La physique quantique (2.1) : l'infiniment petit et la mesure

Contexte historique

" Le développement de la physique quantique, au XXe siècle, est l'une des aventures intellectuelles les plus extraordinaires de l'humanité ", écrivent Alain Aspect et Philippe Grangier, physiciens qui ont contribué à valider, par leurs expériences, cette théorie. Une dimension particulière de la théorie fut particulièrement discutée à partir de 1935. Un article de 1935, cosigné par Einstein, Podolsky et Rosen, " La description quantique de la réalité physique peut-elle être considérée comme complète ? ", montre que le formalisme quantique prédit l'existence d'états particuliers de deux particules caractérisés par de très fortes corrélations à la fois des vitesses et des positions.

Ainsi, pour connaître l'état d'une des particules, il suffirait de connaître l'état de l'autre, même si elles sont très éloignées l'une de l'autre. C'est le paradoxe EPR, acronyme du nom des auteurs signataires ou principe de superposition. Alors qu'en physique classique, une particule doit à tout instant se trouver en un endroit précis, en physique quantique, elle se retrouve " suspendue " dans une superposition d'états correspondant à toutes les positions possibles. Chaque position est décrite par un nombre particulier (matrice) appelée fonction d'onde, introduite par Louis de Broglie ; l'évolution de l'ensemble des positions est décrite par une équation déterminée par Erwin Schrödinger (1887-1961) : ce physicien, récompensé en 1933 par le Prix Nobel, jette ainsi les bases de la physique quantique. Ainsi, d'après la théorie quantique, la superposition ne subsiste que tant que l'on ne cherche pas à déterminer la position de la particule. Si on cherche à la connaître, " on force la nature à abandonner son étrangeté quantique ". La particule apparaît bien en un point et en un seul, mais cette apparition ne peut être prévue que de façon probabiliste ou statistique. La mesure de la position d'une particule produit ainsi ce qu'on appelle une " réduction du paquet d'ondes ".

Cette ambiguïté fondamentale, difficilement concevable et critiquée par de nombreux physiciens, dont Schrödinger lui-même, a trouvé récemment une confirmation expérimentale, grâce aux travaux d'Alain Aspect. Une autre confirmation expérimentale est venue en 1987 à l'occasion de l'expérience Super-Kamiokande conduite au Japon. Cette expérience confirme l'existence des neutrinos, particules très petites. Ils sont observés à l'occasion de l'explosion de la supernova 1987A (SN1987A). Les recherches conduites en 1998 au même endroit ont prouvé que ces particules avaient une masse, inférieure à l'électron (et non nulle comme l'indique Marc Lachièze-Rey).

Bibliographie :

• Alain Aspect et Philippe Grangier, " De l'article d'Einstein Podolsky et Rosen à l'information quantique : les stupéfiantes propriétés de l'intrication ", in Einstein aujourd'hui, Paris, EDP Sciences/CNRS Editions, pp. 39-86.
• Serge Haroche, " Une exploration au coeur du monde quantique ", in Qu'est-ce que l'Univers ?, Université de tous les savoirs, vol. 4, sd Y. Michaud, Paris, Odile Jacob, 2001, pp. 571-588.
• François Lurçat, Niels Bohr et la physique quantique, Paris, Le Seuil, collection " Points, 2001.

Éclairage média

L'émission "Océaniques des idées " est un programme grand public diffusé sur FR3 entre 1987 et 1990, dont l'objet est de présenter les grands thèmes de l'histoire des idées contemporaines dans tous les domaines du savoir. L'émission dont est extrait le document a choisi d'explorer le thème de " L'infiniment petit ", titre de l'émission, et ainsi de présenter les grandes idées de la physique quantique.

Sous la forme d'un plateau, deux physiciens spécialistes d'astrophysique, Marc Lachièze-Rey et Hubert Reeves, familiers des émissions de vulgarisation sont autour d'une table ronde. Dans le public, des journalistes et des personnalités invités pour l'occasion posent des questions préparées. Ainsi Jean-Claude Carrière, acteur, et Marie-Odile Monchicourt, journaliste scientifique, sont amenées à interroger les physiciens. On peut noter toutefois l'apparent manque de préparation dans l'imprécision de la description faite par Marie-Odile Monchicourt, dont la présentation est corrigée en voix off par Hubert Reeves.

Tout en détournant formellement le cours, c'est pourtant le rapport professeur-élève qui est conservé dans cette émission de vulgarisation. Quelques artifices de présentation - insertions d'écrans dessinés - permettent d'illustrer et d'alléger le propos didactique des intervenants.