Le dilemme quantique

Comme on a pu le voir dans les articles précédents, un très grand nombre des affirmations de santé ou de bien-être utilisant l’adjectif « quantique » peuvent être réfutées: la physique quantique ne s’applique clairement pas à elles. De la même façon, on peut démontrer que des concepts populaires en science-fiction, comme la téléportation, sont incompatibles avec la physique quantique. D’autres sont impossibles à démontrer, comme le concept des univers parallèles.

Aussi mystérieuse qu’elle semble, la physique quantique telle qu’on la comprend aujourd’hui est néanmoins le résultat de plusieurs décennies d’expérimentations et d’observations réalisées par des physiciens qui ont marqué leur époque, comme Max Planck, Ludwig Boltzmann, Albert Einstein et Niels Bohr. C’est en 1925 et 1926 que les physiciens Werner Heisenberg et Erwin Schrödinger ont développé le cadre mathématique qui allait soutenir cette nouvelle branche de la physique.

Ces certitudes peuvent laisser croire qu’on a presque fait le tour de la question. Mais on peut identifier au moins quatre questions fondamentales qui animent les chercheurs.

1) Le mystère de la gravité quantique

Trouver comment la physique quantique et la théorie de la relativité générale d’Einstein sont reliées, demeure sans doute le plus gros défi, peut-on lire sur le site web du Département de physique du Massachusetts Institute of Technology (MIT). En effet, il existe rien de moins que des incohérences entre le modèle standard des physiciens, qui décrit la physique des particules, et la relativité générale, qui explique la gravitation, résumait la physicienne allemande Sabine Hossenfelder dans un texte sur la gravité quantique publié en 2017. Pourtant, ces deux théories sont nécessaires pour décrire les phénomènes qui ont lieu à proximité d’un trou noir ou dans les premiers moments qui ont suivi le Big Bang.

Plusieurs théories ont été proposées dont la théorie M et celle de la gravitation quantique à boucle. La théorie des cordes, qui a un peu plus fait parler d’elle dans le grand public, cherche elle aussi à répondre à cet objectif d’unifier la théorie de la relativité générale aux concepts de la physique quantique. Cependant, aucune théorie n’est arrivée à une solution satisfaisante, remarquait Sabine Hossenfelder.

2) Le problème de la mesure quantique

Comme on l’a vu dans les textes précédents, une particule existe en plusieurs endroits à la fois, mais le fait de mesurer son emplacement transforme ce nuage de possibilités en un point précis. C’est ce que les physiciens appellent le problème de la mesure quantique. Mais concrètement, comment cela se produit-il?

L’interprétation traditionnelle, dite de Copenhague, stipule que l’équation mathématique qui représente ces probabilités s’effondre tout simplement, sans trop expliquer ce que cela signifie. Il existe plusieurs autres interprétations dont les physiciens continuent de débattre, la plus connue du public (quoique très contestée chez les physiciens) étant la théorie des mondes multiples ou parallèles.

3) Le mécanisme derrière l’intrication quantique

Selon la mécanique quantique, deux particules peuvent devenir intriquées, c’est-à-dire qu’un lien s’établit entre elles et que celui-ci persiste, même si elles sont séparées par de grandes distances: c’est ce qu’on peut lire sur plusieurs sites de vulgarisation, dont la page web consacrée à ce sujet par l’Institut de technologie de Californie (Caltech). 

Ce concept étrange avait été remis en question par Einstein en 1930: il croyait que le phénomène était en fait le résultat de variables cachées, encore inconnues des physiciens, en raison du caractère instantané de l’intrication.

Depuis, des expériences ont pourtant montré que l’intrication est bien réelle. Cependant, les scientifiques ne savent toujours pas comment interpréter le phénomène. Selon Caltech, l’intrication quantique devrait demeurer un thème de recherche important tout au long du 21^e siècle.

4) Vers une deuxième révolution quantique?

Enfin, toute cette recherche fondamentale qui continue de se faire en physique quantique pourrait devenir le point de départ de nouvelles technologies, spéculait en 2024 Paola Cappellaro, professeure de science et d’ingénierie nucléaire au MIT et directrice du groupe d’ingénierie quantique. C’est ce que certains chercheurs appellent la deuxième révolution quantique.

Par exemple, les équipes du MIT utilisent des systèmes quantiques pour développer des senseurs plus précis qui faciliteraient la navigation et la bioimagerie. La mise au point de simulations quantiques pourrait également favoriser le développement de nouveaux matériaux et de nouveaux médicaments ou aider à modéliser des changements quantiques.

Par ailleurs, il y a tout le domaine de l’information quantique, dans lequel on investit beaucoup d’argent et d’efforts. Le développement de nouveaux superconducteurs pourrait ainsi permettre de construire des machines qui fonctionnent à la température de la pièce. Les chercheurs veulent également découvrir des moyens plus sécuritaires de transférer l’information.

Verdict

La mécanique quantique a beau avoir vu le jour il y a une centaine d’années, et les répliques faites aux charlatans ou aux amateurs de science-fiction ont beau être concluantes, plusieurs questions demeurent pendantes. La recherche théorique qui tente de percer ces mystères pourrait éventuellement permettre de développer de nouvelles technologies qui n’existent pour l’instant que sous la forme de modèles théoriques.

Ce texte est le 8e et dernier de cette série sur les mythes du quantique.