Un livre remarquable sur la mécanique quantique révèle une très grande idée

Où va la physique ? Personne ne le sait avec certitude, mais Beyond the Quantum d'Antony Valentini est un nouveau livre saisissant qui nous rappelle à quoi ressemble réellement une grande idée. Jon Cartwright

Au-delà du quantique
Antony Valentini, Presse universitaire d'Oxford

La physique, il est juste de le dire, ne s’est pas déroulée comme prévu. Après des décennies de recherches pleines d’espoir, la matière noire n’a toujours pas été directement détectée. Nous avons trouvé le boson de Higgs, mais rien ne nous ouvre la voie. Et la théorie des cordes, cette théorie du tout tant vantée, n’a pas encore produit de prédiction claire et testable. La confiance est faible. Où allons-nous à partir d’ici ?

Ces dernières années, de nombreux physiciens auteurs de vulgarisation scientifique ont éludé cette question. Là où autrefois ils indiquaient avec audace la prochaine grande découverte, on les voit maintenant souvent se retirer dans une réflexion philosophique ou réexpliquer ce que nous savons déjà. Ce n’est pas le cas d’Antony Valentini à l’Imperial College de Londres. Dans Au-delà du Quantique : Une quête de l'origine et du sens caché de la mécanique quantique, il présente quelque chose de presque désuet dans sa rareté : une grande idée.

Comme le titre l’indique, son objectif principal est la mécanique quantique, qui sous-tend la physique depuis un siècle. Cela dépend de la fonction d'onde, une expression mathématique qui peut, comme le disent les manuels scolaires, spécifier l'état complet de n'importe quel système, depuis une particule fondamentale jusqu'à un chat ou même vous et moi.

Ce qui est étrange à propos de la fonction d'onde, c'est qu'elle ne décrit généralement pas du tout des objets ordinaires et localisés, mais plutôt des versions étalées, floues et ressemblant à des vagues. Pas grave. Lorsque nous regardons un objet – encore une fois, comme le disent les manuels – la fonction d’onde « s’effondre » en un résultat familier mais aléatoire, avec une probabilité donnée par la règle de Born (du nom du physicien Max Born). Ce n'est que maintenant que nous avons un objet avec des propriétés définies dans un endroit défini.

Même si la physique traditionnelle tente de l’ignorer, l’interprétation de la fonction d’onde a toujours été un mystère – et il n’existe essentiellement que deux réponses réalistes. La première est que la fonction d’onde décrit réellement la réalité – que les électrons, les chats et les personnes existent réellement dans de nombreux états à la fois, répartis dans l’espace et les possibilités. C’est l’interprétation des mondes multiples, avec ses vastes implications métaphysiques.

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On sait depuis longtemps que la théorie des ondes pilotes reproduit toutes les prédictions de la mécanique quantique.
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L’autre réponse est que la fonction d’onde ne représente pas toute l’histoire. La théorie dominante ici, largement développée par Valentini, est la théorie des ondes pilotes, proposée pour la première fois par le théoricien Louis de Broglie en 1927, puis relancée par le physicien David Bohm.

La théorie des ondes pilotes considère la fonction d’onde comme réelle mais incomplète. Cela suggère qu’il agit comme une structure guidant les particules individuelles, un peu comme les vagues dirigent les bouteilles en plastique flottant sur la mer. Les particules elles-mêmes ne sont jamais étalées ou indéterminées : leur comportement ondulatoire vient de l’onde pilote et de l’endroit où elles se situent dessus.

On sait depuis longtemps que la théorie des ondes pilotes reproduit toutes les prédictions de la mécanique quantique, sans aucun caractère aléatoire fondamental. Mais, comme le souligne Valentini, cet accord repose sur une hypothèse : les particules sont en équilibre avec l'onde, réparties de la bonne manière. Cette hypothèse correspond aux données expérimentales actuelles – les résultats sont pratiquement indéniables – mais il n'est pas nécessaire qu'elle soit toujours valable.

Valentini propose que, dans l'univers primitif, les particules étaient distribuées loin de l'équilibre quantique, avant de se « détendre » dans leur état actuel, un peu comme une tasse de café se refroidit pour s'adapter à son environnement. De ce point de vue, la règle de Born et son caractère aléatoire ne sont plus des caractéristiques fondamentales de la nature, mais des accidents historiques – ils sont des sous-produits de la cosmologie.

Cette récompense frappante n’est pas la seule. Le hasard quantique empêche également toute exploitation pratique de la non-localité, l’interaction immédiate d’objets séparés par le temps et l’espace. Si la règle de Born n'avait pas été respectée dans l'univers primitif, affirme Valentini, une communication instantanée sur de vastes distances aurait été possible, laissant peut-être des empreintes subtiles dans le fond cosmique des micro-ondes. S’il existe encore des reliques de cette époque, une telle signalisation supraluminique pourrait être réalisable dès maintenant.

Compte tenu du manque de preuves, cela pourrait paraître un peu fou sans l’analyse méticuleuse de Valentini sur la façon dont la mécanique quantique orthodoxe a fini par s’imposer (le livre vaut la peine d’être lu pour cela seul). S’il y a une faiblesse, c’est bien l’absence d’une description claire de la vague pilote. Pourtant, que cela s'avère vrai ou non, le travail de Valentini nous montre au moins que, dans un domaine où la confiance est limitée, voilà à quoi ressemble une véritable grande idée.