La célèbre expérience de la double fente remet en question la nature même de la matière. Sa cousine, l’expérience de la gomme quantique, nous amène à nous interroger sur l’existence même du temps – et sur la mesure dans laquelle nous pouvons le manipuler.
Un anneau d'Einstein connu sous le nom de fer à cheval bleu, un effet observé en raison de la lentille gravitationnelle d'une galaxie lointaine
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Adolf Hitler est décédé le 30 avril 1945. C'est du moins ce que dit l'histoire officielle. Mais une poignée d’historiens ont contesté ces preuves et ont insisté sur le fait que le Führer avait fui Berlin déchiré par la guerre et vivait caché quelque part. Bien que ce dernier récit soit aujourd’hui largement rejeté comme une théorie du complot sans fondement, aucun historien rationnel ne douterait que, quelles que soient les preuves contestées, il y avait au moins un « fait avéré ». Soit Hitler est mort ce jour-là, soit il ne l'est pas. Cela n'aurait aucun sens de dire qu'Hitler était à la fois vivant et mort le 2 mai 1945. Pourtant, remplacez Adolf Hitler par le célèbre chat d'Erwin Schrödinger, et les « faits » historiques deviennent sérieusement obscurs.
Schrödinger fut l’un des fondateurs de la mécanique quantique, la théorie scientifique la plus aboutie de l’histoire. Elle est à la base de toute la chimie, de la physique des particules, de la science des matériaux, de la biologie moléculaire et d'une grande partie de l'astronomie, et nous a donné naissance à des merveilles technologiques éblouissantes, des lasers aux téléphones intelligents. Le problème est que, malgré tous ses triomphes, la mécanique quantique semble au fond n’avoir aucun sens.
Dans la vie quotidienne, nous supposons qu’il existe un monde réel « là-bas » dans lequel des objets tels que des tables et des chaises possèdent des propriétés bien définies, comme avoir une position et une orientation, indépendamment du fait que quelqu’un regarde ou non. Lorsque nous observons un objet dans le monde macroscopique, nous découvrons simplement une réalité préexistante. Mais la mécanique quantique traite du micromonde des atomes et des particules subatomiques, où la réalité s’évapore dans l’incertitude et le flou.
L'incertitude quantique implique que l'avenir n'est pas entièrement déterminé par le présent. Par exemple, si un électron est tiré à une vitesse connue sur une fine barrière, il peut rebondir ou traverser la barrière et s'envoler du côté le plus éloigné. Ou si un atome est mis dans un état excité, alors une microseconde plus tard, il peut encore être excité, ou il peut s'être désintégré et avoir émis un photon. Dans les deux cas, nous ne pouvons pas prédire avec certitude ce qui sera le cas ; seules les cotes des paris peuvent être données.
Et la plupart des gens acceptent sans problème que l’avenir soit quelque peu ouvert. Mais le flou quantique implique également que le passé ce n’est pas non plus une affaire conclue. Regardez à une échelle suffisamment fine et l’histoire se dissout dans un amalgame de réalités alternatives, techniquement appelé superposition.
Le flou du micromonde quantique devient net lorsqu’une mesure est effectuée. Par exemple, vous pouvez effectuer une mesure de position sur un électron et constater qu'il a un emplacement spécifique. Mais selon la mécanique quantique, cela ne veut pas dire que l'électron était déjà là avant la mesure, l'observation révélant simplement où exactement. Au contraire, la mesure se projette comme un électron à un endroit à partir d’un état antérieur d’absence de position.
Si tel est le cas, comment devrions-nous penser à l’électron avant qu’il ne soit observé ? Imaginez une pléthore d’« électrons fantômes » à moitié réels répartis dans l’espace, chacun représentant un potentiel réalité, planant dans un état de flou. Parfois, cela est décrit en disant que l’électron se trouve à plusieurs endroits à la fois. Alors – paf ! – une mesure est effectuée qui sert à transformer un « fantôme du gagnant » spécifique en réalité concrète, annihilant les concurrents.
L’expérimentateur a-t-il le choix quant au résultat ? Pas lorsqu’il s’agit de choisir le fantôme gagnant – c’est une question de hasard. Mais il y a néanmoins un élément de choix en jeu, et il est crucial pour comprendre la réalité quantique. Si, au lieu d'effectuer une mesure de position, l'expérimentateur choisit de mesurer la vitesse de l'électron, alors l'état flou préalable redevient un résultat net – mais cette fois en créant non pas un électron à un endroit, mais un électron avec une vitesse. Et un électron doté d’une vitesse se comporte comme une onde. Ce n’est pas la même entité qu’un électron en un lieu, qui est une particule. De toute évidence, les électrons sont en quelque sorte à la fois des ondes et des particules ; l'aspect qu'ils manifestent dépend de la manière dont quelqu'un choisit de les interroger.
En fin de compte : ce qui arrive à l’électron – qu’il se comporte comme une onde ou une particule vers l’avant – dépend du type de mesure que l’expérimentateur décide d’effectuer pour l’observer. C'est étrange, certes, mais c'est là que ça devient vraiment bizarre : il arrive aussi que ce que a est arrivé à l'atome avant la mesure dépend de la décision de l'expérimentateur ! C'est-à-dire la nature de l'électron dans le passé – onde ou particule – est déterminé par ce choix. On dirait que quelque chose remonte dans le temps et affecte la façon dont le monde « là-bas » étaitavant la mesure.
Est-ce un voyage dans le temps ? Rétrocausalité ? Télépathie? Tous ces mots sont évoqués dans des articles populaires sur la physique quantique, mais la description la plus appropriée a été donnée par John Wheeler, le physicien qui a inventé le terme trou noir : « Le passé n’existe que s’il est enregistré dans le présent », a-t-il déclaré.
La description de Wheeler semble profonde comme un dicton, mais existe-t-il une expérience réelle pour le prouver ? C'est effectivement le cas, comme je l'ai appris pour la première fois de Wheeler lui-même lorsque nous nous sommes rencontrés pour le petit-déjeuner à l'hôtel Hilton de Baltimore en 1980. Le repas a commencé par une question énigmatique, typique de l'homme : « Comment retenir le fantôme d'un photon ? il a demandé. Voyant ma perplexité, Wheeler a poursuivi en expliquant une nouvelle tournure qu'il avait imaginée pour une expérience quantique classique. C’est plus facile à réaliser avec la lumière, même si cela peut tout aussi bien être réalisé avec des électrons ou même des atomes entiers.
L'expérience, réalisée pour la première fois par le mathématicien anglais Thomas Young en 1801, est une tentative de démontrer la nature ondulatoire de la lumière. Young installa un écran percé de deux fentes étroites rapprochées et l’éclaira d’un point de lumière. La lumière traverse les fentes et tombe sur un deuxième écran un peu plus éloigné de la source lumineuse. Qu’a vu Young ? Il ne s’agit pas de deux bandes de lumière floues, comme vous pouvez l’imaginer, mais d’une série de bandes lumineuses et sombres, appelées franges d’interférence. Ils apparaissent parce que les ondes lumineuses traversant chaque fente s'étalent, et là où elles arrivent en cadence – de crête à crête, de creux en creux – elles se renforcent pour former une tache lumineuse, et là où elles arrivent en décalage, elles s'annulent et produisent une tache sombre.
Lumière traversant deux bandes dans un écran dans l'expérience à double fente
La mécanique quantique est née lorsque les physiciens débattaient pour savoir si la lumière était constituée d'ondes ou de particules, appelées photons. Nous savons désormais que, tout comme pour les électrons, la réponse est les deux. Et grâce à la technologie moderne, vous pouvez réaliser l’expérience de Young, un photon à la fois. Chaque photon forme un petit point sur le deuxième écran et, au fil du temps, de nombreux points forment un motif tacheté pour afficher les rayures distinctives découvertes par Young. Cela semble déroutant : si un photon est une minuscule particule, il doit sûrement traverser soit une fente ou l'autre. Mais les deux des fentes sont nécessaires pour créer le motif d'interférence.
Que se passe-t-il alors si un expérimentateur rusé décide de voir par quelle fente passe un photon donné ? Ceci peut facilement être réalisé en plaçant un détecteur à proximité des fentes. Une fois cela fait, le motif d'interférence disparaît. La détection d’interférence a en effet incité le photon à se manifester sous forme de particule, éliminant ainsi sa nature ondulatoire. Vous pouvez faire exactement la même chose avec les électrons : découvrir par quelle fente ils sont passés et ne trouver aucun motif rayé, ou laisser le chemin de chaque électron ambigu et observer les rayures (une fois que de nombreux électrons ont construit le motif). Ainsi, l'expérimentateur doit décider, photon par photon ou électron par électron, s'il se comporte comme une onde ou une particule lorsqu'il atteint l'écran de l'image.
Nous arrivons maintenant à la tournure de Wheeler. Cette décision – regarder ou ne pas regarder – ne doit pas être prise à l'avance. En fait, il peut être laissé jusqu'à ce que le photon (ou l'électron) ait traversé le système de fentes et soit en bonne voie vers l'écran d'image. En effet, l’expérimentateur peut choisir de regarder en arrière et de voir de quelle fente émane ou non le photon. Cette configuration, qui porte naturellement le nom d'expérience de choix retardé, a été réalisée et, bien sûr, les résultats sont ceux attendus. Lorsque l'expérimentateur décide de jeter un coup d'œil, les photons ne forment pas collectivement des bandes ; quand ils passent inaperçus, ils le font. La conclusion ? La réalité que était – que la lumière se comporte comme une onde passant par les deux fentes ou comme une particule passant par l'une d'elles – est déterminé par le choix ultérieur de l'expérimentateur. Je dois mentionner que, dans la vraie expérience, le « choix » est automatisé et randomisé pour éviter les biais qui pourraient fausser les résultats, et parce que tout se passe plus rapidement que les temps de réaction humains.
L’expérience du choix différé ne change pas le passé. Au contraire, en l’absence d’expérience, il existe de nombreux passés – de multiples réalités mêlées. Lorsqu’un choix est fait quant à ce qu’il faut mesurer, certains de ces historiques sont sélectionnés. L’effet de ce choix est de réduire une partie du flou quantique passé et, sinon de déterminer une histoire unique, du moins de réduire le nombre de prétendants. C’est pourquoi on l’appelle parfois l’expérience de la gomme quantique.
Dans l’expérience réelle, le temps de rétrospection n’est que d’une nanoseconde environ, mais en principe il pourrait remonter jusqu’à l’origine de l’univers. Et en effet, c’était le sens de la question énigmatique de Wheeler sur la rétention du fantôme du photon. Il envisageait une source de lumière cosmique lointaine lentille gravitationnellement de notre point de vue par un trou noir intermédiaire, avec des chemins de lumière jumeaux courbés autour des côtés opposés du trou noir avant de converger sur Terre, un peu comme l'expérience à deux fentes à l'échelle cosmique. Un fantôme du photon pourrait arriver par une route, tandis qu'un autre fantôme empruntant l'autre route, peut-être plus longue, pourrait ne pas arriver ici avant un mois. Pour réaliser une telle expérience d'interférence cosmique, il faudrait d'une manière ou d'une autre stocker, ou « retenir », le premier fantôme pour attendre l'arrivée du second avant de les fusionner, de sorte que les ondes se chevauchent en même temps, comme c'est le cas dans l'expérience originale de Young.
Einstein a écrit un jour que le passé, le présent et le futur ne sont que des illusions. En cela, il avait tort. L’erreur réside dans le mot « le ». UN Le passé existe aujourd’hui dans les documents historiques, mais il consiste en une vaste multiplicité de « passés fantômes » mélangés, regroupés de manière à former un récit unique à l’échelle macroscopique. Au niveau quantique, cependant, cela se fond dans un amalgame de réalités partielles floues qui dépassent l’expérience humaine.
Paul Davies est physicien théoricien, cosmologue, astrobiologiste et auteur à succès. Son livre, Quantum 2.0, publié en novembre 2025 chez Penguin.
