Dans cet article de blog, nous examinerons les fondements de la mécanique quantique, les points principaux de l'interprétation de Copenhague et de l'interprétation des mondes multiples, et comment ces deux interprétations envisagent « l'observation », puis nous réfléchirons à l'objectif de la mécanique quantique.
Il y a longtemps, dans l'histoire de la physique, Max Planck publia un article et des résultats expérimentaux basés sur ses expériences sur le rayonnement du corps noir, affirmant que « toute énergie est constituée de paquets infimes à valeurs discrètes ». Cette affirmation bouleversa les fondements de la pensée dominante chez les physiciens de l'époque, qui croyaient que tous les phénomènes du monde macroscopique pouvaient être expliqués par la mécanique newtonienne. Dès lors, à mesure que les instruments de mesure se perfectionnaient et que les physiciens acquéraient la capacité d'observer le monde microscopique, ils publièrent divers résultats expérimentaux révélant les limites de la mécanique newtonienne. Ces résultats, que les théories existantes ne pouvaient expliquer, conduisirent rapidement à la reconnaissance de la nécessité d'un nouveau cadre mécanique : la mécanique quantique était née. Celle-ci s'imposa rapidement en apportant des réponses à des phénomènes naturels que la physique classique ne pouvait expliquer, tels que l'explication de l'effet photoélectrique par Einstein et le modèle du spectre de l'atome d'hydrogène par Bohr. De plus, grâce aux efforts d'innombrables physiciens et à des développements tels que la théorie de la transformation proposée par Paul Dirac et Pascual Jordan, elle s'est imposée comme un domaine d'étude distinct.
Cependant, cela signifiait simplement l'achèvement de la « forme » mathématique – l'outil utilisé pour décrire le contenu de la mécanique quantique – et n'impliquait pas qu'elle ait été établie du point de vue de l'interprétation physique. Aujourd'hui encore, des décennies plus tard, des divergences d'opinions persistent parmi les physiciens les plus éminents concernant l'« interprétation » des phénomènes quantiques. De l'« interprétation de Copenhague » – souvent considérée comme l'interprétation dominante – à l'« interprétation des mondes multiples », apparue en réponse aux limitations de la première, en passant par diverses autres interprétations, ces différentes approches continuent de se compléter en comblant les lacunes qu'aucune interprétation ne peut expliquer pleinement. Lors d'une conférence sur la mécanique quantique organisée en Autriche, un sondage a été mené auprès de 33 physiciens de renommée mondiale afin de connaître leur préférence pour une interprétation : l'interprétation de Copenhague a recueilli 42 % des voix, l'interprétation informationnelle 24 % et l'interprétation des mondes multiples 18 %. Étant donné qu'aucune interprétation n'a dépassé les 50 % dans ce sondage, il apparaît clairement que chaque interprétation présente ses propres limites. Dans cet article, je présenterai brièvement l’« interprétation de Copenhague » et l’« interprétation des mondes multiples » – qui représentent une part importante du domaine et proposent des conceptions opposées de l’acte d’« observation » – et j’en discuterai les limites. L’« interprétation informationnelle » est exclue de cette discussion car elle envisage la mécanique quantique sous un angle quelque peu différent des deux autres.
Le cadre de base de l'interprétation de Copenhague, proposée par Bohr et Heisenberg, est le suivant : « Tant que l'observateur n'utilise pas d'instrument de mesure, l'électron au sein d'un atome se déplace selon les lois de la causalité. Cependant, lorsqu'on tente de décrire l'électron dans une position et un temps fixes au sein de l'espace-temps, des interactions discrètes interviennent, provoquant une déviation par rapport à la causalité, et l'observateur n'a d'autre choix que de se fier aux probabilités quantiques. » La mécanique newtonienne stipule que les particules observées dans le monde macroscopique possèdent des valeurs spécifiques et bien définies pour leur position et leur quantité de mouvement lorsqu'elles se déplacent. Cela signifie que dans le monde macroscopique, où existent les observateurs – c'est-à-dire les êtres humains –, la position et la quantité de mouvement sont fixes. Cependant, dans le monde microscopique, un électron en mouvement existe dans un état où ces grandeurs physiques ne peuvent être déterminées de manière définitive par une valeur unique. Différents états coexistent simultanément. Par exemple, s'il existe trois états possibles – 1, 2 et 3 – qu'un électron peut occuper, l'électron existe simultanément dans les trois états avant d'être observé. Mathématiquement, cela s'exprime comme la somme des fonctions d'onde correspondant aux états 1, 2 et 3. Lorsqu'un observateur macroscopique observe l'électron, celui-ci est réduit à un seul état parmi les nombreux états possibles, déterminé par la probabilité associée à cet état. Autrement dit, l'acte d'observation modifie l'état de l'électron. Par exemple, dès que l'on détermine que l'électron est dans l'état 1, la possibilité qu'il existe simultanément dans les états 2 et 3 disparaît. C'est ce que l'interprétation de Copenhague appelle « l'effondrement de la fonction d'onde ». Par conséquent, l'acte d'observation revêt une importance capitale dans cette interprétation.
Des physiciens célèbres, comme Einstein, ont réfuté l'interprétation de Copenhague en s'appuyant sur diverses expériences de pensée. Parmi celles-ci, la plus connue est le « chat de Schrödinger ». Dans une boîte scellée se trouvent un chat et un dispositif capable de libérer du poison en fonction de l'état d'une particule, déterminé par la mécanique quantique. Le sort du chat, vivant ou mort après un certain laps de temps – qui constitue lui-même un état –, n'est connu qu'au moment où le couvercle est ouvert et que le chat est observé. Cette expérience de pensée illustre comment l'application de l'acte d'« observation », fondamental à l'échelle microscopique, au monde macroscopique conduit à des conclusions surprenantes. De ce fait, elle a suscité une profonde réflexion sur la signification de l'observation en mécanique quantique. C'est ainsi que naît l'interprétation des « mondes multiples ».
Everett III, ancien professeur à l'université de Princeton, a réfuté les affirmations de l'interprétation de Copenhague, arguant que la distribution de probabilité d'une particule ne disparaît pas lors de l'observation, mais que de multiples mondes possibles existent depuis l'origine. Autrement dit, la position d'une particule n'est pas déterminée par une valeur unique par l'observation ; de multiples mondes parallèles existent déjà, et nous n'en observons que un. Les états que nous n'observons pas directement se déploient dans d'autres mondes possibles. Par exemple, si notre observation aboutit à l'état 2, les autres états ne disparaissent pas à ce moment-là ; ils se déploient dans d'autres mondes, et nous ne pouvons simplement pas les observer.
L'interprétation des mondes multiples présente toutefois des problèmes évidents. Si un événement susceptible de se produire survient dans tous les mondes possibles, quelle signification revêt la probabilité associée à chaque état ? Everett a tenté de résoudre ce problème en multipliant simplement chaque état par un coefficient de pondération. Cependant, la question de savoir ce qui justifie qu'un monde soit plus important qu'un autre reste sujette à débat.
Compte tenu de ces deux interprétations — chacune avec sa propre importance et ses limites —, je tends à privilégier l'interprétation de Copenhague. Si l'on remonte aux origines de la mécanique quantique, on constate qu'elle a été conçue pour expliquer les phénomènes du monde microscopique. Autrement dit, puisqu'elle a été créée pour élucider les phénomènes par l'observation et les faits qui en résultent, l'acte d'observation lui-même revêt une signification fondamentale. Lors de l'observation concrète des particules, pour observer l'état d'une particule isolée, il est nécessaire d'exercer une certaine influence sur elle. En physique, on parle alors de « perturbation ». En d'autres termes, observer l'état d'une particule implique de provoquer une légère modification de celle-ci, puis d'observer sa réaction. Bien que le lien entre la modification de l'état de la particule et l'effondrement de la fonction d'onde soit quelque peu ambigu mathématiquement, les deux phénomènes altèrent l'état initial. Cela signifie que l'acte d'observation lui-même est physiquement significatif.
La mécanique quantique s'est affranchie du déterminisme de la mécanique newtonienne classique pour adopter une approche probabiliste. Qui pourrait facilement accepter l'idée que la position d'une pomme, juste devant soi, change avec des probabilités variables à chaque fois qu'on la regarde ? Il est vrai que l'interprétation de Copenhague et l'interprétation des mondes multiples ont chacune leur importance et leurs limites pour aider les personnes habituées à la notion d'états définis des objets à comprendre les phénomènes microscopiques. Je suis étudiant en ingénierie et j'étudie la création de nouvelles technologies à partir de phénomènes scientifiques et des résultats obtenus par leur observation. Le développement de la mécanique quantique nous a fourni des outils pour interpréter les phénomènes microscopiques, ce qui a directement conduit à des technologies utiles à l'humanité. L'IRM (Imagerie par Résonance Magnétique), qui a considérablement contribué à la médecine moderne, a été développée grâce à l'application du phénomène de RMN (Résonance Magnétique Nucléaire) issu de la mécanique quantique ; cette technologie est utilisée non seulement en spectroscopie – pour déterminer les structures moléculaires – mais aussi dans l'exploration pétrolière. Partant de ce constat, je crois que l'interprétation la mieux adaptée à l'explication des phénomènes — ce que je considère comme le but de la science — revêtira une plus grande importance.
