La mécanique quantique, une théorie d'une précision inégalée développée dans les années 1920, offre une description quantitative d'une vaste gamme de phénomènes naturels, allant de la structure atomique à la supraconductivité. Bien que son utilisation pratique pour prédire les résultats expérimentaux et calculer les valeurs des grandeurs physiques soit incontestée parmi les physiciens, ses fondements suscitent des réflexions philosophiques profondes, touchant à des questions telles que le réalisme et la conscience.
La mécanique quantique et ses paradoxes apparents
Le vocabulaire associé à la théorie quantique, popularisé par de nombreux articles de vulgarisation, est riche en termes énigmatiques : indéterminisme, superposition, dualité onde-corpuscule, chat de Schrödinger, principe d’incertitude, non-localité, intrication, etc. Chacun de ces termes renvoie à un aspect spécifique et souvent contre-intuitif de la mécanique quantique.
Ces difficultés d'interprétation trouvent leur origine fondamentale dans le principe de superposition. En théorie quantique, les états des systèmes physiques sont représentés par des vecteurs dans un espace de Hilbert. Le principe de superposition stipule que toute combinaison linéaire de deux états quantiques possibles représente elle-même un état possible.
Prenons l'exemple de la combinaison linéaire |X⟩ + |Y⟩. Si l'on mesure la position d'un électron dans l'état , on le trouvera soit en X, soit en Y avec une probabilité ½. Si l'on mesure la position d'un électron dont l'état est , on le trouvera en X avec la probabilité 1/3 et en Y avec la probabilité 2/3. Il est faux de dire que l’électron est « à la fois » en X et en Y, qu’il est « tantôt » en X et « tantôt » en Y, qu’il est à mi-chemin entre X et Y, ou qu’il est en toute autre position définie. Cette conclusion s’applique à toutes les grandeurs physiques, comme la vitesse, l’énergie ou le moment cinétique.
Si l’on observe un électron qui se trouve dans l’état |X⟩, on le détectera en X. Si l’on observe un électron qui se trouve dans l’état |Y⟩, on le détectera en Y. Mais alors, où détectera-t-on un électron qui se trouve dans l’état |X⟩ + |Y⟩ ? Cela ne veut pas dire que la moitié des électrons dans cet état sont situés en X et l’autre moitié en Y avant même qu’on les détecte. Les lois quantiques montrent en effet que si c’était le cas, on n’observerait pas les interférences produites dans certaines situations par un état superposé.
Lire aussi: Maraîchage Sans Pesticides
La Mesure Quantique : Un Défi d'Interprétation
La question de la mesure est intrinsèquement liée à celle de la réalité. La physique classique ne pose aucun problème concernant la mesure, mais la physique quantique soulève de grandes difficultés. La plupart des physiciens adhèrent à l'idée que le monde quantique doit être compris de manière objective, sans référence à l'observateur. Nous sommes censés être des observateurs passifs, prenant acte de phénomènes se déroulant dans une réalité extérieure et indépendante.
La théorie quantique énonce deux postulats relatifs à l’évolution d’un système. Le premier est l’équation de Schrödinger, une équation différentielle qui régit la variation de l’état du système au cours du temps. Elle a la particularité d’être linéaire et unitaire, ce qui a pour conséquence qu’elle transforme toute superposition d’états en une autre superposition contenant les mêmes états. Elle ne fera donc jamais passer l’état |X⟩ + |Y⟩ à l’état |X⟩ ou à l’état |Y⟩, lesquels correspondent à des états de position bien déterminée. L’autre moyen fourni par la théorie quantique pour déterminer l’évolution d’un système est le « postulat de réduction du paquet d’ondes ». De plus, le même postulat affirme qu’après la mesure, l’état du système se trouve réduit au vecteur qui correspond à la valeur obtenue. C’est la « réduction (ou effondrement) du paquet d’ondes ».
Une mesure sur un système physique fait bien sûr intervenir un appareil de mesure. Mais les deux moyens mentionnés ci-dessus de déterminer l’évolution du système fournissent des résultats différents, même lorsqu’on applique l’équation de Schrödinger conjointement au système et à l’appareil qui le mesure. Cela ne serait pas problématique si l’on était capable de dire clairement quand on doit utiliser l’équation de Schrödinger et quand on doit utiliser le postulat de réduction du paquet d’ondes. Au premier abord, la réponse paraît simple : on applique le postulat de réduction du paquet d’ondes lorsqu’on effectue une mesure. Or savoir ce qu’est une mesure est la question la plus fondamentale, celle dont la réponse sépare nettement les physiciens en deux camps. Est-ce simplement le fait que la valeur d’une certaine grandeur physique (telle que la vitesse ou la position) soit enregistrée par un appareil indépendamment de tout observateur ? Dans ce cas, l’observateur se contentera de prendre connaissance à un moment ultérieur de la grandeur enregistrée et sera donc un simple témoin passif d’une mesure ; celle-ci ne consiste alors qu’à enregistrer un état de fait préexistant. Mais le formalisme de la théorie quantique ne permet ni de penser que la valeur enregistrée était définie avant son enregistrement par l’appareil de mesure, ni de comprendre comment l’interaction avec cet appareil conduit à une valeur définie.
En effet, le concept de mesure pose problème car le formalisme quantique ne permet pas de concevoir une valeur définie préexistant à la mesure, ni d'expliquer comment l'interaction avec l'appareil de mesure aboutit à une valeur définie. Cette difficulté remet en question l'existence objective de valeurs définies pour les grandeurs physiques en l'absence d'observateur.
Tentatives de Résolution et Interprétations Alternatives
Physiciens et philosophes ont proposé de nombreuses solutions pour résoudre cette question tout en préservant une objectivité stricte.
Lire aussi: Supports proposés pour les stages de voile
L'interprétation de Copenhague, soutenue par Niels Bohr et Werner Heisenberg, établit une distinction entre le monde microscopique (quantique) et le monde macroscopique (non quantique). L'appareil de mesure, étant macroscopique, n'obéirait pas aux lois quantiques, ce qui résout la difficulté.
Dieter Zeh a proposé le mécanisme de décohérence pour expliquer pourquoi un appareil macroscopique ne peut apparaître dans une superposition d'états. Cependant, la décohérence repose sur les limites pratiques de nos observations, et non sur une modification du cadre de la mécanique quantique.
En fait, il paraît logiquement inévitable que, sauf à modifier le cadre de la mécanique quantique usuelle, il soit impossible de définir rigoureusement et de façon strictement objective ce qu’est une mesure. Cela ne devrait pas paraître si choquant. Après tout, la science n’est rien d’autre qu’une description du monde tel qu’ultimement il nous apparaît.
John von Neumann, Eugene Wigner, Fritz London et Edmond Bauer ont suggéré que la conscience de l'observateur est responsable de la réduction du paquet d'ondes, une idée initialement mal accueillie.
Hugh Everett a développé une interprétation alternative éliminant le postulat de réduction du paquet d'ondes, mais aboutissant à une prolifération incontrôlée d'univers parallèles, critiquée par Bernard d'Espagnat.
Lire aussi: Entreprise Radiée : La Voile Bleue
Le Solipsisme Convivial : Une Perspective Originale
Dans le solipsisme convivial, développé par Bernard d'Espagnat, la mesure est la perception d'un état par un observateur, un acte perceptif sans effet physique sur le système. L'état du système reste inchangé après la mesure, sans réduction du paquet d'ondes.
Le solipsisme convivial part de l’idée qu’une mesure est la perception d’un état par un observateur. Une mesure n’est alors pas une action physique, mais un acte perceptif. Elle n’a aucun effet sur l’état du système mesuré : cet état reste le même après la mesure et il n’y a donc aucune réduction du paquet d’ondes. C’est un point commun avec la théorie d’Everett, mais la différence est qu’il n’y est nullement postulé que l’observateur (et le monde qui l’entoure) se scinde en autant de versions de lui-même qu’il y a de résultats possibles.
L'image de la danseuse, que l'on peut voir tourner dans les deux sens, illustre ce concept. L'état de la danseuse est une superposition, mais l'observateur perçoit une rotation dans un sens déterminé, sans que cela modifie l'état réel de l'image.
Dans ce cadre, la perception de chaque observateur n’est pas absolue, mais relative à lui-même. Mais alors, deux observateurs pourraient-ils être en désaccord sur la mesure d’un même système ? Pour un observateur donné, disons Alice, tout autre observateur, par exemple Bernard, doit être considéré comme un système quantique susceptible d’être lui-même dans un état superposé. Une communication entre Alice et Bernard est, pour chacun d’eux, l’équivalent d’une mesure de son interlocuteur. Dans ces conditions (et contrairement à ce qui se passe avec l’image animée de la danseuse), les règles du formalisme quantique garantissent qu’il ne sera jamais possible qu’Alice et Bernard, échangeant sur le résultat qu’ils ont chacun constaté après avoir fait une mesure quelconque, puissent être en désaccord même s’il n’est nullement obligatoire qu’ils aient tous les deux perçu le même résultat. Cela peut paraître étrange, mais c’est l’un des points essentiels du solipsisme convivial, qui amène à renoncer à l’idée que nous pouvons « nous mettre à la place de quelqu’un d’autre pour parler de ses perceptions ». Alice échangeant avec Bernard, c’est-à-dire mesurant Bernard - qui, du point de vue d’Alice, reste dans un état superposé quel que soit le résultat qu’il a trouvé tant qu’elle n’a pas « mesuré » Bernard - entendra toujours celui-ci lui donner un résultat conforme à ce qu’elle a vu elle-même. Cet état de fait, qui justifie l’adjectif « convivial », provient du fait que, selon le mécanisme d’accrochage, un observateur ne…
Le solipsisme convivial suppose qu’un état superposé ne peut être perçu en tant que tel et donne lieu, dans l’esprit de l’observateur, à une représentation correspondant à l’une des composantes de la superposition.
Réflexions Philosophiques et Portée du Réel Voilé
L'ouvrage "Le Réel voilé" de Bernard d'Espagnat explore en profondeur ces questions, remettant en cause le réalisme objectiviste et l'idéalisme au profit d'un réalisme ouvert, distinguant la réalité empirique (pour nous) du Réel voilé (la réalité en soi). L'ouvrage questionne notre capacité à connaître la "réalité" et le rôle de la science dans cette quête.
La réalité empirique peut-elle nous donner un accès, même indirect, à la réalité en soi, ou bien est-elle celle de Kant, une pure construction de nos sens et de notre entendement ? Quid de théories comme celle de 'la mer de Dirac', les cordes, le Big Bang ? La question 30 offre l’occasion de considérations intéressantes sur la façon dont ce qu’il est convenu d’appeler les « littéraires » peuvent avoir des intuitions sensibles sur la réalité en soi, qui se heurtent à la rationalité objectivante des « scientifiques », la philosophie semblant être seule en mesure de penser et maintenir un pont entre ces deux grandes approches de la réalité. On le voit, la dissertation questionnée de Bernard d’Espagnat le conduit à réexposer d’une façon discursive courante ses principales thèses présentées dans le plus copieux et aride TPP (Traité de physique et de philosophie), le rejet du réalisme objectiviste et de l’idéalisme en faveur du réalisme ouvert, la conception de la réalité empirique (pour nous) et du Réel voilé (la réalité en soi).
D'Espagnat suggère que certains individus, grâce à des intuitions discrètes, peuvent entrevoir des aspects de la réalité indépendante, exprimés parfois dans la grande littérature. Il souligne que l'existence d'influences plus rapides que la lumière n'implique pas la possibilité d'envoyer des signaux utilisables à cette vitesse. La non-séparabilité des éléments de la réalité indépendante est un point crucial à considérer. Il remet en question notre capacité à appréhender directement les faits passés et le sens des affirmations portant sur le passé.
Il est donc assez légitime de voir dans lensemble des consciences dune part et lensemble des objets de lautre deux aspects complémentaires de la réalité indépendante. Ce quil faut entendre par là, cest que ni lun ni lautre nexiste en soi mais quils nont dexistence que lun par lautre, un peu comme sengendrent les images de deux miroirs qui se font face.