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1 Un voyage au coeur de la réalité – Daniel Fortier La physique quantique : un

1 Un voyage au coeur de la réalité – Daniel Fortier La physique quantique : un voyage au cœur de la réalité Daniel Fortier Table des matières Page Introduction 2 Première partie. La science 5 Chapitre 1 Réalité, théorie et données 5 Chapitre 2 L’état d’un objet 8 Chapitre 3 Le problème de la mesure en mécanique quantique 18 Chapitre 4 L’évolution de l’état d’un objet 23 Chapitre 5 Compléments à la théorie quantique 26 Deuxième partie. La philosophie 34 Chapitre 6 Introduction à la philosophie de la mécanique quantique 34 Chapitre 7 L’interprétation statistique (ou interprétation d’ensemble) 37 Chapitre 8 L’interprétation de Copenhague et l’interprétation existentielle 41 Chapitre 9 L’interprétation paradoxaliste 57 Chapitre 10 L’interprétation subjectiviste 59 Chapitre 11 Le chat de Schrödinger 65 Chapitre 12 L’interprétation de l’influence de la conscience 69 Chapitre 13 Le paradoxe EPR 75 Chapitre 14 Le théorème de Bell et les expériences d’Aspect 82 Chapitre 15 L’interprétation des univers parallèles 85 Chapitre 16 La position instrumentaliste 92 Conclusion 93 Biographie 94 Références 95 Copyright Daniel Fortier 2009. Tous droits réservés. 2 Un voyage au coeur de la réalité – Daniel Fortier Introduction La mécanique quantique est la science la plus mystérieuse, la plus contre-intuitive. Elle traite d’abord et avant tout du niveau le plus fondamental de la réalité, celui des particules (électrons, atomes, photons…), que l’on peut désigner métaphoriquement comme l’échelle de l’infiniment petit. La mécanique quantique a fait entrer dans la physique des concepts radicalement nouveaux : dualité onde-corpuscule, superposition d’états, probabilités et hasard, effet de l’observateur, etc. La mécanique quantique est une théorie scientifique. Son formalisme mathématique est globalement cohérent ; l’accord entre celui-ci et les résultats de mesures, d’observations et d’expériences est solidement établi. La théorie quantique est d’ailleurs, avec la théorie de la relativité restreinte, la théorie scientifique la plus solidement confirmée par les données, toutes disciplines confondues (physique, chimie, biologie, psychologie et sciences sociales). Tous les résultats de mesures, d’observations et d’expériences accumulés à ce jour confirment les prédictions tirées de la théorie quantique et, cela, avec un degré de précision inégalé en science. À ce jour, aucune prédiction tirée de la théorie quantique n’a été contredite. (Il en va de même avec la théorie de la relativité restreinte.) Mais la signification du formalisme mathématique de la mécanique quantique, la conception de la réalité qu’il implique, demeure une énigme. Dans la communauté des physiciens, il y a consensus sur la science mais controverse sur son interprétation philosophique. Certains physiciens, comme Einstein, pensent que la mécanique quantique n’est pas une théorie physique fondamentale, qu’elle donne de la réalité une description incomplète. Ce point de vue est incarné par l’interprétation statistique, aussi nommée interprétation d’ensemble. Adopter le point de vue contraire nous mène à des conceptions contre- intuitives de l’échelle quantique de la réalité, radicalement différentes de notre conception de l’échelle classique, celle que nous percevons directement par nos sens dans notre quotidien. L’échelle classique est unique ; l’échelle quantique serait multiple. L’interprétation de Copenhague nous présente une échelle quantique intrinsèquement incertaine (indéfinie, floue), acausale et aléatoire, où ce sont les actes d’observation, effectués par l’entremise d’instruments dans des dispositifs expérimentaux, qui donnent réalité aux phénomènes et déterminent quelles sont les grandeurs dynamiques (position, vitesse, spin…) qu’ils acquièrent et sous quel aspect (onde ou corpuscule) ils se manifestent. Les grandeurs dynamiques sont définies au hasard : une seule possibilité quantique devient, au hasard, une réalité classique. Il existe des paires de propriétés complémentaires qui ne peuvent pas devenir réelles simultanément au cours d’un même acte d’observation : ce sont les grandeurs dynamiques position et vitesse et les aspects onde et corpuscule. L’interprétation des univers parallèles nous présente une échelle quantique de la réalité parfaitement définie, causale et déterministe, indépendante d’être observée ou non, mais 3 Un voyage au coeur de la réalité – Daniel Fortier constituant un Multivers où toutes les possibilités quantiques sont réelles et engendrent une multiplicité foisonnante de réalités classiques parallèles. De telles interprétations philosophiques, fort éloignées du sens commun, sont bel et bien rationnelles car conformes à la mécanique quantique, à la science ! Mais l’interprétation philosophique de la mécanique quantique est aussi un sujet favori pour ceux qui professent des conceptions irrationnelles de la réalité, qu’ils soient gourous du Nouvel- Âge, philosophes ou même physiciens et journalistes scientifiques. La mécanique quantique est alors invoquée comme fondement, justification ou preuve scientifique de telles conceptions. Il existe trois interprétations irrationnelles principales, toutes des détournements de l’interprétation de Copenhague. Selon l’interprétation que nous qualifierons de paradoxaliste, un phénomène quantique serait la synthèse de propriétés contradictoires. Selon une première variante de l’interprétation subjectiviste, les phénomènes quantiques ne seraient, en dernière analyse, rien d’autre que la matérialisation des choix de l’expérimentateur, qui a conçu l’expérience, la met en marche et prend conscience des résultats indiqués par les instruments. Selon une deuxième variante de l’interprétation subjectiviste et selon l’interprétation de l’influence de la conscience, qui vont plus loin encore, la réalité matérielle, que ce soit uniquement à l’échelle quantique ou globalement, ne se suffirait pas à elle-même : ce serait uniquement les actes de perception effectués par des êtres dotés de conscience qui donneraient réalité aux phénomènes matériels et détermineraient les propriétés qu’ils acquièrent. Il existerait un lien profond et nécessaire entre la conscience et la réalité. Selon les deux variantes subjectivistes et l’interprétation de l’influence de la conscience, la mécanique quantique marquerait le retour de l’humain au centre de l’Univers, non pas au centre astronomique cette fois-ci, mais philosophique. Pour comprendre le sujet fascinant et complexe qu’est la mécanique quantique, il est impératif de distinguer la science et la philosophie. Ce texte se divise en deux parties. La première constitue une présentation vulgarisée de la théorie quantique ; plusieurs questions fondamentales y seront posées mais demeureront sans réponse scientifique. La seconde partie est un exposé des principales interprétations philosophiques, les sensées (!) et les extravagantes, qui proposent différentes réponses philosophiques aux questions fondamentales laissées en suspens par la science, ainsi que des débats qui les opposent. Ce texte ne requiert aucune connaissance préalable en physique, en mathématiques ni en philosophie. Il fait suite à une série de deux conférences que l’auteur a données devant les Sceptiques du Québec, le 13 février 2007 et le 13 septembre 2007. Un compte-rendu de la conférence du 13 février 2007 est disponible à l’adresse suivante : http://www.sceptiques.qc.ca/assets/docs/Charest_Fortier.pdf Vous trouverez un extrait vidéo de la première conférence à l’adresse suivante : http://www.youtube.com/watch?v=fowEH-EZFlI 4 Un voyage au coeur de la réalité – Daniel Fortier Vous trouverez, filmée en entier, la seconde conférence aux adresses suivantes : http://video.google.com/videoplay?docid=9154514598059225663 (divisée en trois parties) ; http://www.youtube.com/profile?gl=IE&hl=en-GB&user=Sceptiques&view=videos (divisée en douze parties). Merci à Louis Dubé pour avoir préparé un premier compte-rendu de la conférence du 13 septembre 2007 et pour avoir effectué une révision linguistique du présent texte. 5 Un voyage au coeur de la réalité – Daniel Fortier Première partie La science Chapitre 1 Réalité, théorie et données Il est impératif de faire la distinction entre « ce que la réalité est et fait » et « ce que les humains connaissent de la réalité ». La science met en relation trois choses : (1) la réalité, (2) la théorie et (3) les données, soit les résultats de mesures, d’observations et d’expériences. 1.1 La réalité Les éléments de la réalité étudiés par la physique sont les objets, leurs propriétés et leur évolution dans le temps. À ce jour, la physique est divisée en deux grandes branches. D’une part, il y a la physique classique, qui traite des corps et des systèmes classiques. On peut définir les corps, de manière approximative, comme étant les objets macroscopiques, c’est-à-dire composés d’un très grand nombre de particules, tels les grains de poussière, les voitures, les oiseaux, les planètes, les amas de galaxies, etc. Un système classique est un ensemble de corps en interaction, par exemple le système solaire. D’autre part, il y a la physique quantique, qui traite des particules et des systèmes quantiques. Les particules sont des objets microscopiques, tels les électrons, les quarks, les protons, les neutrons, les noyaux atomiques, les atomes, les molécules, les photons (particules de lumière), etc. Un système quantique est un ensemble de particules en interaction (les atomes et les molécules sont aussi des systèmes quantiques), avec la participation possible de corps (par exemple un instrument de mesure). Dans ce texte, nous considérons quatre catégories de propriétés. (1) Les grandeurs constantes, qui sont invariables en tout temps et en toutes circonstances. Dans le cas des particules quantiques, ce sont notamment leur masse et leur charge électrique. (2) Les grandeurs dynamiques externes, qui peuvent varier dans le temps et selon les circonstances et qui se rapportent à la situation d’un objet dans l’espace-temps. Il existe deux grandeurs dynamiques externes fondamentales, la position et la vitesse, qui, ensemble, spécifient la situation d’un objet dans l’espace-temps. L’immobilité est considérée en physique comme un type particulier de mouvement. (Notons qu’en réalité, les deux grandeurs dynamiques externes fondamentales sont la position et l’impulsion. À des fins de vulgarisation, nous remplaçons l’impulsion par uploads/Philosophie/ fortier-mecanique-quantique.pdf