Le «test de cloche» a été conçu dans les années 1960 pour découvrir ce qui se passe dans le monde quantique, mais il continue d'être pertinent aujourd'hui, dit Karmela Padavic-Callaghan
John Stewart Bell a imaginé un moyen de mesurer les étranges corrélations autorisées dans le royaume quantique
Certaines personnes pensent qu'ils ont un poltergeist dans leur grenier, certains disent qu'ils ont vu des fantômes les nuits sombres – j'ai John Stewart Bell. Les recherches du physicien et son formidable héritage me hantent depuis des années.
Je suppose que je ne devrais pas être surpris. Avez-vous déjà pensé à la quantité de ce que nous vivons en tant que réalité est réellement, objectivement, sans ambiguïté? Je dois le faire, ou je ne pouvais pas écrire sur la nature de l'espace et du temps, et les activités complexes dans le domaine quantique. Bell aimait aussi réfléchir à ces choses, et son travail a changé à jamais la façon dont nous les comprenons.
Il est né à Belfast en 1928 et a été, par tous les comptes, un enfant exceptionnellement curieux et brillant. Il s'est accroché à la physique tôt, décrochant son premier concert en tant que technicien de laboratoire à l'âge de 16 ans. Il a été formé à la physique théorique et expérimentale et a construit une grande partie de sa carrière dans le monde des accélérateurs de particules, où il a travaillé sur des calculs si complexes que nous les reléguons maintenant aux superordinateurs. Mais ce qui a vraiment gardé la cloche la nuit, ce sont les fissures qu'il pouvait voir dans les fondements de la théorie quantique.
Aujourd'hui, il s'agit d'un domaine de physique établi et bon nombre de ses praticiens ont été présentés dans les pages de Nouveau scientifique – La physique contemporaine n'est pas hostile à ceux qui posent des questions qui se trouvent à la frontière de la physique, des mathématiques et de la philosophie. Cependant, lorsque Bell venait en tant que chercheur, les physiciens ont toujours été pris par les débats entre la première vague de grands de la théorie quantique – des gens comme Niels Bohr et Albert Einstein – et les considéraient comme établis ou pensaient que ce qui restait était une question de philosophie plutôt que de physique.
Donc, Bell n'a travaillé que après les heures, presque comme un passe-temps. Cela a changé en 1963 lorsque lui et sa femme, également un physicien accompli, ont pris un congé sabbatique de leur travail d'accélérateur et Bell a utilisé ce temps pour transformer son passe-temps dans une paire de papiers fondateurs. Bien qu'ils aient été reçus sans fanfare et ont été largement négligés pendant des années, leur importance ne peut pas être surestimée.
Bell a pris une ligne de ce questionnement philosophique et l'a transformé en quelque chose qui pourrait être étudié dans un laboratoire. Il était centré sur l'idée de «variables cachées» en mécanique quantique.
Comme il a été développé par Bohr et ses collègues dans les années 1920 et 30, la mécanique quantique n'est pas un ami de la certitude ou du déterminisme. Tristement célèbre, vous pouvez dire très peu de choses qui sont définitivement sur un objet quantique jusqu'à ce que vous interagiz avec. Vous pouvez prédire quelles propriétés il pourrait avoir lors de la mesure, mais uniquement de manière probabiliste. Par exemple, vous savez peut-être qu'un électron a 98% de chances d'avoir une certaine quantité d'énergie lorsque vous le mesurez, et 2% de chances d'avoir une autre énergie, mais celui qu'il sera réellement est complètement aléatoire.
Comment la nature décide-t-elle de quelle énergie à vous servir au hasard? Une explication est que ce n'est pas vraiment le hasard en jeu ici, mais que certaines propriétés – certaines variables – sont cachées aux chercheurs. S'ils pouvaient simplement épingler quelles sont ces variables cachées, les physiciens pourraient apporter une prévisibilité absolue à la théorie quantique.
Bell a conçu un test qui éliminerait une large bande de théories cachées à la compétition pour remplacer, ou du moins modifier la théorie quantique. Ce test prévoit deux expérimentateurs, généralement surnommé Alice et Bob. Des paires de particules enchevêtrées sont produites à plusieurs reprises, puis une particule dans chaque paire est envoyée à Alice, tandis que sa particule partenaire va à Bob dans un laboratoire lointain. En recevant leurs particules, Alice et Bob choisissent chacun de mesurer une propriété particulière. Par exemple, Alice pourrait mesurer le rotation de sa particule.
Parallèlement, Bob fait également des mesures et choisit comment les faire, mais Alice et Bob ne communiquent pas pendant l'expérience. À la fin, ils branchent leurs données respectives sur une équation que Bell a dérivée en 1964. Cette équation «d'inégalité» teste les données pour les corrélations entre les mesures d'Alice et de Bob. Même sans effets quantiques, certaines corrélations peuvent survenir par hasard. Mais Bell a déterminé un niveau de corrélation qui démontre que quelque chose d'autre se passe: les particules sont corrélées d'une manière qui n'existe que dans la physique quantique et ne peut exister s'il existe des variables cachées locales.
De cette façon, le test de Bell fait plus que de diagnostiquer la théorie quantique comme une meilleure description de notre réalité que ces théories déterministes et cachées – elle zéros également sur la propriété étrange de la «non-localité» comme quelque chose qui semble être une caractéristique bizarre de notre réalité. La non-localité signifie que les objets quantiques peuvent maintenir une connexion et que leurs comportements peuvent rester inextricablement corrélés, quelle que soit leur éloignement. Einstein a été un énorme critique de cela, en partie parce qu'il était inconfortablement proche de la communication instantanée entre les objets, qui est strictement interdit par sa théorie de la relativité spéciale.
Bell était en quelque sorte un acolyte d'Einstein, mais les caprices de la réalité physique l'ont amené à prouver finalement son idole. Son test a pointé un doigt ferme vers notre monde quantique, quelque chose avec lequel les chercheurs se débattent encore aujourd'hui, surtout en ce qui concerne le gouffre apparemment infranchissable entre la théorie quantique et notre meilleure compréhension de la gravité développée par Einstein.
Je n'ai trouvé aucune mention de Bell travaillant réellement sur les implémentations expérimentales de son test lui-même, et cela s'est longtemps avéré technologiquement difficile. Bien que la première expérience de ce type ait été achevée en 1972, il a fallu jusqu'en 2015 pour un test sans lacune – aussi rigoureux que possible – pour enfin mettre le dernier clou dans le cercueil des théories locales cachées-variables. En 2022, les physiciens Alain Aspect, John F. Clauser et Anton Zeilinger ont reçu conjointement le prix Nobel de physique pour leurs décennies de travail sur ces expériences.
Alors pourquoi est-ce que je vois toujours John Stewart Bell partout où je me tourne? Ai-je été soumis à une malédiction quantique?
La réponse courte est que son travail, et toutes les expériences qui l'ont testé, ont ouvert presque autant de questions sur la physique quantique et la nature de la réalité physique qu'ils ont décidé de répondre. Par exemple, alors que de nombreux physiciens conviennent que notre monde n'est tout simplement pas local, certains essaient toujours de déterminer exactement quel mécanisme physique sous-tend la non-localité. D'autres travaillent à développer de nouvelles théories cachées qui ne peuvent pas être bloquées par le test de Bell. D'autres encore démêlent minutieusement toutes les hypothèses mathématiques que Bell a faites dans ses papiers à partir des années 1960. Tous semblent croire que trouver un nouvel angle sur le travail de Bell, ou une complexité négligée en lui, pourrait être une clé squelette pour pousser les interprétations de la théorie quantique au-delà de son état actuel et peut-être même construire une théorie insaisissable de tout.
Les effets d'entraînement du travail de Bell sont partout en physique quantique. En fait, nous avons amélioré les particules enchevêtrées simplement en essayant de faire des tests de cloche au cours des 50 dernières années. Mais c'est juste le début. Il y a quelques semaines, j'ai passé beaucoup de temps à parler avec des physiciens qui ont trouvé un moyen de tirer parti du travail de Bell pour concevoir des tests quantiques pour savoir si le libre arbitre peut être partiel, c'est-à-dire si notre liberté de choix peut être contrainte de manière cosmique dans certains cas mais pas d'autres. Ensuite, je suis sorti au téléphone avec une autre équipe de chercheurs, vraisemblablement pour discuter de la gravité et de la nature de l'espace et du temps, mais j'ai fini par parler à nouveau de Bell. Ces physiciens ont été inspirés par son approche et voulaient concevoir un test similaire à la sienne mais pour les propriétés gravitationnelles de la réalité, plutôt que celles quantiques.
Cela aussi, je pense, explique pourquoi je ne peux pas échapper à Bell – sa capacité à transformer les problèmes philosophiques en tests tangibles de la réalité reflète l'attrait au cœur de la physique. La promesse de la physique est qu'elle peut nous aider à éloigner les mystères les plus confondus du monde à travers des expériences, et le test de Bell est un incarnation incroyablement élégante de cette promesse.
Si je dois être hanté par quelque chose, je ne pourrais honnêtement pas demander un meilleur fantôme.
