Nous pouvons décrire le domaine quantique en utilisant des mathématiques simples – mais une fois que nous essayons de traduire ces idées dans le monde réel, les choses deviennent bizarres. Notre chroniqueur quantique Karmela Padavic-Callaghan explique pourquoi
Pourquoi le royaume quantique est-il si bizarre?
Ce qui suit est un extrait de notre newsletter Lost in Space-Time. Chaque mois, nous remettons le clavier à un physicien ou en mathématicien pour vous parler des idées fascinantes de leur coin de l'univers. Vous pouvez vous inscrire à Lost dans l'espace-temps ici.
Avant d'entrer à l'université, j'ai appris que la physique quantique est le type de physique le plus mystérieux, plein de particules qui existent à deux endroits à la fois, des vagues qui ne font pas réellement agiter et des objets dont le comportement peut dépendre des choses qui se produisent de l'autre côté de notre univers. J'étais impressionné – jusqu'à ce qu'un dîner dans le département de physique de mon université me dissuade. Au cours de la pizza, j'ai demandé à un expert en optique quantique sur leur travail. « C'est juste une algèbre linéaire », ont-ils déclaré entre les morsures graisseuses.
J'ai été choqué par la rapidité avec laquelle ils avaient retiré le mystère de tout cela. Mais il est vrai que lorsqu'il s'agit de comparer les mathématiques et ce que les chercheurs voient dans les expériences, la physique quantique se compare avec bien. En ce sens, c'est l'une des théories scientifiques les plus réussies – sinon les plus réussies. Il n'y a rien de inexact dans l'ébullition de toutes les bizarreries quantiques contre-intuitives et pliantes à quelque chose d'aussi simple que «juste» un type d'algèbre. Alors pourquoi ne peut-il pas échapper à sa réputation d'être bizarre?
La réponse réside dans la façon dont la mécanique quantique s'aligne – ou ne le fait pas – avec notre expérience du monde. Souvent, il semble que dès que quelque chose de quantum quitte le domaine des mathématiques, cela devient presque inconcevable. Donc, pour moi, la véritable bizarrerie de la physique quantique, et une grande partie de son attrait, réside dans la façon dont il nous confronte à la possibilité que les outils que nous avons inventés pour comprendre le monde ne vont que si loin. Cela me fait également me demander si je pourrais vraiment développer une intuition quantique.
Chaque théorie de la physique utilise son propre type de mathématiques. Prenez les lois d'Isaac Newton, qui peuvent aider à prédire à quelle vitesse vous devez pédaler un vélo sur une colline pour éviter de glisser vers le bas – ce ne sont qu'un ensemble d'équations différentielles. Un autre exemple est l'électromagnétisme, dont la théorie s'exprime par calcul tridimensionnel. Surtout, cependant, vous n'avez pas besoin d'expertise dans la prise de dérivés de fonctions pour vous empêcher de rouler sur une colline, et vous n'avez pas besoin de savoir ce qu'est un produit vectoriel pour coller un aimant à votre réfrigérateur. Votre expérience et les réflexes de votre corps sont tout ce qui est nécessaire. L'apprentissage des mathématiques l'explique.
Quantum Physics a également revendiqué son propre coin de mathématiques, mais la façon dont nous l'utilisons pour donner un sens à la théorie est beaucoup moins simple. Dans certains cas où notre intuition dit «impossible», les mathématiques prouvent le contraire.
La théorie quantique a été construite sur le travail avec des matrices, des équations d'ondes et une probabilité par certains de ses fondateurs les plus connus, tels que Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger et Max Born. Même ils soupçonnaient le saut des mathématiques sur la page au monde physique que nous vivons serait inhabituellement difficile. Les décennies intermédiaires ont prouvé que cette difficulté était si grande qu'elle remet en question si la pratique de la physique peut capturer pleinement la réalité.
« La réalité résiste à l'imitation à travers un modèle », a écrit Schrödinger en 1935, déplaçant les lacunes de la compréhension des physiciens de l'expérience quantique pionnière de l'époque. Heisenberg était encore plus bouleversé par la relation entre la réalité et les mathématiques, délibérant dans son livre de 1958 Physique et philosophie: la révolution de la science moderne sur la question de savoir si des phénomènes qui ne peuvent pas être décrits par les mathématiques pourraient même survenir.
Considérons que l'un des comportements quantiques jugés souvent les plus étranges: les particules peuvent exister dans une superposition d'états, ni précisément ici ni là. Il s'agit d'un élément clé de la célèbre expérience à double fente. Ici, un objet quantique, comme un électron ou une autre particule subatomique, se déplace vers une barrière qui a deux fentes étroites qui y sont coupées. Derrière la barrière se trouve un écran où la particule atterrira et fera une marque lorsqu'elle passe par une fente.
Supposons que vous tiriez des particules vers la barrière une à la fois. Après l'avoir fait cent fois, vous pouvez vous attendre à trouver une grande marque sur l'écran juste derrière l'une des fentes, et une autre grande marque juste derrière l'autre, mais pas de marques entre elles où les chemins des particules étaient bloqués. C'est une hypothèse parfaitement raisonnable – intuitive, même – mais vous vous trompez.
Au lieu de cela, vous verriez un motif réparti sur l'écran, suggérant que les particules se sont rendues à bien plus d'endroits que immédiatement derrière chaque fente.
La théorie quantique a une explication de la façon dont cela se produit qui ne semble pas que cela devrait fonctionner – mais les mathématiques sont parfaitement solides. Tout dépend d'un signe plus.
J'ai appris ce calcul dans mon premier cours de physique quantique à l'université. Tout d'abord, vous écrivez une fonction qui signifie «la particule passe par la fente gauche» et une fonction qui signifie «la particule passe par la fente droite». Ensuite, avec le flair d'un magicien mineur, vous mettez un signe plus entre eux. Ensuite, vous suivez les règles mathématiques parfaitement bonnes sur la façon de gérer ces types de fonctions, appelées fonctions d'onde, et finissez par prédire – contre-intuitivement, mais honnêtement – le modèle qui apparaît à l'écran.
À ce stade, vous pourriez chercher un manuel dans l'espoir de comprendre ce que vous venez de calculer. Il vous dira que lorsque vous avez écrit ce signe plus, vous avez créé une somme spéciale qui s'appelle un «état de superposition» où il est impossible de dire si la particule passe par la fente gauche ou la droite. Parfois, cette affirmation est interprétée plus radicalement, poster le signe plus signifie que la particule se déplaçait simultanément à travers les deux fentes. C'est énormément de pouvoir pour un symbole mathématique, et jusqu'à présent, personne n'a pu voir directement la particule exécuter cet acte magique.
Cela ne s'améliore pas si vous envisagez d'intervenir. Dans l'expérience à double fente, si vous ajoutez un détecteur juste à côté de l'une des fentes pour voir plus directement quand une particule le fait ou ne le passe pas définitivement, le motif de l'écran change.
Certains phénomènes quantiques sont encore plus étranges. Enchevêtrement, pour un. Les mathématiques suggèrent – et nous avons vu des preuves au cours des dernières décennies – que ce phénomène peut être utilisé pour téléporter les propriétés quantiques d'une particule à une autre à de vastes distances. Quelques expériences qui ont montré que cela fonctionne si bien qu'il y a des efforts en cours pour les utiliser comme base d'un tout nouveau système de communication. Il s'agit d'un triomphe de la théorie quantique: même ses prédictions les plus contre-intuitives ont résisté à un examen expérimental et à s'avérer utile.
Pourtant, c'est un triomphe gênant, car il n'y a toujours pas de consensus sur la meilleure façon d'interpréter la théorie quantique et de dire avec certitude exactement ce qui arrive aux objets quantiques à tout moment, dans toutes les situations. La théorie quantique sera-t-elle jamais en mesure de me dire ce que ce signe plus signifie réellement d'une manière qui n'est pas complètement étrangère à mon intuition et à mon expérience? Je perds le sommeil de cette question moins que je ne l'ai fait en tant qu'étudiant, mais la tension entre pouvoir faire les calculs et vivre la réalité vit toujours dans ma tête sans loyer.
Heisenberg a fait valoir que cet écart découle de la façon dont nous conceptualisons ce que signifie faire de la science, une vision idéalisée où nous nous séparons du reste du monde et le traitons comme un objet parfaitement compréhensible et indépendant. Vous pourriez penser que si nous pouvons décomposer le monde en morceaux de plus en plus petits, nous pouvons comprendre pleinement, eh bien, tout. Quantum Physics nous encourage à plusieurs reprises à nous demander si cela peut vraiment être si simple.
C'est ce qui rend la physique quantique si enivrante. J'ai depuis longtemps abandonné la possibilité d'une particule à deux endroits à la fois. Mais aucune autre théorie ou branche de la science ne m'a jamais fait tellement m'inquiéter de savoir si je – ou quelqu'un – sera jamais en mesure de comprendre la réalité physique au-delà de la «simple algèbre linéaire» et de le savoir pleinement, au fond de mes os. Si vous avez atteint ceci, veuillez écrire pour me dire à quoi ressemble l'algèbre linéaire.
