La mécanique quantique reste un domaine énigmatique. Selon certains physiciens, le monde quantique est défini et modifié par la conscience humaine. Pour d’autres, tous les événements quantiques possibles sont physiquement réalisés dans des mondes ou des univers coexistant de manière indépendante. Pourquoi le monde à des échelles infimes est-il si difficile à étudier ? (Image : geralt / Pixabay)
Vous êtes-vous déjà demandé ce que serait le monde sans les êtres humains ? Certains scientifiques affirment qu’il poursuivrait simplement son cours naturel, avec d’innombrables espèces qui l’habiteraient et s’éteindraient. D’autres, défiant les conventions existantes, ont osé affirmer qu’il n’existerait pas du tout, puisque la réalité serait une création de la conscience humaine. Mais quel est le fondement de ces affirmations ? Examinons l’une des énigmes que la physique n’a pas encore élucidées : L’expérience quantique des doubles fentes.
Comportement particulaire ou ondulatoire
Selon la mécanique quantique, toutes les particules existantes se comportent soit comme une particule, soit comme une onde. Alors que les particules sont distinctes et occupent un espace spécifique dans l’univers, les ondes en tant qu’entités qui se propagent sont décrites en termes de probabilités, c’est-à-dire la probabilité de trouver cette particule en un point donné.
Pour illustrer leur comportement, imaginez deux murs parallèles, se faisant face, dont l’un comporte deux fentes en son centre. Si nous nous tenons sur le côté du mur comportant les fentes et que nous y projetons de l’encre, les traces de l’encre qui a traversé les fentes du mur formeront très probablement des formes sur le mur opposé, semblables à celles des fentes. C’est ainsi que les particules se comportent.
Les ondes se comportent différemment. Lorsqu’on fait passer une onde telle que la lumière à travers la paroi à double fente, elle se divise en deux nouvelles ondes qui interfèrent l’une avec l’autre après avoir traversé la première paroi. Ce schéma d’interférence apparaîtra sur l’autre paroi sous la forme d’une série de bandes lumineuses.
Photo de l’interférence à double fente de la lumière solaire. (Image : wikimedia / Aleksandr Berdnikov)
Là où les choses deviennent étranges
En observant les bandes lumineuses que la lumière forme après avoir traversé les fentes, on peut conclure que la lumière est une onde. Mais la lumière n’est-elle pas composée de photons, et les photons ne sont-ils pas des particules ? Si la lumière est un flux de particules, ne devraient-elles pas se comporter comme telles ?
En fait, si l’on fait passer la lumière par une seule fente, elle se comporte effectivement comme une particule, dessinant une bande en forme de fente. Ce n’est que lorsqu’on ouvre une deuxième fente que l’on observe le comportement ondulatoire.
Mais que se passe-t-il si l’on fait passer chaque photon un par un à travers la double fente afin qu’ils n’interfèrent pas entre eux ? Il est intriguant de constater que les photons libérés individuellement dessinent toujours le motif d’interférence sur la paroi arrière, chaque photon contribuant à un « point » du motif global.
Intrigués par ce double comportement, les scientifiques ont tenté d’observer comment les particules photoniques créent le motif d’interférence. Est-il possible que chaque particule se divise pour passer par les ouvertures du mur, interfère avec elle-même, puis se rassemble pour rencontrer le mur arrière comme une seule particule distincte ?
Après plusieurs années de recherches, ce phénomène reste inexpliqué, non pas en raison d’une mauvaise compréhension des données par les scientifiques, mais en raison de leur incapacité à les recueillir.
Il s’avère que dès qu’un détecteur est placé sur la maquette pour constater de visu quand et comment ces entités commencent à se comporter comme des ondes, elles changent mystérieusement de comportement pour devenir des particules, dessinant la forme d’une double fente sur la paroi arrière. Mais une fois le détecteur éteint, la forme d’onde réapparaît.
Résultats de l’expérience des doubles fentes lorsque l’écran de détection est situé près des fentes et lorsque : a) seule la fente supérieure est ouverte (figure de gauche), b) seule la fente inférieure est ouverte (figure centrale), c) les deux fentes sont ouvertes (figure de droite). Les points bleus correspondent aux impacts des électrons ou des photons. (Image : wikimedia / Gondran)
Les particules savent-elles qu’elles sont observées et décident-elles consciemment de se comporter différemment ? Ou est-ce que le détecteur lui-même interfère d’une manière ou d’une autre avec l’onde, provoquant son effondrement et l’affichage d’un motif différent sur le mur ? Il est intéressant de noter qu’après de nombreux tests, les physiciens ont découvert que le phénomène persiste même si le détecteur change d’emplacement.
Le problème de la mesure
L’incapacité à déterminer pourquoi et comment une onde s’effondre lorsqu’elle est mesurée a été appelée le « problème de la mesure » en mécanique quantique. Bien que les scientifiques aient essayé d’étudier le moment juste avant que les particules ne pénètrent dans les fentes où la décision de s’effondrer est vraisemblablement prise et le moment juste après avoir traversé le premier mur où l’interférence a apparemment lieu, ils ont constaté que l’expérience ne peut pas être falsifiée : à chaque tentative de mesure, la forme d’onde disparaît pour réapparaître lorsque les particules ne sont pas observées.
Mais cela soulève de nombreuses questions : Qu’est-ce en fait que la mesure ? A-t-elle lieu lorsque le détecteur est allumé ? Ou lorsque l’instrument enregistre les données ? Ou bien lorsqu’une conscience interprète ces données ? Le système s’effondrerait-il sans observateur ?
S’il n’existe pas d’accord universel entre les chercheurs, la plupart des explications s’inscrivent dans le cadre de deux concepts opposés.
Deux grandes interprétations physiques
L’interprétation de Copenhague de la physique quantique est la plus largement enseignée aujourd’hui. Formulée par le physicien danois Niels Bohr et le physicien théoricien allemand Werner Heisenberg, elle établit une distinction claire entre l’observateur et le système observé et affirme que les descriptions quantiques sont objectives et indépendantes de l’arbitraire mental de l’observateur.
Ainsi, sa position sur le problème de la mesure est que l’effondrement des ondes dans la disposition en double fente n’est pas soumis à la présence d’un observateur, c’est-à-dire à l’interprétation d’un esprit conscient mais qu’il s’agit d’un événement qui se produira toujours selon les principes physiques et les probabilités calculées.
À l’inverse, l’interprétation Von Neumann Wigner prétend que l’effondrement des ondes est causé par la conscience de l’observateur. En considérant l’esprit humain comme le seul véritable instrument de mesure, cette interprétation place la « perception subjective » au cœur de son postulat.
John von Neumann (à droite) était un polymathe considéré comme le plus grand mathématicien de son temps, avec une maîtrise sans précédent des sciences pures et appliquées. (Image : wikimedia / Dencey)
Les scientifiques ont conclu que « les facteurs associés à la conscience, tels que l’expérience de la méditation, les marqueurs électro corticaux de l’attention focalisée et les facteurs psychologiques, notamment l’ouverture et l’absorption, présentaient une corrélation significative, selon les prévisions, avec les perturbations du schéma d’interférence à double fente. »
Bien que ces résultats soient cohérents avec l’interprétation de la mécanique quantique basée sur la conscience, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour confirmer et reproduire systématiquement cette interprétation, car cela ouvrirait la porte à des implications philosophiques complexes.
Une explication alternative
Dans le but de donner une résolution solide à la dualité onde-particule, le physicien américain Hugh Everett a proposé en 1957 l’interprétation « Many-worlds » (mondes multiples). Selon cette théorie, tous les résultats possibles de la mesure quantique sont physiquement réalisés dans un monde ou un univers différent.
Cela signifie que, dans l’expérience des doubles fentes, lorsque nous faisons passer un faisceau de lumière à travers la première paroi, il existe une réalité dans laquelle l’onde s’effondre et une autre réalité dans laquelle elle ne s’effondre pas. Il existe également un autre univers dans lequel nous effectuons des observations et un autre univers dans lequel aucune mesure d’aucune sorte n’est effectuée. Selon Hugh Everett, toutes ces probabilités ont lieu simultanément et ne dépendent pas les unes des autres, pas plus qu’elles n’interagissent les unes avec les autres.
Bien que l’interprétation des univers multiples ait été fortement critiquée au début, sa popularité s’est accrue ces dernières années. Des physiciens éminents tels que Sean Michael Carroll ont adopté cette théorie. La question de savoir pourquoi ces réalités alternatives sont inaccessibles aux humains reste posée.
L’interprétation Many-worlds (mondes multiples) offre également une explication au paradoxe du chat de Schrödinger, dans lequel le chat est vivant et mort selon différentes branches de l’alternative. (Image : wikimedia / Physikinger)
Conclusions récentes
Selon un article de recherche publié en 2010 par Shan Yu et Danko Nikolic, l’effondrement des ondes se produit lorsqu’elles sont mesurées, même si personne ne regarde. Pour obtenir cette information en évitant les interférences de tout observateur, les mesures ont été enregistrées dans l’état d’un atome et conservées pour une interprétation ultérieure.
Cette percée a amené les scientifiques à réévaluer le concept d’« observateur ». Serait-il possible que les particules soient observées par des entités qui ne sont pas perceptibles par les humains ? Et si l’Univers était l’observateur ? Cela signifierait-il que l’Univers est une conscience dans son ensemble ?
Par ailleurs, un article de recherche publié en 2019 par Massimiliano Proietti, doctorant en physique quantique à l’université Heriot-Watt au Royaume-Uni, a apporté pour la première fois la preuve de la coexistence de différentes réalités. Grâce à une expérience soigneusement conçue, Massimiliano Prioetti et son équipe ont découvert que la mécanique quantique peut permettre à deux observateurs de faire l’expérience de réalités différentes et inconciliables. L’existence d’une réalité objective, sur laquelle la science fonde ses mesures et ses faits fondamentaux, est désormais réévaluée.
