La mécanique quantique, théorie qui régit le monde microscopique des atomes et des particules, a certainement le facteur X. Contrairement à de nombreux autres domaines de la physique, elle est bizarre et contre-intuitive, ce qui la rend éblouissante et intrigante. Lorsque le prix Nobel de physique 2022 a été décerné à Alain Aspect, John Clauser et Anton Zeilinger pour leurs recherches sur la mécanique quantique, il a suscité enthousiasme et discussions.

Mais les débats sur la mécanique quantique – que ce soit sur les forums de discussion, dans les médias ou dans la science-fiction, peuvent souvent s’embrouiller en raison d’un certain nombre de mythes et d’idées fausses persistants. En voici quatre.

1. Un chat peut être mort et vivant

Erwin Schrödinger n’aurait probablement jamais pu prédire que son expérience de réflexion, le chat de Schrödinger, atteindrait le statut de mème sur Internet au XXIe siècle.

Elle suggère qu’un félin malchanceux coincé dans une boîte dotée d’un interrupteur déclenché par un événement quantique aléatoire – une désintégration radioactive, par exemple – pourrait être vivant et mort en même temps, tant que nous n’ouvrons pas la boîte pour vérifier.

Nous savons depuis longtemps que les particules quantiques peuvent se trouver dans deux états – par exemple à deux endroits – en même temps. Nous appelons cela une superposition.

Les scientifiques ont pu le démontrer dans la célèbre expérience des doubles fentes, où une seule particule quantique, comme un photon ou un électron, peut passer simultanément par deux fentes différentes dans un mur. Comment le savons-nous ?

En physique quantique, l’état de chaque particule est également une onde. Mais lorsque nous envoyons un flux de photons – un par un – à travers les fentes, cela crée un motif de deux ondes qui interfèrent l’une avec l’autre sur un écran situé derrière la fente. Comme chaque photon n’a pas eu d’autres photons avec lesquels interférer lorsqu’il a traversé les fentes, cela signifie qu’il a dû traverser simultanément les deux fentes – en interférant avec lui-même (image ci-dessous).

Lumière de diffraction

Expérience de la double-fente (théorie des ondes de Young)

Cependant, pour que cela fonctionne, les états (ondes) de la superposition de la particule qui traverse les deux fentes doivent être « cohérents« , c’est-à-dire avoir une relation bien définie entre eux.

Ces expériences de superposition peuvent être réalisées avec des objets de taille et de complexité toujours plus grandes. Une expérience célèbre réalisée par Anton Zeilinger en 1999 a démontré la superposition quantique avec de grandes molécules de carbone 60 connues sous le nom de « buckyballs« .

Que cela signifie-t-il pour notre pauvre chat ? Est-il vraiment à la fois vivant et mort tant que nous n’ouvrons pas la boîte ? De toute évidence, un chat n’a rien à voir avec un photon individuel dans un environnement de laboratoire contrôlé, il est beaucoup plus grand et plus complexe. Toute cohérence que les trillions de trillions d’atomes qui composent le chat pourraient avoir entre eux est extrêmement brève.

Cela ne signifie pas que la cohérence quantique est impossible dans les systèmes biologiques, mais simplement qu’elle ne s’applique généralement pas aux grandes créatures comme les chats ou les humains.

2. Des analogies simples peuvent expliquer l’intrication

L’intrication est une propriété quantique qui relie deux particules différentes de sorte que si on en mesure une, on connaît automatiquement et instantanément l’état de l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare.

Les explications courantes de cette propriété font généralement appel à des objets du quotidien de notre monde macroscopique classique, tels que des dés, des cartes ou même des paires de chaussettes de couleur différente. Par exemple, imaginez que vous dites à un ami que vous avez placé une carte bleue dans une enveloppe et une carte orange dans une autre. Si votre ami emporte et ouvre l’une des enveloppes et trouve la carte bleue, il saura que vous avez gardé la carte orange.

Mais pour comprendre la mécanique quantique, il faut imaginer que les deux cartes contenues dans les enveloppes sont dans une superposition conjointe, c’est-à-dire qu’elles soient à la fois orange et bleue (plus précisément orange/bleu et bleu/orange). L’ouverture d’une enveloppe révèle une couleur déterminée au hasard. Mais l’ouverture de la seconde révèle toujours la couleur opposée, car elle est liée de manière « effrayante » à la première carte.

On pourrait forcer les cartes à apparaître dans une autre série de couleurs, ce qui reviendrait à effectuer un autre type de mesure. On pourrait ouvrir une enveloppe en posant la question suivante : « Es-tu une carte verte ou rouge ? ». La réponse serait à nouveau aléatoire : verte ou rouge. Mais surtout, si les cartes étaient intriquées, l’autre carte donnerait toujours le résultat opposé à cette même question.

Albert Einstein a tenté d’expliquer ce phénomène à l’aide de l’intuition classique, en suggérant que les cartes pourraient avoir reçu un ensemble d’instructions internes cachées leur indiquant la couleur à afficher pour une question donnée. Il a également rejeté l’apparente action « effrayante » entre les cartes qui leur permettrait de s’influencer instantanément, ce qui impliquerait une communication plus rapide que la vitesse de la lumière, ce qui est interdit par les théories d’Einstein.

Cependant, l’explication d’Einstein a ensuite été écartée par le théorème de Bell (un test théorique créé par le physicien John Stewart Bell) et les expériences menées par les lauréats du prix Nobel de 2022. L’idée que la mesure d’une carte intriquée modifie l’état de l’autre n’est pas vraie. Les particules quantiques sont juste mystérieusement corrélées d’une manière que nous ne pouvons pas décrire avec la logique ou le langage de tous les jours ; elles ne communiquent pas tout en contenant un code caché, comme le pensait Einstein. En conséquence, vous pouvez oublier les objets du quotidien lorsque vous pensez à l’intrication.

3. La nature est irréelle et « non-locale »

On dit souvent que le théorème de Bell prouve que la nature n’est pas « locale », qu’un objet n’est pas Influencé uniquement directement par son environnement immédiat. Une autre interprétation courante est qu’il implique que les propriétés des objets quantiques ne sont pas « réelles », qu’elles n’existent pas avant la mesure.

Mais le théorème de Bell ne nous permet de dire que la physique quantique signifie que la nature n’est pas à la fois réelle et locale que si nous supposons quelques autres choses en même temps. Ces hypothèses incluent l’idée que les mesures n’ont qu’un seul résultat (et non plusieurs, peut-être dans des mondes parallèles), que la cause et l’effet s’écoulent dans le temps et que nous ne vivons pas dans un « univers mécanique » dans lequel tout est prédéterminé depuis la nuit des temps.

4. Personne ne comprend la mécanique quantique

Une citation classique (attribuée au physicien Richard Feynman, mais sous cette forme paraphrasant également Niels Bohr) postule : « Si vous pensez comprendre la mécanique quantique, vous ne la comprenez pas. »

Cette opinion est largement répandue dans le public. La physique quantique est supposée impossible à comprendre, y compris par les physiciens. Mais en se plaçant au XXIe siècle, la physique quantique n’est ni mathématiquement ni conceptuellement particulièrement difficile pour les scientifiques. Nous la comprenons extrêmement bien, à tel point que nous pouvons prédire les phénomènes quantiques avec une grande précision, simuler des systèmes quantiques très complexes et même commencer à construire des ordinateurs quantiques.

La superposition et l’intrication, lorsqu’elles sont expliquées dans le langage de l’information quantique, ne nécessitent pas plus que des mathématiques de niveau secondaire. Le théorème de Bell ne nécessite pas du tout de physique quantique. Il peut être dérivé en quelques lignes à l’aide de la théorie des probabilités et de l’algèbre linéaire.

La véritable difficulté réside peut-être dans la manière de concilier la physique quantique avec notre réalité intuitive. Le fait de ne pas avoir toutes les réponses ne nous empêchera pas de faire de nouveaux progrès en matière de technologie quantique. Il suffit de nous taire et calculer.

Heureusement pour l’humanité, les lauréats du prix Nobel Aspect, Clauser et Zeilinger ont refusé de se taire et ont continué à demander pourquoi. D’autres, comme eux, pourraient un jour contribuer à réconcilier les bizarreries quantiques avec notre expérience de la réalité.

Malgré le théorème de Bell, la nature pourrait bien être réelle et locale, si l’on permettait de briser certaines autres choses que nous considérons comme relevant du bon sens, comme le temps qui avance. Et la poursuite des recherches permettra, espérons-le, de réduire le grand nombre d’interprétations potentielles de la mécanique quantique. Cependant, la plupart des options sur la table – par exemple, le temps s’écoulant à rebours, ou l’absence de libre arbitre – sont au moins aussi absurdes que l’abandon du concept de réalité locale.

Pour aller plus loin

Texte paru initialement en anglais dans The Conversation, traduit par la Rédaction. La traduction étant protégée par les droits d’auteur, cet article traduit n’est pas libre de droits. Nous autorisons la reproduction avec les crédits appropriés : « Citizen4Science/Science infuse » pour la version française avec un lien vers la présente page.

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La gravité lie nos corps à la planète Terre, mais elle ne définit pas les limites de l’esprit humain en pleine expansion. En novembre 1915 – il y a un siècle – la preuve en a été faite lorsqu’Albert Einstein, dans une série de conférences données à l’Académie des sciences de Prusse, a présenté une théorie qui allait révolutionner notre façon de voir la gravité. et la physique elle-même.

Pendant deux siècles, la théorie de la gravitation universelle de Newton, remarquablement simple et élégante, avait semblé bien expliquer la question. Mais, comme c’est de plus en plus souvent le cas en physique, la simplicité n’est plus de mise.

Le point de départ d’Einstein pour la relativité générale était sa théorie de la relativité restreinte, publiée en 1905. Cette théorie explique comment formuler les lois de la physique en l’absence de gravité. Au centre de ces deux théories se trouve une description de l’espace et du temps différente de celle que le bon sens suggère.

Les théories expliquent comment interpréter le mouvement entre différents endroits qui se déplacent à des vitesses constantes les uns par rapport aux autres, plutôt que par rapport à une sorte d’Éther absolu (comme Newton l’avait supposé). Bien que les lois de la physique soient universelles, différents spectateurs verront le timing des événements différemment en fonction de la vitesse à laquelle ils voyagent. Un événement qui semblerait prendre 1 000 ans vu de la Terre peut sembler ne prendre qu’une seconde pour quelqu’un dans un vaisseau spatial voyageant à grande vitesse.

Au centre des théories d’Einstein se trouve le fait que la vitesse de la lumière est indépendante du mouvement de l’observateur qui mesure cette vitesse. C’est étrange, car le bon sens suggère que si vous êtes assis dans votre voiture le long d’une voie ferrée, un train qui passe vous semblera se déplacer beaucoup plus vite que si vous le suiviez dans la même direction. En revanche, si vous êtes assis et que vous regardez passer un faisceau lumineux, celui-ci se déplacera à la même vitesse, que vous le suiviez ou non, ce qui indique clairement que le bon sens ne fonctionne pas.

L’implication de cette théorie est que nous devons abandonner l’idée qu’il existe un temps universel, et accepter que le temps enregistré par une horloge dépende de sa trajectoire lors de son déplacement dans l’univers. Cela signifie également que le temps passe plus lentement lorsque l’on va vite, ce qui veut dire qu’un jumeau qui part dans l’espace vieillira plus lentement que son frère ou sa sœur restés sur Terre. Ce « paradoxe des jumeaux » peut sembler être une bizarrerie mathématique, mais il a en fait été vérifié expérimentalement en 1971, lors d’une expérience utilisant des horloges atomiques sur des vols commerciaux.

La relativité restreinte ne fonctionne que pour les cadres inertiels qui se déplacent l’un par rapport à l’autre à vitesse constante – elle ne peut pas décrire ce qui se passe s’ils accélèrent. Einstein s’est demandé comment l’étendre pour inclure une telle accélération et tenir compte de la gravité, qui provoque une accélération et qui est, après tout, partout.

Il s’est rendu compte que l’effet de la gravité disparaît si l’on n’essaie pas de la surmonter. Il a imaginé des personnes dans un ascenseur dont le câble s’était rompu en chute libre et a calculé que, puisque les objets flottaient soit immobiles, soit à vitesse constante, les personnes ne ressentaient pas la gravité. Aujourd’hui, nous savons que c’est vrai, car nous l’avons constaté nous-mêmes chez des personnes dans la station spatiale internationale. Dans les deux cas, aucune force ne s’oppose à l’effet de la gravité et les personnes ne ressentent aucune gravité.

Einstein s’est également rendu compte que l’effet de la gravité est le même que l’effet de l’accélération ; rouler à grande vitesse nous pousse vers l’arrière, comme si la gravité nous tirait. Ces deux indices ont conduit Einstein à la relativité générale. Alors que Newton considérait la gravité comme une force se propageant entre les corps, Einstein l’a décrite comme une pseudo-force ressentie parce que l’ensemble du tissu entrelacé de l’espace et du temps se plie autour d’un objet massif.

Einstein lui-même avait déclaré que son chemin était loin d’être facile. Il écrivit : « De toute ma vie, je n’ai jamais travaillé aussi dur, et je me suis imprégné d’un grand respect pour les mathématiques, dont la partie la plus subtile était jusqu’à présent considérée comme un pur luxe par mon esprit simple ».

Les preuves

Dès qu’Einstein a découvert la relativité générale, il a réalisé qu’elle expliquait l’incapacité de la théorie de Newton à rendre compte de l’orbite de Mercure. L’orbite n’est pas tout à fait circulaire, ce qui signifie qu’il existe un point où la planète est la plus proche du soleil. La théorie de Newton prédit que ce point est fixe, mais l’observation montre qu’il tourne lentement autour du soleil et Einstein a découvert que la relativité générale décrit correctement cette rotation.

« J’étais fou de joie et d’enthousiasme », écrivait-il quelques mois plus tard. Depuis lors, la relativité générale a passé avec brio de nombreux tests d’observation.

Vous utilisez la relativité générale chaque fois que vous faites appel au système GPS pour connaître votre position sur la surface de la Terre. Ce système émet des signaux radio en provenance de 24 satellites et le récepteur GPS de votre téléphone ou de votre voiture analyse trois de ces signaux ou plus pour déterminer votre position en utilisant la relativité générale. Si vous aviez utilisé la théorie de Newton, le système GPS aurait donné une position erronée.

Mais si la relativité générale fonctionne bien pour décrire le monde physique à grande échelle, la mécanique quantique s’est imposée comme la théorie la plus aboutie pour les particules minuscules telles que celles qui composent un atome. Tout comme les théories de la relativité, la mécanique quantique est contre intuitive. Il reste à voir s’il est possible d’unir les deux, mais il est peu probable que cela réintroduise du bon sens dans la physique.

Pour aller plus loin

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On prétend souvent que les Grecs anciens ont été les premiers à identifier des objets qui n’ont aucune taille, mais qui sont pourtant capables de construire le monde qui nous entoure grâce à leurs interactions. Et comme nous sommes capables d’observer le monde dans des détails de plus en plus petits grâce à des microscopes de plus en plus puissants, il est naturel de se demander de quoi sont faits ces objets.

Nous pensons avoir trouvé certains de ces objets : les particules subatomiques, ou particules fondamentales, qui, n’ayant aucune taille, ne peuvent avoir aucune sous-structure. Nous cherchons maintenant à expliquer les propriétés de ces particules et travaillons à montrer comment elles peuvent être utilisées pour expliquer le contenu de l’univers.

Il existe deux types de particules fondamentales : les particules de matière, dont certaines se combinent pour produire le monde qui nous entoure, et les particules de force – dont l’une, le photon, est responsable du rayonnement électromagnétique. Ces dernières sont classées dans le modèle standard de la physique des particules, qui théorise la manière dont les éléments de base de la matière interagissent, sous l’effet des forces fondamentales. Les particules de matière sont des fermions tandis que les particules de force sont des bosons.

Particules de matière : quarks et leptons

Les particules de matière sont divisées en deux groupes : les quarks et les leptons – il y en a six, chacun ayant un partenaire correspondant.

Les leptons sont divisés en trois paires. Chaque paire comprend une particule élémentaire chargée et une particule sans charge, beaucoup plus légère et extrêmement difficile à détecter. La plus légère de ces paires est l’électron et l’électron-neutrino.

L’électron chargé est responsable des courants électriques. Son partenaire non chargé, appelé électron-neutrino, est produit en abondance dans le soleil. Ces derniers interagissent si faiblement avec leur environnement qu’ils traversent sans encombre la Terre. Un million d’entre eux traversent chaque centimètre carré de votre corps chaque seconde, jour et nuit.

Les électrons-neutrinos sont produits en nombre inimaginable lors des explosions de supernovae et ce sont ces particules qui dispersent dans l’univers les éléments produits par la combustion nucléaire. Ces éléments comprennent le carbone dont nous sommes faits, l’oxygène que nous respirons et presque tout ce qui existe sur terre. Par conséquent, malgré la réticence des neutrinos à interagir avec d’autres particules fondamentales, ils sont indispensables à notre existence. Les deux autres paires de neutrinos (appelées muon et neutrino muon, tau et neutrino tau) semblent n’être que des versions plus lourdes de l’électron.

Comme la matière normale ne contient pas ces particules, il peut sembler qu’elles constituent une complication inutile. Cependant, au cours de la première à la dixième seconde de l’univers qui a suivi le Big Bang, elles ont joué un rôle crucial dans l’établissement de la structure de l’univers dans lequel nous vivons – connu sous le nom d’époque des leptons.

Les six quarks sont également répartis en trois paires aux noms fantaisistes : Les six quarks sont également répartis en trois paires aux noms fantaisistes : « up » et « down », « charmé » et « étrange », et « top » et « bottom » (précédemment appelés « vérité » et « beauté », mais malheureusement modifiés). Les quarks up et down s’assemblent pour former les protons et les neutrons qui se trouvent au cœur de chaque atome. Encore une fois, seule la paire de quarks la plus légère se trouve dans la matière normale, les paires charmé/étrange et up/bottom semblent ne jouer aucun rôle dans l’univers tel qu’il existe actuellement, mais, comme les leptons plus lourds, ils ont joué un rôle dans les premiers instants de l’univers et ont contribué à en créer un qui se prête à notre existence.

Particules de force

Il existe six particules de force dans le modèle standard, qui créent les interactions entre les particules de matière. Elles sont divisées en quatre forces fondamentales : les forces gravitationnelle, électromagnétique, forte et faible.

Le photon est une particule de lumière et est responsable des champs électriques et magnétiques, créés par l’échange de photons d’un objet chargé à un autre.

Le gluon produit la force responsable de la cohésion des quarks pour former les protons et les neutrons, et de la cohésion de ces protons et neutrons pour former des noyaux plus lourds.

Trois particules appelées « W plus », « W moins » et « Z zéro » – appelées bosons vecteurs intermédiaires – sont responsables du processus de désintégration radioactive et des processus dans le soleil qui le font briller. Une sixième particule de force, le graviton, est censée être responsable de la gravitation, mais n’a pas encore été observée.

Anti-matière : la réalité de la science-fiction

Nous connaissons également l’existence de l’antimatière. Il s’agit d’un concept très apprécié des auteurs de science-fiction, mais il existe réellement. Les particules d’antimatière ont été fréquemment observées. Par exemple, le positron (l’antiparticule de l’électron) est utilisé en médecine pour cartographier nos organes internes grâce à la tomographie par émission de positrons (TEP). Il est bien connu que lorsqu’une particule rencontre son antiparticule, elles s’annihilent toutes les deux et une explosion d’énergie est produite. Un scanner TEP est utilisé pour détecter ce phénomène.

Chacune des particules de matière ci-dessus a une particule partenaire qui a la même masse, mais une charge électrique opposée. Nous pouvons donc doubler le nombre de particules de matière (six quarks et six leptons) pour arriver à un nombre final de 24.

Nous attribuons aux quarks de matière la valeur +1 et aux quarks d’anti-matière la valeur -1. Si nous additionnons le nombre de quarks de matière et le nombre de quarks d’anti-matière, nous obtenons le nombre net de quarks dans l’univers, qui ne varie jamais. Si nous disposons de suffisamment d’énergie, nous pouvons créer n’importe quel quark de matière, à condition de créer en même temps un quark d’anti-matière. Dans les premiers instants de l’univers, ces particules étaient créées en permanence. Aujourd’hui, elles ne sont créées que lors des collisions des rayons cosmiques avec l’atmosphère des planètes et des étoiles.

Le fameux boson de Higgs

Il existe une dernière particule qui complète l’appel des particules dans ce que l’on appelle le modèle standard de la physique des particules décrit jusqu’à présent. Il s’agit du boson de Higgs, prédit par Peter Higgs il y a 50 ans, et dont la découverte au CERN en 2012 a valu un prix Nobel à Higgs et François Englert.

Le boson de Higgs est une particule étrange : c’est la deuxième plus lourde des particules du modèle standard et elle résiste à une explication simple. On dit souvent qu’il est à l’origine de la masse, ce qui est vrai, mais trompeur. Elle donne de la masse aux quarks, et les quarks constituent les protons et les neutrons, mais seuls 2 % de la masse des protons et des neutrons sont fournis par les quarks, le reste provenant de l’énergie des gluons.

À ce stade, nous avons comptabilisé toutes les particules requises par le modèle standard : six particules de force, 24 particules de matière et une particule de Higgs – soit un total de 31 particules fondamentales. Malgré ce que nous savons d’elles, leurs propriétés n’ont pas été suffisamment bien mesurées pour nous permettre d’affirmer définitivement que ces particules sont tout ce qui est nécessaire pour construire l’univers que nous voyons autour de nous, et nous n’avons certainement pas toutes les réponses. Le prochain passage du Grand collisionneur de hadrons nous permettra d’affiner nos mesures de certaines de ces propriétés – mais il y a autre chose.

Cependant la théorie est toujours erronée

La belle théorie, le modèle standard, a été testée et re-testée pendant deux décennies et plus ; et nous n’avons pas encore fait une mesure qui soit en contradiction avec nos prédictions. Mais nous savons que le modèle standard doit être faux. Lorsque nous faisons entrer en collision deux particules fondamentales, un certain nombre de résultats sont possibles. Notre théorie nous permet de calculer la probabilité qu’un résultat particulier se produise, mais aux énergies au-delà de celles que nous avons atteintes jusqu’à présent, elle prédit que certains de ces résultats se produisent avec une probabilité supérieure à 100 % – ce qui est clairement un non-sens.

Les physiciens théoriques ont déployé beaucoup d’efforts pour essayer de construire une théorie qui donne des réponses sensées à toutes les énergies, tout en donnant la même réponse que le modèle standard dans toutes les circonstances dans lesquelles le modèle standard a été testé.

La modification la plus courante implique qu’il existe des particules très lourdes non découvertes. Le fait qu’elles soient lourdes signifie que beaucoup d’énergie sera nécessaire pour les produire. Les propriétés de ces particules supplémentaires peuvent être choisies pour s’assurer que la théorie qui en résulte donne des réponses sensées à toutes les énergies, mais elles n’ont aucun effet sur les mesures qui concordent si bien avec le modèle standard.

Le nombre de ces particules non découvertes et encore invisibles dépend de la théorie à laquelle on choisit de croire. La catégorie la plus populaire de ces théories est celle des théories supersymétriques, qui impliquent que toutes les particules que nous avons vues ont une contrepartie beaucoup plus lourde. Cependant, si elles sont trop lourdes, des problèmes apparaîtront aux énergies que nous pouvons produire avant de trouver ces particules. Mais les énergies qui seront atteintes lors du prochain passage du LHC sont suffisamment élevées pour que l’absence de nouvelles particules porte un coup à toutes les théories supersymétriques.

Texte paru initialement en anglais dans The Conversation, traduit par la Rédaction. La traduction étant protégée par les droits d’auteur, ce article traduit n’est pas libre de droits. Nous autorisons la reproduction avec les crédits appropriés : « Citizen4Science/Science infuse » pour la version française avec un lien vers la présente page.

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