La mécanique quantique de A à Z : particules, intrication et le sens de tout cela

L'épisode s'ouvre sur une affirmation de taille : la mécanique quantique est la théorie la plus réussie de toute la science. Elle prédit le monde subatomique invisible avec une précision stupéfiante, explique tout, de la chimie au fonctionnement des étoiles, et la technologie quantique qui en découle fonde l'ère numérique. Le prix de ce succès est une image de la réalité qui heurte l'intuition quotidienne.

Les particules, dit-on, sont des ondes de possibilité ; les résultats alternatifs se scindent et se recombinent entre les mesures ; et sans mesure, la réalité n'existerait peut-être pas sous la forme que nous connaissons. Un siècle après la découverte de la théorie, personne ne sait ce qu'elle signifie. Ce long épisode rassemble une décennie du parcours quantique de la chaîne en une seule séance : les idées fondamentales, les expériences et les spéculations les plus audacieuses.

La visite commence au cœur de la matière. Les protons et les neutrons du noyau atomique sont eux-mêmes constitués de quarks, et un noyau d'hélium, deux protons plus deux neutrons, sert d'exemple de travail. Même ce petit objet ouvre déjà la porte à la physique nucléaire.

Vient ensuite la question de l'échelle : pourquoi aucune de ces bizarreries n'apparaît-elle dans la vie quotidienne ? La réponse proposée est la constante de Planck, un nombre minuscule qui fixe une sorte d'échelle de pixel pour la réalité. En dessous de cette échelle, le monde est flou ; bien au-dessus, la physique classique reprend la main.

La racine historique est le rayonnement des corps chauds. Le raisonnement classique divisait l'énergie des vibrations thermiques en morceaux toujours plus petits et prédisait un rayonnement illimité, une absurdité. Planck a découpé l'énergie en paquets, le calcul a coïncidé avec l'observation, et le quantum est né.

L'expérience des doubles fentes est présentée comme l'un des résultats les plus étranges jamais observés. Des particules envoyées une par une construisent néanmoins une figure d'interférence sur l'écran, comme si chaque particule passait par les deux fentes à la fois et interférait avec elle-même.

Le plus troublant, c'est le rôle de l'observation. Laissez la particule non observée et la figure est ondulatoire ; demandez par quelle fente elle est passée et la figure s'effondre en amas de type particulaire. La position, voire le trajet suivi, semblent décidés au moment de la détection.

L'information de trajet tue l'interférence. Placez un détecteur à une fente et chaque particule se comporte comme si elle passait par une seule fente, s'accumulant en deux simples tas sur l'écran. Connaître le trajet et voir des ondes s'avèrent mutuellement exclusifs.

Le dispositif de Mach-Zehnder aiguise le propos avec des miroirs semi-argentés appelés séparateurs de faisceau. Un photon unique est scindé en deux routes puis recombiné, et l'interférence en sortie montre que le photon a emprunté les deux chemins à la fois.

Le gommeur quantique va un pas plus loin. Quand la marque portant l'information de trajet est effacée après coup, la figure d'interférence revient. L'épisode détaille la disposition des détecteurs, une paire conservant la connaissance du trajet et une autre l'effaçant, pour montrer la cohérence de la logique.

C'est le problème de la mesure. Entre les mesures, les systèmes quantiques existent réellement comme un mélange flou de toutes les propriétés possibles ; la mesure réduit ce mélange à un résultat unique. Comment s'opère cette réduction est la question à laquelle la théorie elle-même ne répond pas.

L'intrication étend l'énigme à distance. Deux particules partagent une même fonction d'onde, si bien que mesurer le spin de l'une fixe instantanément le résultat pour sa partenaire, quelle que soit la distance qui les sépare. C'est le trait qu'Einstein jugeait troublant.

Le différend a été tranché, contre les espoirs d'Einstein, par l'expérience. Au début des années quatre-vingt, le physicien français Alain Aspect a mesuré des corrélations de photons qui violaient les limites que toute description réaliste locale doit respecter. La nature, disaient les résultats, n'est pas localement réelle.

La relativité survit au choc. La concordance instantanée entre partenaires intriqués ne peut transporter de signaux, si bien que la causalité tient et que la messagerie supraluminique reste impossible. Non-localité et relativité, soutient l'épisode, peuvent cohabiter.

Le hasard quantique, insiste le récit, est authentique. La désintégration radioactive est un processus purement quantique : le moment où un atome donné se désintégrera ne peut être prédit, même en principe. La probabilité siège au cœur de la théorie, non dans notre ignorance.

Puis les interprétations entrent en scène. La ligne de Copenhague dit que l'observation définit la réalité, avec le célèbre chat ni vivant ni mort tant que personne ne regarde. C'est le compromis que la plupart des physiciens adoptent discrètement, sans que personne ne le trouve satisfaisant.

La vision des mondes multiples affirme que l'univers se ramifie à chaque bifurcation quantique au lieu de s'effondrer. Comme elle n'ajoute aucune règle d'effondrement supplémentaire, elle est saluée pour son économie d'idées et est devenue assez mainstream, mais elle demeure une interprétation plutôt qu'une physique testée.

La ligne de l'onde-pilote, la théorie de de Broglie-Bohm, rétablit des particules définies guidées par une onde réelle. Surnommée en plaisantant d'après ses promoteurs, cette approche promet de ramener le déterminisme dans le tableau.

Un analogue de paillasse rend l'idée vivante. Une goutte d'huile rebondissant sur un bain vibrant entraîne sa propre onde-pilote, et des phénomènes quantiques familiers, de l'interférence des fentes aux orbites quantifiées, apparaissent à l'échelle macroscopique.

Le spin a son propre chapitre. Un électron s'aligne avec les champs magnétiques comme le ferait une charge en rotation, mais le spin n'est pas une rotation ordinaire ; c'est une propriété intrinsèque qui ne revient à elle-même qu'après un double tour dans l'espace.

Le geste de Dirac est présenté comme un triomphe des mathématiques. Son équation d'onde relativiste pour l'électron a aussi produit des solutions d'énergie négative, et ces solutions impliquaient de nouvelles particules. L'antimatière a été découverte sur le papier avant de l'être au laboratoire.

La théorie quantique des champs redessine tout le tableau. Les champs, non les particules, sont fondamentaux, et même le vide peut se lire comme une somme sur d'interminables particules possibles. L'espace vide, dans ce récit, bouillonne.

La dernière partie se tourne vers le temps lui-même. Les dispositifs à choix différé posent la question de savoir si une mesure ultérieure peut remonter vers une mesure antérieure, et les lectures rétrocausales sont discutées comme controversées mais sérieuses. Des dispositifs qui marquent la fente par polarisation puis effacent la marque montrent à quel point l'interférence est liée au contexte de mesure, et la série promet que l'histoire continue.