Les physiciens repensent une loi quantique fondamentale pour nous aider à comprendre la réalité

Au cœur de la physique, il y a un heureux hasard. C’était une hypothèse incroyablement bonne, qui reste solide face au temps et à l’expérience, et qui est maintenant un principe fondamental en mécanique quantique.

C’est ce qu’on appelle la règle de Born, et bien qu’elle soit utilisée pour les prédictions, personne ne comprend vraiment comment elle fonctionne. Mais une nouvelle tentative audacieuse de la réécrire pourrait avoir trouvé ce que nous cherchions pour enfin la comprendre dans son intégralité.

Les physiciens de l’University College London, Lluís Masanes et Thomas Galley, se sont associés à Markus Müller de l’Académie des sciences d’Autriche pour trouver une nouvelle façon de décrire cette loi fondamentale de la physique.

Ils ne sont pas les premiers à chercher des vérités plus profondes sur ces principes quantiques ahurissants. Et soyons honnêtes, ils ne seront pas les derniers. Mais s’il y a une solution à trouver, elle nécessitera probablement une approche unique comme la leur.

D’abord, pour comprendre ce qu’il y a de si spécial dans la règle de Born, nous devons revenir un peu arrière.

C’est devenu un cliché de dire que la mécanique quantique est bizarre. Avec les chats qui sont à la fois vivants et morts et les particules qui téléportent l’information dans l’espace et le temps, nous avons l’habitude de voir le sous-sol de la physique comme un spectacle de magie.

De grands noms comme Schrödinger, Heisenberg, et Einstein tendent à obtenir la gloire, mais c’est le physicien et mathématicien allemand Max Born qui mérite vraiment le crédit pour le mal de tête monumental que la mécanique quantique livre.

Pour comprendre sa contribution, il suffit de regarder le désordre brûlant que les physiciens ont découvert au début des années 1920. La structure de l’atome s’est récemment révélée être constituée d’un noyau dense, chargé positivement et entouré de particules plus petites chargées négativement.

Pourquoi tout le système ne s’est pas effondré, c’est la grande question qui s’est posée, jusqu’à ce que le physicien français Louis de Broglie fasse une proposition audacieuse – tout comme les ondes lumineuses ont une nature particulaire, ces électrons négatifs pourraient rester en l’air s’ils étaient également semblables aux ondes.

La dualité de la lumière était déjà assez dure à avaler. Mais décrire la matière solide comme s’il s’agissait d’une vague sur l’océan n’était que pure folie. Pourtant, les expériences ont montré qu’il s’agissait d’une bonne correspondance.

Puis, en 1926, Born est venu avec une simple suggestion – en tirant un aperçu des mathématiques de ses collègues, il a montré comment ces ondes reflète la probabilité et a proposé une règle qui marie les observations avec des mesures du hasard. Cette règle permet aux physiciens de prédire la position des particules dans les expériences, en utilisant les probabilités reflétées par les amplitudes de ces fonctions des ondes.

Mais la règle de Born n’était pas basée sur un ensemble d’axiomes de base, ou sur des vérités plus profondes de la nature. Dans une conférence qu’il a donnée sur l’obtention d’un prix Nobel de physique pour son travail en 1954, Born a expliqué le moment “aha ! aha !” a émergé de l’œuvre d’Einstein.

“Il avait essayé de rendre la dualité des particules – quanta de lumière ou photons – et des ondes compréhensibles en interprétant le carré des amplitudes des ondes optiques comme densité de probabilité pour l’occurrence des photons”, dit Born.

C’était une supposition inspirée, et précise en plus. Mais il n’y avait pas d’axiomes de base, pas de lois fondamentales menant à sa conclusion. C’était purement prédictif, sans parler des principes plus profonds qui transforment une multitude de peut-être en une seule réalité.

Einstein détestait les implications, affirmant que Dieu ne joue pas aux dés, et pensait que la mécanique quantique était une théorie incomplète qui attendait de nouvelles pièces pour rendre l’image claire.

Près d’un siècle plus tard, ces pièces sont plus insaisissables que jamais. Et la règle de Born est toujours au cœur de celle-ci, prédisant silencieusement sans révéler le secret de son choix.

Ce qu’il faut, c’est une reformulation de la fameuse loi qui conserve son pouvoir de prédiction tout en laissant entendre d’autres vérités. Masanes, Galley et Muller ont donc retravaillé la formulation de la règle sur la base d’une poignée d’hypothèses en apparence triviales.

Premièrement, ils ont souligné que les états quantiques sont décrits selon des mesures de magnitude et de direction.

Deuxièmement, ils ont montré comment ces états peuvent être décrits selon ce que l’on appelle l’unitarité. Ce jargon fait référence à l’information qui relie les points de départ et d’arrivée d’un processus.

Ensuite, ils ont supposé que, quelle que soit la méthode choisie pour regrouper les parties d’un système quantique complexe, cela ne devrait pas faire de différence dans la mesure de l’état final. Diviser un arc-en-ciel en sept couleurs est un choix que nous faisons en fonction du contexte ; la nature ne se soucie pas toujours des divisions pratiques.

Enfin, ils ont affirmé que la mesure d’un état quantique est unique. Après tout, une myriade de possibilités se termine par une réponse solide.

À partir de ces simples points de départ, le trio s’est construit logiquement jusqu’à la règle de Born. Leur travail est disponible pour tous sur le site web arxiv.org, mais il suscite déjà la discussion.

Ce n’est pas une solution en soi, car il n’explique pas pourquoi une vague de possibilités s’effondre dans la réalité que nous observons.

Il montre plutôt comment des hypothèses fondamentales peuvent donner naissance à la même loi, offrant ainsi une nouvelle perspective sur la façon d’aborder le problème.

Pour l’instant, Dieu lance toujours ces dés à la loyale. C’est peut-être comme ça qu’on l’attrapera en train de tricher.

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Source : ScienceAlert – Traduit par Anguille sous roche