Lettre d'août 2013 1000000000000000000000000000000Retour à Journal

Livres récents sur les nouveautés de la Physique Quantique

Les vacances d'été servent à faire une pause. Le soleil et le mouvement des vagues sur la mer favorisent la méditation et la réflexion sur les nouveaux développements de la science, et en particulier de la Physique Quantique.

Depuis quelques décennies le monde des physiciens quantiques est en effervescence suite à une révolution inattendue de la recherche. J'ai brièvement abordé ce sujet dans ce site, dans la page Confrontation avec la Relativité, l'intuition d'Einstein.

Tout est parti en effet d'une intuition d'Einstein. Cherchant les points faibles de la Physique Quantique, il a mis le doigt sur un paradoxe, dit paradoxe EPR, qui a depuis conduit à une foison d'expériences, et son cortège d'interprétations des résultats. On peut rassembler ces questions en disant qu'elles traitent de la non-localité, c'est-à-dire de corrélations instantanées à distance. Les nouveaux phénomènes qui en découlent pourraient conduire à une révolution technologique comparable à celle qui a suivi la première version de la Mécanique Quantique. Il vaut donc la peine de s'y arrêter et cela fera le sujet de prochaines lettres.

En attendant de trouver une formulation de ces idées qui me satisfasse, je présente ici quelques livres récents qui traitent de ces sujets selon des approches différentes.


Initiation à la Physique Quantique

Initiation à la Physique Quantique[1], de Valerio Scarani, 2006.
Sous-titre: La matière et ses phénomènes.
L'auteur s'est rendu au collège de Fribourg, invité par un professeur de philosophie, pour parler de Physique Quantique aux étudiants. Les enseignants de philosophie aiment bien la Physique Quantique, car elle leur permet de montrer combien l'appréhension ordinaire de la réalité est loin de la vérité. Douter de ce qu'on sait, c'est le point de départ de la philosophie.

Valerio Scarani commence par présenter les mystères des interférences quantiques. Déstabilisation de l'auditoire, qui n'ose à peine poser des questions... Il s'agit des interférences observées lorsqu'une particule élémentaire peut prendre différents chemins avant d'être détectée. L'auteur décrit ensuite les expériences récentes, qui cernent toujours mieux le problème, et en présente une application, la cryptographie quantique, qui permet de protéger la transmission d'un signal d'une façon parfaitement sûre.

La deuxième partie du livre est consacrée aux corrélations quantiques et aux développements qui ont suivi les critiques d'Einstein. Il s'agissait à l'époque (1935) de constatations conceptuelles. Dans les années 60, John Stewart Bell découvre une méthode qui permet de tester ces idées par des expériences, qui seront menées à bien par Alain Aspect en 1982. Valerio Scarani donne un exposé très clair de la méthode de Bell et de l'expérience d'Aspect. Le résultat en est la découverte du phénomène d'intrication, encore plus énigmatique que le paradoxe EPR!

La force du livre de V. Scarani réside dans une présentation moderne de la Physique Quantique, basée sur l'indicernabilité des trajectoires, dans la limpidité des explications, et dans ses apartés philosophiques, traitant en particulier des débats d'interprétation, essentiels et combien stimulants!


L'Impensable Hasard

L'impensable hasard[2], de Nicolas Gisin, 2012
Sous-titre: Non-localité, téléportation et autres merveilles quantiques.
Livre initiatique fondamental sur ces nouveaux phénomènes.
La physique consiste à observer des corrélations et leur trouver des explications. Le "jeu de Bell", imaginé par l'auteur et expliqué en détail, permet de déterminer si une corrélation pourrait trouver une explication locale. On entend par là un mécanisme qui relie de proche en proche les parties corrélées. En fait, c'est ce qu'on admet comme étant une explication convaincante...

Or l'expérience d'Aspect exhibe des corrélations qui ne satisfont pas au jeu de Bell, et donc qui n'admettent pas d'explication locale. Voilà qui est surprenant: entre les parties corrélées, il n'y a aucune médiation! Ces parties s'avèrent pourtant corrélées, sans pouvoir communiquer entre elles!

D'autre part nous savons que les mesures en Physique Quantique donnent des résultats aléatoires. Or corrélation implique coordination: les résultats des parties corrélées doivent correspondre. Ainsi, les mesures faites sur des parties corrélées donnent des hasards qui doivent correspondre, et cela sans communiquer! Il y a de quoi perdre la tête!

Nicolas Gisin, en expert, nous conduit entre ces expériences, dont celles qu'il a réalisées avec son équipe. Patiemment il explique, répond aux objections, déjoue les malentendus, dénoue les apparentes contradictions, jusqu'à nous convaincre que la Nature est ainsi faite. D'ailleurs des applications existent déjà, comme la génération de "vrai" hasard, la cryptographie quantique et bientôt peut-être la "téléportation quantique". Là aussi, le débat sur les questions d'interprétation de la Physique Quantique ne peut pas être évité et le livre nous en donne un passionnant compte-rendu.


Le Théatre Quantique

Le théâtre quantique[3], de Alain Connes, Danye Chéreau et Jacques Dixmier, 2013
Sous-titre: L'horloge des anges ici-bas.
Il s'agit d'un roman, d'un vrai roman policier! L'intrigue évolue dans les dédales du CERN et on assiste à des débats énigmatiques chuchotés dans les couloirs, où la physique a souvent sa place. On nage en plein dans l'ambiance exaltante de la recherche et en même temps dans l'inquiétude et les soupçons. Le commissaire chargé de l'enquête veut comprendre, c'est son rôle. On lui explique la Physique Quantique, chacun selon son point de vue.

On y parle d'accélérateurs, de détecteurs, de relativité, de particules élémentaires, de bosons de Higgs... Des rappels historiques sur les émois du jeune Heisenberg et les disputes entre Einstein et Bohr agrémentent le récit. Naturellement ce dernier rappel introduit le débat sur le hasard et la non-localité, ce qui mène tout droit au phénomène de l'intrication.

Plus cruciale est la discussion sur le statut du temps. Pour le physicien, l'écoulement du temps a quelque chose d'agaçant. On n'a pas de prise sur lui, il nous échappe totalement. Se pourrait-il que le hasard des mesures en Physique Quantique, lui aussi non maîtrisable, lui soit lié? C'est ce que suggère la thèse de Alain Connes, lauréat de la médaille Fields 1982 (équivalent du prix Nobel). En 1973 il a établi que le formalisme mathématique de la mécanique quantique génère automatiquement un paramètre qui joue exactement le rôle du temps. Un abîme d'inconnu s'ouvre devant nous!

En fait, existe-t-il un "temps quantique"? L'expérience du "choix retardé", à laquelle a participé Alain Aspect en 2007, semble indiquer que le temps n'est pas un simple spectateur des phénomènes quantiques mais se trouve embarqué dans leur tourbillon. Le livre ose même une jolie formule: c'est l'effervescence quantique qui génère le passage du temps!


Références

- [1] Initiation à la Physique Quantique, Valerio Scarani
Sous-titre: La matière et ses phénomènes. Préface de Jean-Marc Lévy-Leblond
Editions Vuibert, Paris, 2006
- [2] L'impensable hasard, Nicolas Gisin
Sous-titre: Non-localité, téléportation et autres merveilles quantiques. Préface d'Alain Aspect
Editions Odile Jacob, Paris, 2012
- [3] Le théâtre quantique, Alain Connes, Danye Chéreau et Jacques Dixmier
Sous-titre: L'horloge des anges ici-bas
Editions Odile Jacob, Paris, 2013
- Sur l'expérience du choix retardé:
Experimental realization of Wheeler's delayed-choice GedankenExperiment, Alain Aspect et al., Science 315, 5814 (2007) 966 (Download via Cornell Univerity Library)
- Pour d'autres références, voir celles données dans les livres cités.

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