Le monde étrange de la mécanique quantique

L'image de l'atome formé d'électrons tournant sur leurs orbites autour du noyau, "comme quelques mouches dans une cathédrale" écrivait Ernest Rutherford, est maintenant dépassée. Les expériences ont montré que les atomes ne sont pas des objets réels.

Le nuage électronique de Schrödinger

 Schrödinger (Prix Nobel 1933) était convaincu que les électrons forment un nuage électronique. Ce nuage électronique serait constitué d'ondes stationnaires qui entourent le noyau. Quand des vagues se forment à la surface d'un étang, l'onde forme des crêtes et des creux qui se déplacent à la surface de l'eau. Les ondes stationnaires ont des ventres, points où l'amplitude est la plus grande, et des nœuds, points où l'amplitude est nulle, situés en des points fixes. Schrödinger ignorait ce qui portait les ondes mais il pensait que quelque chose s'agitait. Il le baptisa psi. La fonction d'ondes de Schrödinger est une fonction mathématique qui représente toutes les possibilités qui peuvent advenir à un système observé lorsqu'il interagit avec un appareil de mesure.

Fonction de probabilité de Max Born

 Max Born, physicien allemand, proposa une nouvelle interprétation ondulatoire.  D'après lui, il n'est ni nécessaire ni possible de se représenter ces ondes parce qu'elles ne correspondent pas à des objets réels. En opérant sur elles une transformation mathématique, il obtint une fonction de probabilité. C'est aux ventres de l'onde stationnaire que l'on a le plus de chances de trouver les ondes-particules, aux nœuds elle est pratiquement nulle. Décrire l'atome, c'est déterminer les probabilités d'apparitions de phénomènes impossibles à représenter aux divers points d'un espace vide où ne s'exercent que des forces, c'est mesurer la charge, la masse et d'autres particularités comme le spin de chaque onde-particule (le spin est analogue, mais non identique, à la rotation de l'onde-particule autour d'un axe théorique). Toutes les particules pourraient être des états de mouvements différents d'une structure sous-jacente. C'est une hypothèse. Le problème n'est pas résolu.

Méthode des matrices

 Le mathématicien irlandais W.R. Hamilton avait imaginé une méthode permettant de classer des données en rangées et colonnes. Ces tables ont été appelées matrices. Elles contiennent ce que nous connaissons au début de l'expérience et à la fin. On ne tente aucune hypothèse sur ce qui se passe dans l'intervalle. Heisenberg appliqua le calcul matriciel aux collisions de particules et obtint des résultats semblables à ceux des méthodes précédentes. Aujourd'hui deux méthodes sont appliquées pour l'étude des particules subatomiques : l'équation d'onde de Schrödinger et la Matrice S.

Une expérience surprenante

 L'expérience de Young, réalisée avec un faisceau d'électrons, a montré un autre fait déroutant. Quand les deux fentes sont ouvertes, un réseau d'interférences apparaît sur l'écran : le faisceau d'électrons s'est comporté comme une onde. Mais lorsque le dispositif expérimental permet d'observer par quelle ouverture chaque électron est passé, les interférences disparaissent ! Il n'est pas possible, simultanément, d'observer les interférences et de mesurer par quelle fente chaque électron est passé. La méthode choisie par l'observateur pour conduire l'expérience modifie l'observation.

Le chat de Schrödinger

 Cette approche de quelques principes de la mécanique quantique, que les ouvrages de vulgarisation mettent à notre portée, montre pourquoi les physiciens doivent, en ce domaine, renoncer à notre logique habituelle, celle du oui ou du non et raisonner dans une superlogique qui fonctionnerait par oui et par non. Ce bouleversement n'a pas été sans déconcerter les chercheurs. Einstein, le père de la théorie quantique se refusait lui-même à admettre les résultats auxquels elle conduisait. "C'était comme si le sol s'était dérobé sous mes pieds". Heisenberg se demandait s'il est possible que la nature soit absurde. Pour donner un exemple de ce qui se produirait si les principes de la mécanique quantique envahissaient le monde à notre échelle, Erwin Schrödinger imagina une expérience de pensée.

 Considérons, dit-il, un chat enfermé dans une boîte avec un flacon de cyanure placé sous un marteau et contrôlé par une substance radioactive dont les noyaux se désagrègent au bout d'un certain temps. Lorsque la première désintégration a lieu, le marteau tombe, brise la fiole, le gaz se répand et le chat meurt. La vie du chat dépend donc de la première désintégration. Or, si l'on suit le formalisme de la mécanique quantique, l'atome radioactif susceptible de provoquer la mort du chat est dans un état quantique qui est la superposition des deux états, atome désintégré, atome non désintégré. Ce n’est qu’en observant la substance radioactive, donc lorsqu’on ouvre la boîte, que l’on réduit la fonction d’onde, en utilisant le vocabulaire des mathématiciens. Avant l’ouverture de la boîte, comme les deux états de l’atome radioactif sont superposés, le chat est mort et vivant. Pour connaître le sort du chat et le sortir de cette situation ubuesque, il n'y a qu'un seul moyen : ouvrir la boîte.

 Cette expérience de pensée vise à montrer l'absurdité de la mécanique quantique si on l'applique à notre échelle. Mais à quel niveau intermédiaire mécanique quantique et classique se diffétrenccient ? Des recherches sont entreprises en laboratoire. On ne tente pas, évidemment, de vérifier si les deux états du chat sont superposés dans la boîte avant son ouverture, mais on est parvenu à créer un atome de béryllium dans une superposition de deux états occupant deux positions différentes dans l'espace (Science et Vie, n° 947).

Des suggestions surprenantes

 Pour Eugène Wigner, prix Nobel américain, la loi générale est qu'il n'y a pas d'action sans réaction. Comme on admet qu'il y a une action de la matière sur l'esprit, l'idée que la conscience a une action sur la fonction d'onde serait normale et ne devrait pas surprendre. Il est donc compréhensible que dans l’expérience de Young avec un faisceau d'électrons le choix de la conduite de l'expérience a une action sur le comportement des électrons.

 Le physicien américain Hugh donne aux conclusions paradoxales des expériences dans l’univers quantique une solution audacieuse : la théorie des univers parallèles, hypothèse imaginée également par le physicien Niels Bohr. Au moment de l'observation de l'état du chat de Schrödinger, il y a deux univers qui se forment. Dans l'un le chat est mort et des observateurs le voient mort. Dans l'autre le chat est vivant et des observateurs le voient vivant. Aucune communication n'est possible entre les mondes ainsi créés.

 D'autres physiciens pensent que les dispositifs de mesure, de taille macroscopique, ont des effets sur les états microscopiques. A ceux-là il leur est demandé à quel niveau de complexité il faut placer la barrière entre le microscopique et le macroscopique. Aucune réponse ne peut être donnée actuellement à cette question. L'effet de dimension est inexplicable.

Les variables cachées

 Devant l'embarras où de telles expériences plongent les physiciens, certains proposent des explications plus classiques et qui semblent plus "raisonnables". La mécanique quantique serait incomplète. Les explications hors du sens commun que l'on cherche à donner proviennent du fait que nous ne connaissons pas toute la structure subatomique. C'est ce que pensaient Einstein, Podolsky et Rosen. Pour tenter de prendre à défaut la théorie quantique, ils proposèrent à leur tour une autre expérience de pensée.

 Imaginons, disent-ils, une particule qui se désintègre spontanément en deux grains de lumière A et B. C'est une observation courante en laboratoire. Rien ne permet de dire, à priori les directions que ces derniers vont prendre mais un fait est certain : par symétrie, ils vont partir dans des directions opposées. Si A se dirige vers le nord, B se dirigera vers le sud.

 Installons les instruments de mesure et vérifions. A est bien au nord, et B au sud. Mais la mécanique quantique dit que, avant d'être capté par l'instrument de mesure, A n'était pas une particule, c'était une onde de probabilité susceptible de prendre n'importe quelle direction. C'est seulement après avoir interagi avec le détecteur que A se transforme en particule et "sait " qu'il doit se diriger vers le nord. Si A ne savait pas quelle direction prendre avant d'être capturé par l'instrument de mesure et puisque l'information entre A et B ne peut être transmise à une vitesse supérieure à celle de la lumière, comment B pourrait-il "deviner" à l'avance la direction de A et orienter sa trajectoire de façon à être capté au même instant dans la direction opposée ? Cela n'avait aucun sens. Einstein et ses collègues conclurent donc que la mécanique quantique faisait fausse route, que la réalité ne pouvait être décrite en termes de probabilité. A et B ont donc une réalité objective bien déterminée, indépendante de l'acte de l'observation (d'après La mélodie secrète de Trinh Xuan Thuan).

"Ma théorie ne nous fait guère approcher le secret du Vieux Bonhomme, mais, en tout cas, je suis persuadé qu'il ne joue pas aux dés".

 Une réflexion du mathématicien Einstein qui est restée célèbre. Le «  secret » du Vieux Bonhomme demeure. Dans une expérience à petite échelle qu'il réalisa en 1982, Alain Aspect prouva le "couplage" existant entre deux particules comme les particules A et B imaginées dans l'expérience fictive précédente. En juillet 1997, dans une autre expérience menée au CERN de Genève, le couplage a été observé entre deux photons éloignés de plus de 10 km comme si, séparés l'un de l'autre par cette distance, chacun savait ce que faisait l'autre. Einstein appelait ce phénomène "action fantôme à distance".

 Contrairement à Albert Einstein, le Danois Niels Bohr admettait le principe du couplage entre particules. Une particule proche peut communiquer avec une particule éloignée, quelle que soit la distance qui les sépare. Si les deux particules se trouvent dans des galaxies différentes, à la vitesse de la lumière, cela peut demander des siècles. Pour qu'une particule d'ici puisse savoir ce qui se passe là-bas sans aucun délai, il faut qu'elle se trouve là-bas. Mais si elle y est, elle ne peut pas être ici. Une particule peut-elle être située à deux endroits en même temps ?

 Cela peut signifier aussi que ces semblants de particules sont liés par des phénomènes qui n'ont pas encore été découverts.

L'atome : une construction mathématique.

 Notre expérience nous dit que le monde physique est solide, réel et indépendant de notre présence. La mécanique quantique dit simplement qu'il n'en est pas ainsi. L'atome est une construction mathématique définie par des calculs de probabilité qui relèvent du hasard.

 Mais que décrit au juste la mécanique quantique ?

 A l'automne de 1927, des physiciens se réunirent à Bruxelles pour travailler à cette question. A ce colloque participaient Einstein et Bohr venu de Copenhague. Ils aboutirent à une formulation connue sous la désignation d'Interprétation de Copenhague.

 L'Interprétation de Copenhague dit qu'il n'est pas nécessaire de savoir comment la lumière peut se manifester à la fois comme onde et comme particule. Il suffit de savoir ce qu'elle fait. Les physiciens acceptent cette théorie comme théorie complète parce qu'elle rend compte correctement de l'expérience, qu'elle la corrèle, même si elle prédit des probabilités et non des événements effectifs. Ce qu'il advient entre la zone de préparation et la zone de mesure est exprimé mathématiquement comme une corrélation.  La corrélation est un concept.

 Les concepts de la physique sont de libres créations de l'esprit humain et ne sont pas, quoi qu'il puisse sembler, déterminés uniquement par l'univers extérieur. Lorsque nous entreprenons de comprendre la réalité, nous ressemblons un peu à un homme qui essaierait de se représenter le mécanisme d'une montre fermée. Il voit le cadran et les aiguilles, il entend même le tic-tac, mais il n'est pas en mesure d'ouvrir le boîtier. S'il est intelligent, il peut se faire quelque idée du mécanisme qui pourrait rendre compte des effets qu'il observe, mais il ne pourra jamais avoir l'entière certitude que sa conception est la seule qui puisse expliquer ses observations. Il ne pourra jamais comparer cette représentation avec le mécanisme réel, et n'est même pas en mesure d'imaginer la possibilité de la signification d'une telle comparaison. (Albert Einstein - L'évolution des idées en physique ).

  Les particules n'existent pas par elles-mêmes. Elles sont les effets d'un réseau de champs qui interagissent entre eux : champ électromagnétique, champ de gravitation, champ protonique, champ électronique. Ces champs n'ont pas de substance, ce sont des probabilités d'ondes. Ce qui est appelé vide, c'est l'absence d'un phénomène observable sous forme de particules dans les objets qui nous entourent et que nous considérons comme réalité. La recherche actuelle s'efforce de comprendre comment ces divers champs ont pu se former à partir d'un seul. C'est la Théorie unifiée.  Actuellement, le champ de gravité reste le seul réfractaire à cette union. Quand ce résultat sera obtenu, il faudra ensuite comprendre pourquoi ce champ unique existait à l'origine et comment il a pu se former à partir de Rien. Une tentative d’explication est proposée aujourd’hui. Le vide immense entre les particules n'est pas le néant absolu. Les champs y forment un réseau continu qui peut créer des ondes-particules virtuelles disparaissant dès leur naissance. Le principe d'incertitude ne concerne pas seulement des propriétés comme la vitesse et la position. Il est valable également pour l'énergie et la durée d'apparition de ces ondes-particules virtuelles, à la limite de la non-existence et de l'existence. Il suffit pour qu'elles franchissent le seuil de l'existence qu'elles puissent obtenir de l'énergie, énergie et durée de leur vie étant liées par le principe d'incertitude. La gravitation, dans certains cas, peut fournir un prêt d'énergie. Rien ne s'oppose alors à ce que des ondes-particules de matière naissent dans le vide.

 Mais, devant les conclusions déroutantes auxquelles aboutissent les recherches concernant l'étude de la structure de la matière, le physicien allemand Werner Heisenberg pense que "nous devrions abandonner toute tentative pour construire des modèles de processus atomiques qui soient accessibles à nos perceptions".

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