L’expérience qui a changé à jamais notre façon de penser la réalité

Le principe d’incertitude dit que vous ne pouvez pas connaître certaines propriétés d’un système quantique en même temps. Par exemple, vous ne pouvez pas connaître simultanément la position d’une particule et son momentum. Mais qu’est-ce que cela implique pour la réalité ? Si nous pouvions jeter un coup d’œil derrière les rideaux de la théorie quantique, constaterions-nous que les objets ont réellement des positions et des moments bien définis ? Ou bien le principe d’incertitude signifie-t-il qu’à un niveau fondamental, les objets ne peuvent tout simplement pas avoir une position et une impulsion claires en même temps ? En d’autres termes, le flou est-il dans notre théorie ou dans la réalité elle-même ?

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Cas 1 : lunettes floues, réalité claire

La première possibilité est que l’utilisation de la mécanique quantique est comme porter des lunettes floues. Si nous pouvions en quelque sorte soulever ces lunettes, et jeter un coup d’œil dans les coulisses de la réalité fondamentale, alors bien sûr une particule doit avoir une position et un momentum définis. Après tout, c’est une chose dans notre univers, et l’univers doit savoir où se trouve cette chose et dans quelle direction elle va, même si nous ne le savons pas. D’après ce point de vue, la mécanique quantique n’est pas une description complète de la réalité – nous sondons la finesse de la nature avec un outil émoussé, et nous allons donc forcément passer à côté de certains détails.

Cela correspond à la façon dont tout le reste de notre monde fonctionne. Quand j’enlève mes chaussures et que vous voyez que je porte des chaussettes rouges, vous ne supposez pas que mes chaussettes étaient dans un état de couleur indéterminée jusqu’à ce que nous les observions, avec une certaine chance qu’elles aient pu être bleues, vertes, jaunes ou roses. C’est de la folie. Au lieu de cela, vous supposez (à juste titre) que mes chaussettes ont toujours été rouges. Alors pourquoi une particule devrait-elle être différente ? Sûrement, les propriétés des choses dans la nature doivent exister indépendamment du fait que nous les mesurions, non ?

Cas 2 : lunettes claires, réalité floue

D’un autre côté, il se pourrait que nos lunettes soient parfaitement claires, mais que la réalité soit floue. Selon ce point de vue, la mécanique quantique est une description complète de la réalité à ce niveau, et les choses dans l’univers n’ont simplement pas de position et d’élan définis. C’est le point de vue auquel adhèrent la plupart des physiciens quantiques. Ce n’est pas que les outils sont émoussés, mais que la réalité est intrinsèquement nébuleuse. Contrairement au cas de mes chaussettes rouges, lorsque vous mesurez la position d’une particule, celle-ci n’avait pas de position définie jusqu’au moment où vous l’avez mesurée. L’acte de mesurer sa position l’a forcée à avoir une position définie.

Maintenant, vous pourriez penser qu’il s’agit d’une de ces questions métaphysiques du type  » si un arbre tombe dans la forêt  » qui ne peut jamais avoir de réponse définitive. Cependant, contrairement à la plupart des questions philosophiques, il existe une expérience réelle que vous pouvez réaliser pour trancher ce débat. Qui plus est, cette expérience a été réalisée à de nombreuses reprises. À mon avis, il s’agit de l’une des idées les plus sous-estimées de notre compréhension populaire de la physique. L’expérience est assez simple et formidablement profonde, car elle nous dit quelque chose de profond et de surprenant sur la nature de la réalité.

Voici la configuration. Il y a une source de lumière au milieu de la pièce. Chaque minute, à la minute près, elle envoie deux photons, dans des directions opposées. Ces paires de photons sont créées dans un état spécial connu sous le nom d’intrication quantique. Cela signifie qu’ils sont tous les deux connectés de manière quantique – de sorte que si vous effectuez une mesure sur un photon, vous ne modifiez pas seulement l’état quantique de ce photon, mais aussi immédiatement l’état quantique de l’autre également.

Avec moi jusqu’ici ?

À gauche et à droite de cette pièce se trouvent deux boîtes identiques conçues pour recevoir les photons. Chaque boîte est équipée d’une lumière. Chaque minute, lorsque le photon frappe la boîte, la lumière clignote d’une des deux couleurs, rouge ou verte. D’une minute à l’autre, la couleur de la lumière semble tout à fait aléatoire – parfois elle est rouge, parfois elle est verte, sans qu’il y ait de tendance claire dans un sens ou dans l’autre. Si vous placez votre main sur le trajet du photon, l’ampoule ne clignote pas. Il semble que cette boîte détecte une certaine propriété du photon.

Donc, quand vous regardez une boîte quelconque, elle fait clignoter une lumière rouge ou verte, complètement au hasard. C’est à chacun de deviner quelle sera la couleur suivante. Mais voici ce qui est vraiment étrange : lorsqu’une boîte clignote d’une certaine couleur, l’autre boîte clignote toujours de la même couleur. Quelle que soit la distance à laquelle vous essayez d’éloigner les boîtes du détecteur, elles pourraient même être aux extrémités opposées de notre système solaire, elles clignoteront de la même couleur sans faute.

C’est presque comme si ces boîtes conspiraient pour donner le même résultat. Comment cela est-il possible ? (Si vous avez votre propre théorie de prédilection sur le fonctionnement de ces boîtes, gardez-la, et dans un peu de temps, vous pourrez tester votre idée en la confrontant à une expérience.)

« Aha ! » dit l’enthousiaste quantique. « Je peux expliquer ce qui se passe ici. Chaque fois qu’un photon frappe l’une des boîtes, celle-ci mesure son état quantique, qu’elle signale en faisant clignoter une lumière rouge ou verte. Mais les deux photons sont liés par une intrication quantique. Ainsi, lorsque nous mesurons qu’un photon est dans l’état rouge (disons), nous avons forcé l’autre photon à se trouver dans le même état ! C’est pourquoi les deux boîtes clignotent toujours de la même couleur. »

« Attendez, » dit le physicien classique prosaïque. « Les particules sont comme des boules de billard, pas des poupées vaudoues. Il est absurde qu’une mesure dans un coin de l’espace puisse instantanément affecter quelque chose dans un endroit totalement différent. Lorsque j’observe qu’une de mes chaussettes est rouge, cela ne change pas immédiatement l’état de mon autre chaussette, la forçant à être rouge elle aussi. L’explication la plus simple est que les photons de cette expérience, comme les chaussettes, sont créés par paires. Parfois, ils sont tous deux dans l’état rouge, parfois dans l’état vert. Ces boîtes ne font que mesurer cet « état caché » des photons. »

L’expérience et le raisonnement exposés ici sont une version d’une expérience de pensée articulée pour la première fois par Einstein, Podolsky et Rosen, connue sous le nom d’expérience EPR. L’essentiel de leur argument est qu’il semble absurde qu’une mesure à un endroit puisse immédiatement influencer une mesure à un endroit totalement différent. L’explication la plus logique est que les boîtes détectent une propriété cachée que les deux photons partagent. Dès le moment de leur création, ces photons pourraient porter un cachet caché, comme un passeport, qui les identifie comme étant soit dans l’état rouge, soit dans l’état vert. Les boîtes doivent alors détecter ce timbre. Einstein, Podolsky et Rosen ont soutenu que le caractère aléatoire que nous observons dans ces expériences est une propriété de notre théorie incomplète de la nature. Selon eux, ce sont nos lunettes qui sont floues. Dans le jargon du domaine, cette idée est connue sous le nom de théorie des variables cachées de la réalité.

Il semblerait que le physicien classique ait gagné ce round, avec une explication plus simple et plus logique.

Le lendemain, une nouvelle paire de boîtes arrive par la poste. La nouvelle version de la boîte a trois portes intégrées. Vous ne pouvez ouvrir qu’une seule porte à la fois. Derrière chaque porte se trouve une lumière, et comme avant, chaque lumière peut briller en rouge ou en vert.

Les deux physiciens jouent avec ces nouvelles boîtes, attrapant des photons et observant ce qui se passe lorsqu’ils ouvrent les portes. Après quelques heures de bricolage, voici ce qu’ils trouvent :

1. S’ils ouvrent la même porte sur les deux boîtes, les lumières clignotent toujours de la même couleur.

2. S’ils ouvrent les portes des deux boîtes au hasard, alors les lumières clignotent de la même couleur exactement la moitié du temps.

Après réflexion, le physicien classique arrive à une explication simple de cette expérience. « Au fond, ce n’est pas très différent des boîtes d’hier. Voici une façon d’y penser. Au lieu d’avoir un seul timbre, disons que chaque paire de photons a maintenant trois timbres, un peu comme si vous aviez plusieurs passeports. Chaque porte de la boîte lit un différent de ces trois timbres. Ainsi, par exemple, les trois timbres pourraient être rouge, vert et rouge, ce qui signifie que la première porte clignoterait en rouge, la deuxième en vert et la troisième en rouge. »

« En poursuivant cette idée, il est logique que lorsque nous ouvrons la même porte sur les deux boîtes, nous obtenions la même lumière colorée, car les deux boîtes lisent le même timbre. Mais quand nous ouvrons des portes différentes, les boîtes lisent des timbres différents, donc elles peuvent donner des résultats différents. »

Encore, l’explication du physicien classique est simple, et n’invoque aucune notion fantaisiste comme l’intrication quantique ou le principe d’incertitude.

« Pas si vite », dit la physicienne quantique, qui vient de finir de griffonner un calcul sur son bloc-notes. « Lorsque vous et moi avons ouvert les portes au hasard, nous avons découvert qu’une fois sur deux, les lumières clignotent de la même couleur. Ce nombre – une moitié – correspond exactement aux prédictions de la mécanique quantique. Mais selon vos idées de « timbres cachés », les lumières devraient clignoter de la même couleur plus de la moitié du temps ! »

L’enthousiaste quantique est sur quelque chose ici.

« Selon l’idée des timbres cachés, il y a 8 combinaisons possibles de timbres que les photons pourraient avoir. Étiquetons-les par les premières lettres des couleurs, pour faire court, donc RRG = rouge rouge vert. »

RRG
RGR
GRR
GGR
GRG
RG
RGG
RRR
GGG

« Maintenant, lorsque nous choisissons des portes au hasard, un tiers du temps, nous allons choisir la même porte par hasard, et lorsque nous le faisons, nous voyons la même couleur. »

« Les deux autres tiers du temps, nous choisissons des portes différentes. Disons que nous rencontrons des photons avec la configuration de timbre suivante : »

RRG

« Dans une telle configuration, si nous avons choisi la porte 1 sur une boîte et la porte 2 sur une autre, les lumières clignotent de la même couleur (rouge et rouge). Mais si nous avons choisi les portes 1 et 3, ou les portes 2 et 3, elles clignoteront de couleurs différentes (rouge et vert). Donc, dans un tiers de ces cas, les boîtes clignotent de la même couleur. »

« Pour résumer, un tiers du temps, les boîtes clignotent de la même couleur parce que nous avons choisi la même porte. Deux tiers du temps, nous avons choisi des portes différentes, et dans un tiers de ces cas, les boîtes clignotent de la même couleur. »

« En additionnant cela, »

⅓ + ⅔ ⅓ = 3/9 + 2/9 = 5/9 = 55.55%

« Donc 55,55% est la probabilité que les boîtes clignotent de la même couleur lorsque nous choisissons deux portes au hasard, selon la théorie des timbres cachés. »

« Mais attendez ! Nous n’avons regardé qu’une seule possibilité – RRG. Qu’en est-il des autres ? Il faut un peu de réflexion, mais il n’est pas trop difficile de montrer que le calcul est exactement le même dans tous les cas suivants : »

RRG
RGR
GRR
GGR
GRG
GRG
RGG

« Cela ne laisse que deux cas : »

RRR
GGG

« Dans ces cas, nous obtenons la même couleur quelles que soient les portes que nous choisissons. Donc ça ne peut qu’augmenter la probabilité globale que les deux boîtes clignotent de la même couleur. »

« La chute est que selon l’idée des timbres cachés, la probabilité que les deux boîtes clignotent de la même couleur quand on ouvre les portes au hasard est d’au moins 55,55%. Mais selon la mécanique quantique, la réponse est 50%. Les données sont en accord avec la mécanique quantique, et elles excluent la théorie des « timbres cachés ». »

Si vous êtes arrivés jusqu’ici, cela vaut la peine de faire une pause pour réfléchir à ce que nous venons de montrer.

Nous venons de passer en revue l’argument d’un résultat révolutionnaire de la mécanique quantique connu sous le nom de théorème de Bell. Les boîtes noires ne font pas vraiment clignoter des lumières rouges et vertes, mais dans les détails qui comptent, elles correspondent à des expériences réelles qui mesurent la polarisation de photons intriqués.

Le théorème de Bell trace une ligne dans le sable entre le monde quantique étrange et le monde classique familier que nous connaissons et aimons. Il prouve que les théories à variables cachées comme celles qu’Einstein et ses copains ont inventées sont tout simplement fausses1. À sa place se trouve la mécanique quantique, avec ses particules qui peuvent être enchevêtrées sur de grandes distances. Lorsque vous perturbez l’état quantique d’une de ces particules enchevêtrées, vous perturbez instantanément aussi l’autre, peu importe où elle se trouve dans l’univers.

Il est réconfortant de penser que nous pourrions expliquer l’étrangeté de la mécanique quantique si nous imaginions des particules de tous les jours avec de petits engrenages invisibles à l’intérieur, ou des timbres invisibles, ou un carnet caché, ou quelque chose – certaines variables cachées auxquelles nous n’avons pas accès – et ces variables cachées stockent la position et le momentum « réels » et d’autres détails sur la particule. Il est réconfortant de penser qu’à un niveau fondamental, la réalité se comporte de manière classique, et que notre théorie incomplète ne nous permet pas de jeter un coup d’œil dans ce registre caché. Mais le théorème de Bell nous prive de ce confort. La réalité est floue, et nous devons simplement nous habituer à ce fait.

Notes de bas de page

1. Techniquement, le théorème de Bell et l’expérience subséquente excluent une grande classe de théories à variables cachées connues sous le nom de théories à variables cachées locales. Ce sont des théories où les variables cachées ne voyagent pas plus vite que la lumière. Cela n’exclut pas les théories à variables cachées non locales où les variables cachées voyagent plus vite que la lumière, et la mécanique bohmienne est l’exemple le plus abouti d’une telle théorie.

J’ai rencontré pour la première fois cette explication du théorème de Bell par des boîtes avec des lumières clignotantes dans le livre Fabric of the Cosmos de Brian Greene. Cette version pédagogique de l’expérience de Bell remonte au physicien David Mermin qui en a eu l’idée. Si vous souhaitez goûter à sa marque unique et brillante d’exposition de la physique, procurez-vous un exemplaire de son livre Boojums All the Way Through.

Image de la page d’accueil : NASA/Flickr