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31 mars 2008
par Jean-Paul Baquiast

Et si le monde quantique était déterministe

* Nous avions déjà abordé cette question, sous un autre angle, à partir d'un article précédent de Mark Buchanan

Le grand public informé est maintenant convaincu de l’indéterminisme fondamental qui caractérise le monde quantique. Les propositions développées par Niels Bohr dans une interprétation dite de l’Ecole de Copenhague dans les années 1924-1927 ont provoqué une véritable révolution dans la physique en particulier et dans la philosophie des sciences en général. Elles posent en principe incontournable l’existence d’une frontière entre le monde ordinaire, régi par les lois déterministes héritées de Newton, et un monde quantique sous-jacent, dit microscopique, dont les « objets » sont marqués par l’incertitude de certaines de leurs propriétés. En conséquence, les entités décrites par la physique quantique ne peuvent pas être considérées comme des particules ordinaires, dont on pourrait à la fois mesurer, par exemple, la position et la vitesse. Elles sont représentées par une équation complexe, la fonction d’onde, qui n’en donne qu’une description probabiliste. Lors de l’observation, cette fonction d’onde s’effondre en ne faisant apparaître qu’une des propriétés de l’entité, par exemple sa position. Mais son autre propriété, sa vitesse, ne peut plus être connue. Il en résulte que toute prédiction sur l’avenir de telles entités devient impossible, sauf à considérer un très grand nombre d’entités analogues sur lesquelles la loi des grands nombres permettra de faire des prévisions vérifiables.

On connaît les conséquences philosophiques innombrables qui avaient été tirées de ces propositions, toujours vérifiées depuis par la physique expérimentale. Le concept d’un réel en soi existant en dehors de l’observateur et obéissant à des lois susceptibles d’être découvertes par celui-ci n’était plus recevable, tout au moins au niveau microscopique. Les déterministes héritiers du mathématicien français Laplace s’étaient inquiétés. A contrario, tous ceux qui refusaient de voir dans le monde le produit de déterminismes rigoureux ne laissant pas de place pour une hypothétique liberté s’étaient réjouis. Ils avaient prétendu trouver dans l’indéterminisme quantique la preuve que le monde avait été et pouvait toujours être créé par la volonté humaine – ou la volonté divine.

Sans tomber dans un mysticisme sur un modèle oriental qui fit fortune dans les années 1970, la plupart des physiciens ont admis que de nombreux phénomènes ne peuvent pas être décrits ni prévus par la science. Le concept récent d’émergence (quelquefois dite forte) est de plus en plus utilisé pour signaler la limite au-delà de laquelle la science ne se sent pas capable d’aller, non pas pour des raisons matérielles tenant au manque de moyens de calcul, mais pour des raisons fondamentales. Nous avons indiqué dans un article précédent (1) que les scientifiques admettent volontiers le déterminisme d’un phénomène complexe, tel que le jeu de dés. Même si calculer la face sur laquelle retombera le dé est pratiquement impossible, compte tenu du nombre des variables qu’il faudrait connaître et traiter, il n’existe pas de loi physique l’interdisant. Au contraire, face à un phénomène faisant intervenir des variables relevant du monde quantique, on doit parler d’indéterminisme profond. Le phénomène, lorsqu’il se manifeste, peut alors être dit émergent au sens fort. On se borne à constater son apparition, sans pouvoir ni l’expliquer ni prévoir son renouvellement. C’est un tel phénomène qui se manifeste dans un ordinateur quantique. Le physicien ne peut pas prévoir les états individuels des q.bits composant l’unité de calcul de cet ordinateur. Il ne pourra donc pas prévoir exactement (autrement que de façon probabiliste) le résultat dudit calcul. Il se bornera à constater l’émergence de ce résultat, quand il apparaîtra sur l’écran.

La science appliquée, de même que la technique, se satisfont fort bien de cet indéterminisme puisque tous les dispositifs du monde moderne traitent les atomes par très grandes quantités. Ils peuvent donc exploiter sans problèmes (sauf cas marginaux) les propriétés d’un monde quantique indéterminé. Il reste que les grandes questions fondamentales relatives à l’origine et au devenir de l’univers semblent devoir rester à jamais sans réponse. Etre obligé d’admettre qu’il n’existe pas de monde indépendant de l’observateur, pouvant être représenté et calculé par des lois scientifiques, semble très frustrant pour les imaginations. Cela parait en particulier condamner la recherche, d’ailleurs considérée vaine par beaucoup (pour d’autres raisons) d’une hypothétique théorie du Tout, censée faire la synthèse entre relativité et physique quantique. Le scientifique doit se limiter à étudier le monde tel qu’il est « construit » en permanence par l’interaction entre un soubassement indescriptible en soi, ses instruments et son cerveau (2)

On sait que depuis les premières critiques d’Einstein, selon lesquelles existaient des variables cachées pouvant expliquer l’indéterminisme apparent des entités quantiques, de nombreuses interprétations avaient été suggérées pour justifier le retour au déterminisme. Ce furent notamment les hypothèses de Louis de Broglie en 1927 puis de David Bohm dans les années ’50, dites du "modèle de l’onde pilote". Nous y reviendrons. Notons seulement que ces diverses interprétations ne permirent pas de suggérer de preuves expérimentales pouvant justifier leur adoption au lieu et place de l’interprétation de Copenhague. Aujourd’hui encore, rien n’a changé. Ainsi le dernier numéro de La Recherche (avril 2008) consacre un Dossier comportant trois articles bien faits et éclairants visant à justifier le titre du Dossier : "Physique quantique : l’erreur d’Einstein". Pauvre Einstein

Si pourtant Einstein avait eu raison...

Il est donc tout à fait surprenant et stimulant pour l’esprit de lire dans un de nos magazines favoris, peu suspect de sensationnalisme, une affirmation tout à fait contraire : "The Uncertainty principle. Quantum reality isn’t random. It just looks that way" (NewScientist, 22 mars 2008, p. 29). L’article est du à Mark Buchanan, écrivain scientifique et auteur, entre autres livres, de The Social Atom et de Small World 3) Mark Buchanan, comme le montrent ses écrits, est profondément convaincu que le monde obéit à des lois profondes, à l’échelle macroscopique comme à l’échelle microphysique, lois qu’il convient de mettre en évidence. Ceci lui confère une prédisposition que nous pourrions qualifier de métaphysique le poussant à s’intéresser aux hypothèses relatives aux variables cachées de la physique quantique. Mais il est trop professionnel pour donner foi à des travaux qui ne seraient pas consistants. Or son article évoque une suite d’hypothèses, dont certains des auteurs travaillent au Perimeter Institute dont nos lecteurs connaissent le rôle dans la promotion des idées nouvelles en physique quantique (4).

C’est une équipe rassemblée autour du physicien Sheldon Goldstein de Rutgers University 5) qui a relancé voici quelques vingt ans, avec beaucoup d’arguments convaincants, l’idée que le monde serait déterministe et doté de propriétés « objectives » 6). Il a développé une reformulation de la physique quantique, sous le nom de « Bohmian mecanics » dans laquelle les particules suivent des trajectoires précises à travers l’espace et le temps. Le futur serait donc en théorie parfaitement prédictible, sinon calculable, en fonction du passé. Ces hypothèses ont suscité beaucoup d’objections, que décrit l’article du NewScientist. Cependant, progressivement, elles seraient en train de répondre aux plus importantes de celles-ci. Nous ne reprendrons pas ici les éléments du problème, tels que développés par Mark Buchanan. Disons seulement que le modèle « Bohmien » aujourd’hui proposé par Sheldon Goldstein, Detlef Dürr, Nino Zanghi puis plus récemment par Ward Struyve et Hans Westman du Perimeter Institute, ne se borne pas à décrire les particules quantiques, mais aussi les champs quantiques. Elles permettent de retrouver la physique des particules relativistes mais aussi la théorie quantique des champs et l’électrodynamique quantique. La faiblesse de ces hypothèses est que, jusqu’à présent, elles ne font pas de prédictions différentes de celles de la physique quantique. C’est ainsi qu’elles donnent une explication que nous ne reprendrons pas ici au fait qu’elles n’éliminent pas l’incertitude dans les prédictions et ne peuvent donc pas être distinguées des observations de la physique quantique.

Pour illustrer ce point surprenant, nous pourrions revenir à l’ancêtre de ces théories déterministes, le modèle de l’onde pilote. Dans l’expérience des fentes de Young, les particules - même envoyées les unes après les autres, sans pouvoir interférer entre elles - se répartissent sur l’écran selon des franges d’interférences. On en déduit qu’elles ne se comportent pas de façon classique. Si cela était le cas en effet, on devrait, en suivant leur trajectoire, les retrouver groupées sur l’écran juste derrière les fentes, au lieu de les trouver réparties dans les franges d’interférence. Cette expérience est considérée comme la preuve du fait que la particule, même isolée, trahit ainsi son caractère ondulatoire. L’hypothèse de l’onde pilote explique cette observation de façon différente. Chaque particule suit un itinéraire gouverné de façon déterministe par une onde pilote. Dans le cas des fentes de Young, ce sont les ondes pilotes qui en traversant les fentes créent sur l’écran des bandes d’interférence. Les particules s’y répartissent une à une sans interférer entre elles. Mais le résultat de l’expérience est, comme on le voit, le même, que l’on fasse appel à l’indéterminisme onde-particule ou au déterminisme onde pilote- particule.

Certains sont allés jusqu’à suggérer que si les hypothèses de l’onde pilote avaient été formulées les premières, les hypothèses indéterministes n’auraient pas pu s’imposer. La physique quantique se serait développée sur des bases conceptuelles différentes, mais ses résultats observés auraient été les mêmes. Les seuls perdants auraient été les philosophes et métaphysiciens, qui auraient manqué l’occasion d’un grand débat déterminisme/indéterminisme.

Plus sérieusement, aujourd’hui, les défenseurs des hypothèses bohmiennes envisagent pour démontrer leur pertinence de procéder à de nouvelles observations dans le domaine de l’astrophysique. Celles-ci pourraient montrer que, dans des conditions extrêmes, les particules « hors d’équilibre » de l’univers primitif auraient obéi à des schémas confirmant leurs hypothèses déterministes et démentant les hypothèses indéterministes. Ils comptent par exemple sur les prochaines informations relatives au fond de ciel primordial que devrait apporter le futur satellite Planck de l’Esa. Ils espèrent aussi en trouver des preuves dans la mesure des (encore hypothétiques) ondes gravitationnelles.

Rien ne nous empêche évidemment de rêver aux conséquences qu’entraînerait pour la façon dont nous représentons l’univers et notre propre rôle au sein de celui-ci, le remplacement de l’indéterminisme quantique par un certain déterminisme. L’univers serait-il calculable, prédictible, modifiable ? Que deviendrait ce déterminisme aux états extrêmes des Singularités cosmologiques (pré-big bangs, trous noirs…) ? Pourrait-on vraiment revenir à la croyance intuitive qu’il existe un univers en soi indépendant de l’observateur ?

On peut par contre affirmer sans risques que les fondamentalistes religieux pour qui le monde est conforme aux Ecritures trouveraient, dans toutes les hypothèses et quelles que soient celles-ci, de quoi justifier leurs croyances aux yeux des ignorants.

Notes
(1) De l'évolution et de l'émergence, dans ce numéro
(2) Voir J.P. Baquiast, Pour un principe matérialiste fort. Jean-Paul Bayol, 2007
(3) Voir http://pagesperso-orange.fr/mark.buchanan/indexMB.html. Ne pas confondre cet auteur avec un écrivain religieux du même nom.
(4) Le Perimeter Institute est une fondation privée canadienne due à Mike Lazaridis, industriel responsable de nombreux produits à succès, notamment le smartphone Blackberry. Plutôt qu’acheter des yachts de 50 mètres sur lesquels recevoir des chefs d'Etat en mal de luxe, il a préféré approfondir les mystères du monde quantique.
(5) Goldstein, Home page http://www.math.rutgers.edu/~oldstein/
(6) Plus récemment et indépendamment, le physicien néerlandais Gerardus t'Hooft a proposé des hypothèses visant à réintroduire le déterminisme en mécanique quantique http://en.wikipedia.org/wiki/Gerardus_'t_Hooft

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