Le physicien français Michel Henri Devoret, figure emblématique de la physique quantique expérimentale, partage le prix Nobel de physique 2025 avec John Clarke et John M. Martinis pour leurs découvertes pionnières sur l’effet tunnel quantique macroscopique et la quantification de l’énergie dans les circuits électriques. Ces travaux, initiés en partie au CEA de Saclay, ont ouvert la voie aux ordinateurs quantiques et aux technologies du futur, prolongeant l’héritage d’Alain Aspect, Nobel 2022 pour l’intrication quantique. Une consécration pour la recherche française dans un domaine qui défie les lois de la réalité.

Des origines françaises à l’appel de l’inconnu : le parcours de Michel Devoret

Michel H. Devoret, né en 1953 à Paris, incarne le parcours d’un chercheur passionné par les mystères de l’infiniment petit, devenu un pont entre la théorie quantique et les applications concrètes. Diplômé de l’École nationale supérieure des télécommunications de Paris en 1975, il s’oriente rapidement vers la physique de la matière condensée, un domaine où les propriétés des matériaux à l’échelle atomique révèlent des comportements inattendus. Il intègre le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) à Saclay, près de Paris, pour une thèse d’État sous la direction d’Anatole Abragam, une sommité en résonance magnétique nucléaire. Ces années formatrices au cœur du laboratoire de l’Orme des Merisiers forgent son approche expérimentale rigoureuse, où la manipulation précise des phénomènes physiques prime sur les spéculations théoriques.

En 1982, fraîchement docteurs de l’université Paris-Sud (aujourd’hui Paris-Saclay), Devoret franchit l’Atlantique pour un post-doctorat à l’université de Californie à Berkeley. Ce séjour marque un tournant décisif. Aux États-Unis, il rejoint l’équipe de John Clarke, un Britannique émérite en physique des supraconducteurs, et rencontre John M. Martinis, un doctorant prometteur. Ensemble, ils se lancent dans des expériences audacieuses pour tester les limites de la mécanique quantique, cette théorie qui régit le monde subatomique avec des règles contre-intuitives comme la superposition d’états ou l’intrication. À Berkeley, Devoret affine ses compétences en cryogénie et en microfabrication, des techniques essentielles pour refroidir les systèmes à des températures proches du zéro absolu et observer des effets quantiques purs. Ces années d’exil volontaire ne sont pas un abandon de la France, mais une incubation : Devoret rentre en 1984, armé d’idées novatrices, pour les implanter sur le sol natal.

De retour au CEA-Saclay, il fonde avec Daniel Estève et Cristian Urbina le groupe Quantronique, un laboratoire pionnier dédié à la physique des circuits supraconducteurs. Ce nom, « quantronique », fusionne « quantique » et « électronique », reflétant l’ambition de Devoret : marier les lois de la physique quantique aux circuits électriques traditionnels. Saclay devient alors un foyer d’innovation, où des ingénieurs et physiciens explorent comment des milliards d’électrons peuvent se comporter comme une entité unique, guidée par des principes probabilistes. Ces travaux ne sont pas isolés ; ils s’inscrivent dans une tradition française de recherche fondamentale, soutenue par des institutions comme le CEA et le CNRS, qui favorisent les échanges internationaux. Devoret, enseignant charismatique, occupe plus tard la chaire de physique mésoscopique au Collège de France de 2007 à 2012, formant une génération de chercheurs à penser l’échelle intermédiaire entre le microscopique et le macroscopique.

Aujourd’hui, à 72 ans, Devoret est professeur émérite de physique appliquée à l’université Yale, où il dirige le laboratoire de nanofabrication, et Chief Scientist chez Google Quantum AI. Son parcours illustre la mobilité des talents scientifiques : de Saclay à Berkeley, puis Yale, il tisse un réseau mondial qui accélère les avancées. Mais c’est bien l’empreinte française qui domine, comme le souligne le ministère de l’Enseignement supérieur et de la Recherche, saluant en lui le 18e lauréat français du Nobel de physique depuis 1901, et le septième depuis 2007. Cette reconnaissance n’efface pas les racines : les expériences Nobel ont été initiées dans un contexte franco-américain, avec Saclay comme plaque tournante.

Mécanique quantique : un monde étrange où les règles changent d’échelle

Pour comprendre l’exploit de Devoret, il faut plonger dans les fondements de la mécanique quantique, théorie née au début du XXe siècle pour expliquer les comportements des atomes et des particules. Contrairement à la physique classique de Newton, où une balle suit une trajectoire prévisible, le quantique est probabiliste : une particule peut être ici et là à la fois, en superposition, jusqu’à ce qu’on l’observe. Parmi ses phénomènes les plus bizarres figure l’effet tunnel : imaginons une balle de tennis face à un mur. Classiquement, elle rebondit. Quantiquement, elle a une chance infime de « traverser » le mur sans l’escalader, comme si elle empruntait un tunnel invisible. Ce n’est pas de la magie, mais une conséquence de la dualité onde-particule : les objets quantiques se comportent comme des vagues qui s’étalent et interfèrent.

Longtemps, ces effets étaient confinés à l’échelle microscopique – électrons, photons, atomes. Erwin Schrödinger, en 1935, illustra l’absurdité potentielle avec son fameux chat : un animal à la fois mort et vivant tant qu’on n’ouvre pas la boîte. Le physicien Anthony Leggett, Nobel 2003, osa parier que des objets macroscopiques, composés de milliards de particules, pourraient aussi exhiber ces propriétés, contredisant l’idée d’une « décohérence » rapide à grande échelle. La question brûlait : quelle est la taille maximale d’un système quantique observable ? Les lauréats 2025 ont répondu en construisant des expériences à l’échelle d’une puce électronique, un objet tangible qu’on peut tenir en main.

Leur innovation repose sur les supraconducteurs, des matériaux qui, refroidis à -273°C, conduisent l’électricité sans résistance, via des paires d’électrons corrélées (paires de Cooper). En insérant une jonction de Josephson, une barrière isolante mince entre deux supraconducteurs, ils créent un circuit où le courant oscille comme une particule quantique collective. En 1984-1985, à Berkeley puis Saclay, Devoret, Clarke et Martinis mesurent ces oscillations : le courant « tunnelise » macroscopiquement, passant d’un état à un autre sans énergie classique suffisante. Ils quantifient aussi l’énergie en niveaux discrets, comme dans un atome. Ces résultats, publiés dans Nature, prouvent que la quantique n’est pas l’apanage des solitaires atomiques ; elle émerge à l’échelle électrique, repoussant les frontières de la physique.

Cette découverte n’est pas théorique : elle est concrète, mesurée avec des instruments de précision comme des SQUIDs (dispositifs supraconducteurs quantiques d’interférence). Elle valide les prédictions de Leggett et ouvre un champ expérimental. À Saclay, Devoret étend ces idées, manipulant des états quantiques dans des circuits pour stocker et lire de l’information, les premiers pas vers le qubit, l’unité de base de l’informatique quantique. Sans invention gratuite, ces avancées s’appuient sur des décennies de progrès en cryogénie et nanofabrication, rendant la quantique accessible en laboratoire.

Un rappel éloquent : le Nobel 2022 d’Alain Aspect et ses échos avec Michel Devoret

Le prix Nobel de physique 2022 à Alain Aspect, partagé avec John F. Clauser et Anton Zeilinger, reste frais dans les mémoires comme une célébration de l’intrication quantique, ce « fantôme action à distance » décrit par Einstein comme « spooky ». Aspect, physicien français du CNRS et de l’Institut d’Optique Graduate School, a réalisé en 1982 des expériences pionnières à Orsay démontrant que deux particules intriquées conservent une corrélation instantanée, indépendamment de la distance, violant les inégalités de Bell et fermant les failles des théories locales réalistes. Ces travaux, salués par le comité Nobel pour leurs implications en cryptographie et téléportation quantique, ont posé les bases théoriques d’une information quantique sécurisée et distribuée.

Le lien avec Michel Devoret est à la fois thématique et institutionnel, bien que leurs approches diffèrent. Tous deux ancrés dans la physique quantique expérimentale française, ils illustrent une chaîne d’avancées : l’intrication d’Aspect traite de corrélations non locales entre particules individuelles, tandis que les circuits de Devoret réalisent une intrication macroscopique, où des degrés de liberté collectifs (courants électriques) s’entremêlent. À Saclay et Orsay, proches géographiquement, les communautés échangent : Devoret, comme Aspect, bénéficie du vivier du CEA et du CNRS. Le Nobel 2022 a boosté la visibilité française en quantique ; celui de 2025 la consolide, avec Devoret prolongeant l’intrication vers des systèmes hybrides électroniques. Comme le note un article dédié sur citizen4science.org, ces prix soulignent comment les travaux d’Aspect sur les photons intriqués inspirent les qubits supraconducteurs de Devoret, reliant théorie fondamentale et ingénierie appliquée dans une « continuité française » qui propulse l’Europe en leader quantique. Ensemble, ils montrent que la quantique n’est plus univoque : d’Aspect à Devoret, elle passe de l’abstrait au tangible.

Les expériences décisives : du tunnel quantique à la puce du futur

Les expériences Nobel de 1984-1985 forment le cœur de la récompense. À Berkeley, Clarke supervise : Michel Devoret, post-doc, et Martinis, thésard, assemblent un circuit supraconducteur avec jonction de Josephson. Refroidi à 20 millikelvins, il révèle l’effet tunnel : le courant persiste au-delà des prédictions classiques, comme si les électrons collectifs traversaient une barrière énergétique. Une mesure clé : la quantification de l’énergie en paliers discrets, observée via des spectres d’oscillation, confirme que le circuit vibre comme un atome géant.

De retour à Saclay, Michel Devoret raffine : avec Estève, il démontre la manipulation d’états superposés dans ces circuits, lisant l’information sans la détruire – un jalon pour la mesure quantique non démolitive. Ces setups, miniaturisés sur puce, intègrent des milliards d’atomes mais se comportent quantiquement, défiant Schrödinger. Le comité Nobel insiste : ces phénomènes, autrefois impensables à l’échelle macro, sont maintenant « concerts » en laboratoire, avec des applications immédiates comme les SQUIDs pour détecter des champs magnétiques terrestres avec une sensibilité inégalée.

À Yale, Michel Devoret étend : ses qubits supraconducteurs, stabilisés contre la décohérence, capturent des sauts quantiques « en vol » (Nature, 2019), une prouesse pour corriger les erreurs en calcul quantique. Chez Google Quantum AI, ces idées alimentent Sycamore, le processeur qui a démontré la suprématie quantique en 2019. Sans ces bases, pas de percée.

Implications et héritage : vers une ère quantique quotidienne

Les découvertes de Michel Devoret transforment la technologie. Les qubits supraconducteurs, nés de ses circuits, propulsent les ordinateurs quantiques : Google, IBM, et la française Alice & Bob (basée sur ses travaux) visent des machines résolvant en secondes des problèmes insolubles classiquement, comme l’optimisation chimique ou la cybersécurité. La cryptographie quantique, inspirée d’Aspect, s’hybride avec ces capteurs pour des réseaux inviolables. Les détecteurs magnétiques issus des SQUIDs cartographient le cerveau ou explorent la Terre.

En France, l’héritage rayonne : Saclay forme des startups, et le plan Quantique national, dopé par ces Nobels, investit milliards. Devoret, membre de l’Académie des sciences, inspire : « La quantique est pour demain », dit-il, évoquant des simulations climatiques ou médicales révolutionnaires. Ce Nobel, partagé à 11 millions de couronnes suédoises, honore non un génie solitaire, mais une collaboration transatlantique ancrée à Saclay. Il rappelle que la science progresse par ponts : d’Aain Aspect à Michel Devoret, la quantique française illumine le monde, promettant un futur où l’étrange devient utile.

Illustration d’en-tête : Michel Devoret (1977). Source : Wikipédia

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Grâce aux technologies d’intelligence artificielle, les ordinateurs peuvent aujourd’hui engager des conversations convaincantes avec des personnes, composer des chansons, peindre des tableaux, jouer aux échecs et au go, et diagnostiquer des maladies, pour ne citer que quelques exemples de leurs prouesses technologiques.

Ces succès pourraient être considérés comme une indication que le calcul n’a pas de limites. Pour voir si c’est le cas, il est important de comprendre ce qui rend un ordinateur puissant.

La puissance d’un ordinateur comporte deux aspects : le nombre d’opérations que son matériel peut exécuter par seconde et l’efficacité des algorithmes qu’il exécute. La vitesse du matériel est limitée par les lois de la physique. Les algorithmes – essentiellement des ensembles d’instructions – sont écrits par des humains et traduits en une séquence d’opérations que le matériel informatique peut exécuter. Même si la vitesse d’un ordinateur pouvait atteindre la limite physique, des obstacles informatiques subsistent en raison des limites des algorithmes.

Ces obstacles comprennent des problèmes impossibles à résoudre par les ordinateurs et des problèmes théoriquement solubles mais qui, en pratique, dépassent les capacités des ordinateurs actuels, et même les plus puissants que l’on puisse imaginer. Les mathématiciens et les informaticiens tentent de déterminer si un problème est soluble en l’essayant sur une machine imaginaire.

Machine informatique imaginaire

La notion moderne d’algorithme, connue sous le nom de machine de Turing, a été formulée en 1936 par le mathématicien britannique Alan Turing. Il s’agit d’un dispositif imaginaire qui imite la façon dont les calculs arithmétiques sont effectués avec un crayon sur du papier. La machine de Turing est le modèle sur lequel tous les ordinateurs actuels sont basés.

Pour permettre des calculs qui nécessiteraient plus de papier s’ils étaient effectués manuellement, la réserve de papier imaginaire dans une machine de Turing est supposée être illimitée. Cela équivaut à un ruban imaginaire illimité, ou « ruban », de carrés, dont chacun est soit vierge, soit contient un symbole.

La machine est contrôlée par un ensemble fini de règles et démarre sur une séquence initiale de symboles sur le ruban. Les opérations que la machine peut effectuer sont le déplacement vers une case voisine, l’effacement d’un symbole et l’écriture d’un symbole sur une case vide. La machine calcule en effectuant une séquence de ces opérations. Lorsque la machine termine, ou « s’arrête », les symboles restant sur la bande constituent la sortie ou le résultat.

L’informatique concerne souvent des décisions dont la réponse est oui ou non. Par analogie, une analyse médical (type de problème) vérifie si l’échantillon d’un patient (une instance du problème) présente un certain indicateur de maladie (réponse par oui ou par non). L’instance, représentée dans une machine de Turing sous forme numérique est la séquence initiale de symboles.

Un problème est considéré comme « soluble » si l’on peut concevoir une machine de Turing qui s’arrête pour chaque instance, qu’elle soit positive ou négative, et qui détermine correctement la réponse que l’instance donne.

Tous les problèmes ne peuvent pas être résolus

De nombreux problèmes sont solubles à l’aide d’une machine de Turing et peuvent donc être résolus sur un ordinateur, tandis que beaucoup d’autres ne le sont pas. Par exemple, le problème des dominos, une variante du problème des tuiles formulé par le mathématicien américain d’origine chinoise Hao Wang en 1961, n’est pas soluble.

La tâche consiste à utiliser un ensemble de dominos pour couvrir une grille entière et, selon les règles de la plupart des jeux de dominos, à faire correspondre le nombre de points sur les extrémités des dominos adjacents. Il s’avère qu’il n’existe aucun algorithme capable de partir d’un ensemble de dominos et de déterminer si cet ensemble couvrira complètement la grille ou non.

Rester raisonnable

Un certain nombre de problèmes solubles peuvent être résolus par des algorithmes qui s’arrêtent en un temps raisonnable. Ces « algorithmes en temps polynomial » sont des algorithmes efficaces, ce qui signifie qu’il est pratique d’utiliser des ordinateurs pour résoudre leurs instances.

Des milliers d’autres problèmes solubles ne sont pas connus pour avoir des algorithmes en temps polynomial, malgré des efforts intensifs pour trouver de tels algorithmes. Parmi ces problèmes figure le problème du voyageur de commerce.

Le problème du représentant de commerce consiste à savoir si un ensemble de points dont certains sont directement reliés, appelé graphe, possède un chemin qui part de n’importe quel point, passe par tous les autres points exactement une fois et revient au point d’origine. Imaginons qu’un vendeur veuille trouver un itinéraire qui passe par tous les foyers d’un quartier exactement une fois et revient au point de départ.

Ces problèmes, appelés NP-complets [ou problème NPC = problème complet pour la classe NP de déterminisme Non Polynomial, ndlr], ont été formulés indépendamment et leur existence a été démontrée au début des années 1970 par deux informaticiens, le Canadien américain Stephen Cook et l’Américain ukrainien Leonid Levin. Stephen Cook, dont les travaux sont arrivés en premier, s’est vu décerner le prix Turing 1982, le plus élevé en informatique, pour ces travaux.

Le coût de savoir exactement

Les algorithmes les plus connus pour les problèmes NP-complets consistent essentiellement à rechercher une solution parmi toutes les réponses possibles. Le problème du voyageur de commerce sur un graphe de quelques centaines de points prendrait des années à exécuter sur un superordinateur. De tels algorithmes sont inefficaces, ce qui signifie qu’il n’existe aucun raccourci mathématique.

Les algorithmes pratiques qui traitent ces problèmes dans le monde réel ne peuvent offrir que des approximations, bien que ces approximations s’améliorent. L’existence d’algorithmes efficaces en temps polynomial capables de résoudre des problèmes NP-complets figure parmi les sept problèmes ouverts du millénaire affichés par le Clay Mathematics Institute au début du 21e siècle, chacun étant assorti d’un prix d’un million de dollars américains.

Au-delà de Turing

Existe-t-il une nouvelle forme de calcul dépassant le cadre de Turing ? En 1982, le physicien américain Richard Feynman, lauréat du prix Nobel {avec notamment Alain Expert, ndlr], a avancé l’idée d’une informatique basée sur la mécanique quantique.

En 1995, Peter Shor, un mathématicien appliqué américain, a présenté un algorithme quantique permettant de factoriser des entiers en temps polynomial. Les mathématiciens estiment que cette question est insoluble par les algorithmes en temps polynomial dans le cadre de Turing. La factorisation d’un nombre entier consiste à trouver un plus petit nombre entier supérieur à 1 qui peut diviser le nombre entier. Par exemple, le nombre entier 688 826 081 est divisible par un plus petit nombre entier 25 253, car 688 826 081 = 25 253 x 27 277.

Un algorithme majeur, l’algorithme RSA, largement utilisé pour sécuriser les communications en réseau, est basé sur la difficulté de factorisation des grands nombres entiers. Le résultat de Peter Shor suggère que l’informatique quantique, si elle devient une réalité, changera le paysage de la cybersécurité.

Est-il possible de construire un ordinateur quantique à part entière pour factoriser des entiers et résoudre d’autres problèmes ? Certains scientifiques pensent que c’est possible. Plusieurs groupes de scientifiques dans le monde travaillent à la construction d’un tel ordinateur, et certains ont déjà construit des ordinateurs quantiques à petite échelle.

Néanmoins, comme toutes les nouvelles technologies inventées auparavant, il est presque certain que le calcul quantique posera des problèmes qui imposeront de nouvelles limites.

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 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

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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Le dernier prix Goncourt, Vivre vite, de Brigitte Giraud, consacre l’actualité de la notion d’uchronie en littérature. En une série de courts chapitres précédés de la mention « Si ? » – « Si je n’avais pas voulu vendre l’appartement ? » « Si mon grand-père ne s’était pas suicidé ? » « Si je n’avais pas visité cette maison ? », « Si je n’avais pas téléphoné à ma mère ? », son récit revient sur les circonstances de la mort de l’homme qu’elle aimait, tué le 22 juin 1999 dans un accident de moto. Si, si… En rendant le procédé systématique, l’autrice toujours endeuillée s’offre, sans en être tout à fait dupe, la consolation de la fiction. Celle-ci revêt l’apparence d’une réalité alternative, ou contrefactuelle : dans un monde parallèle au nôtre, son « Claude » n’aurait pas trouvé la mort.

Quid de l’uchronie, donc ? On ne connaît peut-être pas le mot, mixte barbare de chronos, pour le temps, et d’ou, préfixe négatif, le tout désignant un non-temps, de la même façon que l’utopie renvoie, elle, à un non-espace. Mais la chose nous est familière. En témoignent deux exemples empruntés à la culture pop. Au cinéma, Back to the Future/Retour vers le futur (1985), de Robert Zemeckis, fait œuvre de pionnier. Dans les années 80, Marty Mcfly, adolescent désoeuvré, fait la connaissance du docteur Emmett Brown, l’inventeur d’une drôle de machine à remonter le temps. À la suite de diverses péripéties, le garçon revient à l’époque où ses (futurs) parents allaient se connaître, en novembre 1955, soit trente ans plus tôt. On assiste à ses tentatives maladroites de changer le cours des choses, avant de le voir opérer un « retour vers le futur », toujours plus problématique à mesure que la trilogie se déploiera.

De prime abord, le titre du juke-box musical & Juliet (2019), semble, lui, concrétiser le triomphe de la cancel culture. Roméo est évincé du couple mythique formé par les amants de Vérone, au profit de la seule Juliette. Shakespeare s’est rangé aux arguments de son épouse, la féministe Anne Hathaway. Sur scène, la tragédie va bifurquer du côté de la comédie au moment où l’héroïne ne s’ôte pas la vie dans la crypte. Elle devient une jeune femme émancipée, Roméo finit par revenir d’entre les morts, et le couple de chanter à gorge déployée sur des airs de Jon Bon Jovi, Britney Spears, Céline Dion, Katie Perry, etc.

« Les possibles du passé »

L’uchronie est au passé ce que la science-fiction est à l’avenir : la seconde anticipe, là où la première se met en quête de ce qu’on appellera, à la suite de Pierre Bayard, les « possibles du passé ». Avec son dernier ouvrage, Et si les Beatles n’étaient pas nés ? (2022), le critique prend un malin plaisir à se faire contrefactuel. Sans les Scarabées de Liverpool, les Kinks auraient pris toute la lumière ; en l’absence de Proust, toute une génération d’écrivains, dont Anatole France était la figure de proue, se serait durablement imposée, et l’histoire littéraire aurait aujourd’hui un autre visage. Idem pour Marx, Freud et Kafka.

Fidèle à sa démarche éprise de « paradoxes critiques », Bayard joue les provocateurs : « On n’arrête pas d’encenser les chefs-d’œuvre sans prendre la mesure des dégâts qu’ils provoquent ». Et de prendre la défense d’œuvres injustement évincées du système de valeurs dominant, en rêvant pour elles d’« un monde alternatif plus accueillant. » On connaît la propension d’un Bayard mi-figue, mi-raisin, à vouloir « corriger les hiérarchies souvent contestables de la postérité littéraire et artistique », quand ce n’est pas à vanter les bienfaits qu’il y aurait à réattribuer les œuvres, à faire, par exemple, de Kafka l’auteur de L’Etranger ou de Tolstoï le créateur de Autant en emporte le vent (Et si les œuvres changeaient d’auteur ?, Minuit, 2010). Son mérite principal, cependant, est de nous rappeler que la prise en compte de ce qui ne s’est pas passé, ou de ce qui aurait pu se passer autrement, relève bel et bien d’un mode de cognition en bonne et due forme.

Il y a longtemps que les historiens ont retenu la leçon. À force de se pencher, entre autres choses, sur le sort des batailles, ils en sont venus à s’interroger. Et si Napoléon avait vaincu à Waterloo ? ; et si les Confédérés avaient remporté le conflit contre leurs frères du Nord ? ; et si les nazis n’avaient pas perdu la Seconde guerre mondiale ? Ils ruminent depuis longtemps, aussi, la longue portée de la pensée de Pascal : « Le nez de Cléopâtre, s’il eût été plus court, la face du monde aurait changé. » Même si le philosophe consacre son fragment à la « Vanité » et aux causes et conséquences de l’amour, sa réflexion porte en germe la notion d’alternative à l’histoire officielle racontée par les manuels. Ici, la disproportion entre un détail anatomique et les conséquences géopolitiques, à l’échelle de Rome, du choix amoureux fait par Marc-Antoine, est à ce point spectaculaire qu’elle interpelle l’historien (tout comme elle frappe l’imagination). Rien d’étonnant, donc, qu’on doive à un spécialiste de l’histoire des religions, Charles Renouvier (1815-1903), la paternité du néologisme « Uchronia ». Pour la circonstance, le philosophe se fit romancier.

L’Anti-déterminisme de Renouvier

Rien de tel qu’une fiction, censément écrite par un obscur moine du XVI siècle, pour faire passer un propos ambitieux, parfaitement résumé par un titre à rallonge : Uchronie (l’Utopie dans l’histoire), Esquisse historique apocryphe du développement de la civilisation européenne tel qu’il n’a pas été, tel qu’il aurait pu être. Et d’imaginer, vers la fin du règne de Marc Aurèle, une ligne de divergence–« point de scission » est l’expression de Renouvier –, à partir de laquelle le christianisme ne serait pas devenu religion d’État, et aurait même été bouté hors des frontières romaines, vers l’Est. Ainsi l’Occident aurait-il pu faire l’économie de guerres de religion sanguinaires autant que multiséculaires…

Partisan convaincu de la laïcité avant la lettre, le penseur républicain – nous sommes en 1876 – aura eu besoin de l’uchronie pour donner du corps à sa conviction profonde : le libre arbitre doit s’imposer dans la gestion des affaires humaines. Son récit a beau être « chimériquement défectueux », il fait œuvre « utile », en réclamant à cor et à cri « le droit d’introduire dans la série effective des faits de l’histoire un certain nombre de déterminations différentes de celles qui se sont produites. » Machine de guerre contre la religion, son uchronie est surtout un anti-déterminisme, une mise en demeure « adressée aux partisans nouveaux, sérieux, trop peu résolus peut-être, d’une liberté humaine, réelle dans le passé qu’elle a fait et qu’elle aurait pu ne pas faire, et grosse d’un immense avenir, dont sa propre affirmation doit être le point capital. »

Imaginer des mouvements de bascule

De l’ouvrage de Renouvier, les auteurs d’uchronies fictives retiendront la composante civilisationnelle. Tant qu’à faire, autant que les lignes de divergence débouchent sur des mouvements de bascule géopolitique de très grande ampleur. C’est l’audacieuse ligne de conduite adoptée par Laurent Binet, dans Civilizations (2019), ou par les Chroniques des années noires (2002) de Kim Stanley Robinson. Plus classiquement, la réécriture s’envisage aussi à partir de la destinée d’un « grand » homme. Stephen King tente ainsi de prévenir l’assassinat de Kennedy (22/11/63, 2011). La même année, Rêves de gloire, de Roland C. Wagner, spécule sur le destin d’une Algérie évoluant « très différemment » à partir de l’assassinat du général de Gaulle, en octobre 1960. Le complot contre l’Amérique (2004), de Philip Roth imagine un Roosevelt battu aux élections présidentielles de 1940 par Charles Lindbergh, l’aviateur devenu homme politique antisémite et fascisant. Eric Emmanuel Schmidt romance la double vie, contrefactuelle et réelle, d’Adolf Hitler, à partir d’une hypothèse a priori simple : et si le peintre du dimanche n’avait pas raté le concours d’entrée à l’École des Beaux-Arts de Vienne ? (La part de l’autre, 2001). Pour sa part, George Steiner avait mis en scène la capture, au fond de la jungle amazonienne, d’un Hitler nonagénaire, dans le controversé Le Transport d’A.H. (1981).

Explorer d’autres chemins

C’est souvent que les romanciers imaginent le pire, donnant ainsi à penser qu’uchronie et dystopie ont partie liée. « Et si les nazis étaient devenus les maîtres du monde ? » : tel est sans conteste le scénario le plus répandu en fiction à ce jour. D’authentiques chefs-d’œuvre, dont Le Maître du Haut château (1962), de Philip K. Dick, y côtoient des dizaines de romans animés par le même souci : refaire l’histoire pour mieux comprendre ce à quoi nous avons échappé. De fait, inverser la flèche du temps, pour en remonter le mécanisme autrement, c’est chercher à le « réparer » : et si le non temps de l’uchronie était, en définitive, un « bon » ou « meilleur » temps (préfixe eu, en lieu et place de ou) ? C’est aussi refuser l’idée reçue selon laquelle il n’y aurait qu’une manière d’écrire l’histoire – celle que signent les vainqueurs –, et, de fil en aiguille, qu’une pensée (« unique »), qu’un système économique (le capitalisme néo-libéral), etc. Cela revient, de facto, à s’inscrire en faux contre la tristement célèbre formule thatchérienne : There Is No Alternative. D’autres chemins existent. À condition qu’ils ne croisent pas la route des « faits alternatifs » forgés en son temps par l’Administration Trump. Nous parlons ici de fiction, pas de mensonges caractérisés.

Il y a quelque chose de prométhéen, mais aussi d’enfantin, à vouloir contredire l’histoire de la sorte. L’enfant, ce potentiel « pervers polymorphe » dont parle Freud, déteste les contraintes tout comme il a plaisir à nier les évidences. Le romancier, mais il en va de même des cinéastes tel Quentin Tarantino et son iconoclaste Inglourious Basterds (2009), lui ressemble quand il cherche à prendre sa revanche sur le monde des adultes et les grands malheurs, historico-politiques, que ces derniers s’ingénient à propager. En récusant le principe de réalité, il se crée un espace de jeu. Tantôt, il joue à se faire peur : « C’est la peur qui préside à ces Mémoires, une peur perpétuelle. Certes, il n’y a pas d’enfance sans terreur, mais tout de même : aurais-je été si craintif si nous n’avions pas eu Lindbergh pour Président ou si je n’étais pas né dans une famille juive ? » (Le complot contre l’Amérique). Tantôt, il joue tout court, à l’image d’un Salman Rushdie nous offrant, avec les accents orphiques de La terre sous ses pieds (1999), une réjouissante fable postcoloniale, dans laquelle il réécrit l’histoire du rock & roll. Non, le rock n’est pas né en Occident, mais en Orient, sur le sol indien. Au passage, « Pretty Woman », de Roy Orbinson, est réattribué aux Kinks. Mais c’est presque un détail d’une histoire qui voit Kennedy périr assassiné, mais aux côtés de son frère Robert, et pas à Dallas.

Et si le Nobel… ?

L’irrévérence de Rushdie nous ramène à ses Versets sataniques (1988). L’un des personnages du roman y remontait en songe aux origines de la constitution du Coran, à la recherche d’une ligne de divergence : le moment où Satan se serait substitué à l’Ange de la Récitation, pour souffler au prophète des sourates controversées, récusées par la suite. Hérésie ! protestent les théologiens d’un Islam rigoriste, qui nient l’existence d’une telle ligne de faille. Possible narratif ! s’écrie le romancier naturellement sceptique. Dialogue de sourds, assurément : Rushdie aura payé un lourd tribut, et encore tout dernièrement, à cette « divergence » condamnée par les islamistes purs et durs. Dans son dernier recueil d’essais, Langages de vérité 2003-2020 (Actes Sud, 2022), il persiste pourtant à rappeler qu’une des modalités du « Et si ? » prend naissance dans les contes arabes des Mille et une nuits, où il est loisible de poser simultanément une chose et son contraire, anticipant en cela sur les possibilités spatio-temporelles infinies offertes par la physique quantique. L’équivalent arabe de la formule « Il était une fois » est kan ya ma kan, que l’on peut traduire par « C’était ainsi, ce n’était pas ainsi. »

Avec des si, on mettrait Paris en bouteille, entend-on souvent dire. Loin de mettre la littérature de fiction en bouteille, la multiplication des « Et si ? » la libère de la Bastille dans laquelle certains voudraient la garder prisonnière. Et si, à la date du 6 octobre 2022, le jury du Nobel avait décidé de faire coup double, en attribuant avant tout le prix à Annie Ernaux, mais aussi à Salman Rushdie ? Ou serait-ce que certains “possibles du passé” sont moins possibles que d’autres ?

Image d’en-tête : image inspirée d’une scène du film de Robert Zemeckis ‘Retour vers le futur’ (Back to the Future) – 1985

Pour aller plus loin

Texte paru initialement dans The Conversation.

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Je croyais encore en Dieu (je suis désormais athée) lorsque j’ai entendu la question suivante lors d’un séminaire, posée pour la première fois par Albert Einstein, et j’ai été stupéfait par son élégance et sa profondeur : « S’il existe un Dieu qui a créé l’univers entier et TOUTES ses lois physiques, Dieu resoecte-il ses propres lois ? Ou bien Dieu peut-il supplanter ses propres lois, par exemple en se déplaçant plus vite que la vitesse de la lumière et en étant ainsi capable de se trouver à deux endroits différents en même temps ? La réponse pourrait-elle nous aider à prouver si Dieu existe ou non, ou est-ce là que l’empirisme scientifique et la foi religieuse se croisent, sans qu’il y ait de véritable réponse ?

David Frost, 67 ans, Los Angeles

J’étais en confinement lorsque j’ai reçu cette question et j’ai été instantanément intrigué. Le moment choisi n’a rien d’étonnant : les événements tragiques, tels que les pandémies, nous amènent souvent à nous interroger sur l’existence de Dieu : s’il existe un Dieu miséricordieux, pourquoi une telle catastrophe se produit-elle ? L’idée que Dieu puisse être « lié » par les lois de la physique, qui régissent également la chimie et la biologie et donc les limites de la science médicale, était donc intéressante à explorer.

Si Dieu n’était pas capable d’enfreindre les lois de la physique, il ne serait sans doute pas aussi puissant que ce que l’on attend d’un être suprême. Mais si c’était le cas, pourquoi n’avons-nous pas vu de preuves que les lois de la physique aient jamais été transgressées dans l’univers ?

Pour aborder la question, décortiquons un peu tout cela. Premièrement, Dieu peut-il voyager plus vite que la lumière ? Prenons la question au pied de la lettre. La lumière voyage à une vitesse approximative de 3 x 10⁵ kilomètres par seconde, soit 300 000 miles par seconde. Nous apprenons à l’école que rien ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière – pas même l’USS Enterprise dans Star Trek lorsque ses cristaux de dilithium sont réglés au maximum.

Mais est-ce vrai ? Il y a quelques années, un groupe de physiciens a émis l’hypothèse que des particules appelées tachyons se déplaçaient à une vitesse supérieure à celle de la lumière. Heureusement, leur existence en tant que particules réelles est jugée hautement improbable. S’ils existaient, ils auraient une masse imaginaire et le tissu de l’espace et du temps serait déformé, ce qui entraînerait des violations de causalité (et peut-être une migraine pour Dieu).

Il semble, jusqu’à présent, qu’aucun objet n’ait été observé pouvant voyager plus vite que la vitesse de la lumière. En soi, cela ne dit rien du tout sur Dieu. Il renforce simplement le fait que la lumière voyage très vite.

Les choses deviennent un peu plus intéressantes si l’on considère la distance parcourue par la lumière depuis le début. Dans l’hypothèse d’une cosmologie traditionnelle du big bang et d’une vitesse de la lumière de 3 x 10⁵ km/s, on peut calculer que la lumière a parcouru environ 10²³ km au cours des 13,8 milliards d’années d’existence de l’univers. Ou plutôt, de l’existence de l’univers observable.

L’univers s’étend à une vitesse d’environ 70 km/s par Mpc (1 Mpc = 1 mégaparsec soit environ 3 x 10¹⁹ km). Les estimations actuelles suggèrent donc que la distance jusqu’à la limite de l’univers est de 46 milliards d’années-lumière. Au fur et à mesure que le temps passe, le volume de l’espace augmente, et la lumière doit voyager plus longtemps pour nous atteindre.

Il y a beaucoup plus d’univers que nous ne pouvons en voir, mais l’objet le plus éloigné que nous ayons vu est une galaxie, GN-z11, observée par le télescope spatial Hubble. Elle se trouve à environ 10²³ km ou 13,4 milliards d’années-lumière de nous, ce qui signifie que la lumière de cette galaxie a mis 13,4 milliards d’années pour nous parvenir. Mais lorsque la lumière a « explosé », la galaxie n’était qu’à environ 3 milliards d’années-lumière de la Voie lacté, notre galaxie.

Nous ne pouvons pas observer ou voir l’ensemble de l’univers qui s’est développé depuis le big bang, car il ne s’est pas écoulé suffisamment de temps pour que la lumière des premières fractions de seconde nous parvienne. Certains affirment que nous ne pouvons donc pas être sûrs que les lois de la physique puissent être transgressées dans d’autres régions cosmiques – peut-être ne s’agit-il que de lois locales, accidentelles. Et cela nous amène à quelque chose d’encore plus grand que l’univers.

Le multivers

De nombreux cosmologues pensent que l’univers fait peut-être partie d’un cosmos plus étendu, un multivers, où de nombreux univers différents coexistent mais n’interagissent pas. L’idée du multivers est soutenue par la théorie de l’inflation – l’idée que l’univers s’est considérablement étendu avant d’être âgé de 10^-32 secondes. L’inflation est une théorie importante car elle peut expliquer pourquoi l’univers a la forme et la structure que nous voyons autour de nous.

Mais si l’inflation a pu se produire une fois, pourquoi pas plusieurs fois ? Des expériences nous ont appris que les fluctuations quantiques peuvent donner lieu à l’apparition soudaine de paires de particules, pour disparaître quelques instants plus tard. Et si de telles fluctuations peuvent produire des particules, pourquoi pas des atomes ou des univers entiers ? Il a été suggéré que pendant la période d’inflation chaotique, tout ne se passait pas au même rythme – les fluctuations quantiques dans l’expansion auraient pu produire des bulles qui ont explosé pour devenir des univers à part entière.

Mais comment Dieu s’intègre-t-il dans le multivers ? L’un des maux de tête des cosmologistes est le fait que notre univers semble parfaitement adapté à l’existence de la vie. Les particules fondamentales créées lors du big bang avaient les propriétés adéquates pour permettre la formation d’hydrogène et de deutérium, substances qui ont donné naissance aux premières étoiles.

Les lois physiques qui régissent les réactions nucléaires dans ces étoiles ont ensuite produit la matière dont est faite la vie : carbone, azote et oxygène. Alors comment se fait-il que toutes les lois et tous les paramètres physiques de l’univers aient les valeurs qui ont permis aux étoiles, aux planètes et finalement à la vie de se développer ?

Certains affirment qu’il ne s’agit que d’une heureuse coïncidence. D’autres disent que nous ne devrions pas être surpris de voir des lois physiques favorables à la vie – après tout, ce sont elles qui nous ont produits, alors que pourrions-nous voir d’autre ? Certains théistes, en revanche, affirment que cela indique l’existence d’un Dieu créant des conditions favorables.

Mais Dieu n’est pas une explication scientifique valable. La théorie des multivers, au contraire, résout le mystère car elle permet à différents univers d’avoir des lois physiques différentes. Il n’est donc pas surprenant que nous nous trouvions dans l’un des rares univers susceptibles d’accueillir la vie. Bien sûr, vous ne pouvez pas réfuter l’idée qu’un Dieu ait pu créer le multivers.

Tout ceci est très hypothétique, et l’une des plus grandes critiques des théories du multivers est que, comme il ne semble pas y avoir eu d’interactions entre notre univers et d’autres univers, la notion de multivers ne peut être testée directement.

Bizarrerie quantique

Voyons maintenant si Dieu peut se trouver à plusieurs endroits en même temps. Une grande partie de la science et de la technologie que nous utilisons dans les sciences spatiales est basée sur la théorie contre-intuitive du monde minuscule des atomes et des particules connue sous le nom de mécanique quantique.

Cette théorie permet ce que l’on appelle l’intrication quantique : des particules étrangement connectées. Si deux particules sont intriquées, vous manipulez automatiquement sa partenaire lorsque vous la manipulez, même si elles sont très éloignées l’une de l’autre et sans que les deux n’interagissent. Il existe de meilleures descriptions de l’intrication que celle que je donne ici – mais celle-ci est suffisamment simple pour que je puisse la suivre.

Imaginez une particule qui se désintègre en deux sous-particules, A et B. Les propriétés des sous-particules doivent s’additionner aux propriétés de la particule originale – c’est le principe de conservation. Par exemple, toutes les particules ont une propriété quantique appelée « spin » – en gros, elles se déplacent comme s’il s’agissait de minuscules aiguilles de boussole. Si la particule originale a un « spin » de zéro, l’une des deux sous-particules doit avoir un spin positif et l’autre un spin négatif, ce qui signifie que chacune des particules A et B a 50 % de chances d’avoir un spin positif ou négatif. (Selon la mécanique quantique, les particules sont par définition dans un mélange de différents états jusqu’à ce que vous les mesuriez réellement).

Les propriétés de A et B ne sont pas indépendantes l’une de l’autre – elles sont enchevêtrées – même si elles se trouvent dans des laboratoires distincts sur des planètes différentes. Ainsi, si vous mesurez le spin de A et que vous constatez qu’il est positif. Imaginez qu’une amie mesure le spin de B exactement au même moment que vous mesurez A. Pour que le principe de conservation fonctionne, elle doit trouver que le spin de B est négatif.

Mais – et c’est là que les choses se compliquent – comme la sous-particule A, B a une chance sur deux d’être positif, donc son état de spin est « devenu » négatif au moment où l’état de spin de A a été mesuré comme positif. En d’autres termes, l’information sur l’état du spin a été transférée instantanément entre les deux sous-particules. Un tel transfert d’informations quantiques se produit apparemment plus vite que la vitesse de la lumière. Étant donné qu’Einstein lui-même a décrit l’intrication quantique comme une « action étrange à distance », je pense que nous pouvons tous être pardonnés de trouver cet effet plutôt bizarre.

Il existe donc bien quelque chose de plus rapide que la vitesse de la lumière : l’information quantique. Cela ne prouve ni ne réfute Dieu, mais cela peut nous aider à penser à Dieu en termes physiques – peut-être comme une pluie de particules enchevêtrées, transférant des informations quantiques dans les deux sens, et occupant ainsi plusieurs endroits en même temps ? Et même de nombreux univers en même temps ?

J’ai l’image d’un Dieu qui fait tourner des assiettes de la taille d’une galaxie tout en jonglant avec des balles de la taille d’une planète – jetant des bribes d’information d’un univers chancelant à un autre, pour que tout reste en mouvement. Heureusement, Dieu est capable de faire plusieurs choses à la fois, en maintenant le tissu de l’espace et du temps en fonctionnement. Tout ce qu’il faut, c’est un peu de foi.

Cet essai est-il parvenu à répondre aux questions posées ? Je ne le pense pas : si vous croyez en Dieu (comme moi), l’idée que Dieu soit lié par les lois de la physique est absurde, car Dieu peut tout faire, même voyager plus vite que la lumière. Si vous ne croyez pas en Dieu, la question est tout aussi absurde, car il n’y a pas de Dieu et rien ne peut aller plus vite que la lumière. Peut-être la question s’adresse-t-elle en réalité aux agnostiques, qui ne savent pas s’il existe un Dieu.

C’est en effet là que la science et la religion diffèrent. La science exige des preuves, la croyance religieuse exige la foi. Les scientifiques n’essaient pas de prouver ou de réfuter l’existence de Dieu parce qu’ils savent qu’il n’y a pas d’expérience qui puisse jamais détecter Dieu. Et si vous croyez en Dieu, peu importe ce que les scientifiques découvrent sur l’univers – tout cosmos peut être considéré comme compatible avec Dieu.

Notre vision de Dieu, de la physique ou de toute autre chose dépend finalement de la perspective. Mais terminons par une citation d’une source qui fait vraiment autorité. Non, ce n’est pas la bible. Ce n’est pas non plus un manuel de cosmologie. C’est tiré de « Le Faucheur » de Terry Pratchett :

« La lumière pense qu’elle voyage plus vite que tout le reste, mais elle a tort. Peu importe la vitesse à laquelle la lumière voyage, elle découvre que l’obscurité est toujours arrivée la première et qu’elle l’attend. »

Texte paru initialement dans The Conversation, traduit par la Rédaction. La traduction est protégée par les droits d’auteur, en conséquence notre article n’est pas libre de droits. Veuille contacter la Rédaction pour tout souhait de reproduction.

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Les physiciens s’efforcent depuis longtemps d’expliquer pourquoi l’univers a commencé par offrir des conditions propices à l’évolution de la vie. Pourquoi les lois et constantes physiques prennent-elles les valeurs très spécifiques qui permettent aux étoiles, aux planètes et finalement à la vie de se développer ? La force expansive de l’univers, l’énergie sombre sont par exemple beaucoup plus faibles que ce que la théorie suggère, permettant à la matière de s’agglutiner plutôt que de se déchirer.

Une réponse courante est que nous vivons dans un multivers infini d’univers, et que nous ne devrions donc pas être surpris qu’au moins un univers se soit avéré être le nôtre. Une autre hypothèse est que notre univers est une simulation informatique, dont quelqu’un (peut-être une espèce extraterrestre évoluée) en paramètre les conditions avec précision.

Cette dernière option est soutenue par une branche de la science appelée physique de l’information, qui suggère que l’espace-temps et la matière ne sont pas des phénomènes fondamentaux. Au contraire, la réalité physique est fondamentalement constituée de bits d’information, à partir desquels émerge notre expérience de l’espace-temps. À titre de comparaison, la température « émerge » du mouvement collectif des atomes. Aucun atome ne possède fondamentalement de température.

Cela conduit à l’extraordinaire possibilité que notre univers tout entier puisse en fait être une simulation informatique. L’idée n’est pas si nouvelle. En 1989, le légendaire physicien John Archibald Wheeler a suggéré que l’univers est fondamentalement mathématique et qu’il peut être considéré comme émergeant de l’information. Il a inventé le célèbre aphorisme « it from bit ».

En 2003, le philosophe Nick Bostrom, de l’université d’Oxford au Royaume-Uni, a formulé son hypothèse de simulation. Selon cette hypothèse, il est hautement probable que nous vivions dans une simulation. En effet, une civilisation avancée devrait atteindre un point où sa technologie est si sophistiquée que les simulations seraient impossibles à distinguer de la réalité, et les participants ne seraient pas conscients d’être dans une simulation.

Le physicien Seth Lloyd, de l’Institut de technologie du Massachusetts, aux États-Unis, a porté l’hypothèse de la simulation à un niveau supérieur en suggérant que l’univers entier pourrait être un ordinateur quantique géant.
Et en 2016, le magnat des affaires Elon Musk a conclu « Nous sommes très probablement dans une simulation »

Preuve empirique

Certaines données suggèrent que notre réalité physique pourrait être une réalité virtuelle simulée plutôt qu’un monde objectif qui existe indépendamment de l’observateur.

Tout monde de réalité virtuelle sera basé sur le traitement de l’information. Cela signifie que tout est finalement numérisé ou pixellisé jusqu’à une taille minimale qui ne peut être subdivisée davantage : les bits. Cela semble imiter notre réalité selon la théorie de la mécanique quantique, qui régit le monde des atomes et des particules. Elle stipule qu’il existe une unité minimale et discrète d’énergie, de longueur et de temps. De même, les particules élémentaires, qui constituent toute la matière visible dans l’univers, sont les plus petites unités de matière. Pour le dire simplement, notre monde est pixellisé.

Les lois de la physique qui régissent tout dans l’univers ressemblent également aux lignes de code informatique qu’une simulation suivrait dans l’exécution du programme. De plus, les équations mathématiques, les nombres et les motifs géométriques sont présents partout – le monde semble être entièrement mathématique.

Une autre curiosité de la physique soutenant l’hypothèse de la simulation est la limite de vitesse maximale dans notre univers, qui est la vitesse de la lumière. Dans une réalité virtuelle, cette limite correspondrait à la limite de vitesse du processeur, ou à la limite de la puissance de traitement. Nous savons qu’un processeur surchargé ralentit le traitement informatique dans une simulation. De même, la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein montre que le temps ralentit à proximité d’un trou noir.

La preuve la plus convaincante de l’hypothèse de la simulation provient peut-être de la mécanique quantique. Celle-ci suggère que la nature n’est pas « réelle » : les particules dans des états déterminés, tels que des emplacements spécifiques, ne semblent pas exister, sauf si vous les observez ou les mesurez réellement. Au contraire, elles se trouvent simultanément dans un mélange de différents états. De même, la réalité virtuelle nécessite un observateur ou un programmeur pour que les choses se produisent.

« L’intrication » quantique permet également à deux particules d’être reliées de manière effrayante, de sorte que si vous en manipulez une, vous manipulez automatiquement et immédiatement l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare – l’effet étant apparemment plus rapide que la vitesse de la lumière, ce qui devrait être impossible.

Cela pourrait toutefois s’expliquer par le fait que, dans un code de réalité virtuelle, tous les « lieux » (points) devraient se trouver à une distance à peu près égale d’un processeur central. Ainsi, alors que nous pouvons penser que deux particules sont à des millions d’années-lumière l’une de l’autre, elles ne le seraient pas si elles étaient créées dans une simulation.

Expériences possibles

En supposant que l’univers soit effectivement une simulation, quelles sortes d’expériences pourrions-nous déployer à l’intérieur de la simulation pour le prouver ?

Il est raisonnable de supposer qu’un univers simulé contiendrait de nombreux bits d’information partout autour de nous. Ces bits d’information représentent le code lui-même. Par conséquent, la détection de ces bits d’information prouvera l’hypothèse de la simulation. Le principe d’équivalence masse-énergie-information (M/E/I) récemment proposé – qui suggère que la masse peut être exprimée sous forme d’énergie ou d’information, ou vice versa – stipule que les bits d’information doivent avoir une faible masse. Voilà qui nous donne quelque chose à rechercher.

J’ai postulé que l’information était en fait une cinquième forme de matière dans l’univers. J’ai même calculé le contenu d’information attendu par particule élémentaire. Ces études ont conduit à la publication, en 2022, d’un protocole expérimental pour tester ces prédictions. L’expérience consiste à effacer l’information contenue à l’intérieur des particules élémentaires en les laissant s’annihiler avec leurs antiparticules (toutes les particules ont des versions « anti » d’elles-mêmes qui sont identiques mais ont une charge opposée) dans un éclair d’énergie – en émettant des « photons », ou particules de lumière.

J’ai prédit la gamme exacte des fréquences attendues des photons résultants en me basant sur la physique de l’information. L’expérience est tout à fait réalisable avec nos outils actuels, et nous avons lancé un site de crowdfunding) pour la réaliser.

Il existe également d’autres approches. Le regretté physicien John Barrow a fait valoir qu’une simulation accumulerait des erreurs de calcul mineures que le programmeur devrait corriger pour qu’elle puisse continuer à fonctionner. Il a suggéré que ces expériences de corrections pourraient se traduire par l’apparition soudaine de résultats expérimentaux contradictoires, comme le changement des constantes de la nature. La surveillance des valeurs de ces constantes est donc une autre option.

La nature de notre réalité est l’un des plus grands mystères qui soient. Plus nous prenons l’hypothèse de la simulation au sérieux, plus nous avons de chances de la prouver ou de la réfuter un jour.

Texte paru initialement en anglais dans The Conversation, traduit par la Rédaction. La traduction étant protégée par les droits d’auteur, le présent article traduit n’est pas libre de droits. Veuillez contacter la Rédaction pour tout souhait de reproduction.

Image d’en-tête : dessin de Chiara Barbato pour Science infuse – Tous droits réservés – Thème : galaxie de la Roue de chariot

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Le prix Nobel de physique 2022 a récompensé trois scientifiques qui ont apporté des contributions révolutionnaires à la compréhension de l’un des phénomènes naturels les plus mystérieux : l’intrication quantique

En termes simples, l’intrication quantique signifie que les aspects d’une particule d’une paire intriquée dépendent des aspects de l’autre particule, quelle que soit la distance qui les sépare ou ce qui se trouve entre elles. Ces particules peuvent être, par exemple, des électrons ou des photons, et un aspect peut être l’état dans lequel elles se trouvent, par exemple si elles « tournent » dans une direction ou une autre.

L’aspect étrange de l’intrication quantique est que lorsque l’on mesure quelque chose sur une particule d’une paire intriquée, on sait immédiatement quelque chose sur l’autre particule, même si des millions d’années-lumière les séparent. Cette étrange connexion entre les deux particules est instantanée et semble enfreindre une loi fondamentale de l’univers. Albert Einstein a baptisé ce phénomène « action étrange à distance ».

Ayant passé la majeure partie de deux décennies à mener des expériences basées sur la mécanique quantique, j’ai fini par accepter son étrangeté. Grâce à des instruments toujours plus précis et fiables et aux travaux des lauréats du prix Nobel cette année, Alain Aspect, John Clauser et Anton Zeilinger, les physiciens intègrent désormais les phénomènes quantiques dans leur connaissance du monde avec un degré de certitude exceptionnel.

Pourtant, jusque dans les années 1970, les chercheurs étaient encore divisés sur la question de savoir si l’intrication quantique était un phénomène réel. Et pour de bonnes raisons : qui oserait contredire le grand Einstein, qui en doutait lui-même ? Il a fallu le développement de nouvelles technologies expérimentales et l’audace des chercheurs pour que ce mystère soit enfin levé.

Exister dans plusieurs états à la fois

Pour vraiment comprendre le caractère étrange de l’intrication quantique, il est important de comprendre d’abord la superposition quantique. La superposition quantique est l’idée que les particules existent dans plusieurs états à la fois. Lorsqu’une mesure est effectuée, c’est comme si la particule choisissait l’un des états de la superposition.

Par exemple, de nombreuses particules ont un attribut appelé spin, qui est mesuré comme étant « haut » ou « bas » pour une orientation donnée de l’analyseur. Mais jusqu’à ce que l’on mesure le spin d’une particule, celle-ci existe simultanément dans une superposition de haut spin haut et de bas spin.

Une probabilité est attachée à chaque état, et il est possible de prédire le résultat moyen à partir de nombreuses mesures. La probabilité qu’une mesure unique soit positive ou négative dépend de ces probabilités, mais ne peut elle-même être prédite.

Bien que très étranges, les mathématiques et un grand nombre d’expériences ont montré que la mécanique quantique décrit correctement la réalité physique.

Deux particules intriquées

Le caractère étrange de l’intrication quantique découle de la réalité de la superposition quantique, et était clair pour les pères fondateurs de la mécanique quantique qui ont développé la théorie dans les années 1920 et 1930.

Pour créer des particules intriquées, il faut essentiellement casser un système en deux, où la somme des parties est connue. Par exemple, on peut diviser une particule dont le spin est nul en deux particules qui auront nécessairement des spins opposés de sorte que leur somme soit nulle.

En 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen ont publié un article décrivant une expérience de pensée destinée à illustrer une absurdité apparente de l’intrication quantique qui remettait en question une loi fondamentale de l’univers.

Une version simplifiée de cette expérience de pensée, attribuée à David Bohm, considère la désintégration d’une particule appelée méson pi (également appelé « pion », ndlr). Lorsque cette particule se désintègre, elle produit un électron et un positron qui ont un spin opposé et s’éloignent l’un de l’autre. Par conséquent, si le spin de l’électron est mesuré comme étant vers le haut, le spin mesuré du positron ne peut être que vers le bas, et vice versa. Cela est vrai même si les particules sont séparées par des milliards de kilomètres.

Cela ne poserait aucun problème si la mesure du spin de l’électron était toujours positive et si le spin mesuré du positron était toujours négatif. Mais en raison de la mécanique quantique, le spin de chaque particule est à la fois en partie vers le haut et en partie vers le bas jusqu’à ce qu’il soit mesuré. Ce n’est qu’au moment de la mesure que l’état quantique du spin « s’effondre » en haut ou en bas – faisant instantanément tomber l’autre particule dans le spin opposé. Cela semble suggérer que les particules communiquent entre elles par un moyen qui se déplace plus vite que la vitesse de la lumière. Mais selon les lois de la physique, rien ne peut aller plus vite que la vitesse de la lumière. L’état mesuré d’une particule ne peut donc pas déterminer instantanément l’état d’une autre particule à l’autre bout de l’univers ?

Dans les années 1930, des physiciens, dont Einstein, ont proposé un certain nombre d’interprétations alternatives de l’intrication quantique. Ils ont émis l’hypothèse qu’il existait une propriété inconnue, appelée variable cachée, qui déterminait l’état d’une particule avant la mesure. Mais à l’époque, les physiciens ne disposaient pas de la technologie ni de la définition d’une mesure claire permettant de vérifier si la théorie quantique devait être modifiée pour inclure les variables cachées.

Réfuter une théorie

Il a fallu attendre les années 1960 pour trouver des indices de réponse. John Bell, un brillant physicien irlandais qui n’a pas vécu assez longtemps pour recevoir le prix Nobel, a conçu un système pour vérifier si la notion de variables cachées avait un sens.

Bell a élaboré une équation connue aujourd’hui sous le nom d’inégalités de Bell, qui est toujours correcte – et uniquement correcte – pour les théories à variables cachées, et pas toujours pour la mécanique quantique. Ainsi, s’il s’avère que l’équation de Bell n’est pas satisfaite dans une expérience du monde réel, les théories à variables cachées locales peuvent être écartées comme explication de l’intrication quantique.

Les expériences des 2022 lauréats du prix Nobel, en particulier celles d’Alain Aspect, ont été les premiers tests des inégalités de Bell. Les expériences ont utilisé des photons intriqués, plutôt que des paires d’un électron et d’un positron, comme dans de nombreuses expériences de pensée. Les résultats ont exclu de manière concluante l’existence de variables cachées, un attribut mystérieux qui prédéterminerait les états des particules intriquées. Collectivement, ces expériences et de nombreuses autres à la suite ont confirmé la validité de la mécanique quantique. Les objets peuvent être corrélés sur de grandes distances d’une manière que la physique antérieure à la mécanique quantique ne peut expliquer.

Il est important de noter qu’il n’existe pas non plus de conflit avec la relativité restreinte, qui interdit les communications plus rapides que la lumière. Le fait que les mesures sur de grandes distances soient corrélées n’implique pas que des informations soient transmises entre les particules. Deux parties très éloignées l’une de l’autre qui effectuent des mesures sur des particules intriquées ne peuvent pas utiliser ce phénomène pour transmettre des informations plus rapidement que la vitesse de la lumière.

Aujourd’hui, les physiciens poursuivent leurs recherches sur l’intrication quantique et étudient les applications pratiques potentielles. Bien que la mécanique quantique puisse prédire la probabilité d’une mesure avec une incroyable précision, de nombreux chercheurs restent sceptiques quant à sa capacité à fournir une description complète de la réalité. Une chose est néanmoins certaine. Il reste beaucoup à découvrir sur le monde mystérieux de la mécanique quantique.

Paru initialement en anglais dans The Conversation, traduit par la Rédaction.
NB : la traduction est soumise aux droits d’auteur.

Image d’en-tête : Alain Aspect à l’Université Paris-Saclay, le 4 octobre 2022

Science infuse est un service de presse en ligne agréé (n° 0324 x 94873) piloté par Citizen4Science, association à but non lucratif d’information et de médiation scientifique doté d’une Rédaction avec journalistes professionnels. Nous défendons farouchement notre indépendance. Nous existons grâce à vous, lecteurs. Pour nous soutenir, faites un don ponctuel ou mensuel.

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L’une des plus importantes questions ouvertes en science est de savoir comment notre conscience s’établit. Dans les années 1990, bien avant de recevoir le prix Nobel de physique 2020 pour sa prédiction des trous noirs, le physicien Roger Penrose s’est associé à l’anesthésiste Stuart Hameroff pour proposer une réponse ambitieuse.

Ils ont affirmé que le système neuronal du cerveau forme un réseau complexe et que la conscience qu’il produit devrait obéir aux règles de la mécanique quantique – la théorie qui détermine comment de minuscules particules comme les électrons se déplacent. Selon eux, cela pourrait expliquer la mystérieuse complexité de la conscience humaine.

Penrose et Hameroff ont été accueillis avec incrédulité. Les lois de la mécanique quantique ne s’appliquent généralement qu’à de très basses températures. Les ordinateurs quantiques, par exemple, fonctionnent actuellement à environ – 272 °C. À des températures plus élevées, la mécanique classique prend le dessus. Comme l’organisme fonctionne à température ambiante, on pourrait s’attendre à ce qu’il soit régi par les lois classiques de la physique. C’est pourquoi la théorie de la conscience quantique a été rejetée d’emblée par de nombreux scientifiques, bien que d’autres en soient des partisans convaincus.

Au lieu d’entrer dans ce débat, j’ai décidé d’unir mes forces à celles de mes collègues chinois, dirigés par le professeur Xian-Min Jin de l’université Jiaotong de Shanghai, pour tester certains des principes qui sous-tendent la théorie quantique de la conscience.

Dans notre nouvel article, nous avons étudié comment les particules quantiques pouvaient se déplacer dans une structure complexe comme le cerveau, mais en laboratoire. Si nos résultats peuvent un jour être comparés à l’activité mesurée dans le cerveau, nous pourrons peut-être faire un pas de plus vers la validation ou le rejet de la théorie controversée de Penrose et Hameroff.

Le cerveau et les fractales

Notre cerveau est composé de cellules appelées neurones, et leur activité combinée est censée générer la conscience. Chaque neurone contient des microtubules, qui transportent des substances vers différentes parties de la cellule. La théorie de la conscience quantique de Penrose-Hameroff soutient que les microtubules sont structurés selon un modèle fractal qui permettrait aux processus quantiques de se produire.

Les fractales sont des structures qui ne sont ni bidimensionnelles ni tridimensionnelles, mais qui ont une valeur fractionnelle intermédiaire. En mathématiques, les fractales apparaissent comme de beaux motifs qui se répètent à l’infini, générant ce qui semble impossible : une structure dont la surface est finie, mais le périmètre infini.

Cela peut sembler impossible à visualiser, mais les fractales sont en fait fréquentes dans la nature. Si vous observez attentivement les fleurs d’un chou-fleur ou les branches d’une fougère, vous verrez qu’elles sont toutes deux constituées de la même forme de base qui se répète sans cesse, mais à des échelles de plus en plus petites. C’est l’une des principales caractéristiques des fractales.

Il en va de même si vous regardez à l’intérieur de votre propre corps : la structure de vos poumons, par exemple, est fractale, tout comme les vaisseaux sanguins de votre système de circulation sanguine. Les fractales sont également présentes dans les œuvres d’art répétitives et enchanteresses de MC Escher et Jackson Pollock, et elles sont utilisées depuis des décennies dans la technologie, notamment pour la conception d’antennes. Ce sont tous des exemples de fractales classiques : des fractales qui respectent les lois de la physique classique plutôt que celles de la physique quantique.

Il est facile de comprendre pourquoi les fractales ont été utilisées pour expliquer la complexité de la conscience humaine. Du fait qu’elles sont infiniment complexes, permettant à la complexité d’émerger de simples motifs répétés, elles pourraient être les structures qui soutiennent les profondeurs mystérieuses de notre esprit.

Mais si c’est le cas, cela ne peut se produire qu’au niveau quantique, avec de minuscules particules se déplaçant selon des modèles fractals au sein des neurones du cerveau. C’est pourquoi la proposition de Penrose et Hameroff est appelée théorie de la « conscience quantique ».

La conscience quantique

Nous ne sommes pas encore en mesure de mesurer le comportement des fractales quantiques dans le cerveau, si tant est qu’elles existent. Mais grâce aux progrès technologiques, nous pouvons désormais mesurer les fractales quantiques en laboratoire. Dans le cadre d’une recherche récente impliquant un microscope à effet tunnel (Scanning Tunnelling Microscope, STM) , mes collègues d’Utrecht et moi-même avons soigneusement disposé des électrons selon un modèle fractal, créant ainsi une fractale quantique.

Lorsque nous avons ensuite mesuré la fonction d’onde des électrons, qui décrit leur état quantique, nous avons constaté qu’ils vivaient également à la dimension fractale dictée par le motif physique que nous avions créé. Dans ce cas, le modèle que nous avons utilisé à l’échelle quantique était le triangle de Sierpiński, une forme qui se situe entre l’unidimensionnel et le bidimensionnel.

Cette découverte est passionnante, mais les techniques STM ne permettent pas de sonder le mouvement des particules quantiques, ce qui nous en apprendrait davantage sur la manière dont les processus quantiques peuvent se produire dans le cerveau. Dans nos dernières recherches, mes collègues de l’université Jiaotong de Shanghai et moi-même sommes donc allés plus loin. Grâce à des expériences photoniques de pointe, nous avons pu révéler le mouvement quantique qui se produit au sein des fractales avec des détails sans précédent.

Nous y sommes parvenus en injectant des photons (particules de lumière) dans une puce artificielle qui a été minutieusement conçue sous la forme d’un minuscule triangle de Sierpiński. Nous avons injecté des photons à la pointe du triangle et observé comment ils se sont répandus dans toute sa structure fractale, selon un processus appelé transport quantique. Nous avons ensuite répété cette expérience sur deux structures fractales différentes, toutes deux en forme de carrés plutôt que de triangles. Et dans chacune de ces structures, nous avons mené des centaines d’expériences.

Les observations que nous avons faites à partir de ces expériences révèlent que les fractales quantiques se comportent en fait d’une manière différente des fractales classiques. Plus précisément, nous avons constaté que la propagation de la lumière à travers une fractale est régie par des lois différentes dans le cas quantique par rapport au cas classique.

Cette nouvelle connaissance des fractales quantiques pourrait fournir aux scientifiques les bases nécessaires pour tester expérimentalement la théorie de la conscience quantique. Si des mesures quantiques sont un jour effectuées sur le cerveau humain, elles pourraient être comparées à nos résultats pour décider définitivement si la conscience est un phénomène classique ou quantique.

Nos travaux pourraient également avoir de profondes implications dans d’autres domaines scientifiques. En étudiant le transport quantique dans nos structures fractales artificielles, nous avons peut-être fait les premiers pas vers l’unification de la physique, des mathématiques et de la biologie, ce qui pourrait considérablement enrichir notre compréhension du monde qui nous entoure ainsi que du monde qui existe dans notre tête.

Traduit par Citizen4Science – Lien vers l’article original