Ce domaine mystérieux nourrit bien des fantasmes, et pour tâcher de mieux l’appréhender, voici quelques outils et conséquences emblématiques de la mécanique quantique. Cette partie de la physique étudie le monde du subatomique, c’est-à-dire la physique qui règne chez les toutes petites particules (moins d’un dix milliardième de mètre). Si elle est source d’autant d’études, d’interprétations et d’interrogations, c’est que les lois physiques qui s’y appliquent ne sont pas du tout les mêmes qu’à notre échelle.

Tout d’abord, vous qui lisez cet article avez l’impression d’être bien à votre place, correctement localisés, songez que c’est rarement le cas d’une particule subatomique. Elle ne possède pas de propriétés bien définies, comme la position, que nous utilisons à notre échelle, on ne peut donc les décrire que par des probabilités de présence. Ces probabilités sont obtenues par une fonction, la fonction d’onde donnée par l’équation de Schrödinger, qui est attachée à la particule. Lorsque cette fonction décrit une zone suffisamment grande, dans laquelle la particule est censée se trouver, les équations nous montrent le comportement d’une onde, mais lorsque cette zone est plus restreinte, les équations sont celles d’une particule classique. Les particules subatomiques ne sont donc ni des ondes, ni des particules, mais un intermédiaire différent des deux : c’est la dualité onde-corpuscule.

« Tant qu’on n’a pas fait de mesures on considère que la particule est dans un état de superposition des deux états possibles, et le chat apparaît donc comme à la fois mort et vivant. »

C’est d’ailleurs cette onde qui décrit la probabilité de présence de la particule, et comme elle a des chances d’être à plusieurs endroits, on peut considérer qu’elle est à plusieurs endroits. De plus, les particules subatomiques sont très timides, en observer une (en fait, toute interaction) change son comportement, on dira qu’elle fixe son état. Ces deux éléments permettent de comprendre l’expérience de pensée du Chat de Schrödinger. C’est l’histoire d’un pauvre chat que l’on a enfermé dans une boîte. Selon que la particule subatomique considérée est dans un certain état ou dans un autre, des particules de poison sont libérées ou non. Tant qu’on n’a pas fait de mesures on considère que la particule est dans un état de superposition des deux états possibles, et le chat apparaît donc comme à la fois mort et vivant. Comme nous, la plupart des gens utilisent aujourd’hui cette expérience dans le but d’illustrer la superposition, mais elle illustre surtout une seconde idée, tout aussi intéressante.

En effet, lorsqu’elles subissent une interaction, les particules qui sont dans une superposition d’états se figent dans un seul d’entre eux, on parle de réduction du paquet d’onde ou encore d’effondrement de la fonction d’onde, qui se localise en un point. Or, dans le monde macroscopique, les interactions entre les différentes particules sont innombrables, ce qui explique l’absence de phénomènes quantiques à notre échelle. Le passage de l’échelle quantique à la nôtre (par un nombre croissant d’interactions) s’appelle la « décohérence ».

D’ailleurs, admettez-le, on a tous rêvé de la voie 9 3⁄4, mais c’est impossible, à cause de la décohérence, justement. Mais pour les particules quantiques, un tel phénomène peut se produire. En effet, lorsque l’on considère la fonction d’onde d’une particule qu’on envoie contre une paroi suffisamment fine, on constate que la majeure partie de l’onde est réfléchie, mais aussi qu’une petite partie traverse la barrière. Cela veut donc dire qu’il existe une probabilité que la particule en question soit de l’autre côté, violant allègrement les lois de la physique classique : cela s’appelle « l’effet tunnel ». Et lorsqu’on fait des expériences avec un nombre colossal de particules, on mesure en effet que certaines d’entre elles ont traversé, et donc cet effet n’est pas une prédiction extravagante d’une théorie abstraite, mais bien une réalité, aussi contre-intuitive qu’elle soit.

Maintenant que vous comprenez un peu mieux pourquoi la physique quantique s’éloigne tant de notre expérience quotidienne, laissez-nous vous achever avec le grand paradoxe de cette discipline.

Il arrive que deux particules subatomiques s’enchevêtrent, c’est-à-dire que leurs états soient liés. Ainsi, lorsque l’une change d’état, l’autre le fait aussi, immédiatement. Par exemple, disons pour simplifier que la première particule est mesurée «orientée vers le haut», alors l’autre sera «orientée vers le bas», et inversement. Cela signifierait que l’information sur l’état de la première particule se transmet à la seconde plus rapidement que la vitesse de la lumière. Et c’est justement le problème : dépasser la célérité de la lumière est le grand interdit de la physique. La première fois qu’on a réalisé cette expérience, on avait déjà un bilan parfaitement concluant. Depuis, on a essayé maintes fois de la refaire, à plusieurs années d’intervalle, avec des appareils plus précis. Toutefois, même en changeant les conditions d’expérimentation, le résultat reste le même. Par conséquent, on est maintenant aussi sûr de sa validité que du fait que, par Toutatis, le ciel ne vous tombera pas sur la tête !

Les physiciens s’accordent sur le résultat de l’expérience, mais pas sur son interprétation, et la transmission instantanée d’information en est une. Et ce n’est qu’un des nombreux points de désaccord de la communauté scientifique. Par exemple, tout ce que nous avons expliqué sur la probabilité de présence fait partie de l’Interprétation de Copenhague, la manière de voir la plus répandue, présentant la fonction d’onde comme un objet mathématique abstrait. Mais d’autres cherchent à décrire la mécanique quantique d’un point de vue plus physique et concret.

Corentin Gache
et Carolina Dolleans