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Physique fondamentale. Un Monde sans mécanique quantique

La physique quantique, vérifiée par un nombre incalculables d'expériences et de réalisations dans le domaine des technologies de l'information, prévoit que chacune des particules élémentaires ou des atomes qui sont les briques de base à partir desquels se construit le monde matériel dans lequel nous vivons et dont nous sommes nous-mêmes des éléments, peuvent se trouver au même moment simultanément dans plusieurs lieux de l'univers ou adopter des états différents superposés.

Cet article est une interprétation en français considérablement simplifiée de l'article du NewScientist mentionné ci dessous en référence

Plus précisément elle repose sur quatre principes :

- la quantification : les particules isolées ne peuvent prendre leur valeur que dans un ensemble d'éléments ou points dits discrets, c'est-à-dire soit séparés les uns les autres. Au contraire, la mécanique classique prévoit qu'elles peuvent prendre continûment n'importe quelle valeur.

- la dualité onde-particule. Ces deux notions, qui sont séparées en mécanique classique, deviennent deux aspect d'un même phénomène, décrit de manière mathématique par sa fonction d'onde. l'ensemble onde-particules peut à certains moments se comporter soit comme des particules soit comme une onde .

- le principe d'indétermination dit de Heisenberg : il n'est pas possible d'obtenir la mesure exacte simultanée de deux grandeurs conjuguées. Il est notamment impossible d'obtenir une grande précision sur la mesure de la vitesse d'une particule sans obtenir une mauvaise précision sur sa position, et réciproquement. Cette incertitude est structurelle, c'est-à-dire qu'elle est liée à la nature de l'univers. Elle ne dépend pas de la précision de l'observation.

- le rôle de la « mesure » : L'interprétation de la mécanique quantique dite de Copenhague assure que c'est la « mesure » , autrement dit ce sont les observations qui lèvent l'indétermination des représentation d'un phénomène quantique.

Jusqu'à présent ce sont ces principes qui forment la base de la physique quantique et par extension de la physique classique. Celle-ci ne peut donc pas décrire avec précision les états de la nature qu'elle observe, malgré ses ambitions.

Une nouvelle expérience

Aujourd'hui cependant une nouvelle expérience semble montrer que la physique quantique ne peut prétendre au plan fondamental représenter les bases du monde physique. La physique macroscopique traditionnelle ne devrait plus être écartée, tout au moins après une profonde adaptation.

Le physicien Philip Pearle du Hamilton College à Clinton, New York,  remarque que personne ne peut aujourd'hui définir ce qu'est une « observation ». Ce n'est en tout cas pas  l'observation résultant de l'intervention d'un physicien alors que la fonction d'onde existe quasiment depuis les origines du monde physique.

Les physiciens quantiques répondent que cela n'a pas d'importance. La physique n'a pas pour objectif de décrire un monde tel qu'il serait « en soi », mais de décrire les phénomènes du monde tels que la physique peut les observer ici et maintenant. Cela suffit pour réaliser toutes les nouvelles technologies, depuis les lasers jusqu'aux calculateurs.

D'autres ne se satisfont pas de ces explications. Si l'interprétation dominante de la théorie quantique, l'interprétation de Copenhague, ne peut nous dire ce qui se passe au sein des molécules et des atomes, il faut rechercher d'autres approches, proposant des interprétations plus précises. Ces interprétations en fait ont été proposées depuis longtemps. On peut citer celle dite des mondes multiples, selon laquelle le monde n'est pas unique, mais constitué d'une infinité de mondes, chacun de ceux-ci pouvant respecter les fondements de la physique classique. Mais aucun accord à leur sujet n'a été enregistré.

Stephen Adler de l'Institute for Advanced Study à Princeton, New Jersey, propose une autre approche: "Puisque les différences entre le monde macroscopique et le monde quantique sont reconnues, il faut rechercher la raison de ces différences à un niveau situé entre l'échelle de la particule et celle du monde que nous connaissons".

Ce lien pourrait être fourni par un mécanisme qui réduirait la fonction d'onde des particules quantiques, autrement dit les fera collapser, sans faire appel à une observation. Le concept existe depuis les années 1970 sous le nom de réduction objective de la fonction d'onde (objective collapse). Dans ce sens, l'hypothèse a été faite qu'il existe en permanence dans l'espace une sorte de bruit, analogue au champ électromagnétique, dont les éléments percutent en permanence les particules quantiques entraînant le collapse de leur fonction d'onde. On a parlé d'un réseau ou matrice de petits détecteurs répandus dans le cosmos.

Ceci pourrait expliquer pourquoi des particules subatomiques telles que les protons échappent par leur petitesse au réseau dense de ces petits détecteurs, alors que des objets macroscopiques n'auraient aucune chance vu leur taille d'y échapper plus d'une fraction de seconde afin de survivre en superposition.

L'hypothèse semble aujourd'hui pouvoir être testée expérimentalement. On connaît l'expérience dite des fentes de Young permettant de mettre en évidence la double nature des particules en superposition, tantôt ondes et tantôt particules individualisées. La théorie quantique dit que cela peut être observé même dans des objets constitués de plusieurs particules quantiques. Pour l'hypothèse du collapse objectif, cette possibilité est très faible, les objets constitués de particules quantiques rencontreraient très rapidement le réseau de détecteurs. Ils rejoindraient le monde macroscopique où ils ne seraient plus observables.

Encore faut-il pouvoir mesurer le temps nécessaire pour qu'une particule quantique rencontre le réseau de détecteurs afin de collapser spontanément. Andrea Vinante de l'université de Southampton et ses collègues ont imaginé une expérience simple permettant d'évaluer le temps pour qu'une particule quantique rencontre une molécule du monde physique avant de s'effondrer,  « collapser » spontanément, c'est-à-dire de voir son caractère quantique disparaître sans intervention d'un éventuel événement du monde physique jouant le rôle d'observateur (https://arxiv.org/abs/1611.09776) . Le collapse devrait en théorie se produire sans limite de temps.

Or cette expérience, simple mais d'une grande ingéniosité, montre qu'une très petite pièce de métal, progressivement refroidie vers le zéro absolu, cesse à un certain moment de vibrer, autrement dit de se refroidir. Tout se passe comme si elle rencontrait une barrière infranchissable. Celle-ci ne serait-elle pas due aux forces encore inconnues qui empêchent à un certain stade le collapse de se produire, autrement dit qui dans certains conditions empèchent une particule du monde physique de devenir quantique, et réciproquement. Dans ce cas, l'on pourrait comprendre pourquoi il existe une barrière infranchissable entre le monde quantique et le monde physique.

Les résultats de l'expérience sont encore en discussion afin d'en expliquer la cause. Mais la Commission européenne vient d'attribuer un crédit de 4,4 millions d'euro pour renouveler cette expérience, cette fois-ci dans l'espace. Elle est désigné par le nom de TEQ, pour  TEsting the large-scale limit of Quantum mechanics, Elle demandera 3 ans pour devenir opérationnelle.

En cas de résultats positifs, elle balaiera toutes les théories opposant depuis longtemps la Relativité d'Einstein aux bases de la mécanique quantique. Ceci pourrait signifier qu'à un niveau fondamental, la nature pourrait être décrite par une théorie unique. Celle-ci devrait être précisée, mais sans attendre,  la révolution fondamentale introduite par ces hypothèses ne pourrait plus être écartée .

Référence

https://www.newscientist.com/article/mg23931860-100-is-this-our-first-clue-to-a-world-beyond-quantum-theory/

 

20/07/2018
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