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EAN : 9782738128317
170 pages
Odile Jacob (06/09/2012)
4/5   15 notes
Résumé :
Explication du monde à très petite échelle, la physique quantique a des implications fondamentales qui constituent de véritables défis à la logique ordinaire. La notion " d'intrication ", en particulier, explorée depuis une trentaine d'années, mène à l'existence, très contre-intuitive, d'un hasard ubiquitaire, capable de se manifester simultanément en plusieurs endroits de notre univers. Cette stupéfiante "non-localité" n'est pas une abstraction gratuite ou un jeu d... >Voir plus
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Critiques, Analyses et Avis (6) Voir plus Ajouter une critique
J'aime beaucoup la physique. Être capable de comprendre le fonctionnement du monde, pouvoir affirmer l'existence d'objets que personne n'a jamais vus et les trouver exactement là où on l'avait prédit, je trouve ça formidable. Mais malgré tous mes efforts, la physique ne m'a jamais rendu cet amour.

Pendant les cours, on m'a d'abord conseillé de me fier à mon intuition pour anticiper les résultats : mais voilà, à chaque fois que j'intuitionnais qu'un objet allait partir à gauche, il partait à droite, et si j'estimais qu'il allait chauffer, il se refroidissait obstinément. J'ai tenté de me réfugier dans les mathématiques pures. À défaut de comprendre, prédire ce n'est déjà pas si mal. Mais mes mises en équation souffraient des mêmes défauts. Quoi que je fasse, mes boules de billard partaient à la verticale au moindre choc, et mes systèmes électriques se transformaient tous en générateurs d'énergie infinie. Toutes mes copies d'examen comportaient quelques mots d'excuse disant que j'avais bien conscience que mes résultats n'avaient aucun sens, mais que j'avais quand même voulu essayer de résoudre l'exercice. Je ne sais pas si ça mettait un peu de baume au coeur des correcteurs, mais ça ne les empêchait pas de me mettre la note la plus basse à chaque fois. Mon dernier espoir de comprendre ce domaine vient donc des livres de vulgarisation.

Cette fois-ci, j'ai décidé de m'attaquer à la mécanique quantique, domaine qui fêtera bientôt son siècle d'existence et qui reste pourtant largement méconnu du grand public. Et puisqu'on m'a déjà parlé un peu d'ordinateur quantique et de cryptologie quantique, j'avais bien envie de voir ce qui se cachait derrière tout ça.

L'auteur s'attaque dans cet essai au jeu de Bell. Je ne vais pas essayer de le décrire en détail ; sachez juste que le jeu met en scène une paire de particules, auxquelles on fait subir des choses pas très catholiques. Si elles ne peuvent pas communiquer, on ne peut pas obtenir un score supérieur à 3 à ce jeu (4 étant le maximum absolu). Or on peut trouver des particules, qui ne communiquent visiblement pas, qui donnent un score strictement supérieur à 3 au jeu de Bell, ce qui pose pas mal de questions.

La solution proposée dans cet essai est la non-localité : la même information est présente simultanément à deux endroits différents. Ou, dis plus joliment par l'auteur, « Si l'on touche l'un des deux objets, tous les deux tressaillent. » L'auteur nous décrit les expériences qui confirment cette vision du monde, et que cette théorie ne remet pas en cause les principes fondamentaux de la physique (la communication instantanée n'est pas possible par exemple).

La structure de l'essai ne me convient pas vraiment. L'auteur part d'abord d'analogies (des épiceries et des menus, puis des boîtes et des programmes) avant de mentionner en toute fin ce qu'on mesure réellement sur les particules. En ce qui me concerne, seule la dernière partie m'a permis de comprendre le sujet, les deux analogies m'ont juste plongé dans la confusion la plus totale. Il m'a fallu également beaucoup de temps pour assimiler que la question à laquelle répondait l'auteur n'était pas « comment gagner au jeu de Bell ? » mais « Ces deux boîtes permettent de gagner au jeu de Bell, comment est-ce possible ? »

Enfin, dernier point, l'auteur présente la non-localité comme un fait universellement accepté aujourd'hui parmi les physiciens, or en fouillant un peu à la recherche d'informations, il me paraît que ce n'est pas exactement le cas, les théories concurrentes (multivers, variables cachées, …) ont toujours leurs partisans.

Bref, la compréhension de la mécanique quantique, ce n'est pas pour aujourd'hui… Je peux toujours me consoler en me disant qu'à sa naissance, les plus grands physiciens de l'époque ont eu beaucoup de mal à l'accepter aussi !
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Le hasard, tout le monde sais ce que c’est. Le mot fait partie du vocabulaire courant. Chacun à son idée sur la chose ; il y a ceux pour qui tout est hasard, il y a ceux pour qui rien n’arrive pas hasard. L’idée de hasard semble contraire à celle de volonté ; qu’elle soit divine (Providence) ou humaine (industrie). Elle s’oppose aussi à l’idée de règle ou de cause ; tel événement produit par une cause ou par une règle ne doit rien au hasard. Pourtant au 17ème siècle des mathématiciens ont commencé à découvrir que, bien qu’il produise sans règle, le hasard semble suivre des règles ; Blaise Pascal et Pierre de Fermat ont fondé cette branche des mathématiques qui les étudient ; les probabilités.Puis au début du 20ème siècle, le hasard est venu tourmenter les physiciens. Avec la naissance de physique quantique la notion de hasard devient plus complexe. Jusqu’alors chacun comprenait le hasard comme une sorte de limite à notre connaissance – cette limite, le calcul des probabilités est capable de la circonscrire ; sans pour autant abolir le hasard, les mathématiques permettent d’établir des espérances en établissant les limites de notre volonté : un seul dé à 6 face, nous somme sûr qu’un coup ne produira jamais de 7 et que nous avons une chance sur six de tirer un 1.


Le paradoxe EPR

Le sujet principal de ce livre est la « non-localité » des phénomènes étudiés par la physique quantique. Sa thèse centrale est que Dieu joue « Bell » et bien aux dés. La non-localité est étroitement liée à la notion de hasard ; la présence de celui-ci dans les événements quantiques déplaisait à Einstein. Les concepts de « hasard » et de « non-localité » ont été précisés en 1964 par John Stewart Bell. Les travaux de ce physicien irlandais ont permis d'établir un critère expérimental pouvant servir à vérifier ou infirmer un paradoxe. Ce paradoxe (que l'histoire a retenu sous le nom de Paradoxe EPR).mettait la physique quantique devant une contradiction qui devait invalider la théorie quantique. Dans une publication retentissante, Einstein avec deux autres physiciens (Podolky et Rosen) montrèrent que la physique quantique admettait que les états de deux objets quantiques ayant interagit (dont les états sont intriqués) restaient corrélés quel que soit la distance qui les sépare ; toute modification de l’état de l’un induit une modification de l’état de l’autre et cela quel que soit la distance qui les sépare. Ce type d’action à distance a fait fantasmer plus d’un parapsychologue espérant y trouver les bases physiques de la télépathie.

L’inégalité de Bell

Le critère expérimental établi par John Bell est connu sous le nom d'Inégalité de Bell. En1982, le physicien français Alain Aspect a réalisé la première expérience qui s'appuie sur les conditions établies par Bell pour confirmer ou infirmer le paradoxe EPR. Alain Aspect a préfacé le présent ouvrage dont l'auteur, Nicolas Gisin réalisa par la suite une seconde expérience fondée aussi sur les critères de Bell et qui confirma les résultats du français.

Conclusions des expériences françaises et suisses

Désormais, le paradoxe EPR qui devait invalider la théorie n'est plus une expérience de pensée imaginée pour souligner une faille dans la physique quantique. Celle-ci n'est pas défaillante, et le paradoxe EPR est devenu une propriété paradoxale de la nature; sous certaines conditions (intrication), deux objets quantiques (deux photons par exemple) séparés par une distance quelconque peuvent avoir des états corrélés sans aucun échange d'information de l'un à l'autre, sans qu'aucune influence ne puisse expliquer cette corrélation. Un changement d'état de l'un permet de prévoir l'état de l'autre sans que cet autre n'ait été « informé » du nouvel état du premier par un signal quelconque. Nul besoin d'invoquer une sorte de télépathie celle-ci se fondant sur l'idée d'une influence occulte, c'est à dire à une théorie « locale »; la physique quantique est non locale.

Non localité

Pour définir ce qu'on entend par non localité des phénomènes physiques, il est naturel de commencer par la définition de la localité. Que signifie la phrase, « les phénomènes décrits par la physique sont locaux » ? Que dit-on quand on dit que tel événement est un phénomène local ?
Cela veut dire d'abord qu'il a lieu… dans un lieu. Par cette tautologie, nous comprenons que cette locution française associe étymologiquement l'idée d'événement à celle de lieu ; un événement à lieu quelque part. La physique classique (et relativiste) caractérise ce lieu par un point dans un espace euclidien (Riemannien pour la relativité).
Une théorie physique est dite « locale » si les phénomènes ou événements qu'elle décrit s'expliquent par des influences de proche en proche se propageant à vitesse finie dans l'espace (dans le cas de la relativité cette vitesse à une limite ultime, celle de la lumière). Une illustration très classique est l'effet domino dans lequel chaque domino fait tomber l'autre de proche en proche du premier au dernier de la ligne sur laquelle ils sont disposés. Le pendule de Newton est un autre exemple de phénomène simple de transmission de l'énergie cinétique via un choc élastique transmis par des boules immobiles. La propagation des vagues ou des tsunamis à la surface de l'eau constitue un autre exemple ; un mouvement périodique de haut en bas en surface se propage de proche en proche. De même les phénomènes acoustiques sont locaux. Enfin, la théorie ondulatoire de la lumière est une théorie locale ; et ce n'est pas simplement pour donner du « corps » à cette théorie que les physiciens imaginèrent l'éther, c'est avant tout par une exigence de localité ; en effet cette substance était le support hypothétique de la propagation de l'onde électromagnétique, l'équivalent de l'eau pour les vagues ou de l'air pour le son. Si jusqu'à Descartes inclus, les philosophes et physiciens étaient si réticent à l'idée même de vide dans la nature (la nature a horreur du vide), c'est aussi par une exigence de localité ; Descartes a conçu sa théorie des tourbillons pour satisfaire à cette exigence. C'est au nom de cette même exigence que Newton n'acceptait pas l'idée d'action à distance dont il a pourtant fourni le premier modèle mathématique dans le cadre de sa théorie de la gravitation. Nicolas Gisin ne manque pas de rappeler la célèbre citation dans laquelle Newton déclare : « aucun homme ayant une faculté de réfléchir avec compétence aux problèmes philosophiques » ne peut admettre que deux corps puissent agir l'un sur l'autre à distance sans aucune médiation. C'est la théorie de la Relativité générale d'Einstein qui donna la première description locale de la gravitation en remplaçant l'espace et le temps newtoniens par la notion d'espace-temps et en reconsidérant les notions de masse et d'inertie.

Le livre de Nicolas Gisin nous introduit aux critères de Bell. Il est probablement l'un des rares ouvrages pour un public non spécialiste à développer autant le raisonnement de Bell. C'est un raisonnement de nature logique qui n'est pas simple à assimiler. Il se fonde sur la notion de hasard étroitement liée à celle de non localité. La notion de hasard atteint ici un raffinement qui nous oblige à distinguer le vrai hasard du hasard tel qu'on le comprend couramment. Le vrai hasard n'est pas celui des dés jetés sur le tapis ; celui-ci reste un hasard déterministe, c'est-à-dire un faux hasard. Nous savons que le résultat d'un jet de dés est déterminé par des microphénomènes complexes (chocs élastiques, chocs des molécules d'air, propriétés élastique du tapis etc.) dont la détermination exacte excède toute puissance de calcul ; ce hasard n'existe que par notre ignorance de chaînes causales complexes. Le vrai hasard est non déterministe et « permet la non-localité sans communication ».

Prétendre que ce livre permet de comprendre enfin quelque chose à la physique quantique serait excessif. Il constitue cependant un évident effort de vulgarisation sur un point que les vulgarisateurs affrontent rarement ; les inégalités de Bell. Mais au bout de cette lecture, on se retrouve encore perplexe comme devant tout ce qu’on aura pu lire auparavant sur les quanta. On peut toujours se consoler en invoquant la célèbre boutade de Richard Feynman ; personne ne comprend rien à la physique quantique. Sans jamais renoncer à la possibilité de saisir quelque chose, comprendre qu'on n'y comprend pas grand-chose nous préserve de la suffisance, invite à rester humble. La prudence est de mise à qui voudra briller dans les salons en jonglant avec des photons.
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Le livre de Nicolas Gisin – directeur du département de physique appliquée de l'Université de Genève, présenté comme un pionnier de la téléportation et de l'informatique quantiques – bénéficie d'une préface rédigée par Alain Aspect, grand défricheur de la non-localité, connu mondialement pour ses expériences sur particules intriquées qu'il réalise en 1981 à Orsay. C'est dire si ce livre mérite toute notre attention. le sous-titre est accrocheur : « Non-localité, téléportation et autres merveilles quantiques ».
L'angle d'attaque est à la fois une métaphore et une expérience de pensée visant à démontrer sur un cas particulier la solidité du théorème de Bell, appelé ici « le jeu de Bell ». Cette expérience de pensée utilise un téléphone générateur de « vrai » hasard manipulé par le célèbre duo Alice et Bob, laborantins fictifs et incontournables pour tout ce qui touche à la physique quantique. Nicolas Gisin ne ménage pas sa peine pour nous faire comprendre, petit à petit, ce que l'on entend par corrélations locales et non-locales, « vrai » hasard, inégalités de Bell, communication sans transmission, clonage quantique et intrication quantique.
Muni de ce précieux bagage théorique, convaincu ou non par les tentatives de démonstration du théorème de Bell, le lecteur est mûr pour accepter la description de l'expérience de Bell réalisée par Nicolas Gisin dans la vraie vie. Nicolas et son équipe ont réalisé à Genève en 1997, et pour la première fois hors laboratoire, une expérience expédiant par fibre optique des paires de particules intriquées dans les villages suisses de Bernex et Bellevue, distants de plus de 10 kilomètres à vol d'oiseau. Cette expérience a permis de gagner au jeu de Bell (de pratiquer la téléportation quantique) à grande échelle, mettant ainsi en évidence la non-localité quantique : la même information peut être détectée simultanément en deux points aussi distants que l'on veut, ce qui semble incompatible avec la relativité d'Einstein qui n'autorise aucune transmission d'information à une vitesse supérieure à celle de la lumière !
Nicolas Gisin expose ensuite les applications pratiques de telles expériences : génération de nombres aléatoires quantiques, cryptographie quantique, téléportation quantique, théorie de l'information.
Pour terminer, Nicolas Gisin s'interroge sur les différentes échappatoires possibles contestant la non-localité (telles que la théorie des Multivers). En les recensant, en les réfutant, il montre la solidité de la théorie quantique. Alors, la nature est-elle réellement non locale ? Plus personne n'en doute. le défi à relever est donc aujourd'hui d'intégrer ce concept maintenant bien admis aux théories relativistes. « Nous y travaillons » est la toute dernière phrase (optimiste) du livre.
Un livre tout simplement indispensable pour mieux comprendre les enjeux actuels de la physique fondamentale.
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La 1ere partie de ce livre m'a emballé : de tous les livres sur la physique quantique que j'avais lus : ou bien tout me paraissait limpide et je ne voyais pas en quoi celle-ci était si révolutionnaire ; ou bien je n'y comprenais rien, et c'était très frustrant. Avec ce livre, j'ai enfin eu l'impression de lever une partie du voile. Et par la même occasion, j'ai saisi en quoi ce domaine de la physique impose un effort intellectuel pour déconstruire puis reposer une à une les planches de sa compréhension, à mesure qu'on y avance pas à pas.

Cette 1ere partie traite donc très clairement des inégalités de Bell, et, prenant le lecteur par la main, elle explique en quoi leur contradiction par la physique quantique remet en question la localité et le déterminisme. Si ce sujet vous intéresse, c'est une très bonne entrée. Entre parenthèses, on aurait aimé savoir ce qu'un Schopenhauer en eut dit, lui qui suivait de près les sciences de son temps, et si cela lui aurait fait revoir sa philosophie.

Le reste de l'ouvrage semble avoir été écrit à la va-vite... presque pour boucler une commande... l'auteur s'en défendant en annonçant d'ailleurs la couleur d'un "si vous ne comprenez rien, ça n'est pas grave" étrange et peu engageant... Or en effet on/je ne comprend(s) plus grand chose et les sujets abordés m'ont d'ailleurs beaucoup moins intéressés (expériences et applications industrielles). Vraiment dommage que l'auteur n'ait pas continué dans la même veine à nous éclairer un peu davantage de ses lumières.
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Dans le domaine quantique, seule est connue la probabilité d'un résultat de mesures. Le résultat d'une mesure unique relève du VRAI hasard (qu'il faut bien distinguer des occurrences pseudo-aléatoires). Dans son livre, l'auteur se concentre sur le concept particulier d'intrication, déjà discuté par Einstein et coll. en 1935 et dont les physiciens ne finissent pas de découvrir les conséquences. Une "paire intriquée" est constituée de deux entités quantiques, formant un tout et présentant une corrélation non-locale, quelle que soit la distance qui les sépare. Le test de ce phénomène est basé sur un critère précis: l'inégalité de Bell (1964).

Nicolas Gisin commence par introduire le "jeu de Bell" qui se joue à deux participants. Il est "normalement" possible de gagner au maximum 3 fois sur 4; et si les joueurs gagnent plus souvent, il y a nécessairement une corrélation non-locale. Au bout de nombreuses pages, l'auteur donne la clé de cette propriété extrêmement remarquable. Le MEME (vrai) hasard se manifeste au niveau des DEUX éléments intriqués, cette corrélation n'étant pas basée sur une quelconque communication entre eux: il n'y a donc pas violation des principes de la relativité.

On trouvera page 81 une image simple qui permet d'illustrer ce fait: un événement local dans l'espace des configurations (de dimension 6) peut apparaitre sous la forme de deux "ombres" projetées dans notre espace à 3 dimensions, qui nous semblent distinctes.

Une remarquable expérience, réalisée par l'auteur avec des fibres optiques sur des paires intriquées, est brièvement décrite. Ensuite on passe aux applications potentielles: la téléportation (d'un état quantique), la cryptographie, etc... Le livre se termine par des considérations générales et complexes sur la non-localité, qui ne sont absolument pas intuitives.

En tant que physicien, j'aurais vraiment préféré que le livre démarre sur l'expérience historique d'Alain Aspect (qui a d'ailleurs rédigé la préface); le jeu de Bell m'a semblé assez fastidieux. A vrai dire, d'autres lectures m'ont paru plus éclairantes sur la présentation de l'intrication. Toutefois, mieux que d'autres ouvrages, ce livre insiste sur la relation étroite qui existe entre la corrélation non-locale et le vrai hasard.
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Citations et extraits (5) Ajouter une citation
Cependant, la physique quantique, qui étudie le monde au-delà de ce qui nous est directement perceptible, affirme que des objets éloignés dans l'espace peuvent parfois former un tout. Ainsi, quelle que soit la distance qui les sépare, si l'on touche l'un des deux objets, tous les deux tressaillent ! Comment croire à une chose pareille ? Une telle affirmation est-elle testable ? Comment faut-il la comprendre ? Et peut-on utiliser cette drôle de physique quantique pour communiquer à distance à l'aide de ces objets-éloignés-qui-ne-forment-qu'un-tout ? Ce sont les principales questions que nous allons aborder dans ce livre.
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Aristote avait déjà proposé de considérer un objet comme constitué de deux ingrédients: la substance et la forme. Aujourd'hui, les physiciens diraient la matière et l'état physique. Par exemple, une lettre est constituée de papier et d'encre d'une part, qui sont la matière, et d'un texte qui est l'information ou l'état physique du papier et de l'encre. Pour un électron, la substance est sa masse et sa charge électrique (ainsi que d'autres attributs permanents), tandis que ses nuages de positions et de vitesse potentielles constituent son état physique. Pour un photon, particule de lumière sans masse, la substance est son énergie et son état physique est constitué par sa polarisation et ses fréquences de vibration potentielles.
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Aristote avait déjà proposé de considérer un objet comme constitué de deux ingrédients: la substance et la forme. Aujourd'hui, les physiciens diraient la matière et l'état physique. Par exemple, une lettre est constituée de papier et d'encre d'une part, qui sont la matière, et d'un texte qui est l'information ou l'état physique du papier et de l'encre. Pour un électron, la substance est sa masse et sa charge électrique (ainsi que d'autres attributs permanents), tandis que ses nuages de positions et de vitesse potentielles constituent son état physique. Pour un photon, particule de lumière sans masse, la substance est son énergie et son état physique est constitué par sa polarisation et ses fréquences de vibration potentielles.
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[...] la complexité des microphénomènes en jeu est telle qu'il est impossible en pratique de prédire le résultat. Mais cette impossibilité n'est pas intrinsèque. Elle n'est que le résultat de nombreuses petites causes qui s'imbriquent pour produire le résultat. Si l'on suivait avec suffisamment d'attention et de moyens de calculs le détail de l'évolution de la pièce, en garantissant les conditions des lancers, des molécules de l'air et de la surface sur laquelle elle rebondit, alors on pourrait prédire la face que la pièce exhiberait en fin de course.
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Un évènement arrive par hasard s'il est imprévu. Une définition plus précise de cette notion dépend ensuite de la question : imprévu pour qui ?
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