Réalité quantique

1. La mécanique quantique révèle une réalité fondamentalement étrange et contre-intuitive

Je peux témoigner avec plaisir que, comme le charismatique physicien Richard Feynman, je ne comprends toujours pas la mécanique quantique.

Nature granuleuse. La mécanique quantique a brisé les notions classiques d’un monde physique lisse et continu, révélant que la nature est intrinsèquement « granuleuse ». La découverte des quanta par Max Planck et l’hypothèse du quantum de lumière (photons) d’Einstein ont montré que l’énergie et la lumière sont absorbées et émises par paquets discrets, et non de manière continue. Cette granularité s’étend à la matière, les électrons occupant des niveaux d’énergie discrets dans les atomes, donnant lieu à des « sauts quantiques ».

Dualité onde-particule. L’une des révélations les plus profondes est que des entités comme la lumière et les électrons présentent à la fois des propriétés ondulatoires et corpusculaires. Louis de Broglie a proposé que des particules telles que les électrons pouvaient aussi se comporter comme des ondes, concept confirmé de manière spectaculaire par les expériences de diffraction électronique. Ces expériences montrent que des électrons individuels, lorsqu’ils ne sont pas observés, se comportent comme des ondes délocalisées, passant simultanément par plusieurs fentes et s’interférant eux-mêmes, pour n’être détectés qu’en tant que particules localisées.

Caractère probabiliste. L’équation d’onde d’Erwin Schrödinger décrit les systèmes quantiques à l’aide de fonctions d’onde, mais Max Born a interprété le carré de cette fonction comme représentant uniquement la probabilité de trouver la particule associée. Cela signifie que la mécanique quantique ne peut prédire que ce qui pourrait arriver, et non ce qui arrivera avec certitude, introduisant un hasard inhérent qui a profondément troublé Einstein. Le principe d’incertitude de Werner Heisenberg a renforcé cette idée, établissant une limite fondamentale à ce que l’on peut connaître simultanément sur des paires de propriétés comme la position et la quantité de mouvement, non pas à cause d’une maladresse de mesure, mais comme une caractéristique intrinsèque de la nature.

2. Définir la « réalité » est une condition philosophique préalable à la compréhension scientifique

Notre réalité est faite d’ombres, de choses telles qu’elles apparaissent, et nous n’avons aucun moyen réel de savoir dans quelle mesure la représentation façonnée par nos perceptions reflète la réalité telle qu’elle est vraiment, une réalité des choses en elles-mêmes.

La perception comme ombres. Nos expériences sensorielles fournissent une « représentation » de la réalité, semblable à l’allégorie de la caverne de Platon où les prisonniers ne perçoivent que des ombres. Nous ne pouvons accéder directement aux « choses en elles-mêmes » (les noumènes, selon Kant), mais seulement aux « choses telles qu’elles apparaissent » (les phénomènes). Cette limitation fondamentale signifie que nous ne pouvons jamais être certains que nos perceptions reflètent parfaitement la réalité objective.

Réalisme scientifique. Malgré cela, la science repose sur des hypothèses fondamentales, ou « préconceptions métaphysiques ». Deux propositions réalistes clés sont :

• Proposition n°1 : La réalité objective existe indépendamment de notre observation ou de notre pensée (par exemple, « La Lune est toujours là quand personne ne la regarde »).
• Proposition n°2 : Des entités invisibles comme les électrons sont réelles si nous pouvons interagir avec elles (par exemple, « Si vous pouvez les pulvériser, alors elles sont réelles »).
  Ces hypothèses, bien qu’improuvables, sont essentielles pour une enquête scientifique significative, démontrant que la métaphysique est une part inévitable de la science.

Empirique vs métaphysique. Les scientifiques étudient principalement une « réalité empirique » issue d’observations et de mesures, toujours « chargées de théorie ». Cependant, pour aller au-delà de la simple collecte de données et chercher une compréhension plus profonde (« pourquoi ? » et « comment ? »), ils doivent s’engager avec une « réalité métaphysique » — un domaine d’imaginaires abstraits, de valeurs et de croyances sur la manière dont la réalité devrait être. C’est dans cette interaction entre préconceptions abstraites et données concrètes que se forgent les théories scientifiques.

3. Les théories scientifiques font le lien entre préconceptions métaphysiques et données empiriques

L’argument positif en faveur du réalisme est qu’il est la seule philosophie qui ne fait pas du succès de la science un miracle.

Méthode hypothético-déductive. La science ne se contente pas de collecter des données et d’induire des lois ; elle commence souvent par des hypothèses créatives, nées de préconceptions métaphysiques, à partir desquelles sont déduites des conséquences empiriques. Ces théories sont ensuite confrontées aux « faits durs ». Si les prédictions d’une théorie sont confirmées, elle gagne en crédibilité ; si elles sont réfutées, elle est révisée ou remplacée. Ce processus, défendu par Karl Popper, souligne l’interaction dynamique entre idées abstraites et preuves empiriques.

Testabilité comme critère de démarcation. Pour distinguer la science de la pseudoscience, un critère de « testabilité » est crucial. Une théorie scientifique doit, en principe, pouvoir entrer en contact avec des preuves empiriques. Les théories purement métaphysiques, qui n’offrent aucune prédiction testable ou sont indéfiniment ajustables, échappent au domaine scientifique. Cela garantit que le progrès scientifique repose sur des phénomènes observables, même si les concepts sous-jacents sont abstraits.

Double fonction de la théorie. Une théorie scientifique réussie remplit deux fonctions principales :

• Instrumentale : Elle permet des calculs et des prédictions, agissant comme une « boîte noire » produisant des résultats utiles.
• Interprétative : Elle offre une compréhension en attribuant un sens à ses concepts, représentant les propriétés et comportements des choses physiques.
  Cela conduit à la Proposition n°3 : « Les concepts fondamentaux apparaissant dans les théories scientifiques représentent les propriétés réelles et les comportements réels des choses physiques. » De plus, la Proposition n°4 affirme que « Les théories scientifiques fournissent un aperçu et une compréhension, nous permettant de faire certaines choses que nous n’aurions peut-être pas envisagées ou pensées possibles », soulignant le rôle « actif » des interprétations réalistes dans la stimulation de nouvelles découvertes.

4. L’interprétation de Copenhague : accepter le mystère et « se taire et calculer »

Il n’y a pas de monde quantique. Il n’y a qu’une description physique quantique abstraite. Il est erroné de penser que la tâche de la physique est de découvrir comment est la nature. La physique concerne ce que nous pouvons dire de la nature.

Complémentarité et limites. Niels Bohr, un des architectes clés de l’interprétation de Copenhague, soutenait que le langage classique est inadéquat pour décrire les phénomènes quantiques. Il proposa la « complémentarité », où les comportements ondulatoires et corpusculaires sont mutuellement exclusifs mais également valides selon le dispositif expérimental. Cela implique une limite fondamentale à notre connaissance du monde quantique, qui reste inaccessible au-delà de ses manifestations empiriques.

Position anti-réaliste. Copenhague est fondamentalement anti-réaliste concernant la fonction d’onde (rejetant la Proposition n°3). Elle affirme que l’état quantique n’est pas une description d’une réalité objective et indépendante, mais plutôt un résumé de ce que nous pouvons dire ou savoir de la nature à travers nos mesures. Cette perspective évite les paradoxes de la mécanique quantique en déclarant sans objet les questions sur « ce qui se passe réellement » au niveau quantique.

« Rien à voir ici. » L’interprétation, consolidée par Bohr, Heisenberg et Pauli, devint l’orthodoxie, inscrite dans les axiomes mathématiques de la mécanique quantique. Elle rejette les préoccupations sur l’effondrement de la fonction d’onde ou « l’action fantomatique à distance » comme des artefacts d’une tentative d’appliquer l’intuition classique à un domaine intrinsèquement quantique. Le conseil dominant devint « se taire et calculer », en se concentrant sur le pouvoir prédictif de la théorie plutôt que sur son sens insaisissable, naviguant ainsi vers le « récif de Scylla » — un instrumentalisme vide.

5. Le défi d’Einstein : la mécanique quantique est incomplète et non locale

Si, sans en aucune manière perturber un système, nous pouvons prédire avec certitude (c’est-à-dire avec une probabilité égale à l’unité) la valeur d’une grandeur physique, alors il existe un élément de réalité physique correspondant à cette grandeur.

Paradoxe EPR. Einstein, Podolsky et Rosen (EPR) contestèrent en 1935 la complétude de la mécanique quantique par une expérience de pensée impliquant des particules intriquées. Ils soutenaient que si les particules A et B sont intriquées puis séparées, mesurer la particule A révèle instantanément l’état de la particule B sans la perturber. Si le réalisme local tient (les particules sont indépendantes et aucune influence ne dépasse la vitesse de la lumière), alors l’état de B devait être prédéterminé, ce qui implique que la mécanique quantique est incomplète car elle ne décrit pas cette réalité préexistante.

Inégalité de Bell. John Bell, en 1964, transforma le paradoxe EPR en une hypothèse testable. Il dériva une inégalité que toute théorie à variables cachées locales (où les particules ont des propriétés prédéterminées et aucune communication supraluminique) doit satisfaire. La mécanique quantique, cependant, prédit une violation de cette inégalité, suggérant une connexion non locale plus profonde entre particules intriquées.

Confirmation expérimentale. Des décennies d’expériences, notamment par Alain Aspect dans les années 1980 et des études ultérieures sur des distances croissantes avec une « randomisation cosmique », ont systématiquement confirmé les prédictions quantiques, violant l’inégalité de Bell. Cela a exclu toutes les théories locales à variables cachées. Plus tard, l’inégalité de Leggett a également exclu les variables cachées « crypto-non locales », qui autorisaient des propriétés préexistantes mais permettaient des influences non locales sur les réglages de mesure. La conclusion est nette : si l’on insiste sur une interprétation réaliste (Proposition n°3), alors la réalité doit être non locale, signifiant que des particules intriquées distantes peuvent s’influencer instantanément.

6. Les interprétations réalistes exigent la non-localité ou des mécanismes physiques ad hoc

L’acte de mesure sur [A] polarise [B] (dans la direction du champ d’analyse agissant sur [A]) et lors de toute mesure ultérieure sur [B], les résultats correspondent à ceux prédits par la mécanique quantique.

Théorie de de Broglie–Bohm. David Bohm a relancé la théorie de l’onde pilote de de Broglie, proposant une « condition de guidage » où une fonction d’onde réelle (potentiel quantique) dirige de véritables particules le long de trajectoires définies. Cette interprétation restaure la causalité et le déterminisme, éliminant le besoin d’effondrement de la fonction d’onde. Cependant, elle embrasse explicitement la non-localité : mesurer une particule intriquée influence instantanément le potentiel quantique de sa partenaire distante, guidant son comportement futur. Cette « action fantomatique à distance » est une caractéristique centrale, bien qu’elle ne permette pas de communication supraluminique.

Mécanismes physiques d’effondrement. Pour éviter la non-localité ou la « coupure floue » entre domaines quantique et classique, d’autres interprétations réalistes proposent de nouveaux mécanismes physiques d’effondrement de la fonction d’onde :

• Décohérence : Souvent utilisée dans des contextes anti-réalistes, la décohérence peut être interprétée comme un processus physique réel où la cohérence quantique d’un système est rapidement perdue par interaction avec son environnement. Cela explique l’émergence du comportement classique mais ne résout pas le problème du quel résultat est choisi.
• Théorie GRW : Ghirardi, Rimini et Weber ont proposé d’ajouter un terme à l’équation de Schrödinger, provoquant des « coups » spontanés et aléatoires qui localisent la fonction d’onde. Ce mécanisme, avec deux constantes physiques nouvelles, assure que les particules individuelles s’effondrent rarement, tandis que les objets macroscopiques s’effondrent presque instantanément, résolvant le paradoxe du chat de Schrödinger.
• Théorie Diósi–Penrose : Cette théorie relie l’effondrement de la fonction d’onde à la gravité, suggérant que les superpositions se brisent lorsqu’elles rencontrent une courbure significative de l’espace-temps. Elle propose que la densité de masse-énergie, plutôt que le nombre de particules, déclenche l’effondrement, offrant un pont potentiel entre mécanique quantique et relativité générale.

Réalisme actif. Ces interprétations réalistes, malgré leur nature « ad hoc » ou leurs conséquences contre-intuitives, sont « actives » (Proposition n°4). Elles fournissent des prédictions concrètes et testables qui motivent les expérimentateurs à concevoir des expériences sophistiquées, comme la mission MAQRO, pour sonder les limites de la cohérence quantique et rechercher des preuves d’effondrement spontané. Cette quête d’une compréhension plus profonde, même à un coût élevé, stimule l’innovation scientifique.

7. La conscience comme catalyseur de la réalité quantique : une proposition déroutante

Il s’ensuit que l’être doté de conscience doit avoir un rôle différent dans la mécanique quantique que l’appareil de mesure inanimé… Il n’est pas nécessaire de voir une contradiction ici du point de vue de la mécanique quantique orthodoxe, et il n’y en a pas si l’on croit que l’alternative est dénuée de sens, que la conscience de mon ami contienne l’impression d’avoir vu un flash ou de ne pas l’avoir vu. Cependant, nier l’existence de la conscience d’un ami à ce point est sûrement une attitude non naturelle, approchant le solipsisme, et peu de gens, au fond d’eux-mêmes, y adhéreront.

L’ego de von Neumann. La formalisation de la mécanique quantique par John von Neumann a mis en lumière l’« effondrement de la fonction d’onde » (Processus 1) distinct de son évolution continue (Processus 2). Il soutenait que le Processus 2 s’applique à tous les systèmes physiques, y compris les appareils de mesure et même le cerveau de l’observateur. Pour expliquer pourquoi nous ne faisons l’expérience que d’un seul résultat, il suggéra que l’effondrement se produit lorsque la mesure est enregistrée dans « l’ego abstrait » ou l’esprit conscient de l’observateur, plaçant la conscience hors du domaine du calcul physique.

Paradoxe de l’ami de Wigner. Eugene Wigner étendit cette idée en imaginant un scénario où un ami (Alice) effectue une mesure dans un laboratoire, mais un observateur externe (Wigner) ignore le résultat. Pour Wigner, Alice et son observation restent en superposition jusqu’à ce qu’il interagisse avec elle. Cela implique que la conscience elle-même déclenche l’effondrement, menant à la conclusion troublante que nier l’expérience consciente d’un ami avant sa propre observation est « non naturel » et « proche du solipsisme ».

Réduction objective orchestrée (Orch-OR). Roger Penrose et Stuart Hameroff proposèrent une base quantique à la conscience, suggérant que celle-ci émerge d’effondrements non calculables de la fonction d’onde dans le cerveau. Leur théorie Orch-OR postule que des structures protéiques appelées microtubules dans les neurones forment des superpositions quantiques cohérentes d’états conformationnels différents. Lorsque ces superpositions atteignent une densité critique, elles subissent une réduction objective induite par la gravité (effondrement Diósi–Penrose), et cet événement non calculable est identifié à un moment d’expérience consciente.

Critiques et implications. Cette interprétation, tout en tentant de résoudre deux problèmes insolubles (effondrement et conscience) en les reliant, fait face à d’importants défis. La principale critique est que maintenir la cohérence quantique dans l’environnement « chaud, humide et bruyant » du cerveau sur les temps requis semble hautement improbable en raison de la décohérence rapide. De plus, même si un mécanisme quantique de la conscience était trouvé, cela ne résoudrait pas nécessairement le « problème difficile » d’expliquer pourquoi ces processus physiques donnent lieu à une expérience subjective.

8. L’interprétation des mondes multiples : un multivers de réalités qui se divisent

Alors qu’avant l’observation nous avions un seul état d’observateur, après il y avait un certain nombre d’états différents pour l’observateur, tous se produisant en superposition. Chacun de ces états séparés est un état pour un observateur, de sorte que nous pouvons parler des différents observateurs décrits par les différents états.

Abandon de l’effondrement. Hugh Everett III, sous la supervision de John Wheeler, proposa une solution radicale : abandonner simplement le postulat d’effondrement (Processus 1). Il soutenait que l’équation de Schrödinger (Processus 2) gouverne universellement tous les systèmes physiques, y compris les observateurs. Au lieu qu’un