L'année prochaine marquera le centenaire de l'été au cours duquel le physicien théoricien allemand Werner Heisenberg a cherché refuge contre le rhume des foins sur l'île de Helgoland, dans la mer du Nord. Là, il a compris comment exprimer les observations spectroscopiques déroutantes des atomes – par lesquelles ils absorbaient et émettaient de la lumière à des fréquences caractéristiques bien définies – sous forme mathématique. Le mentor de Heisenberg, le physicien danois Niels Bohr, avait proposé que les spectres puissent être compris en supposant que les électrons d'un atome ne peuvent posséder que des énergies spécifiques, passant d'un niveau d'énergie à un autre en émettant ou en absorbant un seul « quantum » de lumière avec une énergie proportionnelle à sa fréquence. Cette hypothèse quantique pour la lumière avait été proposée par Albert Einstein en 1905, et Bohr l’avait développée en une nouvelle théorie de l’atome – même si elle n’avait aucun sens en termes classiques.
En exprimant les énergies autorisées de ces « sauts quantiques » sous la forme d’une matrice de valeurs observées expérimentalement, Heisenberg a transformé la ad hoc, la théorie quantique naissante en une véritable mécanique quantique. Son algèbre matricielle impliquait qu'il n'était pas possible de connaître simultanément la position et l'impulsion d'une particule avec une précision arbitraire. Ce « principe d’incertitude » suggérait que la physique quantique imposait des limites à la connaissance que nous pouvons avoir sur le monde atomique.
Bohr, Heisenberg et leurs collaborateurs à Copenhague ont poursuivi en affirmant que cette restriction était fondamentale. Ce n’est pas que nous soyons condamnés à rester ignorants de la façon exacte dont les choses se passent, mais plutôt qu’il n’y a pas de « comment les choses sont » significatives tant qu’elles ne sont pas mesurées. Cette suggestion a déclenché une dispute bon enfant mais tranchante entre Bohr et Einstein qui a duré une grande partie de leur vie commune. « Einstein ne pouvait pas faire cette concession. Cela effacerait des objets séparés et individuels, des traits essentiels d'une image du monde acceptable », écrivent John Heilbron et Jim Baggott dans leur nouveau livre. Drame quantique: Du débat Bohr-Einstein à l’énigme de l’enchevêtrement. Baggott, physicien et écrivain scientifique, et Heilbron, historien des sciences décédé en 2023, racontent l'histoire de la mécanique quantique, depuis sa création jusqu'à la pointe actuelle de la technologie de l'information quantique.
Einstein ne se lassait jamais de concocter de nouvelles objections au point de vue de « Copenhague ». Lors de la Conférence Solvay de 1930 en Belgique, qui rassemblait les plus grands physiciens de l'époque, il confronta Bohr à une expérience de pensée paradoxale impliquant une lourde boîte suspendue à un ressort, contenant un photon (qui s'échappe) et une horloge fixe. Bohr a produit une réponse à l'énigme qui a apaisé de nombreux doutes mais ne semble pas avoir satisfait Bohr lui-même. "Il s'en est inquiété pour le reste de sa vie", disent Heilbron et Baggott. "Un croquis de l'appareil était sur son tableau le jour de sa mort."
L'opposition d'Einstein a révélé la nature profondément contre-intuitive de la mécanique quantique – notamment dans une expérience de pensée conçue en 1935 avec ses jeunes collègues Boris Podolsky et Nathan Rosen. Cette « expérience EPR [Einstein-Podolsky-Rosen] » a montré qu’une fois que deux particules ont interagi, la mécanique quantique semblait insister sur le fait que leurs propriétés restent ensuite interdépendantes, de telle sorte qu’une mesure provoque une signalisation instantanée impossible entre les deux. Erwin Schrödinger, qui partageait l'antipathie d'Einstein à l'égard du point de vue de Copenhague, a nommé cet effet « enchevêtrement ».
Pour Einstein, le paradoxe EPR ne pouvait être résolu qu’en supposant que les particules intriquées avaient toujours des propriétés fixes, même si elles étaient inobservables et donc caractérisées par des « variables cachées ». Le problème était que les interprétations de Bohr et d’Einstein faisaient des prédictions expérimentales identiques. Faute de solution évidente, la question a été mise de côté et de nombreux chercheurs des années 1940 et 1950 ont jugé ces questions « fondamentales » inutiles, voire inconvenantes. Qui s'en souciait, alors que la mécanique quantique fonctionnait si bien dans la pratique ? C’est l’attitude célèbre caractérisée par le physicien américain David Mermin comme « tais-toi et calcule », qui était particulièrement dominante aux États-Unis pragmatiques. S’intéresser à de telles questions pourrait équivaloir à un suicide professionnel. "Vous n'obtiendrez jamais de doctorat si vous vous laissez distraire par de telles frivolités", a déclaré Mermin à Harvard, selon le livre. Il remarque que « c’était une époque très peu philosophique ».
Le prix Nobel Murray Gell-Mann a accusé Bohr d'avoir lavé le cerveau d'une génération de physiciens en leur faisant croire que les énigmes de la mécanique quantique étaient toutes résolues depuis longtemps.
Dans son livre 1999 Dialogue quantique, historienne des sciences Mara Beller a accusé Bohr et ses collègues d'imposer leur orthodoxie de Copenhague et de marginaliser ou ridiculiser des interprétations alternatives telles que les « ondes pilotes » de David Bohm et la « fonction d'onde universelle » de Hugh Everett, également connue sous le nom d'interprétation des « mondes multiples » de la mécanique quantique. Murray Gell-Mann, lauréat du prix Nobel a accusé Bohr d'avoir lavé le cerveau d'une génération de physiciens en leur faisant croire que les énigmes de la mécanique quantique étaient toutes résolues depuis longtemps. Mais Heilbron et Baggott montrent qu'il est plus juste de rejeter la faute sur l'apathie de la communauté dans son ensemble. Comme Paul Dirac l’a dit à propos des énigmes métaphysiques de la théorie : « De nombreuses personnes vivent une vie longue et fructueuse sans jamais se soucier d’elles. »
Trente ans de « contre-mesure »
Cette attitude a cependant commencé à changer en 1964, lorsque le Physicien nord-irlandais John Bell a trouvé un moyen de distinguer les modèles dits à variables cachées de la mécanique quantique simple. Il suffisait d'y réfléchir sérieusement : « Il n'y avait rien dans l'inégalité de Bell qui ne soit connue des fondateurs du quantum », disent les auteurs.
Ironiquement, Bell a proposé son célèbre test parce qu’il voulait trouver une faille dans la mécanique quantique bohrienne. C'est ce qu'a fait la première personne à réaliser le test expérimentalement, John Clauser, en collaboration avec Stuart Freedman de l'Université de Californie à Berkeley. Pourtant, cette expérience, et les nombreuses autres réalisées par la suite, ont infailliblement soutenu la seule mécanique quantique et exclu toute variable cachée – du moins celles qui s’appliquent. localement pour attribuer à chaque particule des propriétés fixes à une position donnée avant la mesure. (Cela ne veut pas dire que Bohr a raison, même s'il semble presque impossible de sauver la position d'Einstein.) Le livre donne un superbe compte rendu du regain d'intérêt pour les fondations quantiques qui a suivi les travaux de Bell et Clauser, impliquant en particulier les collègues de Clauser 2022. Les lauréats du prix Nobel Anton Zeilinger et Alain Aspect. Loin d’être une vaine philosophie, ces études soutiennent désormais des technologies telles que l’informatique quantique et la cryptographie quantique.
Drame quantique raconte une histoire complexe avec un vaste casting. Même si les auteurs exigent parfois beaucoup de leurs lecteurs, je n'ai jamais lu un meilleur récit : équilibré, faisant autorité et épicé d'un esprit élégant. Décrivant un voyage au Japon effectué par plusieurs des premiers pionniers du quantique, Heilbron et Baggott décrivent comment, lors d'une promenade devant une pagode, « Heisenberg l'a spontanément escaladé et, debout sur son sommet (largeur ∆q) sur un pied dans un vent hurlant, heureusement maintenu une incertitude ∆p trop petite pour le renverser.
Ce livre ne fera pas tout pour tout le monde. Comme pour le livre précédent de Heilbron Niels Bohr : une très brève introduction, sa description de l'atome de Bohr est si technique qu'elle est presque impénétrable à tous sauf aux spécialistes, créant un formidable obstacle si tôt dans le livre. Et il y a d’autres occasions, comme dans les descriptions des tests de Bell, où l’on aspire à un résumé concis de la signification qualitative parmi les détails. Parfois, le lecteur est confronté à une succession de commentaires d’experts sans vraiment d’indications sur la manière de gérer leurs contradictions.
Mais si cela rend le livre parfois difficile pour le lecteur général, la récompense de la persévérance est considérable. En tant qu’auteur d’un exposé de grande diffusion sur la mécanique quantique, j’hésite à suggérer de laisser de tels efforts de côté au profit de ce volume plus substantiel – mais je recommanderais certainement de traiter tous ces récits avec prudence jusqu’à ce que vous ayez lu celui-ci.
- 2024 Oxford University Press 352 pp 25 £ hb
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- La source: https://physicsworld.com/a/entangled-entities-bohr-einstein-and-the-battle-over-quantum-fundamentals/
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