L’étrangeté de la mécanique quantique oblige les scientifiques à se confronter à la philosophie

Bien que la mécanique quantique soit une théorie incroyablement réussie, personne ne sait ce qu’elle signifie. Les scientifiques doivent maintenant faire face à ses implications philosophiques.

Le monde des tout petits ne ressemble à rien de ce que nous voyons dans notre vie quotidienne.

Nous ne pensons pas que des personnes ou des pierres puissent se trouver à plusieurs endroits en même temps avant de les regarder. Ils sont là où ils sont, à un seul endroit, que nous sachions ou non où se trouve cet endroit. Nous ne pensons pas non plus qu’un chat enfermé dans une boîte puisse être à la fois mort et vivant avant d’ouvrir la boîte pour vérifier. Mais de telles dualités sont la norme pour les objets quantiques comme les atomes ou les particules subatomiques, ou même pour des objets plus grands comme un chat. Avant que nous les regardions, ces objets existent dans ce que nous appelons une superposition d’états, chaque état ayant une probabilité assignée. Lorsque nous mesurons plusieurs fois leur position ou une autre propriété physique, nous la trouvons dans l’un de ces états avec certaines probabilités.

La question cruciale qui hante ou inspire encore les physiciens est la suivante : Ces états possibles sont-ils réels – la particule est-elle vraiment dans une superposition d’états – ou cette façon de penser n’est-elle qu’une astuce mathématique que nous avons inventée pour décrire ce que nous mesurons avec nos détecteurs ? Prendre position sur cette question revient à choisir une certaine façon d’interpréter la mécanique quantique et notre vision du monde. Il est important de souligner que la mécanique quantique fonctionne à merveille en tant que théorie mathématique. Elle décrit incroyablement bien les expériences. Nous ne débattons donc pas de savoir si la mécanique quantique fonctionne ou non, car nous avons largement dépassé ce point. La question est de savoir si elle décrit la réalité physique telle qu’elle est ou non, et il nous faut quelque chose de plus si nous voulons parvenir à une compréhension plus profonde du fonctionnement de la nature dans le monde de l’infiniment petit.

États de la réflexion sur le monde quantique

Même si la mécanique quantique fonctionne, le débat sur sa nature est acharné. Le sujet est vaste, et je ne saurais lui rendre justice ici. Mon objectif est de donner une idée de ce qui est en jeu. (Pour plus de détails, voir L’île de la connaissance.) Il existe de nombreuses écoles de pensée et de nombreux arguments nuancés. Mais dans leur forme la plus générale, les écoles s’alignent sur deux façons de penser la réalité, et elles dépendent toutes deux du protagoniste du monde quantique : la fameuse fonction d’onde.

Dans un coin se trouvent ceux qui pensent que la fonction d’onde est un élément de la réalité, qu’elle décrit la réalité telle qu’elle est. Cette façon de penser est parfois appelée l’interprétation ontique, du terme ontologie, qui signifie en philosophie ce qui constitue la réalité. Les personnes qui suivent l’école ontique diraient que, même si la fonction d’onde ne décrit pas quelque chose de palpable, comme la position de la particule ou sa quantité de mouvement, son carré absolu représente la probabilité de mesurer telle ou telle propriété physique – les superpositions qu’elle décrit font partie de la réalité.

De l’autre côté se trouvent ceux qui pensent que la fonction d’onde n’est pas un élément de la réalité. Ils y voient plutôt une construction mathématique qui nous permet de donner un sens à ce que nous trouvons dans les expériences. Cette façon de penser est parfois appelée l’interprétation épistémique, du terme épistémologie en philosophie. Selon ce point de vue, les mesures prises lorsque les objets et les détecteurs interagissent et que les gens lisent les résultats sont le seul moyen de comprendre ce qui se passe au niveau quantique, et les règles de la physique quantique sont fantastiques pour décrire les résultats de ces mesures. Il n’est pas nécessaire d’attribuer une quelconque réalité à la fonction d’onde. Elle représente simplement les potentialités – les résultats possibles d’une mesure. (Le grand physicien Freeman Dyson m’a dit un jour qu’il considérait tout ce débat comme une énorme perte de temps. Pour lui, la fonction d’onde n’a jamais été destinée à être une chose réelle).

Notez l’importance des mesures dans tout cela. Historiquement, le point de vue épistémique remonte à l’interprétation de Copenhague, le fatras d’idées dont Niels Bohr a été le fer de lance et qui a été repris par ses collègues plus jeunes et plus puissants, comme Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Pascual Jordan et bien d’autres.

Cette école de pensée est parfois injustement appelée l’approche “tais-toi et calcule”, car elle insiste sur le fait que nous ne savons pas ce qu’est la fonction d’onde, mais seulement ce qu’elle fait. Elle nous dit que nous acceptons les superpositions d’états possibles, coexistant avant une mesure, comme une description pragmatique de ce que nous ne pouvons pas savoir. Lors de la mesure, le système s’effondre dans un seul des états possibles : celui qui est mesuré. Oui, il est bizarre d’affirmer qu’une chose ondulée, répartie dans l’espace, passe instantanément dans une seule position (une position qui se situe dans les limites de ce qui est autorisé par le principe d’incertitude). Oui, il est bizarre d’envisager la possibilité que l’acte de mesure définisse en quelque sorte l’état dans lequel se trouve la particule. Cela introduit la possibilité que le mesureur ait quelque chose à voir avec la détermination de la réalité. Mais la théorie fonctionne, et à toutes fins pratiques, c’est ce qui compte vraiment.

Des bifurcations sur la route quantique

Dans son essence, le débat ontique vs. épistémique cache le fantôme de l’objectivité en science. Les onticistes n’aiment pas du tout l’idée que des observateurs puissent avoir quelque chose à voir avec la détermination de la nature de la réalité. Un expérimentateur détermine-t-il vraiment si un électron est ici ou là ? Une école ontique connue sous le nom d’interprétation des nombreux mondes affirme au contraire que tous les résultats possibles sont réalisés lorsqu’une mesure est effectuée. Mais ils sont réalisés dans des mondes parallèles, et nous n’avons un accès direct qu’à l’un d’entre eux, à savoir celui dans lequel nous existons. Dans le style de Borgean, l’idée est que l’acte de mesure divise la réalité en une multiplicité de mondes, chacun réalisant un résultat expérimental possible. Nous n’avons pas besoin de parler de l’effondrement de la fonction d’onde puisque tous les résultats sont réalisés en même temps.

Malheureusement, ces nombreux mondes ne sont pas accessibles aux observateurs des différents mondes. Des propositions ont été faites pour tester les nombreux mondes de manière expérimentale, mais les obstacles sont énormes, nécessitant par exemple la superposition quantique d’objets macroscopiques en laboratoire. On ne sait pas non plus comment attribuer des probabilités différentes aux différents mondes en fonction des résultats de l’expérience. Par exemple, si l’observateur joue à un jeu de roulette russe avec des options déclenchées par un dispositif quantique, il ne survivra que dans un seul monde. Qui accepterait d’être le sujet de cette expérience ? Certainement pas moi. Pourtant, le concept de “Many Worlds” a de nombreux adeptes.

D’autres approches ontiques nécessitent, par exemple, d’ajouter des éléments de réalité à la description mécanique quantique. Par exemple, David Bohm a proposé d’étendre la prescription de la mécanique quantique en ajoutant une onde pilote dont le rôle explicite est de guider les particules vers leurs résultats expérimentaux. Le prix à payer pour la certitude expérimentale est que cette onde pilote agit partout à la fois, ce qui signifie en physique qu’elle est non localisée. De nombreuses personnes, dont Einstein, ont trouvé cela impossible à accepter.

L’agent et la nature de la réalité

Du côté épistémique, les interprétations sont tout aussi variées. L’interprétation de Copenhague est en tête. Elle affirme que la fonction d’onde n’est pas une chose de ce monde, mais un simple outil pour décrire l’essentiel, les résultats des mesures expérimentales. Les points de vue tendent à diverger sur la signification de l’observateur, sur le rôle que l’esprit exerce sur l’acte de mesurer et donc sur la définition des propriétés physiques de l’objet observé, et sur la ligne de partage entre classique et quantique.

Pour des raisons d’espace, je ne mentionnerai qu’une autre interprétation épistémique, le bayésianisme quantique, ou comme on l’appelle maintenant, le QBisme. Comme son nom original l’indique, le QBisme considère le rôle d’un agent comme central. Il suppose que les probabilités en mécanique quantique reflètent l’état actuel des connaissances ou des croyances de l’agent sur le monde, alors qu’il ou elle fait des paris sur ce qui va se passer dans le futur. Dans cette optique, les superpositions et les enchevêtrements ne sont pas des états du monde, mais des expressions de la manière dont un agent fait l’expérience du monde. En tant que tels, ils ne sont pas aussi mystérieux qu’ils peuvent paraître. La responsabilité de la bizarrerie quantique est transférée aux interactions d’un agent avec le monde.

Une critique courante à l’encontre du QBisme est sa dépendance à l’égard de la relation d’un agent spécifique à l’expérience. Cela semble injecter une dose de subjectivisme, ce qui le place en travers de l’objectif scientifique habituel de l’universalité indépendante de l’observateur. Mais comme Adam Frank, Evan Thompson et moi-même le soutenons dans The Blind Spot, un livre qui sera publié par MIT Press en 2024, cette critique repose sur une vision irréaliste de la science. Il s’agit d’une vision ancrée dans un compte rendu de la réalité en dehors de nous, les agents qui font l’expérience de cette réalité. C’est peut-être ce que la bizarrerie de la mécanique quantique a essayé de nous dire depuis le début.

Ce qui compte vraiment

Les magnifiques découvertes de la physique quantique révèlent un monde qui continue à défier et à inspirer notre imagination. Il continue à nous surprendre, comme il l’a fait au cours du siècle dernier. Comme l’a dit Démocrite, le philosophe grec qui a mis l’atomisme au premier plan il y a plus de 24 siècles, “En réalité, nous ne savons rien, car la vérité est dans les profondeurs.” Cela peut très bien être le cas, mais nous pouvons continuer à essayer, et c’est ce qui compte vraiment.

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Source : Big Think – Traduit par Anguille sous roche