle qu’elle pourrait être.

Cela donne une image complètement différente de la trajectoire des particules dans l'expérience à double fente : l'électron pourrait passer à travers la fente A avec une probabilité a ou à travers la fente B avec une probabilité b. Les physiciens expriment cette indécision comme suit : la particule est dans une superposition de deux états. Il y a quelque chose de fantomatique dans tout cela (c'est ainsi qu'Albert Einstein l'a vu, même s'il n'a jamais été convaincu par cette interprétation). Cela contredit complètement notre compréhension classique de la réalité. Car, que nous l’observions ou non, l’électron a « en réalité » clairement traversé une fente.

Mais en physique, « en réalité » signifie que vous avez observé quelque chose. Or, l’observation elle-même est aussi un processus physique, à savoir l’interaction de l’objet examiné avec un appareil de mesure.

Un tel appareil pourrait ressembler à ceci : nous montons un détecteur derrière la fente A qui enregistre si l'électron passe. Si la réponse est « non » et que l’on observe un impact sur l’écran, cela signifie que l’électron a traversé la fente B. Un tel dispositif détermine le chemin unique d’un électron sans le perturber.

Ce que nous remarquons également, c'est que le motif à deux lignes apparaît sur l'écran. Maintenant, nous éteignons le détecteur. Nous ne savons donc pas par quelle fente passe l’électron. Et voilà : le motif d’interférence réapparaît. Ce n’est pas seulement une expérience de pensée. Des expériences de ce type ont été réalisées dans de nombreuses versions réelles.

Une étrange connexion émerge. Le détecteur nous fournit des informations. L'activation signifie : nous voulons savoir quelle fente a traversé la particule. Désactiver : Nous renonçons à l'information. Le simple fait d’allumer et d’éteindre le détecteur « provoque » les différents motifs sur l’écran. Dans le slogan des physiciens quantiques : Ne regardez pas, puis onde – regardez, puis particule. Il semble que le simple fait d’observer l’électron ait une influence sur son comportement. C'est dur à digérer.

L’expérience de la double fente soulève une vieille question philosophique en physique : est-ce que quelque chose existe, que nous l’observions ou non ? George Berkeley a soulevé cette question au début du XVIIIe siècle et a condensé la réponse dans la formule bien connue : exister = être observé (« esse est percipi »). La théorie quantique semble lui donner raison. Cela signifie-t-il que la particule électronique n’existe que lorsque nous allumons le détecteur ? Est-ce que cela passe de la particule à l'onde quand on l'éteint ?

Niels Bohr, l’un des pères de la mécanique quantique, considérait ces questions comme des pseudo-problèmes. « Il n'existe pas de monde quantique », écrit-il, « il n'existe qu'une description physique abstraite. Il est faux de penser que la physique a pour mission de découvrir ce qu'est la nature. La physique s'intéresse à ce que nous pouvons dire de la nature. »

Bohr n'a pas nié la réalité des effets mesurés, il a seulement averti les physiciens : ne demandez pas ce qu'est un électron, demandez-vous comment il se comporte dans un appareil de mesure particulier. En utilisant les lois de la théorie quantique, on peut calculer et prédire les résultats très précisément lorsque les électrons interagissent avec un appareil de mesure. D’où le fameux conseil : « Tais-toi et calcule ! »

Cela vient du physicien David Mermin. Et vous oubliez généralement votre dernière phrase : « Et je ne me tairai pas. » C'est bien comme ça ! Parce que le commandement du silence est une censure de la réflexion sur le problème. Ce genre de chose ne plaît pas aux physiciens. Ils ne se lassent pas de débattre des problèmes de l'expérience de la double fente à ce jour, dans de nombreuses versions, souvent extrêmement élaborées – du chat de Schrödinger à l'ami de Wigner, des nombreux mondes d'Everett et du choix différé de Wheeler à la théorie de l'effondrement de Roger Penrose.

C’est un signe indéniable que la théorie quantique est vivante. Les physiciens ne veulent pas seulement l'utiliser pour calculer, ils veulent qu'il fournisse des informations sur ce qui maintient le monde ensemble en son cœur. Le cœur mystérieux de la théorie quantique bat toujours. Et cela continue de susciter des questions. J'ose dire : c'est un cœur philosophique.