La mécanique quantique constitue la vision la plus fondamentale que nous ayons du monde. Pourtant, un siècle après sa formulation, elle soulève encore des questions élémentaires auxquelles nous n’avons toujours pas répondu. Ces interrogations ne relèvent pas de difficultés techniques, mais de la profondeur même du sujet : que se passe-t-il réellement lors d’une mesure ? Quelle est la véritable nature de la réalité ? Ces mystères se situent à la croisée exacte de la physique et de la philosophie.
Aujourd’hui, une grande partie des physiciens décourage la réflexion approfondie sur ce que dit véritablement la mécanique quantique. Cependant, en explorant sérieusement ces concepts, il devient possible de concevoir de nouvelles manières de les tester et de repenser notre compréhension de l’univers, du temps et de la gravité.
L’expérience de la double fente et le comportement de l’électron
Pour saisir l’étrangeté du monde quantique, l’expérience de la double fente est incontournable. Historiquement conçue dans les années 1800 par Thomas Young pour prouver que la lumière est une onde, elle a ensuite été adaptée pour interroger la nature des particules élémentaires, comme l’électron.
Lorsqu’un électron est envoyé à travers deux fentes sans être observé, et que l’on répète l’opération de nombreuses fois, les points d’impact sur l’écran forment des bandes caractéristiques. Ce résultat prouve que l’électron se comporte comme une onde qui interfère avec elle-même. Mais si l’on place un détecteur pour savoir par quelle fente l’électron passe, la figure d’interférence disparaît instantanément. L’électron redevient une simple particule et forme un amas chaotique sur l’écran.
La conclusion est vertigineuse : un électron est une onde lorsqu’on ne le regarde pas, et une particule lorsqu’on l’observe. Avant la mesure, il est décrit par ce que l’on appelle une fonction d’onde. Au moment précis de l’observation, cette fonction d’onde s’effondre pour prendre l’apparence d’une particule localisée.
L’interprétation de Copenhague : une vision incomplète ?
La façon standard d’enseigner ce phénomène repose sur l’interprétation de Copenhague, héritée des travaux de Niels Bohr et Werner Heisenberg dans les années 1920 et 1930. Cette approche stipule simplement que la fonction d’onde s’effondre lors d’une mesure, donnant un résultat défini par des probabilités. Selon cette vision, la fonction d’onde n’est pas réelle ; ce n’est qu’un outil mathématique pour calculer les résultats d’une mesure. Seules les observations créent la réalité.
Cependant, cette interprétation pose deux problèmes majeurs :
- Le problème de la mesure : Le concept même de mesure ou d’observateur n’est pas défini. S’agit-il d’un être humain ? D’un chat ? D’une caméra ? À quel moment exact l’effondrement se produit-il ? Une théorie fondamentale ne devrait pas reposer sur des termes flous.
- Le problème de la réalité : Si la fonction d’onde n’est pas réelle, comment quelque chose d’irréel peut-il interférer avec lui-même dans l’expérience de la double fente ? Les probabilités quantiques ne s’additionnent pas de manière classique, suggérant que la fonction d’onde possède toutes les propriétés d’une entité physique bien réelle.
L’interprétation de Copenhague trace une ligne arbitraire (la coupure de Heisenberg) entre un monde quantique microscopique et un observateur classique macroscopique. Pourtant, l’observateur est lui-même constitué d’atomes obéissant aux lois quantiques.
La théorie des mondes multiples : prendre les mathématiques au sérieux
Pour résoudre ces paradoxes, il suffit d’accepter une prémisse simple : la fonction d’onde représente la réalité de manière précise et complète, et les observateurs sont des systèmes quantiques obéissant à la même équation (l’équation de Schrödinger) que le reste de l’univers. C’est le cœur de l’interprétation des mondes multiples.
Dans ce cadre, il n’y a rien de spécial dans l’acte de mesure. Lorsqu’un scientifique observe un électron, il interagit simplement avec lui. Puisque la fonction d’onde de l’électron est une superposition de plusieurs états possibles (l’électron est ici et là), l’interaction crée une superposition à plus grande échelle. Le système global devient : l’électron était ici et le scientifique l’a vu ici, plus l’électron était là et le scientifique l’a vu là.
Ces différentes possibilités existent simultanément. L’observateur s’est intriqué avec le système observé, séparant la réalité en différentes branches indépendantes. Toutes les issues possibles se réalisent, créant de multiples mondes parallèles, ce qui découle naturellement et mathématiquement des équations quantiques sans nécessiter de règles supplémentaires.
Les autres approches : ondes pilotes et effondrement objectif
Bien que la théorie des mondes multiples soit élégante, la communauté scientifique reste divisée et explore d’autres pistes :
- La théorie de l’onde pilote (ou mécanique de Bohm) : Elle postule que l’électron est à la fois une onde et une particule. Une onde physique traverse les deux fentes et guide une véritable particule le long d’une trajectoire précise. Si cette image est séduisante pour des systèmes simples, elle s’intègre très mal avec la théorie quantique des champs moderne, qui décrit l’univers non pas comme des particules, mais comme des champs continus.
- Les modèles d’effondrement objectif : Ces théories affirment que la fonction d’onde est réelle et qu’elle s’effondre physiquement et spontanément. Pour un électron isolé, cela arrive très rarement. Mais pour un objet macroscopique composé de milliards d’atomes intriqués (comme une chaise ou un appareil de mesure), les effondrements sont incessants, forçant l’objet à rester dans un état classique bien défini.
Le conflit avec la gravité et l’illusion du temps
La mécanique quantique fonctionne parfaitement pour expliquer l’électromagnétisme et les forces nucléaires. Historiquement, les physiciens ont pris des théories classiques pour les quantifier. Mais lorsqu’ils tentent d’appliquer cette méthode à la relativité générale d’Einstein (notre théorie classique de la gravité et de l’espace-temps), le processus échoue.
La relativité fusionne l’espace et le temps en un tissu unique. À l’inverse, l’équation de Schrödinger utilise le temps comme un simple paramètre d’évolution externe. Si l’on essaie de quantifier la gravité, on obtient l’équation de Wheeler-DeWitt. Le résultat de cette équation est stupéfiant : le taux de variation de la fonction d’onde de l’univers est égal à zéro. L’univers n’évolue pas. Le temps n’existe pas au niveau fondamental.
Face à ce problème du temps, de nombreux physiciens tentent de démontrer que le temps est une propriété émergente de l’univers, bien qu’ils aient tendance à manipuler les équations pour retrouver la notion de temps unidirectionnel qu’ils connaissent déjà.
L’entropie, la flèche du temps et la cosmologie cyclique
Dans notre expérience quotidienne, le temps possède une flèche évidente : nous nous souvenons du passé, mais pas du futur. Pourtant, aucune loi fondamentale de la physique n’impose cette direction. La seule raison pour laquelle le temps semble avancer est liée à l’entropie, c’est-à-dire le niveau de désordre d’un système.
L’univers a commencé il y a 14 milliards d’années dans un état d’entropie extrêmement faible, très ordonné. Depuis, l’entropie ne cesse d’augmenter, poussant l’univers vers une mort thermique inéluctable où tout sera froid, vide et en équilibre. La direction du temps est simplement la direction dans laquelle l’entropie augmente.
En appliquant rigoureusement la mécanique quantique à la cosmologie, de nouvelles hypothèses émergent. Si l’univers évolue dans un espace de possibilités délimité sur une durée infinie, de manière fluide et déterministe, il est forcé de se répéter. Cela donne naissance à un modèle d’univers cyclique exact.
Dans ce modèle, l’univers s’étend, se refroidit, puis finit par se contracter vers un Big Crunch. De manière fascinante, lors de cette contraction, les équations agissent comme une inversion temporelle parfaite du Big Bang. L’entropie diminue vers le point de rebond. Pour d’éventuels observateurs vivant dans cette phase de contraction, leur perception du temps serait inversée : ils considéreraient notre futur comme leur passé, car la conscience du temps suit toujours la direction de l’augmentation de l’entropie. Finalement, dans l’état de mort thermique maximale, l’entropie cesse d’évoluer, et la flèche du temps s’efface tout simplement, résolvant ainsi l’un des plus grands mystères de notre réalité.
Source : New Scientist
