100 ans après, la physique quantique reste un mystère
"Shut up and calculate!" (+Tais-toi et calcule!+): la formule, célèbre dans le milieu de la physique quantique, domaine récompensé par de nombreux prix Nobel, illustre le paradoxe auquel sont confrontés ces chercheurs.
Les équations qu'ils utilisent décrivent remarquablement bien le comportements d'objets dans l'infiniment petit. Sans qu'on comprenne pour autant les phénomènes physiques qui se cachent derrière les mathématiques.
Tout a commencé au tournant du 20e siècle, lorsque les scientifiques ont fait le constat que les principes classiques de la physique ne s'appliquaient pas au niveau atomique.
Photons ou électrons s'y comportent à la fois comme des particules et des ondes et peuvent avoir simultanément plusieurs positions, vitesses ou niveaux d'énergie.
En 1925, l'Autrichien Erwin Schrödinger et l'Allemand Werner Heisenberg ont élaboré en parallèle un ensemble d'outils mathématiques complexes qui décrit un système quantique et son évolution grâce aux probabilités. Cette "fonction d'onde" permet de prédire les résultats de mesures effectuées sur une particule.
Lasers, lampes à LED, transistors de nos téléphones portables... notre quotidien fourmille d'inventions qui reposent sur ces calculs.
Mais que se passe-t-il vraiment dans le monde de l'infiniment petit ?
Alors que les physiciens les plus éminents se réunissaient sur l'île d'Heligoland (Allemagne), où Heisenberg a écrit ses équations fondatrices il y a cent ans, Nature a posé la question à 1.100 spécialistes des particules.
Et constaté à l'issue de cette vaste enquête "un manque frappant de consensus" sur ce que la théorie quantique "dit réellement de la réalité".
Univers multiples
Un gros tiers (36%) des physiciens interrogés privilégient l'"interprétation de Copenhague", la vision largement enseignée.
Dans le monde classique, tout objet a des propriétés (vitesse, position...) avec des valeurs bien définies qu'on observe ou non. Ce n'est pas le cas dans le monde quantique, selon cette conception développée dans les années 1920 par Heisenberg et le Danois Niels Bohr.
Ce n'est que lorsqu'un observateur interagit avec cet objet pour le mesurer, que celui-ci "choisit" un état déterminé parmi tous les états possibles décrits par la fonction d'onde. On dit que celle-ci "s'effondre".
C'est l'interprétation "la plus simple que nous ayons", résume Décio Krause de l'Université fédérale de Rio de Janeiro dans l'enquête menée par Nature. Malgré ses problèmes - elle n'explique pas pourquoi la mesure a un tel effet entre autres -, les alternatives "présentent d'autres problèmes qui, pour moi, sont pires".
D'autres approches sont cependant soutenues par un nombre significatif de chercheurs. Par exemple celle des mondes multiples (15%), selon laquelle la fonction d'onde ne s'effondre pas mais se ramifie en autant d'univers que de résultats possibles.
Lorsqu'un observateur effectue une mesure, il obtient un résultat dans un monde donné. Ce qui suppose l'existence d'univers parallèles ne pouvant communiquer entre eux.
"Cela nécessite un réajustement radical de nos intuitions sur le monde, mais pour moi, c'est exactement ce à quoi nous devrions nous attendre de la part d'une théorie fondamentale de la réalité", déclare dans l'enquête Sean Carroll de l'Université américaine Johns Hopkins.
Existe-t-il une frontière entre les mondes quantique et macroscopique, où les lois de la physique changeraient brusquement ? La communauté scientifique est là aussi divisée, 45% des physiciens interrogés répondant "oui" et autant "non".
Au final, seuls 24% se disent confiants que leur interprétation préférée est correcte. Et 75% pensent qu'elle sera un jour remplacée par une théorie plus complète.
En attendant, les milliers de chercheurs à travers le monde travaillant sur les ordinateurs ou la cryptographie quantiques continueront d'appliquer la devise: "tais-toi et calcule!".