Sven Ortoli

Jean-Pierre Pharabod

Métaphysique
quantique

Les nouveaux mystères de l’espace et du temps

2018

Présentation

En 1984, Sven Ortoli et Jean-Pierre Pharabod publiaient aux Éditions La Découverte Le Cantique des quantiques, un livre salué à l’époque comme l’un des meilleurs ouvrages de vulgarisation sur le difﬁcile sujet de la mécanique quantique, vendu à 85 000 exemplaires et traduit en six langues. Mais, depuis plus d’une trentaine d’années, le paysage a radicalement changé : la manipulation et l’observation d’éléments quantiques uniques (un électron, un photon, un ion, un atome, une molécule…), engagées dans les années 1960, sont devenues faciles et presque banales. Des idées autrefois invraisemblables sont désormais testables et des expériences jusque-là impossibles ont été réalisées : leurs résultats sont venus conﬁrmer et ampliﬁer les aspects les plus déroutants de la théorie des quanta, ouvrant la porte à des applications techniques révolutionnaires, comme l’ordinateur quantique.

Fables éclairantes et schémas à l’appui, les auteurs dessinent ici dans un langage clair, drôle et rigoureux, les nouveaux contours de cet étrange monde quantique sans lequel nous n’aurions ni Internet, ni ordinateurs, ni téléphones portables, ni… rien de ce qui a permis la société de la communication. Un monde hors de l’espace-temps, où les particules savent se téléporter et vraisemblablement remonter le temps… Un monde dont les nouvelles frontières, théoriques et expérimentales, plongeront le lecteur dans un inexorable mais délicieux vertige métaphysique.

Les auteurs

Sven Ortoli est journaliste, conseiller de la rédaction de Philosophie Magazine. Il est notamment l’auteur de La Baignoire d’Archimède (avec Nicolas Witkowski, Seuil, 1996).

Jean-Pierre Pharabod, ingénieur des télécommunications, a travaillé trente ans au Laboratoire de physique nucléaire des hautes énergies de l’École polytechnique. Il est notamment l’auteur de Le Rêve des physiciens (avec Bernard Pire, Odile Jacob, 1993) et Heurs et malheurs de la physique quantique. Des vérités incroyables (avec Gérard Klein, Odile Jacob, 2017).

Collection

Poches / Essais no 486

DES MÊME AUTEURS

Le Cantique des quantiques. Le monde existe-t-il ?, La Découverte, Paris, 1984, 2007.

Copyright

Cet ouvrage a été précédemment publié en 2011 aux Éditions La Découverte dans la collection « Cahiers libres ».

© Éditions La Découverte, Paris, 2011, 2018.

En couverture : © Old man, Dariusz Klimczak.

ISBN numérique : 978-2-3480-3558-6

ISBN papier : 978-2-7071-6995-2

Composition numérique : Facompo (Lisieux), avril 2018

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À Bernard d’Espagnat, le premier qui, en France,
a clairement saisi l’importance fondamentale
des problèmes dont traite ce livre.

Prélude

Notre monde est quantique. La preuve ? Regardez autour de vous, sur un bureau, par exemple, où trône un ordinateur rutilant extraplat doté d’un processeur plus rapide qu’Atalante et d’une carte graphique à damner un enlumineur. L’appareil est relié par wifi à une imprimante cachée à quelques mètres. Non loin du PC, un Smartphone dernier cri clignote discrètement ; son propriétaire ne sait toujours pas bien s’en servir, mais il est bien content de l’avoir (un peu moins après avoir tenté d’en déchiffrer le mode d’emploi…). Dans le tiroir, une télécommande infrarouge voisine avec un lecteur MP3, prêt à lui fournir un rempart musical contre des conversations devenues trop bruyantes, open space oblige. Toutes choses qui, aussitôt éveillées, plongent leur utilisateur dans un apaisant bien-être. Mais là n’est pas le propos : lui, c’est vous, c’est nous, c’est l’homo quanticus du XXIe siècle. L’homme qui, depuis le Big Bang de l’information au siècle précédent, n’a cessé de voir son « infosphère » – le terme vient du futurologue Alvin Toffler – gonfler comme un univers en expansion. Pensez à la taille de la bulle mentale qui entoure le nouveau-né : l’espace moyen au-delà duquel il ne perçoit généralement plus d’informations est de quelques mètres environ ; devenu adulte, sa bulle – son infosphère – englobe la planète.

Du matin au soir, l’homo quanticus récolte, analyse, écarte, épargne, hiérarchise et émet une centaine de messages. Modeste mais décisive contribution parmi les 300 milliards qui circulent chaque jour. D’un clic, mental avant même d’être physique, il se déplace de Shanghai à New York et passe d’un e-mail en souffrance (deux semaines de retard, un temps géologique !) à une enchère à venir, qui attire déjà de nombreux « eBayeurs ».

Comparez-le à son ancêtre de la Renaissance : au cours de sa vie – qui dépassait rarement le tiers de la nôtre –, un paysan de cette époque ne rencontrait guère plus d’une centaine de personnes, outre les gens de son village, entre sa naissance et sa mort : sa géographie comme son histoire étaient enserrées dans une zone d’une dizaine de kilomètres autour du clocher local. Messages et rumeurs lui parvenaient chichement et, au mieux, à la vitesse de 200 km/jour – seuls les puissants disposant d’un cheval –, en admettant que son village se situe sur un axe important.

D’un réseau social à l’autre, homo quanticus, lui, ne compte plus ses « amis ». Depuis le télégraphe optique (Chappe, 1791) ou électrique (Morse, 1832), les messages lui parviennent approximativement à la vitesse de la lumière, mais surtout ils sont passés d’un mode de propagation hiérarchisé, pyramidal à un réseau maillé, autant horizontal que vertical, dont les nœuds sont mouvants. En somme, la géométrie n’est plus la même, que ce soit pour la propagation des nouvelles et des rumeurs ou pour les modes de rencontre. Homo quanticus s’étale en permanence dans l’espace et dans le temps. Il s’étale justement par la vertu de ces objets high tech qui l’entourent et le prolongent, et qu’il convient de scruter, fût-ce sommairement, avec l’œil exercé du philosophe qui interroge la nature des choses : qu’ont-ils tous en commun ?

Primo, ils ont une extension spatiale réelle – un téléphone portable, par exemple, mesure huit centimètres de haut pour cinq de large et un et demi d’épaisseur – et virtuelle – ils dotent leur propriétaire du don d’ubiquité.

Secundo, ils sont stables. Sauf paranoïa galopante, nul ne s’attend à les voir brutalement exploser, se désintégrer ou disparaître dans un chuintement indiquant qu’ils sont passés dans une quatrième (ou nième) dimension – encore que certains d’entre nous puissent se poser la question : « Bon sang, mais je l’avais posé là ! » ; bien entendu, dans ce cas précis, chacun (re)devient animiste et y voit un effet, non pas de sa propre distraction, mais de la malveillance : objets inanimés, avez-vous donc une âme ? Évidemment, et elle est sournoise !

Tertio, tous ces objets sont individualisés et, même si votre collègue d’en face possède un smartphone similaire (en réalité, il vous a expliqué avec un dédain calculé que son modèle est le nouveau, avec la 4D), le vôtre est éraflé (merci les enfants !) et contient tant d’informations sur vous-même que vous le distingueriez d’un autre sans coup férir.

D’aucuns pourraient objecter que ces propriétés sont aussi celles du premier objet rencontré dans un bureau, de la feuille de papier A4 au Fuji Yama au printemps (l’une des nombreuses boules-à-neige collectionnées par le collègue).

Mais cette familiarité disparaît avec le point suivant.

Quarto, donc, il suffit de zoomer sur ces objets en profondeur pour constater que chacune de nos micromachines, de l’ordinateur au « bip » de la voiture, dérive des technologies issues des semi-conducteurs ou des lasers. Ils sont, par conséquent, les héritiers en ligne directe de cette part de la physique que l’on a appelée « mécanique quantique ». Laquelle contribue pour 5 % à 10 % au PIB des pays industrialisés.

Notre rapport au monde a tellement changé que nous sommes différents, mentalement, des hommes et femmes d’avant Internet. Au passage de l’an 2000, une césure s’est finalement produite qui n’était pas seulement symbolique mais s’est traduite, on le ressent aujourd’hui, par un usage différent du réel. Question de projection dans l’espace et dans le temps avec des outils qui compriment l’un et l’autre – de Google Earth à Skype ; question de relation aux autres avec les réseaux sociaux – de Craigslist à Facebook en passant par Meetic –, l’espace de nos fantasmes et de nos fréquentations a été dynamité ; question de mode de raisonnement et de méthode de recherche d’informations – par mot clé, parfois par image et par une itération sans cesse proposée qui entraîne, comme le joueur de flûte de Hamelin, vers des horizons inattendus. Sans compter, la surabondance d’informations qui est l’apanage de notre temps.

Tout cela est médiatisé par des machines issues d’un étrange corpus scientifique, celui de la mécanique quantique. Un corpus dont les objets ultimes sont d’abstraites entités mathématiques, en gros des bosons et fermions, triturés dans des espaces de Fock (à propos desquels, nous resterons discrets) par des opérateurs d’annihilation-création (qui ne nous rendront pas plus loquaces). Or ces objets ultimes ont des propriétés vraiment déroutantes : d’abord, la non-localité, ce mystérieux phénomène que les physiciens appellent « intrication » et qui a pour résultat tangible de lier deux particules – photons, atomes ou électrons – de telle sorte qu’une action sur l’une entraîne instantanément une action sur l’autre ; même si elles sont séparées par des années-lumière ! Ensuite, vraisemblablement, l’intemporalité, c’est-à-dire l’appartenance à un réel qui n’est pas plus localisable dans le temps que dans l’espace !

Certaines de leurs propriétés sont tellement étonnantes que, pour tenter de les expliquer, quelques physiciens battent hardiment la campagne. Pour justifier par exemple que les objets quantiques – électrons ou photons, atomes ou molécules – soient décrits en termes de superposition d’états (un chapitre de ce livre est consacré à ce concept délicat), des chercheurs comme David Deutsch suggèrent que notre monde ne cesse de se développer en branches, elles-mêmes génératrices d’autres branches, dans lesquelles d’autres nous-mêmes poursuivent chacun leur propre existence. Agaçante pour les uns, stimulante pour les autres, cette hypothèse souligne, de manière caractéristique, l’origine mathématique des triomphes de la technologie moderne, d’où jaillissent de vertigineuses questions qu’il faut bien qualifier de « métaphysiques ».

Ce n’est pas totalement une surprise : une théorie scientifique ne se réduit pas à un formalisme mathématique mais dépend également de l’ontologie qu’elle postule, c’est-à-dire de sa façon de décrire le réel physique et de rendre compte d’une expérience. Pour prendre un exemple célèbre, en formulant la loi de la gravitation, Isaac Newton a fait l’ontologie d’une action à distance instantanée, par l’intermédiaire d’une force. Le concept, on le sait, fera florès : de cette force surgira la mécanique classique, ses poids et ses masses, ses attractions et ses répulsions ; et, avec elle, l’univers mental et le creuset culturel où se fondront équations, expériences et gadgets qui feront le lit de la révolution industrielle et des Temps modernes. C’est tout l’objet de ce livre, aujourd’hui, que d’aller explorer les étrangetés ontologiques de la mécanique quantique en pariant que c’est là, dans cet univers mental en construction, que gît notre futur.

Car si la première révolution quantique, celle du XXe siècle, nous avait en quelque sorte fourni les règles du jeu d’un monde auquel nous n’avons pas directement accès – celui des atomes –, elle l’avait fait au prix d’un pragmatisme sans concession : ça marche, que demandez-vous de plus ? Regardez les ordinateurs, la supraconduction, la superfluidité ou la magnétorésistance géante, regardez ce qu’on sait faire !

Seulement voilà, la seconde révolution quantique pointe son nez, et il ne s’agit, cette fois, de rien d’autre que de l’utilisation technologique directe des concepts les plus singuliers de la théorie : non-localité (avec la cryptographie quantique ou la « téléportation »), mondes multiples (avec l’ordinateur quantique) et, pourquoi pas – sans que cela autorise le voyage dans le temps –, intervention dans le passé (avec la « gomme quantique »). Autant dire qu’on ne peut guère faire l’économie de questions sur les fondamentaux de cette théorie. Avec, au premier rang d’entre elles, celle de la nature du phénomène bizarre, de l’« intrication » qui lie des objets, des systèmes, comme si l’espace était aboli, et dont le physicien Alain Aspect, l’un des personnages clefs de cette histoire, écrivait en 2007 : « Merci aux idées développées par Albert Einstein et John Bell, l’intrication nous conduit aux portes de la seconde révolution […] et nous permet de regarder plus profondément au cœur des grands mystères quantiques1. »

Note du Prélude

1. Alain ASPECT, « To be or not to be local », Nature, vol. 446, 2007.

1

Les fantômes de matière

Guerre froide et vaisseaux fantômes

Il n’échappera pas au lecteur que le sous-marin et la particule ont ceci de commun qu’on n’en voit guère la trace une fois celui-ci ou celle-là envoyé en mission. Et, lorsqu’on détecte l’un ou l’autre, tous deux changent de comportement ; la ressemblance s’arrête là. Mais, pour illustrer l’une des plus étonnantes expériences de la physique – l’une des plus riches aussi –, il n’est pas inutile de faire un détour par les profondeurs océanes avant de tenter une plongée dans un monde non moins abyssal, celui des fentes de Young.

Les sous-marins nucléaires russes de la flotte du Nord font l’objet, on le sait, d’une surveillance aussi étroite que possible de la part des forces de l’OTAN. Au moment d’appareiller depuis une base de la péninsule de Kola, il leur est quasiment impossible d’échapper à l’un des multiples regards qui les épient au quotidien : informateurs à quai, vrais faux chalutiers norvégiens pêchant en mer de Barents,

Figure 1 Le GIUK [Groenland, Iceland, United Kingdom] Gap.

avions de reconnaissance dans le ciel, sans compter, à 400 km d’altitude, des satellites Big Bird. Mais, pour ces sous-marins porteurs de mort, le grand jeu de cache-cache avec l’adversaire commence plus tard, lorsque, profitant du bruit des vaisseaux de surface qui les ont accompagnés jusqu’à la zone de plongée, les monstrueux cachalots d’acier disparaissent sous les eaux.

Un sous-marin russe a deux chemins possibles pour rejoindre sa zone de patrouille dans l’Atlantique Nord. Soit il se glisse quelque part dans le détroit de 300 km qui sépare le Groenland de l’Islande (Graenlandssund, pour les Islandais), soit il tente de traverser la vaste étendue (800 km) qui va de l’Islande à l’Écosse, plus ou moins près des îles Féroé. Bien entendu, c’est sur cette zone que se concentrent la détection et la lutte anti-sous-marins de l’Alliance atlantique.

Si le sous-marin est détecté et s’obstine à rejoindre sa zone assignée, ce sera sous escorte plus ou moins discrète d’une meute de chasseurs de sous-marins. Sa mission aura échoué, le guetteur ayant pu retracer son chemin d’un côté ou de l’autre de l’Islande. Si, au contraire, le sous-marin passe sans bruit intempestif, personne ne saura rien de la voie empruntée. Plus tard, s’il remonte en surface au large des côtes américaines, le guetteur dépité aura la démonstration que sa proie a déjoué sa surveillance. Peut-être lui aura-t-il attribué une probabilité de 31 % d’être passé à gauche et 69 % d’être passé à droite, mais il n’imaginera en aucun cas que le sous-marin est réellement passé simultanément de part et d’autre de l’Islande. Il est inconcevable que le sous-marin se dédouble en deux vaisseaux fantômes et immergés, pour se reconstituer ensuite quelque part en plein Atlantique Nord, se trouvant avant cette résurrection dans ce qu’on pourrait appeler la superposition de deux états, l’état « Graenlandssund » et l’état « Féroé ».

C’est pourtant ce qui se produit dès lors que le sous-marin est remplacé par une particule de lumière (un photon) ou de matière (électron, proton, neutron, etc.) ou même un banal atome à qui l’on offrirait la possibilité d’emprunter, sinon l’un des deux « channels » de part et d’autre de l’Islande, du moins l’une ou l’autre des fentes de l’expérience de Thomas Young.

Young était un médecin anglais de génie, féru de langues anciennes et exotiques – il fut coiffé au poteau par Champollion dans le décryptage de la pierre de Rosette – et passionné de sciences. C’est en 1802 qu’il réalisa pour la première fois l’expérience qui porte son nom. À l’époque, il la réalisa avec de la lumière, c’est-à-dire des photons, mais elle a été refaite au siècle dernier avec des électrons, des neutrons, et même, dès 1991, avec des atomes. En voici une présentation, reprise à quelques mots près de notre précédent livre1.

L’expérience de Young, porteuse
d’une nouvelle vision du monde

Un tireur, les yeux bandés, s’exerce à la carabine sur un mur de pierre dans lequel ont été pratiquées deux ouvertures verticales identiques, très étroites et assez proches l’une de l’autre ; le tireur est à égale distance de ces ouvertures. Derrière ce premier mur et parallèlement à lui se trouve un second mur, en bois lisse celui-là, qui absorbe les balles ayant franchi le premier obstacle et sur lequel on voit nettement les impacts successifs. La plupart des balles sont arrêtées par le premier mur, certaines traversent la première fente directement ou en ricochant sur l’un de ses bords, d’autres enfin font de même avec la seconde fente. L’accumulation des impacts sur le second mur, au bout par exemple d’un million de tirs successifs, permet de tracer une courbe donnant le nombre d’impacts par unité de surface.

Pour les besoins de la cause, le second mur est remplacé par un mur semblable en bois neuf tandis que la fente gauche du premier mur est close. Le tireur réitère son exercice un million de fois. Puis, la fente gauche est réouverte et la droite fermée ; le tireur effectue encore un million de tirs. En définitive, on retrouve la même courbe que dans la première expérience : cette courbe est la somme de celle que l’on obtient avec la première fente fermée et de celle résultant de celle de la seconde.