Démystifier la théorie quantique

Imaginez que vous préparez un gâteau. Vous suivez attentivement la recette, en mesurant et en mélangeant les ingrédients avec précision. Au final, vous obtenez un délicieux dessert.

Une recette de gâteau bien rédigée devrait donner un résultat parfait à chaque fois, car elle vous indique la marche à suivre. Mais elle n’explique pas pourquoi cela fonctionne. Elle ne vous dit pas, par exemple, que le sucre doit être mélangé au beurre pour créer de minuscules poches d’air qui se dilatent pendant la cuisson.

On peut faire une observation similaire concernant la science de la mécanique quantique. Alors que les capacités prédictives de la mécanique quantique, c’est-à-dire la recette de la mécanique quantique, en quelque sorte, produisent des résultats précis de manière répétée, l’interprétation de son fonctionnement n’est pas encore établie. Et sans cette interprétation, la mécanique quantique peut souvent sembler en contradiction avec la physique de la vie quotidien. En fait, la physique quantique peut même paraître pour le moins étrange. Il suffit de penser au principe d’incertitude d’Heisenberg, qui stipule qu’il est impossible de connaître simultanément la position et la quantité de mouvement exactes d’une particule. 

« Si une particule a une position définie, cela signifie-t-il qu’elle n’a pas de quantité de mouvement? Ou simplement qu’on ne peut pas connaître cette quantité de mouvement? », demande David Schmid, boursier au programme « Perimeter Scholars International (PSI) » à l’Institut Périmètre. « Il n’y a pas de consensus établi sur ce genre de questions. »

« Si nous disposions d’une théorie rigoureuse, c’est-à-dire ce que certains appellent une interprétation, celle-ci répondrait à ces questions. Il n’y aurait alors ni débat ni confusion à ce sujet », explique Schmid.

À l’Institut Périmètre, les chercheurs spécialisés dans les fondements de la physique quantique rejettent l’idée selon laquelle ils doivent simplement accepter que la mécanique quantique soit étrange. Grâce à des approches rigoureuses et systématiques, les chercheurs visent à renforcer la théorie quantique en s’appuyant sur ses fondements et en découvrant le « pourquoi » qui la sous-tend. 

Différentes conceptions de la physique quantique

La physique qui régit notre univers se divise en deux catégories : la physique classique et la physique quantique. La physique classique englobe les forces qui régissent notre vie quotidienne, comme les forces newtoniennes, la thermodynamique, etc. L’anecdote de la pomme tombant de l’arbre et frappant Newton à la tête illustre parfaitement le fonctionnement de la physique classique.

La physique quantique intervient aux plus petites échelles de la matière et de l’énergie : le domaine des particules fondamentales telles que les électrons et les photons. À l’échelle quantique, les mathématiques et l’expérimentation ont révélé un monde qui semble encore bien étrange.

L’un des aspects les plus connus est sans doute que l’état quantique d’une particule, c’est-à-dire les informations mathématiques qui décrivent ses caractéristiques telles que son énergie, sa position et son spin, est notamment décrit avec quelque chose appelé une fonction d’onde.

« Même en connaissant l’état quantique, les résultats des mesures restent probabilistes », explique Marina Maciel Ansanelli, étudiante au doctorant résidente à l’Institut de physique Périmètre. Prenons l’exemple de la mesure d’un système quantique pour déterminer le spin d’une particule, qui peut être mesuré comme « spin vers le haut » ou « spin vers le bas ». « La fonction d’onde peut m’indiquer que lors de la mesure du spin d’une particule, il y a 60 % de chances d’observer un spin vers le haut et 40 % de chances d’observer un spin vers le bas. Mais cela ne me dit pas avec certitude quelle orientation du spin je vais observer. »

Mais qu’est-ce que cela signifie concrètement pour la réalité, au-delà d’une équation mathématique?

Une enquête publiée l’année dernière par la revue Nature a exploré les points de vue des physiciens sur la mécanique quantique. Menée auprès de plus de 1 100 participants, cette enquête a révélé l’absence de consensus sur ce que la physique quantique nous apprend sur la réalité de l’univers. Interrogés sur la fonction d’onde, seulement 36 % des répondants ont estimé qu’une fonction d’onde représentait la réalité.

La théorie dominante sur les fonctions d’onde, l’interprétation de Copenhague, suggère qu’une fonction d’onde représente des possibilités futures qui « s’effondrent » en une seule réalité lors de leur mesure. Une autre interprétation est appelée « mondes multiples », qui postule que tous les résultats possibles d’une mesure quantique sont réels, mais qu’ils se produisent simultanément dans des univers parallèles. Une troisième théorie est celle de l’onde pilote, dans laquelle les ondes et les particules sont des objets distincts, une onde guidant la trajectoire d’une particule. Aucune de ces théories, ni aucune autre, ne fait l’unanimité parmi les physiciens.

Quel est l’objectif de la théorie de la mécanique quantique?

Pour comprendre pourquoi les chercheurs ont des points de vue si divergents sur la mécanique quantique, il faut saisir les différentes philosophies scientifiques qui les guident. Nombre d’entre eux mettent de côté l’interprétation et se contentent d’exploiter les résultats.

« La plupart des gens considèrent la théorie quantique comme une recette pour faire des prédictions », explique Maciel Ansanelli, étudiante au doctorant résidente à l’Institut Périmètre. « Et si vous pensez que le seul but d’une théorie scientifique est de faire des prédictions, alors vous êtes opérationnaliste ou empiriste. »

Mais, si vous êtes réaliste, vous croyez que le but de la science est d’expliquer la réalité, dit-elle.

Même au sein de la physique quantique fondamentale, on trouve des personnes des deux camps. Tous les chercheurs en physique quantique fondamentale ne sont pas des réalistes scientifiques, et de nombreux opérationnalistes s’efforcent de mieux comprendre la théorie quantique.

Pour Maciel Ansanelli elle-même, le but de la science n’est pas seulement de prédire les choses, mais de comprendre réellement pourquoi elles sont telles qu’elles sont. « Je pense que comprendre la réalité sous-jacente exacte pourrait nous guider vers les théories futures, et nous permettre de vraiment comprendre des sujets comme la gravité quantique, par exemple. »

« Je n’aime pas dire que la physique quantique est bizarre », dit-elle. « Je veux la comprendre. » 

Distinguer le monde quantique du monde classique

Une avenue prometteuse pour ceux qui cherchent à mieux comprendre la théorie quantique consiste à cerner précisément les domaines dans lesquels le monde quantique diffère du monde classique.

« Nous adoptons deux approches : d’une part, nous écartons certains phénomènes atypiques en les modélisant de façon classique et d’autre part, nous démontrons que les phénomènes quantiques restants sont rigoureusement non classiques, selon une définition bien fondée », explique Schmid. « Il y a beaucoup de phénomènes dont nous ne savons pas encore à quelle catégorie ils appartiennent. »

Une méthode utilisée par les chercheurs pour étudier un phénomène consiste à recourir à un outil appelé modèle de jouet. Le modèle de jouet permet de construire un univers sans mécanique quantique, en se basant uniquement sur les principes classiques pour définir son monde. Les chercheurs tentent ensuite de recréer un phénomène quantique dans leurs théories de jouet, en utilisant uniquement les règles classiques.

Les théories de jouet peuvent inciter les chercheurs à envisager des alternatives  aux explications quantiques pour les phénomènes « étranges ». Cependant, ces théories de jouet ne sont qu’un outil pour sonder la mécanique quantique. Elles ne sont pas censées représenter la réalité. « Le modèle ne peut pas être étendu pour reproduire tous les phénomènes possibles », explique Schmid. « Cela reproduit simplement les phénomènes spécifiques que certains ont jugés suffisants pour expliquer toute cette étrangeté, et nous affirmons que non, ces phénomènes sont parfaitement compréhensibles pris isolément. Mais dès qu’on les considère dans leur ensemble, on ne peut pas tout reproduire. »

Ceci nous amène à la prochaine partie des recherches de Schmid : identifier les phénomènes qui ne peuvent être expliqués manière classique. « Il existe certains phénomènes quantiques qui échappent à l’explication classique », conclut-il. « Non seulement parce que nous ne savons pas comment faire, mais aussi parce que nous avons démontré des théorèmes qui prouvent que, compte tenu de nos hypothèses, ces phénomènes particuliers n’auront jamais d’explication classique. C’est impossible. »

Par exemple, l’un des phénomènes qui a résisté à l’interrogation est la non-localité de Bell, où les résultats des mesures effectuées sur deux particules intriquées éloignées l’une de l’autre révèlent une signature quantitative de non-classicalité.

« Nous essayons d’élaborer des théorèmes rigoureux pour identifier les phénomènes spécifiques qui sont réellement étranges. »

Pourquoi les chercheurs doivent aller au-delà de la recette de la physique quantique

« Lorsque la théorie quantique est apparue, elle comportait de nombreux symboles mathématiques abstraits qui suffisent pour permettre de faire des prédictions. Mais nulle part il n’y a de spécification claire des choses qui existent et des propriétés qu’elles possèdent », explique Schmid. « Quand on présente les choses sous cet angle, on se rend compte de l’ampleur du travail qu’il nous reste à accomplir. »

Une théorie quantique correcte mettrait fin aux débats et à la confusion, explique Schmid. Pour yparvenir, la théorie quantique doitinclure une spécification claire de ce qu’on appelle l’ontologie, puis la dynamique.

« L’ontologie désigne la spécification exacte de ce qui existe », explique Schmid. « S’agit-il de particules? D’ondes? Ou d’autre chose? Quelles sont leurs propriétés? ». Et la dynamique, explique-t-il, permettrait de comprendre comment les systèmes quantiques et leurs propriétés évoluent au fil du temps.

Il est important d’interpréter la théorie quantique non seulement pour consolider notre compréhension du monde quantique, mais aussi pour explorer ses applications dans d’autres domaines. « Nous ne savons pas encore comment appliquer la théorie quantique à la gravité, à l’inférence causale ou à l’apprentissage automatique », précise Schmid. « Quelles sont les conséquences de la théorie quantique pour tous ces autres domaines scientifiques? La question reste très ouverte. »

La recherche des mécanismes physiques sous-jacents à la théorie quantique se poursuit. « Il n’y a aucune raison pour que nous ne puissions pas, à terme, élaborer une meilleure théorie qui soit convaincante», déclare Schmid. « C’est ce que nous essayons de faire. »