Le Livre d'Argent

Allez, c'est de nouveau #VendrediVulga, et pour le #Vulgadredi de cette semaine, on va parler de choses qui sont dans plusieurs états à la fois. Ça me rappellera l'époque où j'étais fonctionnaire-stagiaire, ou bien celle où j'ai continué d'aller bosser tous les jours à mon labo tout en devant pointer tous les mois chez pôle-emploi (à ce sujet, les gens qui ont besoin et ne l'ont pas encore fait, pensez à vous actualiser).

Mais je vous rassure, on ne va pas parler emploi, on va plutôt consacrer les seize pouets de cette semaine à parler de quelques bizarreries quantiques. En commençant comme de bien entendu par la lumière et une curieuse expérience impliquant deux fentes et un détecteur. C'est parti ? :-)

2/16 La lumière, on en a déjà parlé plusieurs fois, et jusque là je l'ai surtout décrit comme une onde, notamment dans la vidéo sur les couleurs que je vous ai déjà liée plusieurs fois. Mais une onde, c'est quelque chose qui bouge. Dans le cas du son, ce quelque chose est l'air autour de nous, mais dans le cas de la lumière, qui peut se propager dans le vide de l'espace, c'est quoi ?

Je ne crois pas l'avoir déjà mentionné dans ces threads, mais une particule de lumière, on appelle ça un photon. On considère ça comme une particule élémentaire, un peu comme un atome pour la matière. Sauf que quand une onde se propage dans de la matière, l'onde et la matière sont deux trucs différents. Pour la lumière, pas vraiment.

Allez, s'il y a encore quelques personnes qui ne l'ont pas vu, je vous remet la vidéo : https://skeptikon.fr/videos/watch/eeace01e-b22b-4306-88c3-d9ff45585b05

3/16 En fait, la première tentative à peu près réussie de décrire scientifiquement le fonctionnement de la lumière la considérait déjà comme une onde. C'était au dix-septième siècle, avant qu'on découvre la notion moderne d'atomes, et c'est Christiaan Huygens, dont je vous ai parlé dans le thread sur le microscope (mais honnêtement j'aurais dû vous en parler plus que ça, il a fait d'autres choses chouettes) qui en est l'auteur.

Sauf que pas longtemps après, un certain Isaac Newton a formulé une autre description, présentant la lumière comme un ensemble de particules, ce qui marchait mieux dans le cas des miroirs qu'il utilisait (et un peu moins bien dans le cas des lentilles utilisées par Huygens, mais ça marchait quand même). Et bon, disons que le fait qu'une des deux théories ait été formulée par Newton en personne a pas mal joué sur laquelle des deux on a retenu par la suite.

Vous avez manqué le thread sur le microscope ? Il est là : https://fadrienn.irlnc.org/notice/B0TuiSURCfVA9ialuq

4/16 Cela a néanmoins changé en 1801, l'année de la découverte de Cérès dont j'ai déjà parlé dans un autre thread, quand un dénommé Thomas Young a tenté une expérience un peu particulière. En faisant passer la lumière à travers deux fentes situées à côté l'une de l'autre, Young a observé des zones claires et des zones sombres se former, typique de ce qui se produit quand des ondes interagissent entre elles.

Ces résultats, évidemment reproduits par d'autres scientifiques, ont fait changer les points de vue et convaincu le monde scientifique de l'époque que la lumière était une onde, plutôt qu'un ensemble de particules. En tout cas pour le reste du siècle (donc ce n'est peut-être pas la peine que je vous remette le dessin de Gotlib montrant Newton qui se prend une pomme sur la tête, d'autant qu'on ne parle pas de gravité ici).

5/16 Car au début du siècle suivant, un autre physicien légèrement influent, cette fois dénommé Albert Einstein, a de nouveau mis en avant une vision corpusculaire de la lumière, ce qui correspondait mieux dans sa description de l'effet photoélectrique (qui est ce pour quoi il a obtenu son prix Nobel, les théories de la relativité n'étant pas éligibles). Toutefois, l'explication ondulatoire restait meilleure pour d'autres aspects.

C'est en 1924 que Louis de Broglie parviendra à trancher… ou plutôt, justement, à clore la question sans trancher : la lumière est en fait les deux à la fois, en fonction de la façon dont on l'étudie. C'est ce que l'on appelle la « dualité onde-corpuscule ».

6/16 C'est en fait quelque chose que l'on peut constater avec l'expérience des deux fentes de Young, en diminuant la quantité de lumière envoyée à travers le dispositif. Si l'on fait en sorte que la source n'émette plus que la quantité minimale de lumière possible, un unique photon, on va constater un impact ponctuel sur le récepteur, ce qui montre bien que c'est une seule particule qui a traversé le dispositif.

Là où la chose devient étrange, c'est que si on envoie plusieurs photons successivement, de façon strictement séparée, et qu'on note leurs positions d'impact… on voit progressivement se redessiner les zones claires et les zones sombres typiques de ce qui se passe quand deux ondes interagissent entre elles. Un peu comme si chaque photon avait individuellement reproduit ce qui se passe quand il y a assez de lumière pour passer par les deux fentes à la fois.

7/16 Ça a évidemment pas mal surpris. Cherchant à comprendre le phénomène, on a donc tenté d'ajouter un capteur au dispositif, afin de déterminer par laquelle des deux fentes passait chaque photon. Et le résultat de l'expérience a été… que la figure finale a changé, montrant cette fois-ci le résultat typique d'un ensemble de particules et non plus des interactions entre des ondes.

Non seulement la lumière est à la fois onde et particule, mais elle semble même changer de comportement en fonction de la façon dont on cherche à l'étudier ! Après tout, observer, c'est perturber, et nous n'avons affaire là qu'à une des nombreuses bizarreries que compte le monde quantique.

8/16 Tout se passe en fait comme si, en l'absence d'un dispositif de détection sur son trajet, chaque photon individuel empruntait simultanément tous les chemins possibles devant lui, donc à travers les deux fentes à la fois, jusqu'à parvenir à une position au niveau du détecteur final qui dépend donc de toutes les interactions considérées.

La présence d'un détecteur sur son trajet cherchant à déterminer par quelle fente il passe va le « forcer » à prendre une position précise au moment du passage, et donc à ne plus passer que par une seule des deux fentes, ce qui affecte évidemment pas mal la suite du trajet.

9/16 D'ailleurs, De Broglie a montré au passage que ça ne s'arrêtait pas à la lumière. Les particules de matière présentent également une telle dualité. Ce sont notamment ces travaux qui mèneront, dans les années qui suivent, à abandonner le modèle présentant les atomes comme une sorte de système solaire miniature, avec des électrons bien localisés tournant autour du noyau, comme je le mentionnais rapidement la semaine dernière⁽*⁾.

Pour rester fidèle à la réalité quantique, on ne peut décrire les électrons autour d'un atome que par des nuages de probabilité, considérant que chaque électron est partout à la fois tant qu'on ne l'a pas « forcé » à prendre une position précise par un dispositif de détection spécifique.

(∗) Le thread est là si vous l'avez manqué : https://fadrienn.irlnc.org/notice/B0i3iWqqbgijU0cabg

10/16 Aussi bizarre que ça paraisse, une particule quantique ne peut en fait pas avoir simultanément une vitesse et une position. C'est le fait de chercher à mesure l'une ou l'autre de ces propriétés qui la fait exister… et rend alors impossible de déterminer l'autre, ce qui amène à quelques blagues de niche assez spécifique (à base de flic qui arrête un·e physicien·ne sur la route et lui demande « Dites, vous saviez à quelle vitesse vous rouliez ? », par exemple).

Ce principe d'indétermination a été nommé un peu hâtivement « principe d'incertitude » par Werner Karl Heisenberg, et depuis, tout le monde semble s'accorder pour garder ce nom, mais en râlant sur le fait qu'il ne correspond pas vraiment (c'est un problème de détermination, pas de certitude). Mais même si tout le monde râle, personne ne semble décidé à essayer de changer de nom, ce qui est peut-être aussi une sorte d'effet quantique bizarre.

11/16 Quand on commence à évoquer la physique quantique, il faut donc s'habituer à ce que nos objets d'études soient à plusieurs endroits, ou dans plusieurs états, simultanément, jusqu'à ce qu'une observation vienne « forcer » une possibilité plutôt qu'une autre. Mathématiquement parlant, c'est quelque chose de tout à fait gérable : tant qu'on ne parle que d'équations, la physique quantique ne présente aucun problème (aux gens qui ont le niveau, en tout cas).

C'est surtout pour ce qui est de notre imagination que les difficultés se mettent en place. Surtout si on essaye de le transposer sur des objets de tous les jours. Ainsi, Albert Einstein avait proposé d'imaginer un baril de poudre qui exploserait, ou pas, en fonction de l'état d'une particule : si la particule peut être dans plusieurs états à la fois, alors il faudrait admettre que le baril de poudre a explosé et n'a pas explosé en même temps !

12/16 Une variante lui a alors été suggérée par Erwin Schrödinger : celle d'un chat enfermé dans une boîte dans laquelle un dispositif brise ou pas une fiole de poison, toujours en fonction de l'état d'une particule. Si la particule est dans plusieurs états à la fois, alors la fiole est à la fois intacte et brisée, et donc le chat est à la fois mort et vivant, tant qu'on n'a pas ouvert la boîte pour vérifier.

Évidemment, ce n'est pas sur le Fédivers que j'apprendrais à qui que ce soit que les chats attirent davantage notre attention que les barils de poudre, et la version de Schrödinger est devenue bien plus célèbre que celle d'Einstein. Ce qui est un peu dommage, car, Schrödinger lui-même, le scientifique, était par ailleurs une assez horrible personne (des détails se trouvent sur sa fiche Wikipédia (surtout la version anglophone), mais disons que le TW « abus sexuels sur mineurs » nous évitera de détailler ici), et franchement on gagnerait à oublier un peu son nom.

13/16 Qu'on parle du chat et de la fiole de poison ou du baril de poudre, il faut quand même préciser une chose : ouvrir la boîte ne change rien. Ou disons, pour revenir à l'histoire du nom choisi par Heisenberg, qu'ouvrir la boîte ne jouera que sur notre (in)certitude. Au moment où on décide de l'ouvrir, ce qu'il y a dedans a déjà été déterminé, et à aucun moment l'animal ou l'objet n'aura été dans plusieurs états à la fois.

Pourquoi ça ? Parce que quelle que soit la manière d'imaginer un tel dispositif, pour briser la fiole ou faire exploser le baril en fonction de l'état d'une particule, il est d'abord nécessaire… de détecter l'état de cette particule. Ce qui va donc la forcer à en adopter un et un seul, puisqu'elle n'est dans plusieurs états à la fois que tant qu'on ne détecte rien.

14/16 Il a pourtant fallu pas mal de temps pour arriver à formaliser cette conclusion, puisque cette explication, la meilleure dont on dispose à ce jour pour expliquer les différences de fonctionnement entre le monde quantique et notre réalité de tous les jours, n'a été formulée qu'en 1970, et qu'on n'a commencé à en trouver des preuves expérimentales qu'en 1996, quand Einstein et l'autre, là, ont formulé leurs expériences de pensée en 1935.

Le principe est que, dans le monde autour de nous, aucune particule n'est isolée : tout interagit avec tout. Et les interactions entre les particules peuvent avoir le même effet qu'une détection que nous mettrions en place : si les objets quantiques sont dans plusieurs états à la fois, les objets macroscopiques sont pour leur part constitués de tellement d'interactions dans tous les sens qu'à leur niveau, un seul état simultané est possible.

Mais pour plus de détails, je vous renvoie à ceci : https://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9coh%C3%A9rence_quantique

15/16 Pas la peine de venir imaginer un pouvoir de l'esprit sur la matière ou que sais-je encore : si la physique quantique a plein d'aspects bizarres, elle ne vient absolument pas justifier les nombreuses croyances « new age » qui la prennent pour prétexte, et qui souvent n'ont de rapport avec elle que ce mot de « quantique » utilisé à tort et à travers.

Mais si ce genre de sujets-là que vous intéresse, alors vous en apprendrez bien davantage en écoutant l'excellent podcast de @MetadeChoc qu'en lisant mes pouets, car c'est une question que je maîtrise assez peu. Vous trouverez ça notamment sur sa chaîne « Script » sur Skeptikon, mais aussi sur plusieurs plateformes davantage dédiées aux podcasts.

Et puis si vous voulez aller voir son site, c'est par là : https://metadechoc.fr/

16/16 En tout cas, je pense que j'ai fait le tour de ce que j'avais à dire sur la question pour aujourd'hui, même si je vais évidemment finir ce thread par la phrase par laquelle Richard Feynman terminait ses cours sur la physique quantique : « Si vous m'avez bien compris, c'est que je n'ai pas été clair. »

Allez, la semaine prochaine, on attaquera peut-être enfin ces histoires de constantes nommées d'après Max Planck, depuis le temps que je vous les mentionne, et on en profitera pour parler d'un léger petit souci dans le domaine de la physique : la théorie de la relativité générale et la théorie quantique sont incompatibles entre elles. Oups. En attendant, je prends les retours et les suggestions, comme d'hab. Merci pour la lecture !