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Le Prix Nobel de physique de 2012 comme prolongement historique de la théorie quantique (Suite)




Le Français Serge Haroche (à gauche) et l’Américain David Winela, Prix Nobel de physique en 2012.
Le Français Serge Haroche (à gauche) et l’Américain David Winela, Prix Nobel de physique en 2012.
Ces deux Nobel ont fait briller le monde de la physique quantique, par la manipulation de la mesure des photons et des atomes individuels. Ils ont ouvert la porte à de nouvelles investigations qui demeuraient il y a peu de temps dans le monde énigmatique des postulats, et qui nous fourniront de nouvelles informations et résultats que la mécanique classique n’a pas pu donner. Nous sommes tout au début d’un apport certain de la physique quantique au progrès technologique, du traitement de l’information, des temps d’exécutions des opérations, de la cryptographie et beaucoup d’autres innovations à imaginer dans un avenir proche. La mécanique quantique était juste une théorie et une philosophie sans plus, mais les travaux des deux lauréats ont permis de comprendre la relation entre la matière et le rayonnement à l’échelle de l’Angstrom. Ils ont permis aussi à la communauté scientifique de manipuler, de tester et de bâtir des édifices à partir de l’atome et du photon.
Ces résultats vont certainement être d’un grand impact sur la connaissance et la construction de la logique quantique nécessitant tout une armada expérimentale autour  de l’atome, qui va nous acheminer vers la concrétisation des calculateurs quantiques qui est resté jusqu’à présent au stade de la fiction ?  
Pour rédiger cet article portant sur les travaux des Prix Nobel de 2012, l’auteur est resté pour de bons moments à la croisée des chemins, en se posant la question : comment arriver à synthétiser un article pour le public et au même temps lui préserver son contexte historique ainsi que sa notoriété scientifique ? Il a été  de l’avis de tous les physiciens qui ont commenté l’événement, que les travaux théoriques et surtout expérimentaux de S. Haroche Prix Nobel de physique 2012, sont venus pour réfuter une Ecole et s’accorder avec une autre, nées toutes les deux au début des années 1930. C’est dans ce sens que ces expériences viennent comme un prolongement  historique de l’expérience de pensée EPR, et concrétiser pour la première fois l’intrication quantique et le paradoxe métaphore du chat de Schrödinger avec des particules massives. Nous avons pensé utile et opportun de rapprocher le lecteur de tous les soubresauts et l’antagonisme d’idées qui ont accompagné le développement historique de la théorie de la physique quantique. C’est un développement avec un contexte historique, qui nous met dans l’obligation de l’initier par les citations des deux meneurs principaux de l’Ecole de Copenhague et de l’Ecole EPR, celles  des plus virulentes des uns vis-à-vis des autres. Pour Einstein de l’Ecole EPR, «quel que soit le sens attribué au mot complet, il semble nécessaire d’imposer  la condition suivante à une théorie complète : tout élément de réalité physique doit correspondre à quelque chose qui apparaît dans la théorie. Si sans perturber  en aucune manière un système, nous pourrions prédire avec certitude la valeur d’une quantité physique, alors il existe un élément de réalité  correspondant à cette quantité. En conclusion, nous sommes donc forcés de dire que la description de la réalité physique par la fonction d’onde est incomplète, car une description complète est régie par  les trois principes qui sont déterminisme, objectivité et complétude».
Bien évidemment, la physique quantique à travers ses six postulats, a renoncé à ces trois principes.
 Pour Bohr de l’Ecole de Copenhague, « aucun phénomène physique n’est phénomène tant qu’il n’est pas un phénomène observé, ni le moment ni la position  d’une particule n’ont de réalité s’ils ne sont pas le résultat d’une mesure d’un instrument. La mesure est donc un acte irréversible, qui rend la réalité de l’objet étudié indissociable  de celle de l’instrument. De notre point de vue, la rédaction du critère de réalité physique  proposée par Einstein contient une ambiguïté. Elle concerne le sens de l’expression : d’aucune manière le système »   
En résumé, Einstein (père de l’effet photoélectrique, de la relativité et du mouvement brownien) a toujours été attaché à la vision objective de la réalité physique, car pour lui, les phénomènes observés par les physiciens existent  objectivement et indépendamment  de l’observation. Cela aurait comme signification que toute théorie physique, est de décrire une réalité objective qui existerait  et se comporterait  de la même façon que si l’observateur n’existe pas. Pour Bohr (père de la quantification de l’atome d’hydrogène), le concept d’une  réalité indépendante de l’observation est dépourvu de sens, en ce sens qu’aucun phénomène n’est phénomène aussi longtemps s’il n’apparaît pas comme phénomène observé.
Par la suite, à défaut de matériels scientifiques  pouvant concrétiser les prédictions de l’une ou de l’autre des deux Ecoles, c’est un nouveau type d’expériences dites expériences de pensées qui a vu le jour. Chaque Ecole s’est permis de forger ses propres expériences. Du côté EPR, c’est autour de D. Bohm qui, très proche d’Einstein, a commencé  cette voie en redynamisant l’expérience de quantification de Stern et Gerlach dans une géométrie différente. C’est une géométrie où les deux moments cinétiques (s’excluant mutuellement) partent de la source vers des destinations de mêmes directions et de sens opposés, et prédire pour la première fois de l’existence de la corrélation instantanée entre les  deux mesures. Du côté Copenhague, c’est le paradoxe métaphore autour du chat de Schrödinger dans un état superposé mort/vivant (qui est resté en débat jusqu’à nos jours) et du poisson classique/quantique de Bohr. Ceci n’a pas empêché la physique quantique de multiplier ses champs d’actions et en particulier  vers la physique atomique-moléculaire, les  théories des champs-particules et de la matière condensée (solide, liquide, statistique et problèmes à N corps). L’événement spectaculaire est l’édification de l’électronique quantique et le laser dont l’humanité vient de fêter l’anniversaire de ses 50 ans en mai 2010, et les 55 ans du maser.
  A ces deux sujets, retenons qu’en 1960 le physicien américain Théodore Maiman et son équipe ont mis au point le premier laser à Hugues Research Laboratories au Malibu en Californie. Cinq années avant, le physicien Charles Townes eut à publier le premier résultat sur l’amplification dans la zone micro-onde, qui est le maser. Ces deux événements sont pour beaucoup dans la popularisation technologique actuelle, qui a transformé la science et la société. D’autres champs physiques sont nés grâce à la théorie quantique ; il s’agit notamment de la  supraconductivité, la superfluidité, le plasma, l’optoélectronique, etc. Mais une grande question est restée tout de même posée par les physiciens sur la signification de l’électrodynamique quantique et la turbulence. La question sur l’électrodynamique quantique n’a plus lieu de continuer à être  posée depuis la publication des premiers résultats de S. Haroche, vérifiant expérimentalement que l’électrodynamique quantique existe bel et bien et que l’élaboration de la cavité CQED (Cavity Quiantum  ElectroDynamics),  comme lieu de la corrélation atome-photon est la preuve irréfutable de la quantification du champ électrodynamique.     
Mais les débats  ne se sont  aucunement estompés et c’est le mot corrélation qui y a connu le plus d’utilisation. Quarante ans de débats sans fin n’ont pas empêché les physiciens  de s’atteler aux concepts de Copenhague et d’étayer d’amples développements qui viennent d’être évoqués. Il a fallu  l’année 1964, pour qu’un nouveau raisonnement voie le jour. Il s’agit de l’expérience de pensée, bâtie sur un  raisonnement purement mathématique  autour des inégalités de Bell, qui sont venues pour confirmer le principe de localité-séparabilité (non-corrélation), et apporter  un complément de variables cachées à la théorie quantique pour lui donner un contenu déterministe.  Ce sont les inégalités portant le nom du physicien irlandais  John Stewart Bell, qui publia un article dans lequel il mit en évidence des effets quantitatifs et mesurables des expériences de type Paradoxe EPR et les confirmer. Elles sont des relations quantitatives que doivent vérifier les corrélations  de mesure entre systèmes qui respectent totalement la causalité relativiste. Si ces inégalités sont violées, alors il faut admettre le fait d’influences instantanées à distance.  C’est un raisonnement qui repose sur la théorie des ensembles, dans lequel il suffit de considérer n’importe quelle collection d’éléments susceptibles de posséder trois propriétés dichotomiques. Le résultat obtenu est une fonction de corrélation globale, sous forme de combinaison linéaire des différents taux de corrélation, avec une borne inférieure et une autre supérieure formulant ces inégalités.
Le paradoxe métaphore chat Schrödinger  n’a pas été atteint par l’usure du temps ; c’est un paradoxe imaginé comme expérience de pensée en 1935, afin de mettre en évidence les lacunes posées par le problème de la mesure. Poser ce problème de façon frappante, selon lequel le chat serait simultanément dans deux états (l’état mort et l’état vivant), jusqu’à l’observation qui déclenche le choix entre les  deux états. Du coup, on ne peut absolument pas affirmer que le chat est mort ou vivant. Schrödinger a imaginé cette expérience de pensée pour réfuter l’interprétation orthodoxe de Copenhague vis-à-vis de la physique quantique, qui mène à un chat à la fois mort et vivant, et qui montre que cette théorie obéit à des lois souvent contraires à notre intuition. Mais par l’intrication, nous pouvons construire un état quantique superposé, c’est-à-dire combinaison linéaire de l’état mort et l’état vivant bien autorisé par l’équation de Schrödinger. Cette équation régit les états possibles d’une particule (chat) étudié dans le cadre de la physique quantique, est linéaire, ce qui entraîne pour deux états possibles d’une particule (chat), la combinaison de ces deux états est également un état possible qui n’est autre qu’un état intriqué. Ainsi et pour la première fois par cette expérience de pensée, Schrödinger a mis en évidence la notion d’intrication quantique.

* Professeur et Directeur de Laboratoire de Recherche en Physique
Université Mohamed Premier Oujda
A SUIVRE
   

Par le Pr Abdelkarim NOUGAOUI *
Mardi 4 Décembre 2012

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