Les Indispensables de la Mécanique Quantique

Dossier : Arts, Lettres et SciencesMagazine N°622Par : Roland OmnèsRédacteur : Jean-Louis Basdevant, professeur honoraire de l’École polytechnique

La mécanique quantique est un des grands mythes intellectuels de notre temps. Une des raisons fréquemment invoquées est la complexité de sa formulation mathématique, qui ne permet qu’à un cercle très restreint d’initiés d’accéder à ses secrets. Des causeries avec des lycéens m’ont convaincu que ce qui est subtil dans la mécanique quantique n’est pas tant la mathématique que la physique. Cette subtilité peut parfaitement être ressentie voire comprise en se référant à l’expérience. L’autre raison, beaucoup plus pertinente à mes yeux, est que la plupart des spécialistes s’accordent à dire que si cette théorie est clairement énoncée, si elle permet de prévoir les phénomènes observables avec une parfaite précision, néanmoins, l’esprit de l’homme ne comprend pas tout à fait ce qu’il a lui-même construit. Roland Omnès, dans son livre passionnant Les Indispensables de la Mécanique Quantique, rappelle à ce sujet la phrase de Feynman : « Je peux affirmer avec certitude que personne ne comprend la mécanique quantique. » Cette phrase date de 1965.

Depuis cette époque, la situation a considérablement évolué. D’abord avec les célèbres inégalités de Bell et la preuve expérimentale apportée par l’expérience, dans les années quatre-vingt, de la véracité de propositions de la mécanique quantique qui sont en opposition radicale avec nos idées sur l’espace et le temps. Il faut nous habituer à « penser autrement ». Puis, depuis une vingtaine d’années, un minutieux travail mené par des théoriciens peu nombreux, mais tous de haute volée, s’appuyant sur un travail fondateur de Griffiths, a vu émerger une série d’ouvrages sur la compréhension de la mécanique quantique et sur son interprétation. Roland Omnès a apporté des contributions aussi nombreuses que célèbres dans ce secteur, publiant une série d’articles et de livres de référence sur le sujet.

Roland Omnès relève ici le défi d’apporter le résultat de ses réflexions à cette partie du grand public qui sait inclure la science dans la culture. L’entreprise est difficile. Dans les premiers chapitres, Roland Omnès plante le décor et donne les principes actuels de la mécanique quantique dans son véritable langage. Il le fait avec virtuosité, dans un espace étonnamment court, allant droit aux problèmes pertinents pour la suite. On lui fera reproche de ne pas partager sa croyance que le bagage scientifique actuel d’un bon élève de terminale soit suffisant pour comprendre ce livre. Mais qu’importe ! Le bagage d’un polytechnicien l’est tout à fait, tout comme celui de beaucoup d’anciens élèves de premier cycle universitaire. On est immédiatement au cœur du sujet : comment comprendre la physique quantique ? Comment réconcilier notre intuition, qui repose sur le fait de ramener les observations de nos sens à l’espace et au temps, avec des concepts aussi fondamentaux que le principe de superposition, et le célèbre paradoxe du chat de Schrödinger.

Roland Omnès expose avec brio et clarté une découverte à laquelle il a largement contribué : la théorie de la décohérence, qui met un terme à ce type de paradoxe. En bref, un état macroscopique « paradoxal » a une durée d’existence extraordinairement brève. Il se détruit dans un temps d’autant plus court que le nombre de constituants est grand. Un système « classique » n’est pas seulement un « gros » système, il doit aussi être stable par rapport aux fluctuations quantiques. La théorie de la décohérence a reçu des vérifications expérimentales remarquables sur des systèmes dits « mésoscopiques », suffisamment petits pour être quantiques, mais suffisamment grands pour subir la décohérence. Cela mène Roland Omnès à des développements fascinants sur l’irréversibilité du temps, comme sur la logique quantique, et la conclusion de Griffiths : Il n’y a aucun paradoxe en physique quantique. Le livre se termine par la limite classique, c’est-à-dire la façon dont la physique classique naît comme forme limite de la physique quantique, et par une très belle analyse des mesures quantiques et de l’interprétation de Copenhague.

Le livre de Roland Omnès est beau et bien écrit. Il est certes difficile, mais, parfaitement accessible, il permet de remettre son esprit en marche.

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