Heurs et malheurs de la physique quantique

Des vérités incroyables

Jean-Pierre Pharabod, Gérard Klein

• Éditeur: Odile Jacob
• Année: 2017
• Imprimer l'ISBN: 9782738135636
• ISBN de l'eBook: 9782738135643
• Sujet: Sciences physiques
• Sujet: Théorie des quanta

La mécanique quantique est l'un des domaines de la physique les plus surprenants et controversés. Depuis le début, elle a suscité les plus vifs débats quant à sa signification et à son lien avec le réel. L'atomisme, la lumière ou les théories relativistes ont aussi défrayé la chronique, mais rien ne semble devoir arrêter les polémiques qui entourent l'interprétation des phénomènes quantiques. De Heisenberg à Schrödinger en passant par la fameuse controverse entre Einstein et Niels Bohr, Jean-Pierre Pharabod et Gérard Klein n'omettent aucune péripétie de cette saga de la physique quantique qui mène aujourd'hui à l'affirmation pour le moins surprenante de la « non-localité » de la nature. C'est un nouveau défi à nos modes de pensée ordinaires. Jean-Pierre Pharabod est ingénieur de recherche. Il a travaillé jusqu'en 2000 dans un laboratoire de physique de l'École polytechnique. Il est l'auteur de plusieurs ouvrages dont Le Rêve des physiciens, avec Bernard Pire, et La Miraculeuse Efficacité de la théorie quantique, avec Philippe Miné. Gérard Klein, écrivain, économiste et éditeur, est un observateur assidu de l'évolution de la science. 

CHAPITRE 1

Avant Einstein

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« Quand il a adopté autrefois une opinion (reçue ou agréable), l’esprit humain pousse tout le reste à la confirmer et à la conforter. Et même s’il existe un plus grand nombre de raisons de poids d’aller à l’opinion opposée, il les néglige ou les dédaigne. Ou bien par quelque distinction, les met de côté pour les rejeter […]. Les hommes prêtent attention aux événements qui les satisfont mais quand ce n’est pas le cas, et bien que cela arrive plus souvent, ils les négligent et les ignorent. Subtilement, cette forme de bêtise s’insinue en philosophie et dans les sciences dans lesquelles la première conclusion ramène à elle-même tout ce qui l’a suivie et met en conformité avec elle-même tout ce qui vient après pourtant bien plus solide et meilleur5. »

Francis BACON.

Premières escarmouches et choix d’un langage

Notre revue des heurs et malheurs de la pensée scientifique peut commencer avec Anaximandre de Milet qui, né en 610 avant J.-C. à Milet, port commercial important de l’Ionie, sur la côte de l’Asie Mineure, aujourd’hui la Turquie, passait dans l’Antiquité pour un des plus grands savants de l’histoire. Pline l’Ancien, au I^er siècle, donc plus de six cents ans plus tard, écrit dans son Histoire naturelle : « On raconte que ce fut Anaximandre de Milet qui le premier ouvrit les portes de la nature. » Pour Anaximandre, élève de Thalès qui, lui, s’accommodait encore de la mythologie, il s’agit de rechercher dans la nature et non pas auprès d’entités métaphysiques, les dieux, des explications des phénomènes. Ses écrits ont disparu, pas son inspiration. Anaximandre ne s’en est pas pris à la religion, il a cherché ailleurs, dans la nature, les voies de la compréhension6. Selon la même tradition, Épicure puis Lucrèce (dans son splendide poème De rerum natura) tiendront à l’écart toute référence à des dieux dans l’explication des phénomènes physiques. Restait à en trouver les voies.

L’affrontement entre sciences et croyances venait à peine de commencer. Deux siècles après Anaximandre, Socrate, défenseur de la raison plus que des sciences, fut condamné à mort pour avoir offensé les dieux de la cité. Et, comme nous le verrons à la fin de ce chapitre, cet interminable conflit né de l’intolérance devait prendre parfois un tour paradoxal.

Les sciences avaient besoin d’un langage qui leur soit propre, précis, sans ambiguïté, rigoureux dans sa logique et universel. Or, comme le rappelait Bertrand Russell au XX^e siècle, « tout est vague à un degré dont on n’a pas le soupçon, jusqu’à ce qu’on ait essayé d’être précis », sans qu’on sache bien si ce vague est dans les choses, les prédicats et donc le langage naturel ou dans l’esprit même7. Ce langage ne pouvait donc être que celui des mathématiques ou plutôt de la mathématique si l’on considère, comme la plupart des spécialistes, leur unité en profondeur qui semble recouvrir un ordre que l’on peut ensuite entreprendre de prêter au monde. Le langage mathématique est en principe dépourvu de toute ambiguïté, rigoureux dans l’enchaînement de ses propositions et, avantage supplémentaire, il est sténographique, disant beaucoup avec une grande économie de signes. Il est universel, ou du moins applicable à bien des phénomènes, au sens que soulignait Henri Poincaré dans sa formule : « Faire des mathématiques, c’est donner le même nom à des choses différentes. »

Si les mathématiques sont nées de la vie de tous les jours, il y a près de quatre millénaires8, elles n’ont cessé de se développer au point de créer maintenant des pans entiers de cette vie. Au-delà des simples calculs arithmétiques, on considère souvent que le premier témoignage de leur apparition remonte à une transaction commerciale mésopotamienne datant de 1700 avant notre ère, concrétisée par une tablette en argile dont les caractères cunéiformes développent la résolution d’une équation du second degré ; il n’y manque que le symbole √ de la racine carrée. Signalons que cette résolution utilise les notions géométriques de longueur et de largeur, sans doute d’origine agricole.

Dès l’Antiquité, cette approche des mathématiques par la base n’excluait pas le développement de concepts qui allaient mettre beaucoup de temps à révéler leur lien intime avec d’autres branches, beaucoup plus abstraites, de cette discipline.

Le débat entre Héraclite et Parménide témoigne de cette précocité. En un temps où les dieux se prêtaient de bonne grâce à servir d’explication fantaisiste à l’organisation du monde, ces deux philosophes grecs se passèrent de leur intercession pour proposer deux schémas antagonistes de l’univers, en devenir et gouverné par le feu selon Héraclite, sphère immuable close par un « ciel d’airain » pour Parménide. Avec un peu d’imagination, on peut voir là les prémices des deux grands débats qui marquèrent l’histoire de l’astronomie : celui qui opposa la rotation terrestre de Galilée au fixisme de l’Église, puis celui où la relativité einsteinienne triompha du temps absolu de Newton. Copernic, Galilée, Kepler ont balayé les dernières cendres de l’espace de Parménide ; Einstein a même détruit son idée du temps, tandis que la cosmologie moderne consacrait la vision héraclitéenne d’un univers violent et en devenir permanent. C’est Galilée qui devait imposer, au sens moderne, l’usage des mathématiques comme langage de la science.

Si la victoire de Galilée en matière d’héliocentrisme fut surtout une question d’observations relayées par des mathématiques encore fort compréhensibles, celle d’Einstein fit appel, du moins en ce qui concerne la relativité générale, à la base de toute cosmologie, à une mathématique particulièrement délicate, expliquant la gravitation par les courbures de l’espace-temps, et d’habitude enseignée seulement à partir du master 1, soit au bout de trois années d’études après le bac.

La querelle de l’atomisme

Nietzsche avait pressenti ou espéré cette intrusion progressive des mathématiques dans de vastes concepts abstraits, basés sur des intuitions d’ordre presque métaphysique : « On ne peut avoir une pleine compréhension que de ce qui est mathématique (donc évidence formelle). Au-delà on fait face à l’Inconnu. Afin d’en venir à bout, l’homme forge des concepts qui cependant ne subsument qu’une somme de propriétés des phénomènes, sans toutefois serrer la chose de près. En font partie les concepts de force, matière, individu, loi, organisme, atome, causes finales9. »

« Atome », écrivait Nietzsche.

Leucippe et son élève Démocrite, au V^e siècle avant notre ère, en sont les véritables « inventeurs ». Selon eux, ces éléments insécables, minuscules mais non ponctuels, donnent forme par leurs assemblages aux objets et êtres vivants que nous pouvons voir autour de nous. Cette idée ne rencontra guère de succès à leur époque. Platon la traita par le mépris et la combattit implicitement. Puis Aristote la fustigea vigoureusement, écrivant entre autres dans son Traité du ciel : « Affirmer l’existence des atomes, c’est entrer nécessairement en conflit avec les sciences mathématiques, et ruiner beaucoup d’opinions communément reçues, ainsi que de données fournies par l’expérience sensible. »

Certes, Aristote avait tort quant à l’existence des atomes, mais leur description véridique et quantique nécessite bien l’utilisation de mathématiques totalement impensables de son temps : nombres imaginaires, matrices, opérateurs, espaces abstraits.

Par le biais du Grec Épicure (341-270 av. J.-C.) puis du Romain Lucrèce (v. 98-55 av. J.-C.), l’œuvre de Démocrite survit au délitement de la pensée lors du I^er millénaire de notre ère ; en 1417 l’Italien Poggio Bracciolini, dit le Pogge, retrouve dans un monastère allemand le De natura rerum (De rerum natura en latin) de Lucrèce, qui suscite l’hostilité de l’Église à cause de son matérialisme, mais aussi l’enthousiasme de bien des grands esprits de la Renaissance10. Ces derniers se satisfont de l’embryon de modèle dû à Lucrèce, qui se contentait d’atomes lisses sphériques et d’« atomes crochus ». Plus novateur, l’astronome, physicien et mathématicien Gassendi, fervent prosélyte d’Épicure et de Lucrèce, suggère que les propriétés des atomes, leur goût par exemple, dépendent de leur forme (Syntagma philosophiae Epicuri, 1649). La première tentative concrète (et assez fantaisiste) pour associer un modèle particulier d’atome à un corps chimique donné remonte au Hollandais Niklaas Hartsoeker (Conjectures physiques, 1696). Une vingtaine d’années plus tard, Newton imagine qu’une sorte d’attraction devrait relier les atomes entre eux. Très à part, le Croate Roger Joseph Boscovich propose en 1758 de remplacer les atomes par des « points de force » sans dimension, qui se repoussent à très faible distance mais s’attirent dans le cas contraire, et ne peuvent se trouver au même endroit, ce qui préfigure certaines idées nées au siècle dernier, dont le principe d’exclusion de Pauli.

Mais c’est au XIX^e siècle que les atomes entrent pour de bon dans le champ de la science. De 1800 à 1806, Joseph Louis Proust présente ses résultats expérimentaux sur des composés métalliques et en conclut que dans une substance chimique composite (sel ou oxyde) les proportions relatives des substances élémentaires sont parfaitement fixées ; par exemple, dans l’eau, à une certaine masse d’hydrogène correspond toujours huit fois cette masse d’oxygène. Claude Berthollet soutient qu’il s’agit de cas particuliers et ne reconnaîtra jamais que cette « loi des proportions définies » ne souffre pas d’exceptions. Dans le même temps, à Manchester, John Dalton énonce la « loi des proportions multiples » (1808), qui généralise et renforce cette première loi. Allant plus loin, il déclare que les combinaisons chimiques se font toujours atome par atome. Gay-Lussac vient renforcer Proust et Dalton, puis Amedeo Avogadro énonce sa loi : deux volumes de gaz, à la même température et à la même pression, contiennent le même nombre de molécules (assemblage d’atomes ; terme emprunté à Gassendi, qui désignait ainsi d’hypothétiques corps minuscules, mais plus grands que les atomes).

L’hypothèse atomique est simple et marche très bien ; cependant, elle relève d’une certaine façon de la métaphysique : qui a vu un atome ?

Une fraction importante de scientifiques va donc la combattre et tenter de la remplacer par un simple système mathématique de proportions. L’atome est si minuscule que l’on peut multiplier sa masse par 2, π, 829 ou 0,001, ça ne changera rien. On peut très bien s’en passer. C’est la thèse « équivalent...

Table des matières

• Couverture
• Titre
• Copyright
• Préface
• Introduction
• CHAPITRE 1 - Avant Einstein
• CHAPITRE 2 - La fin des classiques : place aux relativités
• CHAPITRE 3 - La fin des certitudes : onde ou particule, continu ou discontinu
• CHAPITRE 4 - Doutes sur la matière
• CHAPITRE 5 - Contes et légendes de la mer du Nord
• CHAPITRE 6 - Les paradoxes imbuvables
• CHAPITRE 7 - Un passé en attente du futur ?
• CONCLUSION - D’autres vérités incroyables sont à venir
• Bibliographie
• Index des noms de personnes
• Table