La physique quantique en quelques mots...

La mécanique quantique décrit un monde étrange, où l’on découvre que les échanges d’énergie entre matière et rayonnement se font, non pas de manière continue, mais par quantités discrètes et indivisibles ou, quanta d’énergie. Par exemple, un électron gravite autour du noyau d’un atome sur des orbitales correspondants à des niveaux d’énergie quantifiée, le changement d’état est immédiat et régit par un seuil (i.e. un quantum). Pire encore, la physique des particules est régie par un principe de non-localité : la matière constituant l’univers, généralement bien localisable dans l’espace, se comporte comme une onde présente à plusieurs endroits à la fois, et apparaît de ce fait comme "étendue" (ou phénomène d’intrication des particules), allant jusqu’à défier les lois de la relativité restreinte, postulant la célérité de la lumière comme vitesse limite de tout phénomène physique. Les repères comme ici et là-bas, si cohérents à notre échelle, perdent toute signification dès lors qu’est franchie la frontière du monde subatomique.

L’équivalence d’Einstein entre énergie et matière à une certaine vitesse (E=mc²), montrée pour la lumière au travers de la notion de photon qui est à la fois onde et corpuscule (ou principe de complémentarité de Bohr), peut être étendue selon de Broglie en 1920, à tous les constituants de la matière. Ainsi, en physique quantique, en raison de cette dualité onde/corpuscule, on doit à Schrödinger en 1927 la description d’une particule non comme un point matériel tangible, mais comme une fonction d’onde, et là où il y a "effondrement de la fonction d’onde" (on parle aussi de "réduction du paquet d’onde"), se trouve délimité une zone de probabilité non nulle ou l’on a des chances de trouver la particule.

En fait, selon les phénomènes, la nature ondulatoire l’emporte sur la nature corpusculaire ou inversement, mais ces deux natures, en tout cas avant toute mesure ou interaction engendrant leur décohérence, sont toujours présentes simultanément (ou principe de superposition d’état). La longueur d’onde de la fonction d’onde associée à une particule est inversement proportionnelle à l’énergie de la particule. Lorsque cette longueur d’onde est inférieure ou de l’ordre des dimensions des "objets" qui interviennent dans le phénomène, c’est la nature corpusculaire qui est favorisée. Inversement, si cette longueur d’onde est supérieure aux dimensions des "objets" impliqués, alors c’est la nature ondulatoire qui est privilégiée. Etant donné que la longueur d’onde est courte pour des particules très énergétiques, on en conclut que les phénomènes se produisant à hautes énergies mettent plutôt en évidence un comportement corpusculaire alors que, inversement, les phénomènes à basses énergies sont plutôt de nature ondulatoire.

Les particules étant toujours décrites comme des entités duales onde-corpuscule, la conséquence en-est que : plus on interroge la position d’une particule, moins on obtient d’information sur sa vitesse et inversement, plus on interroge la vitesse, moins on connait sa position. C’est à Heisenberg en 1927, que l’on doit les relations liant la précision que l’on peut obtenir de la vitesse et de la position d’une particule d’une part, et la précision de la mesure et de son énergie en fonction de la durée de la mesure d’autre part (ou relations d’incertitude). En physique quantique, les objets décrits ne sont plus des entités matérielles mais des modèles mathématiques, et la description de leurs comportements, une description probabiliste (Bitbol, 1997, 2002, 2004).

Enfin, au grand désespoir des réalistes convaincus, outre le caractère non localisé des particules, un autre phénomène des plus déroutants, s’ajoute à l’embarras : l’influence de l’observateur sur l’objet observé.

La physique classique nous indique que mesurer quelque chose (i.e. une position, une vitesse, etc.) perturbe automatiquement, quoique la plupart du temps de manière très faible, l’objet observé. Même si l’on ne fait que lui envoyer un rayon lumineux, pour que celui-ci nous le renvoie marqué de son empreinte et ainsi pouvoir l’observer, on l’a néanmoins "perturbé" : les photons lui communiquent une quantité de mouvement infinitésimale, mais non nulle. Généralement, l’influence de la mesure sur l’objet est si faible qu’elle est négligeable, ce qui explique pourquoi on mentionne rarement – sinon jamais –, l’influence de l’observateur sur l’objet observé.

En physique quantique, le problème est tout autre. La mesure d’une grandeur, telle que la position d’un électron, produit un effet radical. L’objet observé passe d’une position diffuse dans l’espace-temps, à une position déterminée dont nous n’avons au final, toute mesure se lisant sur un écran, que la trace de son passage ou de son existence. Le fait est, que lorsqu’on observe un électron, c’est l’observation qui le fait passer de son état de cohérence quantique où il est à la fois onde et particule, à un état décohéré lisible. Or, il est fortement ennuyeux de provoquer l’état d’un objet que l’on désire "observé en toute objectivité".

Toute théorie physique "contextuelle" (i.e. décrivant des phénomènes non définis par eux-mêmes mais par rapport à un contexte expérimental) prend obligatoirement la forme de la mécanique quantique. Pour le démontrer, Michel Bitbol part d'une théorie physique dont il ignore a priori tout, sinon qu'elle est contextuelle. Le but de toute théorie est de fournir des prévisions, au moins en termes de probabilités, sur les résultats d'expériences. Or, pour une même préparation expérimentale, beaucoup de mesures sont possibles. Une théorie contextuelle doit être capable de prédire tous les résultats que l'on peut mesurer étant donné la préparation effectuée.

Ces contraintes sont draconiennes, Paulette Destouches-Février et Jean-Louis Destouches ont démontré, dans les années cinquante, qu'une telle théorie a alors nécessairement besoin d'un "espace vectoriel à coordonnées complexes muni d'un produit scalaire" pour représenter les phénomènes, c.-à-d. d'un espace de Hilbert, caractéristique de la mécanique quantique (notamment pour sa multidimensionnalité propre à exprimer les états de superposition). Il faut aussi s'assurer qu'une telle préparation garde sa cohérence lorsque les phénomènes évoluent dans le temps : en 1989, Richard Hugues montre que cela suffit à engendrer le squelette de l'équation de Schrödinger (permettant de calculer la fonction d'onde). En synthétisant d'autres travaux, Michel Bitbol a montré que les caractéristiques quantiques de quantification, d'interférences, d'incompatibilité des mesures ou de réduction du paquet d'onde, en découlent. Il en conclut que "la théorie quantique se présente avant tout comme un formalisme prédictif contextuel" : impossible d'échapper à ses lois, si on cherche à prévoir le comportement de la matière dans son contexte.

Il faut bien comprendre que dans le cadre de la mécanique quantique, la frontière classique entre sujet-objet s'abolit au bénéfice d'une conception relationnelle et processuelle où, le contexte (i.e. le dispositif mis en place permettant la production de l'évènement et sa mesure) se fond à l'observateur (i.e. l'instigateur du dispositif). Elle nous oblige, en quelques sortes, à adopter une posture pragmatique.

L'idée que je retiens, avec Basarab Nicolescu, est que :

"L'essence de la physique quantique... c'est la discontinuité !"

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