What Is Real?

1. La physique quantique fonctionne, mais qu’est-ce qui est réel ?

Vos clés de maison sont une alliance temporaire d’un trillion de trillions d’atomes, chacun forgé dans une étoile mourante il y a des éons, chacun tombé sur Terre à ses premiers jours.

Le monde quantique. La physique quantique, science de l’infiniment petit comme les atomes et les particules, est la théorie scientifique la plus aboutie à ce jour, soutenant tout, des transistors aux étoiles. Pourtant, les règles qui gouvernent ce monde microscopique semblent radicalement différentes de notre expérience quotidienne. Les atomes peuvent se trouver en plusieurs endroits à la fois, défiant toute logique.

Le problème de la mesure. Ce comportement étrange des objets minuscules ne semble pas s’appliquer aux objets plus grands, comme des clés ou des chats. Pourquoi ? Soit il existe une limite où la physique quantique cesse de fonctionner, soit elle s’applique à tout, mais notre expérience la contredit. Les mathématiques de la théorie fonctionnent, mais il reste flou ce qu’elles disent de la réalité elle-même, notamment concernant la « mesure », qui semble forcer les objets quantiques à choisir soudainement un état unique.

Le paradoxe du chat de Schrödinger. Erwin Schrödinger a mis en lumière ce problème avec sa célèbre expérience de pensée : un chat dans une boîte lié à un événement quantique. Si cet événement est en superposition (à la fois réalisé et non réalisé), le chat, selon les mathématiques, devrait l’être aussi (à la fois mort et vivant) jusqu’à ce qu’on l’observe. Cela contraste violemment avec notre expérience et révèle une faille profonde dans notre compréhension de la réalité.

2. L’interprétation de Copenhague : Tais-toi et calcule ?

Selon l’interprétation de Copenhague, cette question a une réponse très simple : la physique quantique ne nous dit rien du tout sur le monde.

Éviter la question. Plutôt que de décrire un monde quantique, l’interprétation de Copenhague, défendue par Niels Bohr et Werner Heisenberg, affirme que la physique quantique n’est qu’un outil pour calculer les probabilités des résultats expérimentaux. Elle soutient qu’il n’existe pas de monde quantique objectif indépendant de l’observation ; les propriétés ne deviennent réelles qu’au moment de la mesure.

La mesure crée la réalité. Des partisans comme Pascual Jordan ont soutenu que la mesure contraint les objets quantiques à adopter des propriétés définies. Cette vision évite de se confronter à ce qui se passe quand personne ne regarde, rejetant ces questions comme dénuées de sens ou non scientifiques, à l’image de la question : un arbre qui tombe dans une forêt déserte fait-il du bruit ?

Une « philosophie tranquillisant ». Cette approche, tout en permettant aux physiciens de « se taire et calculer » et d’obtenir un immense succès prédictif, laissait beaucoup insatisfaits, dont Albert Einstein, qui la qualifiait de « philosophie tranquillisant » offrant un « oreiller doux » mais incapable de décrire ce qui est réel.

3. Einstein contre Bohr : la bataille pour la réalité

« Mach néglige plutôt le fait que le monde existe vraiment, que nos impressions sensorielles reposent sur quelque chose d’objectif », répondit Einstein.

Choc des titans. Albert Einstein, l’un des fondateurs de la physique quantique, s’opposa farouchement au rejet par l’interprétation de Copenhague d’une réalité objective indépendante de l’observation. Il débattit pendant des décennies avec Niels Bohr, principal défenseur de cette interprétation, arguant que la physique devait décrire le monde tel qu’il est, et pas seulement prédire les observations.

La préoccupation d’Einstein pour la localité. Le problème principal d’Einstein n’était pas le hasard (« Dieu ne joue pas aux dés »), mais la localité – le principe selon lequel un événement en un lieu ne peut pas influencer instantanément un événement éloigné. Il imagina des expériences de pensée, comme le paradoxe EPR, pour montrer que la physique quantique était soit incomplète (les objets ont des propriétés avant la mesure), soit non locale (la mesure ici affecte instantanément un objet distant).

La défense insaisissable de Bohr. Les réponses de Bohr étaient souvent perçues comme vagues et difficiles à saisir, insistant sur le fait que les appareils de mesure doivent être décrits classiquement et que les propriétés quantiques sont complémentaires (comme la dualité onde/particule) mais ne peuvent être simultanément réelles. Malgré les arguments clairs d’Einstein sur la localité, les partisans de Bohr les comprenaient mal ou les rejetaient, convaincus que Bohr avait remporté les débats.

4. Premiers dissidents : les ondes pilotes de Bohm et l’emprise du positivisme

Selon Born, von Neumann avait prouvé que l’interprétation de Copenhague était la seule manière possible de comprendre la physique quantique.

La preuve d’impossibilité. Pendant des décennies, les physiciens crurent que John von Neumann, mathématicien brillant, avait démontré qu’aucune autre interprétation de la physique quantique n’était possible, consolidant ainsi la domination de Copenhague. Cette preuve, bien que subtilement erronée, fit taire de nombreux critiques.

L’influence du positivisme. Le mouvement philosophique du positivisme logique, inspiré par Ernst Mach, renforça la vision de Copenhague. Les positivistes affirmaient que les énoncés sur des choses non observables étaient dénués de sens, rendant les questions sur le monde quantique avant la mesure non scientifiques. Cette posture philosophique offrait une justification commode pour éviter les questions difficiles.

Le défi de Bohm. David Bohm, inspiré par Einstein, contesta la prétendue preuve de von Neumann en 1952 en développant une alternative complète et déterministe : l’interprétation à ondes pilotes. Selon cette théorie, les particules ont toujours des positions définies, guidées par des « ondes pilotes ». Cette théorie reproduisait toutes les prédictions quantiques sans effondrement de la fonction d’onde ni dépendance à l’observateur, mais fut largement ignorée ou rejetée par la communauté physique.

5. La guerre change tout : la physique change de cap

L’ère de la Big Science était arrivée — et elle n’avait aucune patience pour s’interroger sur le sens de la physique quantique.

Exode d’Europe. La montée du nazisme força de nombreux physiciens de premier plan, notamment des scientifiques juifs comme Einstein, Born et Fermi, à fuir l’Europe, déplaçant le centre de la physique vers les États-Unis et le Royaume-Uni. Cette fuite des cerveaux dévasta la physique allemande mais stimula une croissance rapide ailleurs.

Le projet Manhattan. La Seconde Guerre mondiale, et en particulier la course à la bombe atomique, remodela profondément la physique. Le projet Manhattan nécessita d’énormes financements et effectifs, orientant les physiciens vers des problèmes pratiques et calculatoires, comme la physique nucléaire et la physique de l’état solide, plutôt que vers des questions abstraites et fondamentales.

Le pragmatisme d’après-guerre. Après la guerre, les financements militaires continuèrent d’affluer, privilégiant la recherche appliquée. Les départements de physique universitaire se développèrent rapidement, mais l’enseignement s’éloigna des débats philosophiques pour se concentrer sur des techniques de calcul efficaces. L’éthique « tais-toi et calcule » de l’interprétation de Copenhague s’adapta parfaitement à ce nouvel environnement pragmatique et moins philosophique.

6. Exil et obscurité : les alternatives ignorées de Bohm et Everett

« Si nous ne pouvons pas réfuter Bohm, alors nous devons convenir de l’ignorer. »

La persécution de Bohm. Les opinions politiques de David Bohm (associé brièvement au communisme) conduisirent à sa mise sur liste noire et à son exil des États-Unis. Malgré le développement d’une interprétation alternative viable, son travail fut accueilli avec hostilité et rejet, illustré par la remarque supposée de Robert Oppenheimer sur le fait d’ignorer Bohm si sa théorie ne pouvait être réfutée.

Les mondes multiples d’Everett. Hugh Everett III, brillant étudiant à Princeton, développa une autre alternative radicale : l’interprétation des mondes multiples. En prenant littéralement les mathématiques quantiques (l’équation de Schrödinger), il proposa que les fonctions d’onde ne s’effondrent jamais mais divisent l’univers en multiples branches à chaque événement quantique. Cela évitait le problème de la mesure mais semblait absurde.

Ignorés par l’establishment. Tant la théorie à ondes pilotes de Bohm que l’interprétation des mondes multiples d’Everett furent largement ignorées par le courant dominant de la physique pendant des décennies. L’exil de Bohm limita sa capacité à promouvoir ses idées, tandis qu’Everett quitta le milieu académique pour une carrière en recherche opérationnelle militaire, montrant peu d’intérêt à défendre son interprétation.

7. Le théorème de Bell : la découverte la plus profonde

« La preuve de von Neumann, si on la comprend vraiment, s’effondre entre vos mains ! » déclara Bell.

Remettre en cause la preuve. John Bell, physicien au CERN, était troublé par le flou de Copenhague et le rejet d’alternatives comme celle de Bohm. Il examina minutieusement la fameuse preuve de von Neumann et découvrit qu’elle était fondamentalement erronée, reposant sur des hypothèses injustifiées.

La contextualité révélée. En démantelant la preuve, Bell montra que la physique quantique implique la « contextualité » : le résultat d’une mesure dépend des autres propriétés mesurées simultanément. Cela ne signifie pas que les propriétés n’existent pas avant la mesure, mais qu’elles sont sensibles au contexte expérimental.

Le paradoxe EPR revisité. Bell s’intéressa ensuite au paradoxe EPR, le simplifiant pour analyser les corrélations entre particules intriquées. Il prouva que toute théorie locale de la nature doit satisfaire une certaine condition mathématique (l’inégalité de Bell). Or, la physique quantique prédit que les particules intriquées violeraient cette inégalité.

8. La non-localité confirmée : les expériences défient la réalité locale

« Jésus-Christ, c’est un résultat très important. »

Mettre Bell à l’épreuve. John Clauser, jeune physicien expérimental, tomba sur l’article obscur de Bell et reconnut immédiatement ses implications profondes ainsi que la possibilité d’un test expérimental. Malgré les découragements et le stigmate associé aux travaux fondamentaux, il entreprit de réaliser l’expérience.

L’expérience CHSH. En collaboration avec Abner Shimony, Michael Horne et Richard Holt, Clauser développa une proposition expérimentale concrète (l’expérience CHSH) pour tester l’inégalité de Bell à l’aide de photons intriqués. Ce fut la transformation d’un débat philosophique en une question scientifique testable.

La victoire de la mécanique quantique. Clauser et son étudiant Stuart Freedman réalisèrent le premier test réussi en 1972, suivi d’expériences améliorées par d’autres équipes, notamment celle d’Alain Aspect au début des années 1980, qui referma des failles clés. Les résultats violèrent systématiquement l’inégalité de Bell, confirmant les prédictions quantiques et démontrant que la nature est non locale – une « action fantomatique à distance » est bien réelle.

9. La philosophie contre-attaque : réalisme contre positivisme

« Le réalisme, » affirmait-il, « est la seule philosophie qui ne fait pas du succès de la science un miracle. »

Le déclin du positivisme. Alors que les physiciens ignoraient largement les questions fondamentales, les philosophes des sciences connurent une révolution. Des penseurs comme W.V.O. Quine, Thomas Kuhn et Hilary Putnam démantelèrent les principes du positivisme logique, arguant que les énoncés sur des entités non observables sont significatifs et essentiels à la science.

L’essor du réalisme scientifique. Un nouveau consensus émergea : le réalisme scientifique, selon lequel la science décrit un monde réel indépendant de l’observation. Les réalistes soutenaient que le succès des théories scientifiques, qui reposent largement sur des concepts non observables comme les électrons, s’explique mieux par le fait que ces concepts correspondent à quelque chose de réel.

La faiblesse philosophique de Copenhague. Les philosophes soulignèrent que l’interprétation de Copenhague, fondée sur des idées positivistes et un concept mal défini de « mesure », était philosophiquement intenable. Ils affirmèrent que la mesure doit être un processus physique décrit par la théorie elle-même, et non quelque chose d’extérieur, et que la physique quantique devrait s’appliquer aux objets macroscopiques.

10. La décohérence et les mondes multiples : un nouvel élan pour les alternatives

« Si vous faites une mesure, vous obtenez une intrication entre le système, l’appareil et l’observateur, » expliqua Zeh. « L’observateur ne voit qu’un seul composant [de l’état du chat de Schrödinger] et non la superposition de tous les autres. Ainsi, le problème de la mesure est résolu. »

Réinventer les mondes multiples. Dieter Zeh, physicien théoricien allemand, développa indépendamment l’idée centrale de l’interprétation des mondes multiples et, surtout, proposa un compte rendu détaillé de la « décohérence ». La décohérence explique comment l’interaction avec l’environnement fait apparaître les superpositions quantiques comme résolues en états classiques définis, sans effondrement réel.

La décohérence gagne du terrain. Le travail de Zeh, d’abord ignoré, fut mis en lumière grâce à Eugene Wigner puis Wojciech Zurek, qui développèrent davantage le concept. La décohérence expliqua pourquoi nous ne voyons pas d’objets macroscopiques en superposition, mais elle ne résolut pas pourquoi une seule issue est vécue, laissant le problème de la mesure entier sans une interprétation comme les mondes multiples.

Le retour de Bohm. Inspiré par des simulations informatiques des trajectoires à ondes pilotes réalisées par ses collègues, David Bohm revint à son interprétation dans les années 1980, cherchant à la perfectionner. La théorie à ondes pilotes et les théories d’effondrement spontané (qui modifient légèrement la mécanique quantique pour provoquer des effondrements aléatoires) attirèrent un regain d’attention comme alternatives crédibles à Copenhague.

11. L’information quantique : des fondations à la pratique (mais toujours débattue)

« La physique peut-elle être simulée par un ordinateur universel ? » demanda Feynman lors de la conférence.

De l’abstrait à l’appliqué. Les travaux sur les fondations quantiques, notamment sur l’intrication et la non-localité, conduisirent à la naissance inattendue de la science de l’information quantique. Richard Feynman spécula sur les ordinateurs quantiques, et des travaux ultérieurs démontrèrent leur puissance théorique (l’algorithme de Peter Shor pour la factorisation) et menèrent à la cryptographie quantique (communication parfaitement sécurisée).

Nouveaux financements, vieux débats. Le potentiel technologique révolutionnaire attira des financements importants, créant un nouveau domaine. Pourtant, ce succès pratique ne résolut pas les débats fondamentaux. Beaucoup dans l’information quantique adhèrent encore à l’interprétation de Copenhague, adoptant souvent le mantra « tais-toi et calcule », malgré les origines du domaine dans la remise en question de Copenhague.

L’attrait du multivers. Parallèlement, l’essor de la cosmologie et des théories comme l’inflation et la théorie des cordes, suggérant l’existence de multiples univers, rendit l’interprétation des mondes multiples d’Everett moins extravagante. De nombreux cosmologistes la trouvèrent séduisante car elle permettait d’appliquer la mécanique quantique à l’univers entier sans observateur externe.

12. La quête continue : pourquoi Copenhague persiste

« L’interprétation de Copenhague suppose une division mystérieuse entre le monde microscopique régi par la mécanique quantique et un monde macroscopique d’appareils [de mesure] et d’observateurs qui obéit à la physique classique, » expliqua Steven Weinberg.

L’emprise durable de Copenhague. Malgré ses incohérences philosophiques, la confirmation expérimentale de la non-localité (remettant en cause le réalisme local), le développement d’alternatives viables (ondes pilotes, mondes multiples, effondrement spontané) et l’essor de domaines connexes, l’interprétation de Copenhague reste la vision dominante chez les physiciens.

L’absence d’alternative claire. Si Copenhague est largement critiquée, aucune alternative unique n’a su s’imposer. Chacune fait face à ses propres défis conceptuels (la non-localité pour les ondes pilotes, la nature des autres mondes et la probabilité pour les mondes multiples, la modification de la physique établie pour les théories d’effondrement).

Facteurs humains. La domination de Copenhague tient en partie à des contingences historiques (elle fut la première), au pragmatisme de la physique d’après-guerre, au décalage entre physique et philosophie, et à la tendance humaine à s’accrocher à ce qui est familier et efficace, même imparfait. Remettre en cause les fondations reste professionnellement risqué.

La grande entreprise. La quête d’une compréhension cohérente de la réalité quantique se poursuit. Le débat