LE déterminisme physique veut, lorsque l’on connaît les caractéristiques d’un corps à un instant donné (position, vitesse, masse, etc.), qu’on puisse prédire son devenir en appliquant les lois de la physique. C’est le cas en physique classique, qui ne prend en considération les processus naturels que dans la mesure où ils s’objectivent de manière complète, c’est-à-dire dans la mesure où ils se produisent incontestablement dans l’espace et le temps. L’apparition de la théorie quantique remet en cause ce principe fondamental et bouleverse ainsi la vision du monde galiléenne du début du XXe siècle.

De la théorie quantique probabiliste, 
vers une théorie plus fondamentale. 

La mécanique quantique est non déterministe. Elle ne peut pas prédire avec certitude le résultat d’une mesure, mais seulement en donner une probabilité, ce qui conduit à une situation où la mesure d’une certaine propriété sur deux systèmes formellement identiques peut conduire à deux résultats différents. Dans le cadre de cette théorie, la connaissance des caractéristiques d’un corps et les lois de la physique ne suffisent donc plus à prévoir quel sera son état futur, ou du moins son état en fonction de propriétés se laissant objectiver dans l’espace et le temps, que nous pouvons appeler propriétés intuitives. On ne peut que déterminer la probabilité avec laquelle on s’attend à trouver telle position ou telle vitesse pour un corps, si l’on entreprend d’observer ces grandeurs.

Photographie par Roman Cadre, série "Babel"

Photographie par Roman Cadre, série « Babel »

Au début du XXe siècle, la reconnaissance d’un indéterminisme fondamental est difficile pour les physiciens, ce que Einstein traduira par sa phrase célèbre : « Je suis persuadé que Dieu ne joue pas aux dés ». Une question se pose alors inévitablement : peut-il exister une théorie plus fondamentale que la mécanique quantique, qui pourrait prédire avec certitude le résultat d’une mesure ? Plusieurs physiciens vont dès lors s’efforcer de démontrer que la théorie quantique n’est pas fondamentalement probabiliste, mais simplement incomplète. Ils pensent en effet qu’il existe des « variables cachées » en mécanique quantique, c’est-à-dire des paramètres supplémentaires qui n’auraient pas été pris en compte, ce qui expliquerait l’aléatoire apparent de la théorie quantique.

Einstein, Podolski, Rosen et le paradoxe EPR

C’est ainsi qu’Albert Einstein, Boris Podolski et Nathan Rosen élaborent, dans un article de 1935, une expérience de pensée connue sous le nom de paradoxe EPR. Il met en jeu deux particules intriquées, c’est-à-dire deux particules dont l’état quantique doit être décrit globalement, quelle que soit la distance à laquelle elles se trouvent. Deux objets quantiques intriqués ont des propriétés physiques corrélées, puisque la connaissance des propriétés de l’un nous renseigne sur les propriétés de l’autre. Le principe du paradoxe est de mesurer simultanément deux grandeurs, par exemple la position pour l’une et la vitesse pour l’autre, et d’en déduire la grandeur non mesurée, puisque les particules sont intriquées et que leurs propriétés sont corrélées. On connaîtrait ainsi, à l’issue de ces mesures, la position et la vitesse des deux particules. Une telle expérience permettrait d’accéder à davantage d’informations que la mécanique quantique ne le permet par les inégalités d’Heisenberg, qui montrent qu’on ne peut pas connaître précisément et simultanément ces deux grandeurs pour un objet quantique. Avec ce paradoxe, la théorie quantique serait invalidée et nécessiterait qu’on y ajoute des « variables cachées ». Les probabilités dans ce domaine ne seraient alors pas fondamentales, mais seulement une conséquence d’un manque d’information.

Puis vinrent les inégalités de Bell…

Ce n’est que bien plus tard, en 1964, que John Stewart Bell établit les relations que doivent respecter les mesures sur des états intriqués, dans l’hypothèse d’une théorie déterministe à variables cachées. Ces relations sont appelées les inégalités de Bell. Si celles-ci sont respectées dans le cadre de la mécanique quantique, alors cette théorie n’est indéterministe qu’en apparence, parce qu’elle contient des variables cachées. Dans le cas contraire, la théorie quantique est fondamentalement probabiliste. Dès lors, la résolution du paradoxe EPR pouvait devenir une question expérimentale plutôt qu’un choix épistémologique. En 1981, Alain Aspect montre expérimentalement que les inégalités de Bell sont violées en mécanique quantique et que, par conséquent, cette théorie ne contient pas de variables cachées locales.

La mécanique quantique est fondamentalement probabiliste.

Il est donc aujourd’hui démontré que la mécanique quantique est fondamentalement probabiliste, ce qui influence fortement notre représentation du réel. Un corps (assez petit pour être soumis aux lois quantiques) n’est pas dans un état ou dans un autre mais dans un état et dans un autre. De plus, on a souvent tendance à penser que ce que nous appelons hasard n’est qu’une désignation pour un phénomène parfaitement déterminé, mais que l’on n’était pas en mesure de prévoir : il n’en est apparemment rien, puisque les probabilités existent dans la nature, nous venons de le montrer.

Hugo Bacry