Pendant un siècle, la théorie quantique a réussi tous les tests expérimentaux, mais les physiciens ne peuvent pas s'entendre sur la façon de l'utiliser pour peindre un tableau de notre réalité – ou même si cela est possible
Que signifie vraiment l'interprétation en ce qui concerne la théorie quantique?
Si vous demandiez à mille physiciens, ils seraient tous en désaccord. Cette déclaration pourrait s'appliquer à un certain nombre de sujets – que l'univers soit infini, de quoi est fait la matière noire, comment faire en sorte que les fils conduisent parfaitement – mais il n'est pas seulement abstrait. Il y a quelques semaines, une équipe à Nature a posé une question qui a divisé le champ de cette façon précisément. Ils ont interrogé 1100 physiciens pour demander leur interprétation préférée de la mécanique quantique. Le résultat? Ils «ne sont pas d'accord sauvagement».
Ce n'est pas une surprise pour moi – je rencontre des physiciens qui interprètent les résultats des expériences quantiques différemment tout le temps de mes rapports. C'est-à-dire qu'ils peuvent chacun regarder le même ensemble d'équations ou de résultats expérimentaux et repartir avec une idée différente de ce que cela nous dit sur la réalité.
Alors, dans quelle mesure ce désaccord et la question de l'interprétation lui-même sont-ils importants? Tout d'abord, il est étrange que cela se produise concernant la mécanique quantique, une branche de la physique que nous avons maintenant passé 100 ans à soumettre une batterie implacable de tests. Il n'y a aucun moyen de le nier: la théorie de la mécanique quantique, un ensemble de lois souvent contre-intuitives de la physique qui régissent le comportement de tout ce qui est très petit ou très froid, est un succès scientifique incroyable. Non seulement il a passé tous nos tests avec des couleurs volantes, mais il nous a permis de construire des technologies comme les transistors qui alimentent nos appareils électroniques et les fibresoptiques qui rendent Internet possible. «La mécanique quantique va de manière incroyablement réussie, à la fois théoriquement et dans un sens appliqué», explique Peter Lewis au Dartmouth College dans le New Hampshire.
Pourtant, pour le dire grossièrement, simplement parce que les physiciens savent comment écrire des équations et construire des appareils, ils ne savent pas toujours – ou sont d'accord – sur ce que tout cela signifie. Ils ne peuvent tout simplement pas s'entendre sur la façon et même si la mécanique quantique capture la réalité physique objective de notre monde. Le Nature L'enquête montre autant: l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique – qui décourage les physiciens de poser des questions sur la vraie nature des objets quantiques, tels que l'électron, et les implore à «taire et calculer», car les mots ne peuvent pas être adaptés sans ambiguïté à quelque chose de objectivement réel – a obtenu la plus grande part de votes, mais a encore obtenu la confiance de 36 pour cent des répondants objectivement. D'autres ont mis leur stock dans l'interprétation des mondes dans les mondes, ce qui nécessite que l'on souscrit à un univers infiniment grand, ou des théories superdéterministes, qui se rapprochent de l'élimination du libre arbitre et de la pose que tout est prédéterminé, entre plusieurs réponses possibles. Étonnamment, le pourcentage de physiciens qui avaient confiance en leur interprétation préférée étaient corrects était modeste de 24%.
Les désaccords sont également survenus lorsque les physiciens ont été interrogés sur certaines des agrafes de la théorie quantique: son objet mathématique central appelé la fonction d'onde, le lien inextricable entre les particules appelé enchevêtrement quantique, et même la célèbre expérience à double fente, qui a établi que toutes les matières ont une nature d'onde cachée. « De plus, certains scientifiques qui semblaient être dans le même camp n'ont pas donné les mêmes réponses aux questions de suivi, suggérant une compréhension incohérente ou disparate de l'interprétation qu'ils ont choisie », a écrit Elizabeth Gibney dans son analyse de l'enquête, soulignant à quel point il y a non seulement un désagrément, mais aussi une confusion pure sur les principes fondamentaux des mécaniques quantiques, il y a parmi les physiciens.
Lewis dit que cette situation – la combinaison d'un succès technique étonnant et d'un désarroi philosophique absolu – est unique dans l'histoire de la science. Que faire de cette situation n'est pas non plus claire. Un physicien a suggéré qu'il était embarrassant pour le domaine, mais un autre a fait valoir qu'une diversité de points de vue est une chose positive. En essayant de me décider sur le point de me pencher le plus, j'ai réalisé que j'étais coincé sur le mot «interprétation». Que représente-t-il réellement et qu'est-ce qui fait d'une interprétation plausible ou compétitive? Donc, je suis retourné à la source, pour moi, de toute façon: j'ai appelé mon premier professeur de mécanique quantique.
«Quand je pense aux interprétations de la mécanique quantique, pour moi, cela signifie quelque chose qui n'est pas tant de physique, mais c'est plus de philosophie, peut-être de la psychologie», explique Jeffrey Harvey à l'Université de Chicago. Je me souviens de sa classe comme ayant été mathématiquement difficile, et des souvenirs de mon excitation à apprendre que les fonctions d'onde «vivent» dans le «Hilbert Space» mathématiquement abstrait dans mon esprit. Mais je ne me souvenais pas de discussions explicites sur la façon d'interpréter les conséquences les plus terminées des mathématiques avec lesquelles nous nous attaquons. Harvey dit qu'il est réticent à enseigner aux élèves des interprétations différentes parce qu'ils sont en concurrence des «modèles mentaux», plutôt que des cadres qui pourraient être distingués expérimentalement. Si deux interprétations découlent des mêmes équations et prédisent le même ensemble d'observations expérimentales, pourquoi préférer les unes par rapport aux autres? «C'est une sorte de point de vue agnostique. Je préfère simplement garder l'esprit ouvert sur quelque chose que je ne suis pas forcé par les preuves pour faire un choix», explique Harvey.
Jonte Hance à l'Université de Newcastle au Royaume-Uni, en revanche, met en garde contre l'utilisation de l'interprétation du mot trop librement. Certaines interprétations sont en fait des extensions de la mécanique quantique, car elles ajoutent ou modifient les équations au cœur de la théorie. «Une partie du problème ici est que les gens ne sont pas d'accord sur ce qu'est une interprétation et ce qui est nécessaire, quels sont les problèmes auxquels sont confrontés la mécanique quantique», explique Lewis. Le Nature L'enquête a rompu les réponses des répondants à travers huit interprétations, et Lewis souligne que si certains ajoutent des ingrédients aux règles de base de la mécanique quantique, d'autres enlèvent des règles, et certaines, comme l'interprétation de Copenhague, détournent la question de la nécessité d'interpréter ces règles.
Pour comprendre cela, il est utile de penser à la célèbre équation de Schrödinger, qui est souvent l'équation qu'un physicien tentera de résoudre pour déterminer ou prédire, eh bien, tout sur un objet quantique. Certaines interprétations de la mécanique quantique – par exemple, l'interprétation des plusieurs mondes – utilisent l'équation de Schrödinger telle qu'elle est écrite à l'origine, sans la changer. Une autre interprétation appelée théorie spontanée en termes d'allège, qui vise à résoudre pourquoi nous ne voyons pas les effets quantiques dans la vie quotidienne, ajoute des symboles et des nombres supplémentaires, qui représentent un nouveau processus physique, à l'équation de Schrödinger. Hance dit que cela fait techniquement ce dernier une extension plutôt qu'une interprétation. Dans ce cas, il peut alors être possible de formuler un test expérimental qui déterminerait si notre monde appelle vraiment à la modification de l'équation de Schrödinger.
Ce serait la preuve qui pourrait forcer des chercheurs comme Harvey à quitter l'agnosticisme. Hance dit qu'une extension réussie de la mécanique quantique pourrait expliquer les nombreuses expériences que la théorie correspond déjà exceptionnellement bien, mais elle devrait également faire des prédictions sans ambiguïté et concrètement testables.
Dans le même temps, les trois chercheurs à qui j'ai parlé ont concédé que de nombreux physiciens peuvent faire plaisir et réussir à faire leurs travaux quotidiens sans avoir à affronter les problèmes d'interprétations de la mécanique quantique – une autre fonction de la mécanique quantique remarquablement réussie. C'est, en partie, pourquoi ma classe avec Harvey n'a pas inclus de leçon sur l'interprétation de la mécanique quantique: j'étais simplement formé pour l'utiliser. «En ce qui concerne la plupart des types d'innovation et d'application de la mécanique quantique, je ne vois pas que (l'interprétation) compte. Cela n'a que d'un point de vue philosophique», explique Lewis.
Mais cela ne signifie pas qu'il n'y a aucune valeur à penser aux interprétations, même, dans le sens le plus strict du terme, ces endroits où les interprétations concurrentes ne produisent pas de prédictions expérimentales concurrentes. «Les modèles mentaux que les physiciens ont peut-être ne faire pas partie de la physique, mais ils peuvent être une partie importante de la façon dont les gens développent de nouvelles idées. En ce sens, je pense qu'une diversité de modèles mentaux est probablement une bonne chose dans la mesure où elle aide les physiciens à explorer de nouvelles idées qui sortent de la mécanique quantique de différentes manières», explique Harvey.
Au-delà de cela, et surtout en ce qui concerne les extensions de la mécanique quantique, la perspective philosophique n'est pas non plus à éternuer. Pour Lewis, cette faille historiquement sans précédent entre l'utilité et le sens de la mécanique quantique peuvent contenir des leçons sur les limites de la science et comment nous pensons à ce que la science peut et ne peut pas faire. Le fait que la mécanique quantique soit un modèle mathématique du monde qui le décrit très bien, mais nous ne pouvons pas développer et nous convenir de ce que cela signifie, est quelque chose qui vaut la peine d'être déballé, dit-il.
Hance soutient également que la création de sens fait partie intégrante de la physique. Lorsque nous parlons, ils me demandent si j'ai vu Elon Musk publier sur les médias sociaux sur la façon dont il n'y a pas de chercheurs, juste des ingénieurs. Je ne l'ai pas fait, mais je suis frappé par la réduction de la réclamation. «Pour moi… en quelque sorte en train de démarrer les équations, c'est simplement de faire des ingénieurs de nous. Certaines personnes choisissent d'être ingénieurs, mais je ne l'ai certainement pas fait. Je suis ici parce que je veux comprendre ce qui se passe vraiment», explique Hance. Cela ne veut pas dire que les ingénieurs ne sont pas motivés par la curiosité, mais moi aussi je me sens comme une certaine souche de troubles existentiels, de vouloir savoir non seulement comment faire fonctionner une chose, mais aussi ce que sa chose fondamentale est, pour ainsi dire. C'est une question qui a maintenu les physiciens la nuit pendant des siècles – et cela continuera presque à le faire.
