A la recherche d'un éventuel Réel quantique
par Jean-Paul Baquiast et Christophe Jacquemin
En présentant dans notre rubrique
Livres en bref (sur le site d'
Automates Intelligents) le dernier livre de Stephen Hawking,
The Great Design, co-écrit avec le physicien Leonard Mlodinow, nous indiquions ceci :
« Stephen Hawking et son collègue et co-auteur estiment que la découverte en 1992 d'une planète orbitant autour d'une autre étoile que le soleil (découverte suivie depuis de dizaines d'autres) oblige à déconstruire la vision d'Isaac Newton selon laquelle l'univers n'est pas sorti du chaos. On sait que, pour Newton, du fait de son ordre parfait, l'univers aurait été créé par Dieu.
Pour les auteurs, la découverte de systèmes planétaires lointains dément les affirmations des partisans du principe anthropique fort, selon laquelle des paramètres soigneusement choisis ont permis l'apparition de l'homme sur la Terre. Le fait que le Soleil soit unique (au lieu d'être double comme dans certains systèmes), qu'il soit situé à la bonne distance de la Terre et qu'il soit doté d'une masse adéquate, sont de simples coïncidences dues au hasard des lois physiques.
Ajoutons que l'on pourra en dire autant de ces lois et au-delà des constantes cosmologiques, dont les défenseurs du même principe anthropique disent qu'elles ont été réglées au millimètre près (fine tuned) pour que l'homme puisse apparaître.
Le livre ne se limite pas à énoncer ce qui pour les scientifiques matérialistes constitue une évidence. Il reprend les réponses que peuvent apporter les hypothèses de la physique et de la cosmologie moderne aux grandes questions philosophiques: quand et comment a commencé l'univers ? Pourquoi nous y trouvons-nous ? Pourquoi quelque chose au lien de rien ? Qu'est-ce que la réalité ? Pourquoi les constantes physiques semblent-elles justifier notre présence ? Et finalement, la science offre-t-elle d'autres perspectives que le recours à un Grand Dessein ou un Grand Créateur pour expliquer tout ce qu'elle observe ?
Parmi les réponses de la science qu'ils recensent, les auteurs se réfèrent à une interprétation de la mécanique quantique dite du multivers, souvent évoquée sur notre site, selon laquelle le cosmos n'a pas une seule histoire. Toutes les histoires possibles de l'univers coexistent simultanément. Mais cela, appliqué à l'univers dans sa totalité remet en question la relation entre la cause et l'effet, indispensable à la science quotidienne.
Pour Hawking et Mlodinow, le fait que le passé n'aurait pas une forme bien définie signifie que nous créons l'histoire de l'Univers en l' « observant » autrement dit en y agissant. Ce n'est donc pas l'histoire passée de l'univers qui nous crée. On retrouve là les conclusions des travaux de Mioara Mugur-Schächter, résumés par le concept de MCR, Méthode de Conceptualisation Relativisée. A leurs yeux, nous sommes nous-mêmes le produit de fluctuations quantiques inhérentes à l'univers dans sa toute première forme. Selon eux, la mécanique quantique prédit de façon très solide le multivers, hypothèse selon laquelle notre univers n'est que l'un des nombreux univers qui apparurent (ou peuvent encore apparaître) spontanément à partir du vide quantique, chacun d'eux doté de lois fondamentales différentes. »
Les lecteurs de notre site savent que le concept de
multivers, souvent évoqué dans nos colonnes, rencontre à la fois un accord assez général des physiciens quantiques et une défiance de la plupart des autres scientifiques, du fait notamment qu'à ce jour il n'a pas paru directement observable. Il paraît donc intéressant de faire le point sur la façon dont il est aujourd'hui reçu, en s'appuyant sur les travaux récents.
Derrière l'hypothèse du multivers, se pose directement celle encore plus fondamentale de la Réalité. Nous venons de voir ce qu'en pensent Hawking et Mlodinow. Mais le profane pourrait se dire que le concept de multivers n'évacue pas l'idée qu'il existe une réalité sous-jacente aux descriptions de la science. Elle serait seulement plus complexe que ce que la science, elle-même limitée par les capacités cognitives de notre cerveau, pourrait se représenter.
Avec un petit effort cependant, on pourrait imaginer des univers multiples, s'étendant à l'infini. Le concept même d'
infini est d'ailleurs utilisé depuis des temps immémoriaux par les religions, puis plus récemment par les mathématiques. Sans se le formuler nettement, ceux qui l'emploient considèrent qu'il correspond à quelque chose de réel, se situant « hors de notre réalité à nous » mais appartenant à un réel de catégorie supérieure. Dans cet esprit, les concepts mathématiques utilisés par les sciences dites
réalistes, par exemple la mécanique newtonienne décrivant la gravité, sont des symboles pertinents pour se représenter le réel. Mais le réel ne s'éclipse pas derrière ces symboles. Il est toujours là. On doit par conséquent constamment améliorer les formulations mathématiques pour se rapprocher de ce réel en soi, quitte à se résigner à ne jamais pouvoir l'atteindre pleinement.
Dans l'esprit de ceux - sans doute rares selon Feynman - qui l'ont comprise, la mécanique quantique postule tout autre chose. Ses structures mathématiques, autrement dit son formalisme (fonctions d'onde, vecteurs d'état, matrices, espace de Hilbert), n'ont pas et ne cherchent pas à avoir de relations avec l'hypothèse d'un
Réel dont, selon une formule célèbre de Laplace s'appliquant à Dieu, elle n'a pas besoin. Le paradoxe est que, si ces structures mathématiques opèrent parfaitement bien dans le monde de la physique macroscopique quotidienne, il n'est pas possible de les rattacher à un ensemble de principes ou postulats dont elles dériveraient. Certains diront qu'il en est de même de la physique newtonienne, dont les postulats de base ressemblent beaucoup à des choix philosophiques puisqu'ils ne sont pas vérifiables.
Mais, comme rappelé ci-dessus, Newton et ses successeurs n'ont jamais évacué la question de la réalité du Réel sous-jacent à leurs descriptions mathématiques du monde. Or la physique quantique adopte un point de vue différent. Certains de ses représentants évoquent parfois un « monde quantique » ou
infra-quantique sous-jacent à ce que décrit le formalisme, mais il s'agit d'une manière de parler car ce terme de monde quantique ne peut susciter de recherches destinées à en préciser le contenu. La recherche de « variables cachées », qui avaient été évoquées par Louis de Broglie puis David Bohm dès les premières années de la physique quantique, n'a toujours pas abouti(1). L'idée dominante face au mystère du monde quantique pourrait ainsi être résumée par cette expression de la police urbaine après un attentat : « circulez, il n'y a rien à voir ».
Depuis quelques années cependant, certains jeunes physiciens s'efforcent de trouver des méthodes permettant, non de décrire le monde quantique en termes réalistes - ce qui ne sera jamais sans doute possible à moins de découvrir une loi qui serait déjà opérante parmi nous et que nous n'aurions pas vu jusqu'ici (comme Newton l'avait fait de la gravité), mais de
réduire quelques unes des incertitudes ou bizarreries qui donnent son originalité épistémologique à la mécanique quantique.
Le multiversUne première direction en ce sens peut être signalée. Il s'agit précisément de la question du multivers évoquée au début de cet article.
Pourquoi se mettre en peine à cet égard puisque en termes observationnels, le fait que dans un univers supposé parallèle au nôtre, et en application du principe d'incertitude, un autre moi découvre un chat de Schrödinger
mort alors que moi je l'avais observé
vivant n'est d'aucune importance [
nb : à propos du chat de Schrödinger, consulter l'article de Christophe Jacquemin
Petit rappel sur la décohérence et la réduction de la fonction d'onde]. Ce qui compte et comptera toujours pour moi est mon chat à moi, même si dans une infinité d'univers parallèle, une infinité d'observateurs analogues à moi constatent la vie ou la mort d'une infinité de chats.
Les probabilités de trouver le chat soit vivant soit mort se calculent en utilisant une fonction complexe représentant l'état de la particule radioactive commandant l'ouverture de la bouteille de gaz toxique supposée tuer le pauvre animal. Il s'agit de la
fonction d'onde et le principe dit de Born permet de calculer la probabilité de trouver le chat vivant ou mort. Mais s'il existe une multiplicité d'univers, que deviendra cette probabilité à l'échelle de l'ensemble de ces univers ?
Récemment les physiciens Anthony Aguirre, Max Tegmark et David Layzer ont suggéré(2) une « interprétation cosmologique » de la mécanique quantique. Selon cette interprétation, la fonction d'onde décrirait l'ensemble « réel » de systèmes quantiques identiques dotés d'autant d'observateurs obtenant chacun des résultats différents. Il ne serait plus besoin de faire appel à la règle de Born pour connaître la probabilité de trouver le chat vivant ou mort, il suffirait de dénombrer les observateurs et leurs observations.
Il n'y aurait plus alors d'incertitude globale. L'incertitude quantique serait alors locale, si l'on peut dire. Elle serait attribuable à l'incapacité de tel observateur individuel à se localiser dans cet ensemble.
Bel avantage, dira-t-on, puisque ce dénombrement serait irréalisable, du fait de l'impossibilité d'accéder aux différents univers du multivers. Mais pour les auteurs, leur proposition a l'avantage de tuer, non le chat, mais l'hypothèse du multivers, qui devient inutile. Le physicien se retrouve dans l'interprétation classique dite de Copenhague, ne postulant qu'un univers mais reposant sur le
principe d'incertitude. Sauf que ce principe d'incertitude ne fait pas appel ce que l'on pourrait appeler le caractère définitivement étrange (
weird) du monde quantique. Le monde quantique serait en ce cas « réel », au sens du réalisme traditionnel, bien que composé d'une infinité d'univers.
Certes pour connaître la probabilité de survenue de tel événement, nous serions comme avant obligé de faire appel aux probabilités, c'est-à-dire à la fonction d'onde et à la règle de Born. Mais beaucoup de physiciens déconcertés par le principe d'incertitude pourraient alors nourrir l'espoir, en s'appuyant sur l'hypothèse que le monde quantique est d'une façon ou d'une autre réel, envisager de nouvelles approches permettant de préciser cette réalité, non seulement en termes de formulations mathématiques, mais pourquoi pas un jour d'expériences sur le terrain. Ainsi pourrait-on espérer pouvoir un jour comprendre la raison du caractère probabiliste du monde quantique, qui reste évidemment encore à découvrir(3).
Les corrélations quantiquesOn ne se trompera pas en pensant que cette première approche ne suffira pas à satisfaire ceux qui voudraient élucider la raison des caractères intrinsèquement bizarres du monde quantique. On trouve une autre piste.dans un article du
NewScientist dont la publication a précédé de quelques jours celle citée ci-dessus(4). Elle est principalement explorée par le physicien Caslav Brukner de l'université de Vienne(5). Ce savant voudrait revenir sur ce qu'il estime être une démission de la physique quantique face à l'effort de mieux comprendre ce que serait une réalité quantique, autrement dit un monde quantique de type réel sous-jacent au nôtre. Pour cela, il propose de retrouver la démarche qui a toujours été celle de la science : observer, élaborer des hypothèses de lois, en déduire des hypothèses de faits et soumettre ces dernières à l'expérimentation.
Mais par où commencer ? Brukner juge inopérant de rejoindre les nombreuses équipes qui dans le cadre de la gravitation quantique s'efforcent, sans succès à ce jour, de concilier gravitation et mécanique quantique. Pour lui, comme pour des chercheurs explorant des pistes voisines, plutôt qu'aborder la question à partir de la gravité comme le font les théoriciens de la théorie des cordes, mieux vaudrait le faire par l'autre extrémité, c'est-à-dire en approfondissant les fondements physiques de la mécanique quantique elle-même. Une relecture critique de la question des corrélations quantiques leur paraît offrir une voie.
On appelle corrélation le fait que deux corps ou événements non connectés puissent disposer d'états similaires, en fonction de ce que permet ou non la théorie s'y appliquant. Dans la physique classique ces corrélations ne peuvent se produire que si d'une part les objets ou événements disposent de propriétés réelles intrinsèques et si, d'autre part, ils partagent la même localité ou, en le disant autrement, si leurs propriétés ne sont pas définies par des influences extérieures. Il s'agit des conditions de réalisme et de localité.
Pour la théorie quantique de la corrélation, ces deux conditions ne sont pas nécessaires. Cette théorie définit dans ses termes propres les conditions selon lesquelles des objets apparemment non corrélés peuvent l'être, comme dans le cas de plus en plus étudié de l'
intrication (
entanglement). Or des chercheurs ont montré que des lois physiques simples non quantiques permettent des corrélations encore plus grandes que celles permises par la corrélation quantique. Le monde qui en résulterait serait très bizarre. Le moindre des gestes entraînerait un grand nombre de conséquences corrélées, si bien que la vie et l'évolution y deviendraient impossibles. Ce serait le cas, cité dans l'article de Webb, d'un monde n'obéissant qu'à une seule règle, celle selon laquelle la
cause et l'
effet ne peuvent se propager plus vite que la lumière (principe de « causalité relativiste »).
Or la physique quantique est loin de permettre des corrélations aussi systématiques. Elle en limite strictement les possibilités. Mais alors se pose la question de savoir pourquoi elle est si restrictive, et quel facteur a déterminé le maximum de degré de corrélation qu'elle admet. En 2001 le physicien Lucien Hardy a proposé un ensemble d'axiomes physiquement plausibles qui devrait suffire à définir la mécanique quantique et elle seule(6). Malheureusement, comme il le reconnaît lui-même, certains de ces axiomes permettent aussi la construction de systèmes mathématiques extérieurs à la théorie quantique.
Mais par la suite, à partir de l'un des axiomes de Hardy, Brukner a développé trois règles décrivant comment, en conformité avec l'expérimentation, la théorie quantique intervient dans le cas du plus simple des systèmes quantiques, à savoir un
qbit qui résulte de la superposition de deux états possibles.
Si les trois règles de Bruckner s'appliquaient uniquement à la théorie quantique, cela permettrait d'éliminer les autres axiomes de Hardy et conduirait au fondement de l'intrication, la plus significative des corrélations permises par la théorie quantique(7).
Que sont les règles de Brukner ?
- La première est qu'un qbit peut passer en continu d'un état de superposition à l'autre. Ceci n'est pas possible dans la physique classique.
- La seconde règle est que l'on ne peut extraire d'un qbit en état de superposition, en le mesurant, qu'un seul bit d'information à la fois.
- La troisième règle ne s'applique qu'à des systèmes composites de deux ou plusieurs qbits. Connaissant les probabilités que les qbits individuels soient dans un état particulier et les probabilités de corrélation entre eux, on obtient l'état du système complet. Ceci enferme les propriétés de l'intrication entre des états quantiques que l'expérience peut faire apparaître dans le monde réel.
La chose serait alors d'une grande importance. L'intrication quantique, et les expériences qui permettent de la mesurer, lesquelles portent dorénavant sur des systèmes de plusieurs atomes, représentent une base indiscutable. Or seule une théorie aussi précisément corrélée que la théorie quantique peut à la fois obéir à tous les axiomes proposés et produire le type d'intrication quantique observable expérimentalement. Des théories moins précisément corrélées ne produisent aucune intrication. Dans d'autres, on peut mesurer tous les états de tous les
qbits d'un système, connaître leurs corrélations et ne pas pouvoir connaître l'état global du système.
Mais pourquoi l'intrication quantique joue-t-elle un tel rôle dans la nature ? La question n'a pas encore de réponse. Pour Brukner, on pourrait envisager que,
sans intrication, la matière ordinaire ne serait pas stable ; Il faudrait dans ce cas poursuivre l'observation des états d'intrication dans des corps de plus en plus proches de ceux de la matière ordinaire. Mais beaucoup de chercheurs ne sont pas convaincus. Ils soupçonnent qu'une règle encore à découvrir devrait permettre d'expliquer plus complètement la « réalité » du monde quantique, aussi bizarre que puisse être cette explication. On pourrait alors espérer trouver par une autre voie la relation entre la mécanique quantique et la gravité(8).
On voit en tous cas que le temps n'est plus où, devant la bizarrerie du monde quantique, la réponse la plus courante des physiciens quantiques aux curieux était « circulez, il n'y a rien à voir ».
Notes (1) Voir sur ce point la discussion avec Michel Gondran "Entretien sur les expériences EPR, interaction d'échange et non-localité".
(2) Anthony Aguirre, Max Tegmark et David Layzer "Born in an Infinite Universe: a Cosmological Interpretation of Quantum Mechanics" http://arxiv.org/abs/1008.1066
(3) Sur ce qui précède, voir un article de Rachel Courland dans le Newscientist du 28 août 2010 dont nous nous sommes inspirés http://www.newscientist.com/article/mg20727753.600-infinite-doppelgangers-may-explain-quantum-probabilities.html?full=true
(4) Voir Richard Webb, "Reality gap"
http://www.newscientist.com/article/mg20727741.300-is-quantum-theory-weird-enough-for-the-real-world.html?full=true
(5)Caslav Brukner : http://homepage.univie.ac.at/caslav.brukner/
(6) Voir Lucien Hardy "Quantum Theory From Five Reasonable Axioms" http://arxiv.org/abs/quant-ph/0101012v4
(7) Voir Borivoje Dakic, Caslav Brukner, "Quantum Theory and Beyond: Is Entanglement Special ? http://arxiv.org/abs/0911.0695
(8) Voir Voir Miguel Navascués, Harald Wunderlich : "A glance beyond the quantum model"
http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/466/2115/881.abstract?sid=ec83aa34-dc51-4c20-a77c-8998fff2c503
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