Des chercheurs écossais viennent de prouver par l'expérience une théorie fondatrice de la physique quantique : il y aurait donc plusieurs réalités.

par Servan Le Janne | 20 mars 2019

Séance photon

Un cortège de cygnes passe sous les fenêtres de l’uni­­ver­­sité Heriot-Watt, dans le sud-ouest d’Édim­­bourg. En rangs désor­­don­­nés, ils foulent la pelouse le long d’un bâti­­ment aux briques marrons. Puis, leur palmes se tournent vers l’étang situé au milieu du campus, entre les érables, les hêtres, les frênes et les châtai­­gniers. Son nom est The Loch, comme le fameux Loch Ness. En Écosse, cela signi­­fie simple­­ment « le lac ». N’es­­pé­­rez pas voir autre chose que des oiseaux sortir de cette flaque tranquille, où jasent quelques canards. Ici, la réalité est grise comme le ciel empesé par les nuages.

Du moins, on peut le penser. Le 13 février dernier, des cher­­cheurs basés sur le campus ont publié une étude qui remet en cause la concep­­tion commune du réel. L’idée selon laquelle chacun observe la matière moyen­­nant les mêmes critères objec­­tifs n’était déjà « pas si claire » en physique quan­­tique, indiquent-ils. Au contraire, postu­­lait le scien­­ti­­fique hongrois Eugene Wigner en 1961, deux personnes confron­­tées à un objet peuvent perce­­voir des réali­­tés fonda­­men­­ta­­le­­ment diffé­­rentes. Restées au rang de théo­­rie, ses conclu­­sions ont enfin été soumises à l’ex­­pé­­rience par l’équipe de l’uni­­ver­­sité Heriot-Watt. Et il semble­­rait bien qu’elles soient exactes. Pour la revue du Massa­­chu­­setts Insti­­tute of Tech­­no­­logy, cela suggère qu’ « il n’y a pas de réalité objec­­tive ».

Eugene Wigner

Au service de sa démons­­tra­­tion, Wigner convoque le photon, cette parti­­cule élémen­­taire sans masse ni charge, repé­­rée dans des fais­­ceaux de lumière par Albert Einstein au début du siècle dernier. À l’in­­té­­rieur d’un rayon de soleil, par exemple, elle est présente en quan­­tité pour trans­­por­­ter l’éner­­gie. On la trouve à deux états de pola­­ri­­sa­­tions : hori­­zon­­tal ou verti­­cal. Parce que la physique quan­­tique est une science de l’in­­fi­­ni­­ment petit, elle recourt à des proba­­bi­­li­­tés pour déter­­mi­­ner sa répar­­ti­­tion. Ce calcul déter­­mine la fonc­­tion d’onde. Autre­­ment dit, le photon se promène quelque part dans un nuage d’in­­cer­­ti­­tude.

Pour simpli­­fier, l’Au­­tri­­chien Erwin Schrö­­din­­ger a remplacé le photon par un chat et le nuage par une boîte. Placez donc un félin dans une caisse opaque, propo­­sait-il en 1935. Imagi­­nons main­­te­­nant, dans un cadre pure­­ment théo­­rique, qu’un atome radio­ac­­tif y soit aussi disposé, qui aurait une chance sur deux de se dissoudre et donc de tuer le cobaye. Il n’y a aucun moyen pour le scien­­ti­­fique de savoir si l’ani­­mal a succombé, sauf à ouvrir l’étui. Le voilà donc réduit à une tauto­­lo­­gie : la mort est tout autant possible que la survie. C’est du 50/50. Facé­­tieux, Schrö­­din­­ger avance alors que, selon les prin­­cipes de la physique quan­­tique, le chat est à la fois mort et vivant.

Or juste­­ment, à la diffé­­rence d’un chat, un photon peut se trou­­ver dans deux états en même temps, ici et là. Se jouant de notre rapport intui­­tif aux choses, il possède aussi deux vitesses simul­­ta­­né­­ment. C’est ce qu’on appelle la super­­­po­­si­­tion. Un tel concept ne va évidem­­ment pas sans para­­doxe. Dès les années 1920, les pion­­niers de la physique quan­­tique regrou­­pés sous la bannière de l’école de Copen­­hague ont mesuré la posi­­tion d’un photon à un moment précis. Ils sont entrés dans le nuage pour mieux le dissi­­per ; la boîte s’est ouverte sur le chat. Par cette action, ils ont annulé la fonc­­tion d’onde préa­­la­­ble­­ment calcu­­lée. Est-ce à dire que celle-ci perd tout son inté­­rêt ? Non, répond la physique quan­­tique : ses chiffres sont aussi vrais que ceux obte­­nus par la mesure. Il y aurait donc deux réali­­tés.

Crédits : Ulyces

L’ami imagi­­naire

Avec les années, l’homme a remplacé le chat. En 1961, Eugene Wigner repense l’ex­­pé­­rience de Schrö­­din­­ger en mettant un scien­­ti­­fique à la place du félin. Cette fois, en plus de l’ob­­ser­­va­­teur exté­­rieur, un indi­­vidu est situé dans la boîte, à une place idéale pour effec­­tuer une mesure. Il pour­­rait s’agir d’un proche, suggère l’étude. Elle prend ainsi le nom d’ « ami de Wigner ». Moins misan­­thrope qu’Ein­­stein, le Hongrois est venu aux sciences après avoir traversé un long moment de soli­­tude. Envoyé en Autriche pour une tuber­­cu­­lose qu’il n’avait pas, à l’âge de 10 ans, le natif de Buda­­pest y est resté « assis sur une chaise pendant des jours ». Cela lui a permis de « travailler très dur à la construc­­tion d’un triangle à partir de trois longueurs données ». Sa conver­­sion aux mathé­­ma­­tique est faite.

Entré au lycée luthé­­rien de Buda­­pest en 1915, il fait la rencontre d’un autre futur grand spécia­­liste de la méca­­nique quan­­tique, John von Neuman, sans réus­­sir à bien le connaître. « Il s’est toujours tenu un peu à part », dit-il de cet homme meilleur mathé­­ma­­ti­­cien que lui, mais appa­­rem­­ment moins bon physi­­cien. Eugene Wigner étudie ensuite la chimie pour satis­­faire son père, qui veut le faire travailler dans l’usine de cuir fami­­liale. Seule­­ment, il ne s’y sent pas chez lui. Alors le jeune homme suit un nouveau cursus en Alle­­magne, qu’il quitte pour les États-Unis à l’aube de la Seconde Guerre mondiale. Aux côtés d’Al­­bert Einstein, il parti­­cipe au projet Manhat­­tan qui abou­­tira à la bombe atomique.

Les consé­quences mons­­trueuses de son exper­­tise le poussent à déve­­lop­­per une approche de plus en plus philo­­so­­phique de sa matière. En 1960, il publie un article baptisé « L’ef­­fi­­ca­­cité irrai­­son­­nable des mathé­­ma­­tiques en sciences natu­­relles » dans la revue Commu­­ni­­ca­­tions in Pure and Applied Mathe­­ma­­tics. Aussi s’aperçoit-il que la conscience dont doivent s’ar­­mer les scien­­ti­­fiques dans leurs recherches inter­­­fère lorsqu’ils opèrent des mesures. « Tout ce que la méca­­nique quan­­tique entend four­­nir, ce sont des liens probables entre les impres­­sions ulté­­rieures de la conscience », écrit-il avec modes­­tie. L’ « ami de Wigner » doit donc montrer le rôle joué par la percep­­tion du scien­­ti­­fique sur ses conclu­­sions.

« Un des moyens de résoudre cette contra­­dic­­tion est d’af­­fir­­mer qu’il n’y a pas de fait objec­­tif »

Depuis l’ex­­té­­rieur de la boîte, le Hongrois se met donc en situa­­tion de calcu­­ler la fonc­­tion d’onde d’un photon que l’ami, situé à l’in­­té­­rieur, peut quant à lui mesu­­rer avec préci­­sion. De son point de vue, la parti­­cule se trouve donc à plusieurs endroits en même temps puisqu’elle est pola­­ri­­sée à la verti­­cale et à l’ho­­ri­­zon­­tale. Il y a super­­­po­­si­­tion. Sauf qu’un autre élément entre dans l’équa­­tion : il faut y ajou­­ter l’ami, dont la présence pour­­rait bien modi­­fier le compor­­te­­ment du photon. Une fois que c’est fait, pourquoi ne pas lui télé­­pho­­ner ? Dès lors que son résul­­tat est commu­­niqué à l’ex­­té­­rieur, il vient lui aussi s’ajou­­ter aux évalua­­tions précé­­dentes. « Même dans ce cas », explique Wigner, « le chan­­ge­­ment dans la fonc­­tion d’onde est inter­­­venu après qu’une donnée est entrée dans ma conscience. La descrip­­tion quan­­tique d’un objet est donc influen­­cée par les impres­­sions qui entrent dans ma conscience. »

D’ici à ce que l’in­­for­­ma­­tion soit trans­­mise, l’état du photon a parfai­­te­­ment pu chan­­ger. Dès lors, la fonc­­tion d’onde déduite par Wigner ne retrouve-t-elle pas toute son utilité ? Quoi qu’il en soit, il existe donc bien deux manières d’éva­­luer l’em­­pla­­ce­­ment du photon, qui donnent des résul­­tats irré­­con­­ci­­liables. Voilà pour la théo­­rie. Il a fallu attendre des décen­­nies pour que les démons­­tra­­tions de Wigner soient véri­­fiées par la pratique.

Et puisque les cher­­cheurs de l’uni­­ver­­sité Heriot-Watt ne se conten­­taient pas d’un ami, ils ont imaginé quatre obser­­va­­teurs, dont deux dans la boîte : Alice et Amy d’un côté ; Bob et Brian de l’autre. Leurs photons sont intriqués, c’est-à-dire corré­­lés de façon à possé­­der les mêmes proprié­­tés. Pour­­tant, il s’avère que chacun obtient un résul­­tat diffé­rent, et ce alors qu’ « une infor­­ma­­tion obte­­nue par une mesure devrait consti­­tuer un fait aux yeux du monde, au sujet duquel tous les obser­­va­­teurs pour­­raient s’en­­tendre », pointe l’un des cher­­cheurs, Ales­­san­­dro Fedrizzi.

« Un des moyens de résoudre cette contra­­dic­­tion est d’af­­fir­­mer qu’il n’y a pas de fait objec­­tif », ajoute-t-il. Mais c’est bien sûr une conclu­­sion sujette à diffé­­rentes inter­­­pré­­ta­­tions.


Couver­­ture : Schrö­­din­­ger, par Ulyces.


 

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