Une Nouvelle Perspective Audacieuse sur la Théorie Quantique : Comment la Réalité Émerge

À la découverte des fondements de la réalité

Lorsque l’on se penche sur le monde à l’échelle la plus minuscule, tout est constitué d’un nuage de possibilités quantiques. Une nouvelle idée tente d’expliquer comment notre monde quotidien émerge de cela, en utilisant les lois de la thermodynamique.

Par un jour de neige l’année dernière, je me suis aventuré hors de Vienne, en Autriche, pour me rendre dans l’un des cimetières de la ville afin de visiter le lieu de repos final d’un géant de la physique du XIXe siècle. La tombe de Ludwig Boltzmann arbore une imposante statue de l’homme, fixant le visiteur d’une expression sévère. Et au-dessus de lui, en lettres d’or, se trouve sa formule pour l’entropie. Il doit s’agir de l’une des rares tombes dans le monde ornées d’une équation.

Je suis venu pour réfléchir un moment, car je pense que les idées centenaires de Boltzmann pourraient aider à résoudre l’un des problèmes les plus épineux de la physique actuelle : comment les particules quantiques, qui existent dans un nuage flou d’états possibles, donnent naissance au monde solide et bien défini de la neige, des feuilles, des tombes et de tout ce qui nous entoure.

Il y a eu de nombreuses tentatives pour expliquer cela au fil des ans, y compris l’idée extravagante que les autres possibilités quantiques se réalisent dans de nombreux autres univers parallèles ou qu’elles disparaissent tout simplement. Mais mes collègues et moi soupçonnons que la réponse pourrait résider dans les travaux de Boltzmann.

La théorie sur laquelle il a travaillé, appelée thermodynamique, est centrée sur l’entropie, une mesure du degré de désordre des choses. Elle explique comment les choses se refroidissent, se réchauffent et, crucial pour notre sujet, se mélangent. Elle couvre les événements quotidiens, comme le mélange du lait dans le café. Mais si nous avons raison, ses pouvoirs s’étendent également au domaine quantique. Nous pensons que ces possibilités quantiques ne sont jamais vraiment perdues : elles sont simplement mélangées si profondément dans les fissures de la réalité que nous ne pouvons pas les voir. Si cela s’avère vrai, cela changerait profondément notre compréhension de la réalité.

Les bases de la mécanique quantique

Au niveau fondamental, le monde obéit aux règles de la mécanique quantique. La théorie a été développée pour la première fois au début du XXe siècle pour expliquer pourquoi des phénomènes tels que la lumière et la matière se comportent parfois comme des ondes et parfois comme des particules. Ensuite, en 1926, Erwin Schrödinger a élaboré une manière de les considérer comme les deux, dans une notion mathématique appelée fonction d’onde.

La théorie quantique décrit le monde microscopique avec une précision inégalée. Cependant, ses lois sont étranges : elles permettent par exemple à une particule d’exister en plusieurs endroits à la fois. Nous ne voyons jamais ces effets étranges dans le monde classique et quotidien. Alors, que se passe-t-il ?

Lorsque les physiciens ont abordé cette question au fil des ans, ils ont souvent pensé aux mesures. Peu importe le nombre d’endroits où se trouvait un électron avant d’être détecté, une fois qu’il est mesuré, nous ne le voyons toujours que dans un seul endroit. D’une manière ou d’une autre, l’acte de mesure transforme le nuage de possibilités de type ondulatoire en une réalité ponctuelle dotée d’une position définie. Cela a été démontré à maintes reprises dans des expériences. Le processus semble être aléatoire et instantané, mais les physiciens comme moi ne sont pas entièrement satisfaits de cette explication, car rien d’autre n’agit de cette manière.

La controverse autour de l’interprétation de la fonction d’onde

Le débat sur la manière d’interpréter cette étrangeté fait rage depuis plus de 100 ans. Dans les années 1920, de grands penseurs comme John von Neumann ont adopté l’idée que lorsqu’une mesure est effectuée, la fonction d’onde « s’effondre » en un seul résultat, supprimant les autres possibilités. Mais cette explication, devenue l’interprétation de Copenhague, est loin d’être la seule lecture de la situation. L’interprétation des nombreux mondes affirme que chaque résultat possible d’une mesure se produit dans d’autres mondes auxquels nous n’avons pas accès. Et l’interprétation du physicien David Bohm soutient que les autres possibilités n’ont jamais existé – elles n’étaient que des illusions créées par notre manque d’information.

Pour compliquer les choses, il est apparu depuis les expériences des années 1970 que les mesures ne se produisent pas seulement sur les bancs de laboratoire. Même des molécules d’air errantes heurtant des électrons peuvent les « mesurer » et perturber leur aspect quantique. Nous appelons ce processus la décohérence, et il explique pourquoi nous ne voyons pas d’effets quantiques à l’échelle quotidienne : une fois que quelque chose devient suffisamment grand, il y a trop d’autres objets en mouvement qui peuvent le « mesurer » et perturber ses délicates propriétés quantiques. Mais la même question se pose toujours : comment se produit précisément ce processus ?

La théorie de la décohérence quantique

Dans les années 2000, les physiciens Robin Blume-Kohout, alors au California Institute of Technology, et Wojciech Żurek au Los Alamos National Laboratory au Nouveau-Mexique, ont poussé l’idée de la décohérence un peu plus loin. Ils ont soutenu que pendant ce processus, toutes les informations d’un système, y compris les informations quantiques, se répandent dans l’environnement environnant. Ces informations quantiques comprennent la propriété du système d’être « à deux endroits à la fois », ou sa superposition. Mais elles tiennent également compte d’autres caractéristiques quantiques intrinsèques, telles que l’étrange « intrication » à longue portée qui semble permettre une interaction instantanée entre deux objets quantiques.

L’idée du duo est que seuls certains types d’informations sont faciles à accéder après ce processus de diffusion : principalement, celles de nature classique. Les informations quantiques sont là, mais elles sont pratiquement impossibles à voir. Ils ont nommé cette idée le darwinisme quantique, en analogie avec l’évolution des êtres vivants. Selon cette hypothèse, l’environnement entourant un objet quantique « sélectionne » les informations classiques, de la même manière qu’un environnement – dans un sens très différent du mot – sélectionne, par exemple, les longs cous des girafes.

La thermodynamique quantique

Notre idée est que chaque étape du processus peut s’expliquer à l’aide de la thermodynamique. Et nous nous intéressons à ce qui arrive aux états quantiques apparemment disparus, ce qui n’est généralement pas le point central de la darwinisme quantique. En résumé, nous pensons que ces informations quantiques se répartissent entre l’objet et le détecteur. Et nous pensons que ce processus de diffusion reflète la manière dont les choses se mélangent selon la thermodynamique.

Historiquement, la thermodynamique et la mécanique quantique ne font pas bon ménage. En fait, l’idée conventionnelle des mesures quantiques semble violer les lois de la thermodynamique. Ces lois, sacrosaintes pour les physiciens, disent que l’énergie ne peut ni être créée ni détruite et que l’univers devient plus désordonné avec le temps. La description classique d’une mesure semble violer tout cela. De plus, elle implique la suppression d’informations : lorsque la particule passe d’une présence en deux endroits à une présence en un seul, les détails sur la deuxième position semblent être détruits. Cela viole la conservation de l’information, un principe soutenu par toutes les autres lois de la physique.

Ces problèmes ont été faciles à ignorer pendant des décennies, car nous ne pouvions pas sonder en détail les interactions exactes entre les objets quantiques et l’élément faisant la mesure. Il était facile d’imaginer que le problème était le résultat d’une modélisation inexacte du « dispositif » de mesure. Cependant, à mesure que les expériences se sont améliorées, les divergences sont devenues plus difficiles à dissimuler.

La thermodynamique à la rescousse

La force de notre idée réside dans le fait qu’elle ne peut que respecter les lois de la thermodynamique, car elles sont intégrées dès le départ. « Tout modèle de mesure doit être conforme au reste des lois de la physique », explique Sophie Engineer, membre de notre équipe et travaillant entre l’Université de Bristol et l’Université Heriot-Watt au Royaume-Uni.

Au cœur de notre idée se trouve un processus thermodynamique que Boltzmann a étudié, appelé équilibration. Notre groupe aime le café, alors nous aimons imaginer ce processus en imaginant un éclaboussement de lait versé dans une tasse de café. Au début, le lait forme un amas distinct, mais à mesure que les différentes particules se déplacent de manière aléatoire, il se répand rapidement et se mélange au café. Une fois que les particules de lait et de café sont complètement mélangées, il est extrêmement improbable que toutes les particules de lait se rassemblent spontanément en un amas. Finalement, le mélange café-lait atteint un équilibre – nous disons qu’il s’équilibre.

Cependant, les lois de la thermodynamique disent que, avec le temps, le lait et le café se sépareront spontanément dans leur état d’origine non mélangé. Nous ne verrions probablement jamais cela se produire car cela prendrait beaucoup plus de temps que l’âge de l’univers. Mais nous le voyons se produire dans des systèmes beaucoup plus simples.

Nous avons récemment appris que quelque chose de similaire se produit également dans le monde quantique. Dans une étude de 2018, Jörg Schmiedmayer de l’Université de Technologie de Vienne (TU Wien) en Autriche et ses collègues ont montré que la décohérence quantique peut également se défaire d’elle-même. Ils ont observé quelques milliers d’atomes ultrafroids dans une boîte et ont vu comment les positions des atomes devenaient moins corrélées les unes aux autres grâce à des collisions aléatoires. La quantité de corrélation a finalement atteint une valeur d’équilibre basse. Mais, après quelques millisecondes, la corrélation est revenue presque à sa valeur initiale.

L’hypothèse de la mesure par équilibration

Cela a été un résultat brillant. La décohérence aurait dû détruire ce type de corrélation, donc voir ces corrélations réapparaître spontanément indique qu’elle ne supprime pas l’information, mais la brouille ou la cache. C’est ce genre de découvertes qui a inspiré mes collègues Maximilian Lock et Marcus Huber, également à la TU Wien, à se demander si l’équilibration pourrait également être à la base des mesures quantiques. Avec Emanuel Schwarzhans, autrefois à la TU Wien, et Felix Binder du Trinity College de Dublin en Irlande, ils ont rassemblé leurs idées dans un cadre qu’ils ont baptisé l’hypothèse de la mesure par équilibration (MEH).

MEH décrit la mesure comme un processus où un système quantique interagit avec un dispositif de mesure. Un « dispositif » peut être n’importe quoi qui interagit avec l’objet quantique, pas seulement ce que nous considérerions généralement comme un dispositif de mesure. Cela diffuse les informations dans le dispositif jusqu’à ce qu’un équilibre d’informations soit atteint entre le système et le dispositif. Plus le dispositif est grand, plus il y a d’endroits où l’information quantique peut se cacher, ce qui rend plus difficile la récupération de cette information – mais jamais impossible.

Comment cela fonctionnerait-il en pratique ?

Prenons l’exemple simple d’une particule dans un nuage de nombreux endroits différents en même temps. Avant qu’un détecteur ne mesure la position de cette particule, il existe des informations sur tous les endroits potentiels où elle pourrait être détectée. Lorsque le détecteur entre en contact avec la particule, ces informations se mélangent avec les particules du détecteur. Nous pensons que ce processus de diffusion diffuse d’une manière ou d’une autre les informations du système, rendant l’information sur sa position classique disponible à la lecture, mais rendant plus difficile la détection de son information de type « deux endroits en même temps ».

Les implications de cette théorie

Les mathématiques derrière ce processus sont compliquées, donc les deux premiers articles sur le cadre, toujours en cours de révision par des pairs, sont lourds en calculs. Dans le premier, mes collègues ont montré que l’équilibration entre un système quantique et un détecteur peut rendre le système semblable à un système classique, tout en masquant simplement le comportement quantique, sans le détruire. Cependant, un détecteur suffisamment petit permettrait toujours aux effets quantiques de transparaître. Le prochain article, dirigé par Engineer et auquel j’ai contribué pour la première fois, représente la première étape vers la connexion avec des expériences, en examinant la meilleure façon d’extraire des informations ici.

Nous aimerions éventuellement tester nos idées en laboratoire, et heureusement, Schmiedmayer est désireux de collaborer avec notre groupe pour que cela se produise. Avec une configuration similaire à l’expérience de Schmiedmayer en 2018, nous pourrions potentiellement observer le processus de mesure se produire dans un petit système, puis le voir se dérouler à l’envers, estime Lock. « Nous pourrions peut-être montrer que, à mesure que le système devient plus grand, le processus de déroulement devient moins probable », dit-il. Si nous voyions cela, ce serait une preuve que MEH est sur la bonne voie. « Ce serait un jour extrêmement heureux », déclare Lock.

Jusqu’à présent, nous sommes restés agnostiques quant à ce que cette idée signifie pour l’une ou l’autre des interprétations philosophiques de la mécanique quantique. Par exemple, MEH explique ce qui arrive à tous les résultats de mesure que vous ne voyez pas – les autres « mondes » de l’idée des nombreux mondes. Ils sont tous toujours ici dans notre monde ; nous ne pouvons tout simplement pas contrôler suffisamment le système quantique pour les observer. « Si nous pouvions saisir chaque électron et les contrôler de la manière que nous voudrions, nous ne nous demanderions pas pourquoi la particule est allée à gauche ou à droite », explique Lock. « L’idée de mesure devient sans objet. »

Cela éliminerait une grande partie du mystère supposé entourant l’effondrement de la fonction d’onde, car la mesure semble mystérieuse uniquement lorsque nous négligeons à quel point elle est difficile à réaliser en pratique. Comme le dit Lock, il s’agit de se demander : « Comment puis-je, une créature inexacte de la taille d’un singe, essayer d’accéder à quelque chose d’aussi finement détaillé que la rotation d’un électron ? »

Les cerveaux de Boltzmann

Il y a une autre implication possible de nos idées. Si l’on pousse les idées de Boltzmann sur l’équilibration à leurs extrêmes, on peut imaginer que tout l’univers s’équilibre. Si c’est le cas, certaines personnes ont spéculé que, dans un futur extrêmement lointain, bien après la disparition des dernières étoiles, des fluctuations aléatoires loin de l’équilibre donneront naissance à des êtres conscients qui surgiront de manière spontanée – et très brièvement. Cette expérience de pensée, connue sous le nom de « cerveau de Boltzmann », suggère que l’équilibration n’est pas la fin de l’histoire pour un système vaste et dynamique.

Que se passe-t-il si nous poussons notre idée à de tels extrêmes ? Eh bien, si nous pouvions suivre chaque particule subatomique dans un détecteur et son environnement, MEH dit que vous pourriez, en principe, trouver toutes les informations quantiques cachées. Cela reviendrait presque à voir une particule se trouver en deux endroits en même temps, même après qu’elle ait été mesurée. Il s’agit certainement d’une idée extravagante et il m’arrive parfois de me demander ce que Boltzmann en penserait s’il était encore parmi nous.