Un sujet controversé, mais sérieux : la physique quantique

Essayer d'expliquer tout en illustrant ce qu'est la physique quantique serait un projet bien trop ambitieux. Rassurez-vous, nous ne vous laisserons certainement pas en plan pour autant et vous aiguillerons vers quelques sites fiables traitant du sujet. Tentons plutôt de vulgariser, un peu à la manière de Michaël Crichton, c'est-à-dire de rendre compréhensibles pour le commun des mortels, ce que sont les principes fondamentaux de la physique quantique.

Nous savons donc un premier point important qui distingue la physique quantique de la physique traditionnelle : tout fonctionne sur des probabilités, des possibilités qui, mises en oeuvre correctement permettent d'établir des certitudes. Cette attitude, qui désarçonne certes, fait intervenir d'autres mondes tout en les créant (bien qu'ils n'aient pas besoin de notre création personnelle pour exister sans quoi il n'y aurait pas d'interactions). Tout se passe, dans un premier temps, au niveau subatomique, donc infiniment petit (l'expérience a déjà largement démontré que les conséquences pouvaient être gigantesques et spectaculairement destructrices).

Il y a un siècle, les physiciens pensaient que l'énergie, la lumière, le magnétisme, l'électricité, prenaient la forme d'ondes continues. On parle encore aujourd'hui d'ondes radio et d'ondes lumineuses. Établir que toutes ces formes d'énergie partagent cette nature ondulatoire fut l'une des grandes avancées de la physique du XIXè siècle. Mais il existait un "petit" problème. On savait qu'un flux lumineux projeté sur une plaque de métal produit un courant électrique. Le physicien Max Planck a étudié la relation entre la quantité de lumière projetée sur la plaque et la quantité de courant produit; il en a conclu que l'énergie n'était pas une onde continue. Elle semblait au contraire composée d'unités qu'il nomma "quantas". (D'où le mot "quantique" évidemment). Quelques années plus tard, Einstein démontra que l'on pouvait expliquer l'effet photoélectrique en admettant que la lumière était composée de particules qu'il appela photons. Ces photons frappent la surface de la plaque en produisant un courant électrique. Mathématiquement, les équations étaient acceptables; elles allaient dans le sens de la théorie selon laquelle la lumière est composée de particules.

Peu après, les physiciens commencèrent à se rendre compte que non seulement la lumière mais aussi toutes les formes d'énergie étaient constituées de particules. Autour du noyau de l'atome constitué de particules lourdes circulaient des particules plus légères appelées électrons. D'après la nouvelle théorie, tout était donc constitué de particules.

Mais en poursuivant l'étude de ces particules discrètes, on se rendit compte de leur étrangeté. On ne peut en effet être sûr de l'endroit où elles se trouvent, on ne peut les mesurer avec précision, on ne peut prédire leur comportement. Tantôt elles réagissent comme des particules, tantôt comme des ondes. Tout cela semait déjà le trouble, car comment expliquer qu'une même particule ultime dénuée d'initiative propre adopte des comportements différents sans qu'il n'y ait d'interaction ?

D'autre part, il peut se produire une interaction entre ces particules alors qu'elles se trouvent à des millions de kilomètres l'une de l'autre, sans aucun lien entre elles. Et ce genre d'exemples pourrait se multiplier à l'infini.

Cependant, comme tout un chacun serait en droit de douter de ce genre de choses, disons tout de suite que cette théorie a été on ne peut plus prouvée et que sa réalité ne fait à l'heure actuelle plus aucun doute. Les scanners des supermarchés, les lasers, les circuits intégrés, reposent tous sur la théorie de la mécanique quantique. Le problème consiste plutôt dans ce que personne ne parvient à assimiler la nature de l'univers selon ces nouvelles règles parce que cela aboutit à des choses trop bizarres pour notre entendement.

Encourageons-nous un instant, en guise de mini-break, en nous disant que si l'on avait annoncé aux hommes du début du siècle passé que l'on marcherait sur la lune et que même ce genre de déplacement deviendrait d'une telle banalité que le monde y perdrait tout intérêt, on nous aurait traités de fous. Vous connaissez pourtant la suite ! (Il existe bien sûr des gens pour traiter de fous ceux qui croient que l'on a marché sur la lune.  La seule chose qui soit vraie à ce propos est que Neil Armstrong n'a pas mis un pied sur notre satellite : il en a mis deux !)

En 1957, un physicien du nom de Hughes Everett proposa une explication astucieuse et audacieuse à propos de la physique quantique et de sa mécanique. Il prétendit que notre univers, et avec lui tout ce que nous voyons, l'univers des rochers, des arbres, des humains et des galaxies de l'espace, n'était qu'un univers parmi tant d'autres. Il n'existait pas un seul univers mais une infinité existant côte à côte (et pour ceux qui ont quelques menues connaissances d'électricité, nul doute que le courant passe bien avec du côte à côte...) Chacun de ces univers se subdivise constamment, un peu comme la division cellulaire. Il y aurait donc un univers où Hitler aurait perdu la guerre et un autre univers dans lequel il l'aurait gagnée. On imagine donc avec quelle facilité le nombre d'univers existants augmenterait puisque cette augmentation s'accroît à chaque fois qu'il y a un choix entre plusieurs solutions. Tout en "expliquant" quelque peu les bizarreries sur lesquelles nous étions précédemment tombés, on ouvre évidemment la porte à une foule d'autres questions, non seulement d'ordre purement physique et "pratique", mais aussi d'ordre philosophique, religieux, relationnel, relativiste, existentiel, etc., disons plus symboliquement "métaphysique".

Encore une fois, nous devons bien nous garder d'émettre des conclusions hâtives. En effet, la vitesse de la lumière a été établie comme la vitesse limite dans l'univers (lequel ?). Il n'a pas fallu longtemps pour que, sur le papier du moins, on "ose" la mettre au carré (c'est-à-dire ni plus ni moins que de la multiplier par elle-même !) pour obtenir une partie de la célèbre équation E=MC². Or, il ne fait plus aucun doute actuellement que cette équation est absolument correcte ! Seulement voilà, la lumière, comme nous venons de le voir, est composée de quantas, donc par définitions imprévisibles... On peut de plus imaginer que la vitesse de la lumière soit la limite dans notre univers mais pas dans un autre. Il "suffit" donc d'imaginer l'interaction d'un autre univers pour que tout redevienne "normal". (et, en fait,pour les puristes, le fait de mettre c au carré ne pose pas de problème car on obtient simplement un nombre;  C'est simplement mathématique et pas sorcier !)

Everett appela son interprétation de la mécanique quantique la théorie des "mondes multiples" (ou "plurivers"). Son explication était compatible avec les équations quantiques mais cela ne rendait pas les choses plus faciles ou, disons, plus acceptables pour autant. Everett se heurta, le contraire eut été étonnant, au scepticisme général ou presque, certains physiciens refusant d'ailleurs encore cette théorie, vraiment "dérangeante" il est vrai.
Il restait donc à la démontrer de manière irréfutable.
Hé bien, voyons ça !

Prenons l'exemple de deux murs parallèles se trouvant l'un derrière l'autre. Le premier a une fente verticale.
Si on dirige un faisceau lumineux vers cette fente on apercevra bien sûr une ligne blanche de lumière sur le mur placé derrière. Jusque là tout le monde comprend. Si ce n'est pas le cas, il vaut mieux abandonner tout de suite...

A présent, envisageons le cas où deux fentes se trouvent sur le premier mur au lieu d'une seule. On projette toujours un faisceau lumineux vers ces fentes et... les choses se compliquent un tout petit peu car au lieu d'obtenir deux lignes blanches comme dans l'exemple précédent, on obtient une alternance de bandes d'ombre et de lumière que l'on appelle "franges d'interférences". Mais poursuivons...

Recommençons avec, cette fois, quatre fentes et constatons que nous aurons alors moitié moins de bandes lumineuses que précédemment. Une sur deux devient noire. Autrement dit, et cela paraît déjà bizarre, plus il y a de fentes et moins il y a de bandes (rassurez-vous vous n'êtes pas dans un site pour adultes).

L'explication est relativement simple dans ce cas-ci. La lumière passant à travers les fentes agit comme deux ondes qui se superposent. A certains endroits, elles s'ajoutent l'une à l'autre, à d'autres elles s'annulent mutuellement. C'est ce qui produit le phénomène. On dit simplement qu'il y a un phénomène d'interférence.

Seulement voilà, il y a un problème ! Cette explication date de la conception de la physique du XIXè siècle qui supposait que la lumière était une onde. Nous savons maintenant qu'il n'en est rien et qu'elle est composée de particules appelées photons. On pourrait rétorquer que nous savons par expérience que les particules adoptent parfois un comportement ondulatoire et parfois un comportement contraire. On pourrait donc objecter que cette avancée dans le monde quantique nie sa propre hypothèse. Ce serait aller trop vite en besogne puisque, dans ce cas, on devrait obtenir des résultats différents, en moyenne une fois sur deux. Ce n'est pas le cas. De plus, l'expérience suivante démontre à souhait que l'on fait fausse route si on s'obstine.

Il nous faut cette fois avoir recours au domaine expérimental pour relater l'expérience. Il faut en effet réduire le flux de lumière à sa plus simple expression, c'est-à-dire à un seul photon, pour éliminer toute possibilité d'interaction, d'interférence donc, entre les photons eux-mêmes. C'est ce qui a été réalisé en mettant bien sûr en oeuvre des techniques sophistiquées.

Les observations de cette expérience démontrent que, même dans ce cas, on obtient quand même le phénomène d'interférence. Or, le seul photon ne peut manifestement pas interférer avec lui-même !

1) Que d'autres photons ou au moins UN autre photon vien(nen)t interférer.
Logique. Mais où se trouve ce photon, d'où vient-il donc puisque le seul photon est isolé grâce à des procédés ultimes excluant toute possibilité d'erreur ?

2) Disons que le photon ainsi isolé a été mis en présence de son "alter ego" en provenance du plurivers.
En d'autres termes, qu'un autre photon, venant d'un autre univers a provoqué le phénomène d'interférence.

Là où il nous faut être subtiles, c'est lorsqu'on envisage son corollaire : non seulement cet autre univers existe bel et bien (ce qui en soi est déjà bien assez épatant !) mais en plus on peut dire que le simple fait d'envisager l'expérience a "créé" cet univers. En effet, sans cet "univers parallèle" l'expérience aurait été un échec. L'expérience se vérifiant à chaque tentative peut être considérée comme universelle et l'autre monde ne pouvait pas ne pas exister !

Ceci étant posé comme "préliminaire", nous verrons d'autres applications tout aussi étonnantes, stupéfiantes et non moins réelles, dans le monde de l'informatique, des voyages dans le temps et autres applications pratiques.

Transmission de données sécurisées (physique quantique - suite)