La physique quantique pour les nuls

Suite à mon article du mois dernier pour la projet Eklabugs sur le thème des voyages dans le temps, je suis tombée sur ce passage au début du roman Prisonniers du temps (Timeline en anglais) de Michael Crichton — qui a d'ailleurs également fait l'objet d'un film que je n 'ai pas vu — dans lequel un scientifique explique à des étudiants les principes de la physique quantique d'une manière à la fois simple et complète. J'ai donc pensé que ce serait une bonne idée de le republier ici. Pour ceux qui aimeraient lire ce livre, l'histoire se passe en Dordogne dans un site de fouille médiéval où une équipe d'archéologues américains est expédiée au Moyen-Age en pleine guerre de Cent Ans par le biais d'un ordinateur quantique pour y secourir un scientifique resté coincé là-bas...

Ey@el

Il y a un siècle, poursuivit Gordon, les physiciens pensaient que l’énergie – la lumière, le magnétisme, l’électricité – prenait la forme d’ondes continues. On parle aujourd’hui encore d’ondes radio et d’ondes lumineuses. Établir que toutes les formes d’énergie partagent cette nature ondulatoire fut l’une des grandes avancées de la physique du XIX^e siècle. Mais il existait un petit problème. On savait qu’un flux lumineux projeté sur une plaque de métal produit un courant électrique. Le physicien Max Planck a étudié la relation entre la quantité de lumière projetée sur la plaque et la quantité de courant ainsi produit ; il en a conclu que l’énergie n’était pas une onde continue. Elle semblait au contraire être composée d’unités qu’il nomma les quanta. Cette découverte fut le point de départ de la physique quantique. Quelques années plus tard, Einstein démontra que l’on pouvait expliquer l’effet photoélectrique en admettant que la lumière était composée de particules qu’il appela photons. Ces photons frappent la surface de la plaque et éjectent des électrons, produisant un courant électrique. Mathématiquement, les équations étaient acceptables ; elles allaient dans le sens de la théorie selon laquelle la lumière est composée de particules. Vous me suivez ?
— Oui…
— Peu après, des physiciens commencèrent à se rendre compte que non seulement la lumière mais toutes les formes d’énergie étaient composées de particules. En réalité, toute la matière contenue dans l’univers prenait la forme de particules. Autour du noyau de l’atome constitué de particules lourdes circulaient des particules plus légères appelées électrons. D’après la nouvelle théorie, tout était donc constitué de particules. D’accord ?
— D’accord…
— Les particules sont des unités discrètes ou quanta. La théorie décrivant leur comportement s’appelle la théorie des quanta. Une découverte de la plus haute importance de la physique du XX^e siècle.
Tout le monde hochait silencieusement la tête.
— En poursuivant l’étude de ces particules, reprit Gordon, les physiciens se sont rendu compte que ce sont de très étranges entités. On ne peut être sûr de l’endroit où elles se trouvent, on ne peut les mesurer avec précision, on ne peut prédire leur comportement. Tantôt elles réagissent comme des particules, tantôt comme des ondes. Il peut se produire une interaction entre deux particules, même si elles sont à des millions de kilomètres l’une de l’autre, sans aucun lien entre elles. Et ainsi de suite. La théorie commence à paraître vraiment bizarre. Il faut en retenir deux choses : la première est que la théorie des quanta est confirmée par de multiples expériences ; jamais la vérité d’une théorie n’a été prouvée à ce point dans l’histoire de la science. Les scanners des supermarchés, les lasers, les circuits intégrés reposent tous sur les principes de la mécanique quantique. Il ne peut y avoir aucun doute sur le fait que la théorie des quanta est la description mathématique correcte de l’univers. Le problème est qu’il s’agit seulement d’une description mathématique ; ce n’est qu’un système d’équations. Et les physiciens n’étaient pas en mesure de se représenter le monde tel que ces équations le décrivaient ; il était trop bizarre, trop contradictoire. Voilà qui déplaisait à Einstein, en particulier ; il avait le sentiment que cela impliquait que la théorie était imparfaite. Mais elle ne cessait d’être confirmée et la situation ne s’arrangeait pas. Même les scientifiques recevant le prix Nobel pour leur contribution à la théorie des quanta étaient obligés de reconnaître qu’ils ne la comprenaient pas. Cela donne une situation très curieuse : il existe pendant la majeure partie du XX^e siècle une théorie de l’univers dont tout le monde se sert, dont tout le monde s’accorde à dire qu’elle est exacte, mais dont personne n’est capable d’expliquer ce qu’elle dit du monde.
— Qu’est-ce que tout cela a à voir avec le plurivers ? demanda Marek.
— Nous y arrivons.
Gordon poursuivit en disant que nombre de physiciens avaient essayé d’expliquer les équations. Tous, pour une raison ou pour une autre, avaient échoué. Mais, en 1957, un physicien du nom de Hugh Everett proposa une explication audacieuse. Everett prétendait que notre univers – celui que nous voyons, l’univers des rochers, des arbres, des humains et des galaxies dans l’espace – n’était qu’un univers parmi une infinité d’autres existant côte à côte.
Chacun de ces univers se subdivisait constamment, de sorte qu’il y avait un univers où Hitler avait perdu la guerre et un autre où il l’avait gagnée, un univers où Kennedy était mort et un autre où il vivait. Mais aussi un monde où vous vous brossiez les dents le matin et un autre où vous ne le faisiez pas. Et ainsi de suite. Une infinité de mondes.
Everett appela son interprétation de la mécanique quantique la théorie des « mondes multiples ». Son explication était compatible avec les équations quantiques, mais ses collègues la trouvaient difficile à accepter. Ils n’aimaient pas l’idée de tous ces mondes qui ne cessaient de se diviser ; il leur paraissait incroyable que la réalité pût prendre cette forme. La plupart d’entre eux refusent encore de l’accepter, même si personne n’a jamais pu démontrer que cette interprétation était erronée.
Everett était exaspéré par les objections de ses collègues. Il proclamait haut et fort que sa théorie était juste, que cela plût ou non. Ceux qui la dénigraient étaient bornés, vieux jeu, exactement comme les scientifiques qui avaient rejeté la théorie de Copernic plaçant le Soleil au centre du système solaire, qui, à l’époque, avait semblé tout aussi incroyable. Everett affirmait avec force que le concept des mondes multiples était une réalité, qu’il y avait véritablement des univers multiples coexistant avec le nôtre. On finit par leur donner le nom de plurivers.
— Un instant, fit Chris. Etes-vous en train de nous dire que c’est vrai ?
— Oui, répondit Gordon. Ça l’est.
— Comment le savez-vous ?
— Je vais vous le montrer.
Gordon saisit une chemise en papier bulle portant l’inscription : ITC/CTC Technologie.
Il prit une feuille blanche et commença à dessiner.
— Voici une expérience très simple, réalisée depuis deux cents ans. Prenons deux murs placés l’un derrière l’autre. Le premier a une fente verticale.
Gordon leur montra le dessin.

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— Nous dirigeons maintenant un faisceau lumineux vers cette fente. Sur le mur de derrière, vous voyez…
— Une ligne blanche, répondit Marek. Produite par la lumière passant à travers la fente.
— Exact, fit Gordon. Elle aurait à peu près cet aspect, ajouta-t-il en montrant une photographie.

— Maintenant, poursuivit-il en continuant à dessiner, nous avons deux fentes verticales dans notre mur. En projetant le faisceau lumineux, que voyons-nous sur le mur de derrière ? 

— Deux lignes verticales, répondit Marek.
— Non, nous voyons une alternance de bandes d’ombre et de lumière, des franges d’interférence.

— Et si le flux lumineux passe à travers quatre fentes, poursuivit Gordon, nous aurons moitié moins de bandes lumineuses que précédemment. Une sur deux devient noire.

Plus il y a de fentes, moins il y a de bandes ? fit Marek, l’air perplexe. Pourquoi ?
— L’explication la plus courante est celle que vous voyez sur mon dessin : la lumière passant à travers les fentes agit comme deux ondes qui se superposent. À certains endroits, elles s’ajoutent l’une à l’autre ; à d’autres, elles s’annulent mutuellement. Cela produit une alternance de bandes d’ombre et de lumière sur le mur. Nous disons que les ondes interfèrent les unes avec les autres, que nous sommes en présence d’un phénomène d’interférence.
— Et alors ? lança Chris Hugues. Qu’est-ce qui cloche dans ce raisonnement ?
— Ce qui cloche, répondit Gordon, c’est que je viens de vous donner une explication du XIX^e siècle. Elle était parfaitement acceptable au temps où tout le monde croyait que la lumière était une onde, mais, depuis Einstein, nous savons que la lumière est composée de particules appelées photons. Comment expliquez-vous que nos photons produisent ce phénomène d’interférence ?
Tout le monde secoua la tête en silence.
— Les particules ne sont pas aussi simples que la description que vous en avez faite, objecta David Stern, ouvrant la bouche pour la première fois. Elles ont dans certaines situations des propriétés ondulatoires ; elles peuvent produire des interférences. Dans le cas qui nous intéresse, les photons du faisceau lumineux interfèrent les uns avec les autres pour produire ce phénomène.
— Cela semble logique, en effet, acquiesça Gordon. Après tout, un rayon de lumière est composé d’un nombre incalculable de petits photons. On peut aisément imaginer qu’ils interfèrent les uns avec les autres d’une manière quelconque pour produire ce phénomène.
Tout le monde hocha la tête en chœur. C’était facile à imaginer.
— Mais en est-il vraiment ainsi ? reprit Gordon. Est-ce réellement ce qui se passe ? Un moyen de le découvrir consiste à éliminer toute interaction entre les photons. Prenons-les donc un par un, comme cela a été fait d’une manière expérimentale. Imaginons un flux lumineux si faible qu’un seul photon est émis à la fois. Et l’on peut placer derrière les fentes des détecteurs ultrasensibles… si sensibles qu’ils décèlent le choc d’un photon unique. D’accord ?
Tout le monde hocha de nouveau la tête, plus lentement cette fois.
— Il ne peut plus y avoir interaction entre les photons, puisque nous n’avons affaire qu’à un seul. Ils arrivent donc l’un après l’autre et le détecteur enregistre leur point de chute. Le résultat obtenu au bout de quelques heures montre à peu près ceci : 

— Nous constatons, reprit Gordon, que les photons arrivent seulement à certains endroits, jamais à d’autres. Ils se comportent exactement de la même manière que dans un flux lumineux normal, mais se déplacent un par un. Il n’y a pas d’autres photons pour interférer avec eux, mais quelque chose produit des interférences, puisque nous retrouvons le phénomène d’interférence habituel. La question est la suivante. Qu’est ce qui peut interférer avec un photon unique ?
Silence.
— Une idée, monsieur Stern ?
— Si on calcule les probabilités… commença Stern d’une voix hésitante.
— Ne vous réfugiez pas dans les mathématiques ; restez dans la réalité. N’oubliez pas que cette expérience a été réalisée avec de vrais photons frappant de vrais détecteurs. Et il y a une interférence avec quelque chose de réel. La question est toujours : quoi ?
— D’autres photons, nécessairement, répondit Stern.
— En effet, fit Gordon, mais où sont-ils ? Nous disposons de détecteurs qui ne détectent la présence d’aucun autre photon. Où sont-ils donc ?
— D’accord, soupira Stern en levant les mains.
— Comment ça, d’accord ? fit Chris. D’accord pour quoi ?
— Expliquez-leur, fit Gordon en encourageant Stem d’un petit signe de tête.
— Il veut dire que le phénomène d’interférence observé avec l’émission d’un seul photon prouve que la réalité dépasse ce que nous voyons dans notre univers. Il y a interférence, mais nous ne sommes pas en mesure d’en déceler la cause dans notre univers. En conséquence, les photons doivent se trouver dans d’autres univers. Ce qui prouve qu’il existe d’autres univers.
— Exact, fit Gordon. Et ils sont parfois en interaction avec le nôtre.
— Voudriez-vous reprendre ? fit Marek. Pourquoi un autre univers produirait-il des interférences avec le nôtre ?
— C’est la nature du plurivers. N’oubliez pas que dans le plurivers les univers se subdivisent constamment, ce qui implique que nombre d’autres univers sont très semblables au nôtre. Et ils sont en interaction avec lui. Chaque fois que nous projetons un rayon lumineux dans notre univers, d’autres sont projetés simultanément dans quantité d’univers semblables ; ce sont les photons de ces autres univers qui interfèrent avec les photons du nôtre et produisent le phénomène que nous avons observé.
— Vous voulez nous faire croire que c’est vrai ?
— C’est absolument vrai. L’expérience a été réalisée à maintes reprises.
Marek plissait le front. Kate regardait fixement devant elle tandis que Chris se grattait la tête.
— Mais tous les univers ne sont pas semblables au nôtre ? demanda David Stem après un long silence.
— Non.
— Sont-ils tous simultanés ?
— Pas tous.
— Certains univers existent donc à une époque antérieure ?
— Oui. En réalité, comme leur nombre est infini, les univers existent à toutes les époques antérieures.

Texte original de MICHAEL CRICHTON extrait de Prisonniers du temps traduit de l'anglais par PATRICK BERTHON

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