25 points clés pour comprendre la physique quantique

Il n'est pas aisé de se lancer tout de go dans l'écriture d'un ouvrage de vulgarisation scientifique « pour les nuls » quand il s'agit de physique quantique, et de parvenir à le rendre accessible au plus grand nombre. Sorti de nulle part, tel une paire de particules émises par une fluctuation du vide, Charles Olivero – un parfait inconnu dont j'ai cherché en vain la biographie sur internet afin d'enrichir la base de données de Babelio – y parvient pourtant haut la main.

Car les concepts quantiques, on le sait, échappent à notre compréhension classique du monde. Ils sont « contre-intuitifs » lorsqu'on les transpose dans notre environnement ordinaire dit macroscopique.

Nombre de ces phénomènes s'expliquent pourtant par des propriétés mathématiques, démontrées via un formalisme spécialement « conçu pour » : les matrices d'Heisenberg, la fonction d'onde de Schrödinger ou les diagrammes de Feynman. Mais ces outils contredisent notre sens commun et notre vision du monde réel, de même que i (une entité qui élevée au carré donne -1) semble être un artifice purement mathématique qui ne peut en aucun cas être réel puisque l'on a aussitôt qualifié de nombre « imaginaire » une telle incongruité.

Depuis plus d'un siècle, les expériences montrent que la physique quantique confrontée au réel n'a jamais été prise en défaut, et reste l'une des théories les plus précises qui soit. Pour s'en convaincre, voici un exemple parmi d'autres, relisons Serge Haroche, prix Nobel de physique 2012, qui nous dit (je le cite) : « Les horloges ont gagné 9 à 10 ordres de grandeur en précision, en particulier grâce au développement de la mesure directe des fréquences optiques (…). Leur précision ultime actuelle correspond à une stabilité de l'ordre de la seconde sur l'âge de l'Univers (de l'ordre de 10 puissance – 18) » (*).

La physique quantique, même si l'on n'en a retenu que ses principes d'incertitude, d'indétermination et de probabilité de présence, qui donnent une image assez floue de la réalité, est finalement une science extrêmement précise.

Revenons au livre de Charles Olivero. Celui-ci découpe son ouvrage en 25 chapitres (on s'en doutait, vu le titre) plus ou moins chronologiques, qui tous proposent un bref énoncé du thème abordé, un développement en cinq pages, et un tableau final, très judicieux, d'une dizaine de points « à retenir » concernant le thème en question. Chaque tableau constitue un pense-bête, voire une check-list de contrôle permettant au lecteur de vérifier ses acquis. le livre est articulé en trois parties : Fondements – Expériences – Applications. On ne peut être plus limpide.

Tous les sujets traditionnels de la physique quantique sont abordés : la dualité onde-corpuscule, le paradoxe EPR, l'interprétation de Copenhague, les expériences de pensée… Les grands contributeurs sont mis à contribution : Planck, Bohr, Einstein, Pauli, Heisenberg, Schrödinger, de Broglie, Dirac, Feynman, Bell, Aspect et… Haroche !

La description des applications pratiques permet de revenir au concret de notre vie quotidienne, où le laser est devenu omniprésent : pour lire les CD, les DVD, les Blu-Ray, pour ouvrir des huîtres… oui, bon… et de rêver au futur : téléportation et ordinateur quantique.

Ne faisant pas l'impasse sur les sujets récents, l'auteur décrit l'expérience de Serge Haroche au LKB (le laboratoire aux trois prix Nobel) permettant de voir sans les détruire des photons piégés dans une cavité. Serge Haroche est parvenu à fabriquer de véritables « chats de Schrödinger », tels que Bohr et Einstein n'auraient jamais osé les imaginer même dans leurs « expériences de pensée » les plus folles. Formés d'atomes de Rydberg excités et en superposition de deux états, ces atomes permettent de suivre l'apparition et la disparition de photons unitaires et de matérialiser ainsi le phénomène spontané de décohérence. J'ai regretté que l'on ne mentionne pas que cette expérience sonne a priori le glas des théories fumeuses voire parapsychologiques, faisant intervenir la « conscience de l'observateur » dans l'effondrement de la fonction d'onde et l'émergence de la réalité, idées qui avaient cours dans les années 30, enfin, me semble-t-il, malheureusement encore relayées de temps en temps par quelques auteurs en mal de sensationnalisme.

Quand il m'arrive de lire ce genre d'ouvrage, je me pose à chaque fois les questions suivantes : l'exposé est ici très clair et parfaitement compréhensible, mais est-ce grâce à l'auteur, particulièrement inspiré et pédagogue, qui parvient avec son discours simple à faire entrevoir les concepts ardus de la physique quantique ? Ou bien est-ce parce que, nourri depuis des années par mes lectures accumulées sur le sujet, je me serais au fil du temps auto-formé et entraîné à une sorte de gymnastique intellectuelle ? le lecteur néophyte sera-t-il convaincu par ces explications simples ? Les phénomènes quantiques tels que la non-localité, la superposition d'état, la réduction du paquet d'onde, la décohérence, la violation des inégalités de Bell et le paradoxe EPR sont-ils autant d'évidences qui coulent de source à la lecture d'un simple résumé ou faut-il posséder une réelle culture « scientifique » pour les comprendre et se familiariser avec eux ?

Je n'en sais rien. Ces phénomènes me sont devenus familiers, comme le fait que la Terre soit ronde et non un disque plat au bord duquel le voyageur imprudent, pris de vertige, tomberait dans un vide sans fond. En tout état de cause, je trouve le livre de Charles Olivero très pertinent et très réussi, et je pense qu'il peut être lu avec bonheur autant par ceux qui considère la physique quantique comme une « terra incognita », ils trouveront ici une excellente entrée en matière, que par les lecteurs plus confirmés, qui profiteront de cet agréable petit voyage en 25 étapes dans le monde quantique pour réviser ou parfaire leurs connaissances.

A mettre entre toutes les mains, et à consommer sans modération.

(*) http://www.college-de-france.fr/site/serge-haroche/course-2015-04-07-09h30.htm