Quand la physique devient quantique
« Tout ce que je sais, c’est que je ne sais rien. » Socrate
Avant de se poser la question « pourquoi sommes-nous là ? », les physiciens préfèrent se poser la question « comment sommes nous arrivés là ? », « comment l’Homme et tout ce qui l’entoure sont-ils passés du rien au tout ? », et plus pragmatiquement « comment tout ce bordel marche-t-il ? ». La quête du Graal du physicien, et de la physique moderne en général, c’est de réussir à trouver la formule, l’équation, le principe ultime qui nous expliquerait tout sur tout, qui réussirait à combiner toutes les lois de l’univers en une seule et unique théorie, et qui nous permettrait ainsi de comprendre une bonne fois pour toutes « qu’est-ce qu’il se passe dans l’espace ». Un casse-tête géant dont tout le monde chercherait la notice, en quelque sorte. Le problème, c’est qu’à chaque nouvelle théorie unificatrice, chaque fois que l’on semble avoir enfin trouvé la réponse juste, celle qui explique chaque phénomène avec exactitude, elle se révèle au fil du temps soit erronée, soit incomplète. Il y a toujours quelqu’un qui finit par se lever en disant : merde les gars, ça c’est pas normal, on a dû se planter quelque part…
Si chaque nouvelle théorie adoptée par la communauté scientifique révolutionne notre façon de penser et nous permet d’avancer un peu plus, il en est une qui va bien plus loin que toutes les autres. Une théorie aux conclusions tellement stupéfiantes qu’elle dépasse l’entendement, qu’elle pulvérise notre conception de l’univers. Une théorie qui bouleverse la science autant que la philosophie ou la religion. Si je vous disais que la matière n’est qu’une illusion, que le temps n’existe pas, ou encore qu’une même personne peut se trouver dans deux endroits différents au même moment, le croiriez-vous ? Certainement pas. Attendez de voir ce qu’en pense le monde de la mécanique quantique…
La physique quantique pour les nuls
La physique quantique, ou mécanique quantique, c’est un ensemble de théories physiques, au même titre que la théorie de la relativité ou la théorie gravitationnelle de Newton, apparu au début du XXe siècle. Il s’agit du domaine qui étudie les phénomènes qui se produisent à l’échelle des tout petits machins, vraiment minuscules, encore plus petits que ce à quoi vous pensez ; au niveau des atomes et des particules. Et c’est là que les ennuis commencent.
Voyez-vous, nous sommes jusqu’à présent capable d’expliquer l’univers à l’échelle des hommes grâce, entre autre, à la relativité générale d’Albert Einstein. Les lois décrites par la théorie sont applicables partout, et à toutes les échelles, étant donné qu’elles ont la prétention d’expliquer tous les phénomènes de manière logique. Partout ? Pas vraiment… Je vous ai déjà dit qu’il y a toujours quelqu’un qui finit par se lever.
On a longtemps considéré qu’il n’y avait rien de plus petit qu’un atome, et cela aurait été bien plus simple si il en avait été ainsi. Mais il s’est avéré que ces atomes étaient en fait constitués de particules encore plus petites : un noyau de protons et de neutrons autour duquel gravitait des électrons. Et l’ensemble de nos théories, de Maxwell à Einstein, était bien incapable d’expliquer comment tout ce bazar fonctionnait, comment tous ces éléments interagissaient entre eux. Leurs lois devenaient inapplicables à cette échelle, et c’était une véritable énigme pour tout le monde. C’est alors que surgissait hors de la nuit cette fameuse mécanique quantique, capable d’expliquer tel un justicier tous les phénomènes étranges qui se produisait à l’échelle atomique et au delà, avec beaucoup de succès. Il n’est encore jamais arrivé qu’une prédiction quantique se révèle fausse. Où est le problème ? me direz-vous. Nous pouvons maintenant expliquer le monde à tous les niveaux, que demande le peuple ? Le problème, et c’est peu dire, est que la mécanique quantique nous présente une vision de notre réalité et de notre espace-temps si troublante, si radicalement différente de ce que nous croyons savoir sur ce qui nous entoure, qu’on dirait simplement de la mauvaise science-fiction. Surtout, elle semble incompatible avec nos lois physiques actuelles. Et pourtant elle existe, et est acceptée par la communauté scientifique, sans qu’aucun d’eux ne soit capable d’expliquer de façon cohérente comment deux visions si différentes d’un même ensemble peuvent coexister. Nous avons compris comment cela fonctionnait en haut, nous avons compris comment cela fonctionnait en bas, et nous sommes bien incapables de dire comment tout cela fonctionne ensemble ! Mais alors, que la physique quantique nous révèle-t-elle de si incroyable ?
What the fuck ??!!??
Les théories d’Einstein nous décrivent un univers organisé et prévisible. Disposant des informations suffisantes et nécessaires, je peux par exemple prévoir le déplacement d’un corps d’un point A à un point B, à toutes les échelles et avec précision. Mais ce que nous apprend la mécanique quantique, c’est qu’à l’échelle des atomes et des particules, tout ne serait plus qu’une question de hasard. Un monde d’incertitude. Dans le cas du déplacement d’un corps, d’un point A à un point B, tout ce que je pourrais faire c’est au mieux prédire les chances ou probabilités d’avoir un résultat plutôt qu’un autre. Et c’est précisément cela qui change totalement notre conception de la réalité. Pour s’imaginer une telle vision, il faut apprendre à remettre en question la façon dont nous percevons ce qui nous entoure.
Dans notre monde, si je lançais une balle de baseball dans les airs, je pourrais prédire en fonction de sa vitesse et de son poids notamment, sa trajectoire et son point d’impact avec le sol. Mais si les lois de la physique quantique s’appliquaient à notre niveau, à l’échelle humaine, alors je ne pourrais au mieux qu’émettre une hypothèse sur sa destination. Peut-être que cette balle tombera ici plutôt que là, mais rien n’est moins sûr. Peut-être que cette balle restera en l’air à jamais, peut-être que cette balle aura déjà touché le sol avant même que je ne la lance. Mieux, peut-être que cette balle n’existe que parce que je la regarde. Un peu abstrait, n’est-il pas ?
La matière qui n’existe pas
Si il nous est très difficile de nous projeter dans un tel monde, c’est que nous sommes en quelque sorte conditionnés depuis la naissance à percevoir d’une certaine manière l’univers dans lequel nous nous trouvons. Le monde que nous connaissons consiste en ce que nos yeux voient, ce que nos oreilles entendent, ce que notre nez sent, ce que notre langue goûte et ce que notre main touche. Tout cela à l’intérieur des quatre dimensions qui nous sont familières : gauche-droite, haut-bas, devant-derrière, et le temps. Impossible pour nous d’appréhender le monde autrement, et c’est bien normal. Mais « normal » n’est pas quantique, je pense que vous l’aurez compris.
Pour un physicien comme pour nous tous, le monde est séparé en deux phénomènes bien distincts : les corps et les ondes, le matériel et l’immatériel. Prenons par exemple une chaîne stéréo : nous avons les enceintes (corps, phénomène matériel), et le son qui sort des enceintes (ondes, phénomène immatériel). Jusque là, rien de bien sorcier, pas besoin d’aller chercher plus loin. Mais comme les physiciens sont des gens bizarres (et c’est une théorie personnelle), au lieu de se contenter d’aller simplement au cinéma ou de boire une bière au bistrot, ils préfèrent s’amuser à tenter toutes sortes d’expériences loufoques. Et il en est une qui va nous donner un résultat tout à fait stupéfiant.
En effet, les physiciens ont découvert ceci : à l’échelle atomique ou quantique, un électron considéré comme une particule de matière, se comporte tantôt comme un corps, tantôt comme une onde, selon qu’il est observé ou pas. Autrement dit, l’électron est les deux états à la fois, matériel et immatériel, mais dès que quelqu’un décide l’observer ou de le mesurer, l’électron choisit de devenir un seul phénomène ! De quoi passer des nuits blanches, je vous le garantis ! Voici une vidéo qui explique l’expérience :
Dr Quantum : phénomène d’interférence par hpierre59
Comment ? Comment un tel évènement peut-il se produire ? Rendez-vous bien compte de ce que cette expérience soulève comme questionnement fondamental. Sachant que tout est composé d’atomes, eux-mêmes composés d’électrons, alors qu’est-ce que la matière ? De quoi sommes-nous fait? De corps ou d’ondes ? Et quel est le rôle de l’observateur dans tout cela ? Inconcevable à nos yeux, et pourtant il faudra bien l’expliquer un jour. Mais figurez-vous que ce n’est pas la seule découverte renversante qui résulte de l’étude la mécanique quantique.
Un pour tous, tous en un
Vous le savez bien, ce n’est pas la taille qui compte. Et décidemment, ce petit électron qui nous cause bien des soucis commence à me plaire. Quand on lui demande si c’est un corps, il nous répond : « Ptête bien ». Quand on lui demande si c’est une onde, il nous répond : « Ptête bien ». Mais figurez-vous qu’il s’est permis de rajouter : « Au fait les mecs, je peux me trouver dans deux endroits à la fois, si ça vous intéresse ! ». Et ça, la physique classique n’apprécie pas beaucoup, voire pas du tout. La physique quantique quant à elle, ça ne lui pose pas trop de problèmes. Voyez plutôt.
Imaginez que vous êtes dans une soirée et que le maître de maison décide de vous présenter quelqu’un. Quelqu’un de très sympa avec qui vous vous accordez tout de suite. Imaginez maintenant la même chose à l’échelle quantique. Une petite soirée de particules organisée par les physiciens, qui décident d’en mettre deux en contact. Leurs états vont s’accorder. Peu importe leur humeur, ils seront sur la même longueur d’ondes. Ils forment désormais une sorte de couple quantique. Séparez-les maintenant, ils garderont le même état. Et c’est là que ça devient intéressant : gardez-en un avec vous et placez l’autre mettons, à l’autre extrémité de l’univers. Si vous modifiez l’état d’une des deux particules, l’autre sera affectée de la même manière instantanément ! Comme si vous aviez un jumeau dans un autre pays, qui dès que vous vous sentiez joyeux, se ressentirait joyeux au même instant !
Alors de deux choses l’une : soit l’information voyage incroyablement vite, soit ses deux éléments sont encore liés, intriqués, et la distance n’existe plus. Ils sont un et deux à la fois, ce qui signifie que quand deux particules ont été liées, elles le demeurent à jamais. Partant de ce postulat, je pourrais me dire : étant donné que tout était lié, intriqué, au moment du Big Bang, que l’univers résulte d’un même ensemble de particules, il se pourrait que tout soit encore « connecté », que tout soit encore en contact, et que l’espace ne soit qu’une notion qui nous donne l’illusion que tout est séparé, non? Ce à quoi je répondrais : « Ptête bien ».
Une fin sans fin
Voilà donc un aperçu des perspectives que nous ouvrent de telles théories. Nous pourrions continuer ainsi indéfiniment, en s’intéressant par exemple à la notion de temps. Au même titre que la matière, le temps est divisible à l’infini et ne devient, dans le monde quantique, qu’une notion abstraite qui n’existe que du point de vue de l’observateur. Mais c’est déjà beaucoup pour un seul cerveau et il vaut mieux s’arrêter là.
Alors pour résumé, ce que nous apprend la mécanique quantique, c’est plus l’on regarde vers l’infiniment petit, plus l’univers tel que nous le considérons et l’appréhendons devient illusoire. Tout ce que nous connaissons sur le monde ordinaire disparaît : il n’y a plus de matière, juste des informations. Il n’y a plus d’objets, juste des relations. Plus de localisations, plus d’espace ni même de temps. Et cela représente une révolution scientifique autant qu’intellectuelle et philosophique.
Nous avons aujourd’hui deux physiques, classique et quantique, qui nous expliquent le monde à deux échelles mais qui sont incapables de s’entendre, pour l’instant. Je dis pour l’instant car il se pourrait bien qu’une théorie réconcilie ces deux mondes prochainement. Avez-vous déjà entendu parler de la théorie des cordes ? Et plus exactement de la théorie M ? Je vous invite à découvrir ce documentaire qui vous en apprendra bien plus que moi sur cette théorie ainsi que sur la mécanique quantique :
Mais rappelez-vous : si vous croyez avoir compris la mécanique quantique, alors vous n’avez rien compris. Et si vous n’avez rien compris, alors ne vous en faîte pas. Les physiciens ont bel et bien réussi à unifier quelque chose dans l’univers, et c’est leurs avis sur la mécanique quantique : personne n’y comprend rien !