Matière et Révolution

Dix raisons qui font que les quanta ne sont pas des objets classiques

Robert Paris — 2026-01-28T23:57:00Z

Dix raisons qui font que les quanta, particules réelles et virtuelles, noyaux atomiques, atomes et molécules ne sont pas des objets au sens de ceux du monde de notre vie quotidienne

Les raisons de distinguer nettement entre, d'un côté, des rochers, des tapis, des meubles, des livres, des êtres vivants, des bouteilles et, de l'autre, des molécules, des atomes, des noyaux atomiques, des particules, des quanta, c'est que….

1°) Les premiers sont tous des différents, ce sont des individus et il n'en existe pas deux qu'on ne puisse pas distinguer, même s'ils sont très ressemblants. L'identique n'existe pas parmi les objets qui nous entourent, qu'ils soient inertes ou vivants. Il n'y a pas davantage deux billes absolument identiques que deux êtres humains identiques ou que deux fils identiques ou des étoiles identiques. Par contre, deux quanta de même type dans le même état sont identiques. S'ils se rapprochent, on ne peut plus les distinguer. Il en va de même de deux électrons ou encore de deux protons, deux noyaux, deux atomes ou deux molécules de même type dans le même état. Ils ne peuvent pas être distingués non seulement par l'observation mais aussi par la théorie. Cela signifie que la nature elle-même ne distingue pas les deux quanta. C'est donc exactement l'inverse de la situation de deux objets à notre échelle qui, eux, ne sont jamais absolument identiques.

2°) Les objets à notre échelle, non quantiques si l'on peut dire car nous verrons qu'en fait toute la réalité a un fondement quantique, ont une autre particularité qui les distingue des objets quantiques : les premiers suivent des trajectoires, les seconds non. Les premiers semblent passer continument d'un point à un autre sans rupture alors que les seconds sautent toujours d'une position à une autre, sans continuité. Le saut n'existe pas apparemment dans la réalité à notre échelle et elle est la règle pour les quanta. On peut suivre la trajectoire d'un boulet ou d'un avion comme s'ils suivaient des parcours continus sans aucun saut, de manière complètement opposée au mouvement des quanta. Pire même, quand on suit le parcours d'un quanta, on ne peut même pas être sûrs que c'est toujours le même ! Là aussi, ce n'est pas notre observation qui ne permet pas d'être sûrs, la théorie aussi ne le permet pas ce qui signifie que la nature ne peut pas discriminer entre une particule et une autre passant à proximité. Elles peuvent s'échanger sans que cela change rien à la dynamique…

3°) En fait, les quanta ne peuvent pas passer d'une position à une autre continument parce qu'ils n'ont pas une position mais une probabilité de présence concentrée dans une zone qui est déterminée et ils sautent d'une probabilité de présence dans une zone à une autre… probabilité de présence (et pas une position) ! Ce n'est absolument pas le cas pour la matière à notre échelle. Les quanta sont marqués de manière obligatoire et permanente par les inégalités d'Heisenberg qui ne peuvent pas être violées alors qu'elles n'existent absolument pas pour la matière à notre échelle. Ces imégalités relient des paramètres décrivant l'objet, paramètres dont les précisions sont reliées de la manière suivante : plus l'une est précise, plus l'autre… ne l'est pas ! Par exemple, la position d'un quanta et sa vitesse ne peuvent pas être précises en même temps. Cette propriété n'existe absolument pas pour la matière à notre échelle. Des précisions sur des paramètres du même objet qui diminuent quand d'autres augmentent, on ne trouve pas cela ni pour des boulets de canon, ni pour des avions, ni pour des véhicules, ni pour des planètes, ni pour aucun objet de notre monde quotidien.

4°) A notre échelle, les objets peuvent être mesurés, éclairés, captés, ou observés sans modifier ni interrompre la dynamique et ce n'est pas du tout le cas à l'échelle des quanta (de la particule à la molécule). Pire même, pour les quanta, il suffit de mesurer ou de capter un élément du quanta pour que les autres disparaissent !

5°) Les quanta sont à la fois ondes et corpuscules alors que les objets de notre monde sont ou l'un ou l'autre exclusivement. Du coup, capter le corpuscule quantique supprime immédiatement l'onde ! Comme si on supprimait un canard ou un bateau en supprimant l'onde qu'il produit sur une surface d'eau !

6°) La rotation est encore une source de discorde entre quantique et classique (comme on appelle le niveau macroscopique où ne se manifestent pas les effets quantiques). En effet, un objet quantique est ramené à son état de départ par une rotation de deux tours alors qu'un objet classique l'est par une rotation d'un seul tour. Et il n'existe aucun objet classique qui ait besoin de deux tours pour revenir à son état de départ !

7°) Encore une discorde : quand on compte le nombre d'objets. A notre échelle, on trouve un nombre fixe qui ne peut pas changer si on ne fait pas venir un objet de l'extérieur. Ceux qui prétendent le contraire sont des magiciens, des mystiques, des sorciers et autres diseurs de balivernes. A l'échelle quantique, le nombre d'objet n'est pas fixe. Des objets quantiques peuvent parfaitement apparaitre et disparaitre sans que cela n'ait rien de mystérieux ou de magique. On en comprend tout à fait le fonctionnement : il suffit qu'une particule du vide, dite virtuelle, reçoive suffisamment d'énergie (par exemple en recevant un boson de Higgs) pour qu'elle devienne brutalement réelle (elle a doublé son énergie interne).

8°) La loi de la conservation de l'énergie totale d'un système isolé, toujours vérifiée à notre échelle, ne peut pas fonctionner au niveau quantique pour la simple raison qu'il n'y existe pas de système isolé et que l'énergie du vide peut sans cesse en fournir aux quanta.

9°) La causalité suivant la flèche du temps est une règle à notre échelle et pas du tout à l'échelle quantique. Il est très possible que des actions se déroulent en termes quantiques en sens contraire de la flèche du temps. Les quanta ne suivent pas une seule suite d'événements ponctuels mais ils obéissent au passage d'un ensemble de possibles avec diverses probabilités à un autre ensemble de possibles avec diverses probabilités.

10°) De multiples notions, comme le spin, les orbitales, la réduction du paquet d'ondes, l'onde de probabilité de présence, l'effet tunnel, le nuage virtuel, les particules et antiparticules virtuelles et leur formation en nuage permettant notamment l'écrantage de la particule et le phénomène des fentes de Young, les créations-annihilations, les nombres quantiques, les transitions quantiques et bien d'autres encore n'ont absolument pas cours à notre échelle (physique classique) et sont incontiurnables au niveau quantique.

Que faut-il en déduire ? Que la physique classique a tout faux et qu'on est trompés par nos visions du monde de tous les jours ? Pas vraiment ! Que la physique quantique dit n'importe quoi ? Pas du tout ! Elle fonde toute la réalité aussi bien quantique que classique et explique les deux et aussi le passage de l'un à l'autre (appelé « décohérence »).

En fait, c'est la réalité quantique qui est à la base du monde, et aux fondements de cette réalité quantique, il y a les différents niveaux du vide quantique, appelé du virtuel. Cette physique est la physique quantique des champs dscrète au sens où elle est fondée sur des quanta virtuels (particules et antiparticules d'une énergie moitié de celle des particule dites réelles). Et à ce propos rappelons une onzième opposition entre le monde quantique et classique : dans le premier le vide ne s'oppose pas diamétralement à la matière, alors que dans le second la matière, c'est du vide !

Lire ensuite :

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6388

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5032

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3835

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article2265

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4519

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article7439

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1698

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article568

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1710

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1324

Encore et à nouveau sur la physique quantique, sur ce qu'on lui fait dire à tort et sur qu'elle nous dit vraiment

Robert Paris — 2025-04-14T22:56:00Z

Encore et à nouveau sur la physique quantique, sur ce qu'on lui fait dire à tort et sur qu'elle nous dit vraiment

Murray Gell-Mann dans « Le quark et le jaguar » :

« Mécanique quantique de calembredaines

« Alors que tant de questions touchant la mécanique quantique attendent encore leur pleine solution, pourquoi introduire d'inutiles mystifications là où n'existe en fait aucun problème ? Nombre d'écrits récents sur la mécanique quantique n'ont pourtant pas fait autre chose.

Du fait qu'elle n'autorise que des probabilités, la mécanique quantique a acquis dans certains milieux la réputation d'autoriser à peu près n'importe quoi. Est-il vrai qu'en mécanique quantique tout et son contraire est possible ? Cela dépend de l'inclusion ou non d'événements de probabilité infinie…. Un événement de probabilité très faible est quasiment impossible. A regarder ce qui peut réellement se produire avec une probabilité significative, on voit que nombre de phénomènes qui étaient impossibles en physique classique le sont en fait tout autant en mécanique quantique. C'est pourtant quelque chose dont la compréhension par le grand public a été entravée ces dernières années par un déferlement de références fallacieuses, dans des livres ou des articles, à de brillants travaux théoriques dus aux regretté John Bell et aux résultats d'une expérience s'y rapportant. Certaines relations de l'expérience qui fait intervenir deux photons se déplaçant dans des directions opposées, ont donné au lecteur l'impression fausse que mesurer les propriétés d'un des photons affectait instantanément l'autre. La conclusion en a alors été tirée que la mécanique quantique autorise une communication plus rapide que la vitesse de la lumière et même que des phénomènes prétendus « paranormaux » comme la précognition en avaient ainsi acquis une respectabilité ! (…)

La principale distorsion répandue par les médias et dans divers livres est l'affirmation, implicite ou explicitement formulée, que mesurer la polarisation, circulaire ou linéaire, de l'un des photons affecte d'une manière ou d'une autre le second photon. En fait, la mesure ne cause aucune propagation d'un quelconque effet physique d'un photon à l'autre. Que se passe-t-il alors ? Si, sur une branche particulière de l'histoire, la polarisation linéaire de l'un des photons est mesurée et par conséquent spécifiée avec certitude, alors, sur cette même branche de l'histoire, la polaristion linéaire de l'autre photon est également spécifiée avec certitude… Il n'y a aucune action à distance.

Cette allégation fausse que mesurer l'un des photons affecte immédiatement l'autre conduit à toutes sortes de conclusions fâcheuses. En premier lieu, le prétendu effet, étant instantané, violerait l'exigence de la théorie de la relativité selon laquelle aucun signal – aucun effet physique – ne peut se déplacer plus rapidement que la vitesse de la lumière…

Ensuite, certains auteurs ont prétendu qu'étaient recevables en mécanique quantique des phénomènes supposés « paranormaux » comme la précognition, dans laquelle les résultats de processus aléatoires sont censés être connus à l'avance de la part d'individus « médiums ». Inutile de dire que de tels phénomènes seraient tout autant inquiétants en mécanique quantique du'en physique classique…

Une troisième forme sous laquelle se manifestent les calembredaines est la soumission, par exemple au ministère de la Défense, de projets d'utilisation de la mécanique quantique pour mettre au point des communications ultraluminiques à des fins militaires… »

On entend souvent parler de physique quantique et il s'agit de prétendre que les particularités de celle-ci (par rapport à la physique classique) vont nous permettre d'extraire une énergie infinie du vide ou encore de transmettre des informations plus vite que la lumière ou, plus ridicule encore, de communiquer entre esprits, de retrouver les fondements du monde dans le yin et le yang, de connaitre par avance des résultats de processus aléatoires, de fabriquer des armes supraluminiques, d'influencer la matière par la pensée, etc…

Ceux qui propagent ces bobards profitent du fait que la physique quantique est beaucoup citée mais mal connue.

En particularité, la compréhension des phénomènes étranges de la physique quantique qui, au fil des nouvelles expériences, confirme l'interprétation quantique du monde (et le fait que le monde dit « classique », la physique à notre échelle, n'en est qu'un effet secondaire), n'est pas accompagnée d'une diffusion large de l'interprétation physique des faits reconnus : non-localité des particules élémentaires, non-individualité de celles-ci, virtualité du nuage de la myriade de particules et d'antiparticules accompagnant chaque particule dite « réelle » (porteuse du boson de Higgs), propriétés des particules élémentaires fondées sur ce nuage (comme le spin ou moment de rotation quantique) en même temps que réalité de ce nuage dont les particules virtuelles deviennent réelles dès qu'elles reçoivent suffisamment d'énergie (par exemple en recevant un boson de Higgs). Ainsi, un de ces phénomènes dits étranges (et ils le sont par rapport aux expériences à notre échelle et de notre vie quotidienne) du domaine quantique (les paires d'électrons couplés qui changent en même temps à distance) est faussement interprétée comme la possibilité de transmettre à distance des informations à vitesse supraluminique. En fait, ces particules corrélées ont mis en commun leur nuage virtuel et elles se transforment en même temps sans avoir besoin de transport d'informations entre elles puisqu'elles ont le même nuage virtuel. Toute propriété de ces particules fondée sur le nuage (comme le spin) n'a donc pas à voyager pour être commune, y compris si les particules réelles, elles, sont distantes. C'est ce que l'on appelle l'intrication quantique et qui fait que ces deux particules ne sont pas indépendantes, même à distance.

Il est vrai que ces particularités quantiques sont si étranges qu'il est facile de prétendre fonder une espèce de magie sur elles en affirmant qu'on peut téléporter de la matière, qu'on peut communiquer à distance instantanément, qu'on peut extraire de l'énergie à l'infini, qu'on peut apparaitre et disparaitre.

Intrication, non-localité, superposition, effet tunnel, non-localité, phénomènes virtuels, tout cela prête à croire à de la magie mais c'est de la phsyique, à part certains commentaires fallacieux qui circulent sur cette physique.

Sept idées fausses sur la physique quantique

https://theconversation.com/sept-idees-fausses-sur-la-physique-quantique-113517

Quelles idées de la physique quantique changent fondamentalement notre vision du monde ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6388

Implications philosophiques de la Physique quantique

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5032

Pourquoi la matière s'est révélée, au niveau microscopique, très différente de celle qui nous apparaît ou que nous imaginions à notre échelle ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4915

Est-ce que la physique quantique favorise le courant agnosticiste (qui nie la possibilité pour la science d'atteindre ou d'approcher la vérité objective) ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3861

Les contradictions des quanta

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article36

Matière et lumière dans le vide

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article38

Qu'est-ce que la dualité onde-corpuscule

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article882

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4339

Actualité scientifique du vide quantique

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6065

Qu'est-ce que l'expérience des fentes de Young et quelle en est la conséquence ?

http://www.matierevolution.org/spip.php?article2188

Qu'est-ce que l'effet tunnel ?

http://www.matierevolution.fr/spip.php?article3126

L'intrication de deux particules corrélées à distance

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4347

Qu'est-ce que la non-séparabilité quantique ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4089

Pourquoi la physique quantique est si bizarre ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4758

Les "mystères" de l'électromagnétisme découvert par Maxwell ne peuvent être interprétés que comme des manifestations de la discontinuité du vide quantique, milieu qui, loin d'être vide, est le véritable siège de la matière

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article2061

Que sont les fluctuations du vide quantique ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4613

Notre conception de la matière a profondément changé

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1688

Comment électricité et magnétisme s'entremêlent dialectiquement dans le vide quantique ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3573

Matière et lumière dans le vide

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article38

Pourquoi le vide quantique est la base de toute formation et de toute compréhension de la matière ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4372

Qu'est-ce que le vide ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article597

Lumière et matière, des lois issues du vide

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article46

Qu'est-ce que le virtuel ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1469

Que sont les photons virtuels et quel est leur rôle fondamental dans le fonctionnement de la matière ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6251

Hegel avait-il raison de dire que la matière est vide et que le vide est matière ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3492

Une hypothèse sur l'origine quantique virtuelle de la gravitation entre particules de masse inerte

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article2632

Qu'est-ce que le spin d'une particule ou d'un atome ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article923

Pourquoi la matière s'organise spontanément et de manière stable ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3793

Quelle est la structure de la matière et du vide - ou comment la matière est virtuelle et le virtuel est matière

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1324

Qu'est-ce que l'atome ? Qu'est-ce que la particule ? Qu'est-ce que l'électron ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article710

L'énigme de la relation matière-lumière, expliquée par le physicien Feynman

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4893

La physique quantique nous condamne-t-elle à ne pas décrire du tout la réalité sous-jacente aux lois de la physique ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3835

La physique quantique a-t-elle redonné vie au mythe biblique de la « création à partir de rien » ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6505

Lumière et matière, des lois issues du vide

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article46

Qu'est-ce qu'un électron ? Une fractale !!! Un monde à plusieurs niveaux hiérarchiques d'organisation...

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4021

Le réel n'est pas la succession temporelle, linéaire, logique et graduelle des états actuels

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article2761

Pourquoi il n'y a pas de trajectoire du mouvement des particules en physique quantique ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4027

Quelle physique s'applique à l'échelle de Planck ?

https://www.matierevolution.org/spip.php?article7819

Les expériences fondamentales de la physique (classique comme quantique)

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4055

Le concept d'état quantique

https://hps.master.univ-paris-diderot.fr/sites/hps.master.univ-paris-diderot.fr/files/users/fcontami/Paty%2CM-2012h-ConceptEtatQuant-MP2.pdf

La conception purement mathématique du quantique

https://qrevolutions21.sciencesconf.org/data/pages/BricmontNancy_sept._2021.pdf

Un état de la philosophie de la physique quantique

http://www.larminat.fr/les2ailes/index.php?option=com_content&view=article&id=420:ludovic-bot-philosophie-des-sciences-de-la-matiere&catid=40&Itemid=139

Pourquoi la physique quantique nous pose autant de problèmes philosophiques ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article2265

Des expériences récentes confirment le caractère universel, fondamental et général de la physique quantique.

https://lejournal.cnrs.fr/articles/ces-experiences-ont-valide-letrange-description-du-monde-donnee-par-la-mecanique-quantique

https://www.pourlascience.fr/sd/histoire-sciences/chien-shiung-wu-la-variable-cachee-de-l-intrication-quantique-25130.php

https://www.gurumed.org/2023/05/17/une-exprience-quantique-prsente-la-plus-longue-sparation-entre-deux-qubits-intriqus/

https://www.pourlascience.fr/sd/physique/l-intrication-quantique-confirmee-par-une-experience-de-bell-sans-faille-12185.php

https://www.sciencesetavenir.fr/fondamental/quantique/un-neutron-a-deux-endroits-a-la-fois-le-phenomene-de-superposition-quantique-mesure-pour-la-premiere-de-facon-directe_163935

Quelle solution face à l'énigme quantique dite de la « réduction du paquet d'ondes » ?

Robert Paris — 2025-03-16T23:38:00Z

Quelle solution face à l'énigme quantique dite de la « réduction du paquet d'ondes » ?

Il s'agit d'ondes qui se réduisent à… rien dès que l'on effectue une mesure dans une expérience quantique…

C'est bien sûr un phénomène étonnant si on raisonne de manière classique, ou encore de manière quantique mais sans envisager le caractère discontinu du vide quantique, peuplé de quanta dits « virtuels » parce qu'ils apparaissent et disparaissent en un temps bref et qui n'en sont pas moins réels.

Il ne s'agit pas d'ondes au sens de la physique classique mais d'ondes quantiques qui disparaissent dès que l'on capte le corpuscule correspondant de manière instantanée, ce qui est particulièrement étrange… La mesure est un saut discontinu, une disparition.

L'explication réside dans le caractère de la complémentarité onde/corpuscule qui explique que l'onde disparaisse dès qu'on capte le corpuscule.

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article882

Comment se peut-il que la complémentarité onde/corpsucule se traduise par la disparition instantanée de l'onde dès qu'on capte le corpuscule par une observation. Certains auteurs répondent que c'est mystérieux et qu'on ne le saura jamais, d'autres que c'est un artefact théorique et mathématique et que cela ne doit pas provenir d'une explication physique, d'autres encore que c'est un effet de la conscience humaine, celle de l'observateur, ou encore l'affirmation que cela se produit parce que la matière n'existe que quand elle est observée et enfin les derniers disent que la Physique n'a pas à se poser de telles questions qui relèveraient seulement de la métaphysique car elles posent des questions sur l'existence des choses et pas sur leur fonctionnement. Aucune de ces réponses ne nous satisfait et nous donnons la nôtre : celle des quanta éphémères du vide dits virtuels (particules et antiparticules couplés).

Toutes ces manières de contourner le problème ne sont nullement des façons de le résoudre en se fondant sur une véritable interprétation qui soit en même temps celle de tous les autres phénomènes considérés comme « mystérieux » en physique quantique, à commencer par tous ceux liés à la dualité onde/corpuscule et au principe d'incertitude quantique.

Non seulement la réduction du paquet d'ondes ne déstabilise pas la physique quantique mais celle qui inclut l'étude du vide quantique est confirmée par elle. Il faut pour cela comprendre que ce n'est pas la particule durable qui détient une véritable réalité car cette propriété ne fait que sauter (avec le boson de Higgs) d'une particule virtuelle à une autre. Rappelons qu'une particule réelle n'est rien d'autre que la particule virtuelle dont l'énergie interne a été doublée par la réception du Higgs et que ce boson saute sans cesse d'une particule virtuelle à une autre proche, appartenant au nuage qui entoure la particule. Rappelons aussi ce nuage est formé de couples particule/antiparticule éphémères qui constituent des couches autour de la particule, couches successivement d'électricité positive et négative (ce qui explique l'écrantage de la charge de la particule).

L'incertitude quantique (dite d'Heisenberg) est un mystère lié à celui de la réduction du paquet d'ondes et aussi aux autres « mystères » quantiques comme la « dualité » onde/corpuscule , à la « probabilité de présence » de la particule, à la superposition d'états, à la non-localité et autres phénomènes purement quantiques inexplicables de manière classique mais parfaitement explicables par l'interprétation selon laquelle la particule réelle n'est rien d'autre qu'un nuage de particules virtuelles (et antiparticules) où circule un boson de Higgs qui saute d'une particule virtuelle à une autre, virtuelle ne voulant absolument pas dire imaginaire ou inexistante réellement.

Et il est vrai que ce phénomène d' « incertitude » est particulièrement étonnant. En physique classique, il n'y a pas de limite fondamentale à la précision d'une mesure et il n'y a pas contradiction entre préciser la vitesse et préciser la position, comme c'est le cas sans cesse en Physique quantique. Quand on considère que tout objet se déplace continument sur une trajectoire, il est impensable que la précision sur la vitesse soit contraire à celle sur la position. Par contre, dès lors que l'on considère la particule non comme un seul objet mais comme un nuage de particules, la propriété de particules dite réelle sautant d'un point du nuage à un autre, il est très simple de comprendre que l'observation ne peut à la fois être précise pour la vitesse (qui nécessite une observation sur un temps pas trop court) et pour la position (qui, pour être précise nésessite une observation sur un temps pas trop long puisque la propriété de particule réelle saute…).

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1710

Qu'est-ce que la « réduction du paquet d'ondes » en physique quantique ?

La réduction du paquet d'ondes est la cassure de la dynamique quantique réalisée par l'opération de mesure par un appareillage macroscopique. Cette interaction entre une particule quantique et un appareil macroscopique (donc classique) casse la dualité onde/corpuscule et donc la fonction d'onde (de Schrödinger) de la particule immédiatement après que le corpuscule soit capté. Ce phénomène a contraint les physiciens quantiques à se poser la « question de la mesure », en se demandant quelle transformation cette action de l'observateur réalisait sur la dynamique matérielle observée.

Tout d'abord remarquons qu'en physique quantique, étude de la matière/lumière au niveau microscopique, on n'a pas « un » état ou « une » onde mais une « superposition d'états » et un « paquet d'ondes ». Cela signifie que, tant qu'aucune observation ou interaction n'est réalisée, il n'y a pas une valeur de l'énergie, un état, une onde mais une dispersion, un relatif désordre. La particule, qui est à la fois onde et corpuscule, est décrite alors par l'équation de Schrödinger qui comprend différents états et différentes ondes, en superposition, sans qu'on puisse trancher sur « quel est l'état de la particule » mais seulement sur « quelle est la probabilité d'un tel état ».

Selon l'interprétation de Max Born retenue par la physique quantique, ce qui va trancher, c'est le fait d'effectuer une mesure. C'est cela « la réduction du paquet d'ondes » car, du moment que l'on aura mesuré d'une manière ou d'une autre la particule, l'équation de Schrödinger (qui décrit la fonction d'onde de la particule) sera interrompue, cassé, supprimée et une nouvelle fonction d'onde sera éventuellement créée…

La détection de la particule est donc une rupture, une discontinuité, un choc réel mais aussi un choc logique.

On montrera que ce n'est pas une limite de la connaissance humaine qui est pointée ici mais un mécanisme de fonctionnement de la matière/lumière et du vide quantique.
En effet, le caractère imprécis ou « indéterminé » de la particule, marqué par la fonction d'onde qui indique seulement une probabilité de présence de la particule, étalée dans un espace assez large ne provient pas de l'observation mais du fonctionnement quantique. L'observation et la captation de la particule a, au contraire, un caractère plus précis et même ponctuel. C'est avant détection que la particule s'étale dans l'espace…

Ce qui impressionne dans « la réduction du paquet d'ondes », c'est la rupture de continuité de la description, c'est aussi le changement brutal, instantané, et le passage d'une réalité étalée dans l'espace à une réalité ponctuelle. Cela a un petit caractère de mystère, de miracle, une odeur de soufre en somme…

Bien sûr, ceux qui veulent minimiser la difficulté feront comme si on détectait un objet que l'on pourchassait, et qui, rapidement, disparaissait à notre vue, puis était à nouveau capté, et ainsi de suite jusqu'à être définitivement attrapé, n'étant plus dès lors cet objet inattrappable et insaisissable autrement que par une « probabilité de présence ».

Cette image est rassurante mais elle ne convient nullement. Tout d'abord parce que ce que nous avons cherché à capter n'est pas un objet « corpuscule » mais réellement un mixte de corpuscule et d'une espèce d'onde, le corpuscule et l'onde n'étant pas tout à fait ce qu'on imaginait d'un corpuscule ni d'une onde.

On voit bien, notamment dans l'expérience des fentes de Young, que la réalité qui passe dans les deux fentes proches puis parvient à l'écran est un mixage d'onde et de corpuscule. Il y a les interférences (ondulatoires) et les impacts sur l'écran (corpusculaires).

On remarque également que la « réalité quantique » a des particularités qu'aucun objet, que l'on aurait seulement du mal à détecter, ne pourrait avoir. Par exemple, l'effet tunnel montre que la fonction d'onde peut traverser des obstacles, des barrières, infranchissables pour un objet.

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4690

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5606

L'expérience des fentes de Young peut être interprétée correctement par le vide quantique qui entoure la particule dite réelle d'un nuage de particules et d'antiparticules dits virtuels.

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4271

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4287

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4339

En mécanique quantique, la dualité onde-particule est expliquée comme ceci : tout système quantique et donc toute particule sont décrits par une fonction d'onde qui code la densité de probabilité de toute variable mesurable (nommées aussi observable). La position d'une particule est un exemple d'une de ces variables. Donc, avant qu'une observation soit faite, la position de la particule est décrite en termes d'ondes de probabilité.

Les deux fentes de Young peuvent être considérées comme deux sources secondaires pour ces ondes de probabilité : les deux ondes se propagent à partir de celles-ci et interfèrent.
Sur la plaque photographique, il se produit ce que l'on appelle une réduction du paquet d'onde, ou une décohérence de la fonction d'onde : le photon se matérialise, avec une probabilité donnée par la fonction d'onde : élevée à certains endroits (frange brillante), faible ou nulle à d'autres (franges sombres).

Cette expérience illustre également une caractéristique essentielle de la mécanique quantique. Jusqu'à ce qu'une observation soit faite, la position d'une particule est décrite en termes d'ondes de probabilité, mais après que la particule est observée (ou mesurée), elle est décrite par une valeur fixe.

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article882

Comment se fait-il qu'au lieu de donner une présence des particules de matière et de lumière, la physique donne seulement leur « probabilité de présence » ?

Tout d'abord, il faut voir que les quanta qui fondent la matière comme la lumière sont éphémères, se présentent sous la forme de couples particule-antiparticule qui se désintègrent rapidement. Ceux-là, l'observation est incapable de les détecter directement du fait de ce caractère éphémère. Par contre, ces particules éphémères sont celles qui, lorsqu'elles vont recevoir le boson de Higgs, vont devenir, de manière elle aussi fugitive, des particules dites « élémentaires » ou « réelles ». La présence des particules virtuelles est donc synonyme de la probabilité de présence des particules réelles…
On ne détecte donc pas les particules virtuelles mais seulement leur mouvement d'ensemble, improprement appelé « onde de probabilité de présence »

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1688

La fonction d'onde, notée psy, est un nombre complexe fonction de la position et du temps. Son interprétation ne peut pas être "réaliste" mais seulement d'une probabilité de matérialisation, comme Max Born l'a montré, puisque c'est la mesure qui crée l'interaction (constituant "l'effondrement de la fonction d'onde" ou une "réduction du paquet d'onde", passage de la probabilité au fait). On additionne des "amplitudes" dont le carré (|Y|2) donnera la probabilité de mesure. "Une amplitude de probabilité est un nombre complexe, défini par une partie réelle et une partie imaginaire, ou par un module et une phase, dont le carré du module est une probabilité, c'est-à-dire un nombre réel compris entre zéro et un qui donne la probabilité de position" Gilles Cohen-Tannoudji). La fonction d'onde pourrait se déduire du principe de moindre action….

En l'absence de tout observateur, un vecteur d'état est soumis à une loi d'évolution définie par l'équation de Schrödinger. Cette dernière permet de tenir compte de l'influence que peut subir une particule ou un système, de prévoir les effets d'interactions entre entités microscopiques, etc. Malgré la forme mathématique très particulière qu'elle revêt, cette partie du formalisme quantique est presque aussi bien maîtrisée que toute autre loi d'évolution en physique. Le problème apparaît avec le principe de réduction du paquet d'ondes. Comme nous l'avons vu, un vecteur d'état, sauf cas particuliers, est un état superposé qui définit des probabilités d'observation, c'est-à-dire que pour une observable, chacune de ses valeurs propres est associée à une probabilité comprise entre 0 et 1. Cependant, lorsque le système sera effectivement mesuré, une seule valeur précise pour cette observable sera obtenue. Outre l'aléatoire qui caractérise cette détermination et sur lequel nous reviendrons, nous avons vu que l'impossibilité de la contrafactualité en physique quantique nous interdit d'en conclure que l'observable avait bien cette valeur avant qu'un instrument de mesure rentre en interaction avec lui. Au contraire, la théorie quantique conventionnelle, qui ne définit un système que par le formalisme du vecteur d'état car seul celui-ci s'avère efficace, ne peut tenir compte d'une opération de mesure que par une modification soudaine du vecteur d'état, qui cesse d'être dans un état superposé, et au cours de laquelle toutes les valeurs propres de l'observable tombent à 0, sauf une qui prend la valeur 1. Tout le problème réside dans le fait qu'une telle modification du vecteur d'état ne semble pas du tout être prévisible au moyen de l'équation de Schrödinger….

Non seulement il est particulièrement gênant en physique que deux principes d'évolution soient nécessaires pour rendre compte de l'influence que peut subir un système, mais cela pose un grave problème épistémologique que la séparation entre les champs d'application de ces deux principes soit aussi floue. En effet le premier principe définit l'évolution 'normale'' du système tandis que le second s'applique spécifiquement à toute opération de mesure. Celle-ci se trouve alors dans en position d'exception et il est nécessaire d'établir une définition précise de ce qu'est une opération de mesure, un instrument de mesure et un observateur. C'est un problème qui a fait couler beaucoup d'encre et il semble impossible d'obtenir une solution qui ne soit pas fortement dualiste ou complètement anthropocentrique. Si les plus positivistes des physiciens peuvent être prêts à faire ce type de concessions, les scientifiques qui ont foi en une réalité indépendante de nous ne peuvent que difficilement s'y résigner. Il y a cependant un moyen de réunifier ces deux principes d'évolution pour ne garder que celui de l'équation de Schrödinger. Comme, après tout, l'instrument de mesure comme l'observateur lui-même sont effectivement composés de molécules, d'atomes et donc de particules, il est complètement envisageable de faire intervenir dans les calculs ces entités macroscopiques comme des systèmes quantiques composés d'un grand nombre de particules. L'observateur et son instrument de mesure peuvent donc en théorie être définis comme un système S ayant un vecteur d'état qui est un état enchevêtré de toutes leurs particules. Aussi, lors d'une opération de mesure effectuée sur le système étudié E, les système S et E entrant en interaction doivent par la suite composer un grand système G décrit par un seul vecteur d'état qui est l'enchevêtrement de toutes les particules de l'observateur, de l'instrument de mesure et de la préparation expérimentale. Le premier problème qui se pose alors est que dans ce grand système G, puisqu'il est dans un état enchevêtré inséparable, il n'est plus possible d'établir une distinction rigoureuse entre l'observateur, l'instrument de mesure et le système étudié et cela nous interdit de déterminer ce qui, des résultats de l'expérience, revient en propre à chaque élément. Ce point est l'autre fondement de la contextualité de la physique quantique et explique que celle-ci ait le plus grand mal à fournir un discours sur la nature des choses indépendamment de nous. Le second problème est qu'un tel état enchevêtré est également à coup sûr un état superposé. Comme seule la réduction du paquet d'ondes pouvait rendre compte du fait qu'un tel état doit soudainement changer pour prendre une valeur définie, avoir expulsé ce principe nous ferme cette possibilité. Nous devons donc par exemple considérer que, pas plus que la particule, ni l'observateur ni l'instrument de mesure n'ont de position bien définie. Apparaît un problème récurrent de la physique quantique et que nous avons déjà évoqué : comment faire le lien entre les lois du monde macroscopique et celles radicalement hétérogènes du monde microscopique sachant que les deux théories sont confirmées expérimentalement mais que la seconde est censée décrire le détail des éléments de la première ? Pour illustrer ce point Schrödinger avait fourni un célèbre paradoxe qu'il est intéressant de résumer ici. Il suffit d'imaginer une particule qui est dans l'état superposé des deux états possibles A et B. Un dispositif qu'il n'est pas nécessaire de décrire a pour conséquence d'émettre un gaz mortel si la particule est dans l'état A. Accompagné d'un chat, tout cela est placé dans une boîte fermée afin d'éviter toute observation pour que l'état en question reste superposé. Un raisonnement identique à celui du paragraphe précédent doit nous faire conclure que puisque la particule est à la fois en A et en B le chat doit à la fois être mort et vivant. Il ne devrait connaître un état défini que lorsque nous ouvrirons la boîte et réduirons le paquet d'ondes. La question se pose alors de savoir d'un côté, si les lois quantiques sont ainsi transposables aux entités macroscopiques, et de l'autre, puisque la conscience semble jouer un rôle clé dans la réduction du paquet d'ondes, si l'observation que le chat effectue spontanément de son propre état peut suffire. Dans tous les cas le principe de réduction du paquet d'ondes semble difficile à mettre de côté. Une célèbre théorie, communément admise dans la communauté des physiciens, a souvent été proposée comme solution au problème de la mesure, il s'agit de la décohérence. Celle-ci montre que l'état de superposition d'un système quantique est lié à sa cohérence interne. Là encore nous ne rentrons pas dans les détails mathématiques d'une telle théorie mais il faut juste noter qu'elle consiste à prendre en compte, outre celle de l'instrument de mesure, l'influence de l'environnement. Si dans un dispositif expérimental de quelques particules il est possible d'isoler le système de l'environnement extérieur, pour des raisons physiques liées à leur niveau d'énergie et à la constante de Planck, il est impossible d'isoler les systèmes macroscopiques de la sorte. Seul un système isolé peut être dit cohérent tandis que l'effet qui se manifeste quand on augmente d'échelle est justement la décohérence. Celle-ci a pour conséquence d'approcher toutes les valeurs propres d'une observable aussi proche de 0 qu'on le veut, sauf une qui par conséquent s'approche de 1 de la même manière. Ainsi, pour les systèmes macroscopiques, l'influence de l'environnement a pour conséquence de limiter les états de superposition car en pratique la valeur propre majorée peut être considérée comme égale à 1 et les autres à 0. Ainsi on tend à expliquer pourquoi les objets macroscopiques nous apparaissent comme ayant une position et une trajectoire bien définies. Mais, en toute rigueur, l'état de l'objet reste superposé et aucune de ses valeurs propres n'a une probabilité d'être observée de 1. Donc, pour expliquer qu'au moment d'une mesure c'est bien telle ou telle valeur qui est observée, il est nécessaire de réintroduire le principe de réduction du paquet d'ondes. La décohérence est une théorie confirmée par l'expérience qui a le grand mérite de nous aider à mieux comprendre le comportement quantique des entités macroscopiques, mais rigoureusement elle ne résout pas cet épineux problème que pose l'opération de mesure en physique quantique.

Incertitude et indétermination Si nous avons attribué à Dirac la reformulation en termes probabilistes de l'équation de Schrödinger, pour être juste il nous faut préciser que l'on doit à Max Born la première interprétation de cette équation comme définissant des probabilités d'observation. Cette interprétation eut le mérite de résoudre les problèmes que posait la représentation purement ondulatoire de Schrödinger mais introduisit une incertitude et une indétermination gênante dans la physique quantique. Une telle équation, déterministe concernant une onde, ne peut nous décrire une trajectoire et même très difficilement une position, seules des probabilités concernant les résultats de mesure peuvent être obtenues avec elle. Il faut noter qu'il ne s'agit pas là d'une simple incertitude comme on pourrait la constater dans d'autres domaines, où l'imperfection de nos instruments nous empêche de mesurer avec suffisamment de précision les grandeurs nécessaires à une prévision, comme Born l'affirmait, nous ne disposons pas de telles grandeurs dont la connaissance gommerait l'incertitude en question. Cette indétermination qui fait que seulement dans de rares cas il est possible de prédire réellement, c'est-à-dire avec une probabilité de 1, la valeur d'une variable est une conséquence directe de la structure mathématique du formalisme quantique. Nous avons déjà rapidement remarqué qu'en raison de cette originalité du formalisme de l'espace de Hilbert, certains observables, n'étant pas compatibles mathématiquement, ne le sont pas non plus expérimentalement. On doit à Werner Heisenberg d'avoir prouvé ce point grâce à ses relations d'incertitude (ou d'indétermination). Ainsi la position et la quantité de mouvement d'une particule ne peuvent être simultanément mesurées, pas plus que l'énergie d'un système et sa durée, du moins la précision de la mesure d'un des éléments entraîne inéluctablement l'imprécision du second. Plus généralement, s'il est possible, lors de préparations expérimentales ne prenant en compte qu'une seule variable, de déterminer, une fois une expérience effectuée, le résultat de tout autre expérience identique que l'on pourra tenter ultérieurement, dés qu'à un vecteur d'état sont associées plusieurs variables conjuguées (plusieurs observables sur une même particule ou plusieurs particules corrélées), seules des probabilités d'observation pourront être calculées. Si Born était plus circonspect, Heisenberg n'hésitait pas à affirmer que « la mécanique quantique établit l'échec final de la causalité ». Cette conclusion a cependant subi de nombreuses et pertinentes critiques, notamment il peut être remarqué que dans une formulation classique de la causalité : lorsque l'on connaît suffisamment les conditions, on peut en déterminer les conséquences, seule la prémisse est remise en cause par le formalisme quantique, pas la conclusion. En effet, définie ainsi sur la prévisibilité des phénomènes, le principe de causalité n'est pas proprement remis en cause par la microphysique, il est seulement rendu inapplicable. La question de savoir s'il est inapplicable pour des raisons contingentes liées aux limites de nos facultés cognitives et/ou à des attributs des choses en elles-mêmes reste encore de nos jours un sujet de controverse sur lequel nous aurons l'occasion de revenir. Toutefois, si l'on peut remarquer qu'un certain indéterminisme règne sur le fonctionnement des entités à l'échelle atomique, cela n'évacue par toute forme de déterminisme de la théorie quantique. Si en général elle n'est pas en mesure de prédire rigoureusement l'évolution d'un système particulier, concernant des ensembles statistiques, elle permet d'obtenir des prédictions ayant le même degré de précision que ce qu'il est possible d'obtenir concernant des systèmes physiques classiques. Alors que des variables conjuguées comme la vitesse et la position d'une particule ne semblent pas satisfaire aux conditions établies par le formalisme pour obtenir des prévisions au sens strict, les distributions statistiques de telles variables peuvent être prédites à l'aide d'un vecteur d'état avec le même degré de certitude que dans la plupart des expériences scientifiques. Le principe de succession selon une règle, essentielle à toute démarche scientifique, peut donc être conservé dans la mécanique quantique conventionnelle à condition que l'on ne recherche plus des règles déterministes concernant des corpuscules, mais concernant des ensembles statistiques. Cela pose de nouveau la question de savoir s'il est toujours nécessaire de conserver de telles notions corpusculaires ainsi qu'une nouvelle interrogation concernant la réalité qu'il faut attribuer à de tels ensembles statistiques. L'article EPR et les inégalités de Bell L'article fourni en 1935 par Einstein, Podolsky et Rosen, souvent qualifié de manière abusive de paradoxe EPR, est sûrement le texte le plus cité de toute la littérature scientifique. Il faut dire que sa formulation profondément réaliste mais d'une structure logique difficilement contestable eut l'audace de s'attaquer à une hypothèse généralement admise à ce moment là parmi les physiciens quantiques, l'hypothèse de complétude. Cette dernière affirme tout simplement que la théorie quantique, puisque n'ayant jamais (même de nos jours) été remise en cause par une quelconque expérience, doit constituer une description adéquate de la réalité. Cette hypothèse, d'inspiration fortement positiviste, n'est cependant absolument pas nécessaire à l'efficacité opératoire de la théorie quantique. Le texte EPR mérite davantage d'être appelé théorème EPR car il en a bien plus la structure logique et cette appellation correspond d'ailleurs mieux au réel dessein de ses auteurs. L'article est donc composé de prémisses et d'une conclusion et, s'il use d'un exemple particulier exprimé dans le formalisme quantique, le théorème EPR ressemble plus à un raisonnement philosophique et épistémologique qu'à un traité de physique. Ses prémisses sont d'une grande simplicité et d'une évidence certaine quoiqu'en partie appuyées sur le sens commun. Il est possible de les résumer en deux principes. Le premier, qui a été appelé localité ou séparabilité einsteinienne bien qu'il ait également été baptisé autrement en d'autres occasions, est fortement inspiré de la théorie de la Relativité et suppose juste que, si deux régions de l'espace sont suffisamment éloignées, puisque aucune influence plus rapide que la lumière n'est admise, les évènements qui se déroulent dans l'une sont complètement indépendants de ce qui se passe dans l'autre. Le second principe, dit critère de réalité, spécifie que si l'on peut prédire avec certitude la valeur d'une grandeur physique, c'est qu'un élément de réalité physique doit y correspondre. On peut d'ores et déjà constater comment ces deux principes ne sont guère difficiles à admettre et peuvent aisément faire l'unanimité sauf chez les plus idéalistes des épistémologues. L'exemple utilisé dans l'article EPR pour son raisonnement peut être remplacé par l'exemple standard que David Bohm proposa dans la même lignée et qui est d'une bien plus grande généralité. Il consiste à mettre en jeu une paire de particules corrélées, c'est-à-dire deux particules ayant un vecteur d'état commun et générées de sorte que l'une de leurs observables ait toujours une somme commune ; si l'une a une valeur de 1 l'autre doit avoir une valeur de -1. Ces deux particules sont ensuite projetées dans deux régions de l'espace assez éloignées pour que s'applique la séparabilité einsteinienne. Les règles de la mécanique quantique prévoient alors qu'en observant cette observable sur l'une de ces particules on connaisse sa valeur mais également celle de l'autre particule. Pour l'instant rien ne semble particulièrement problématique mais puisque l'on ne doit pas admettre la contrafactualité, cet exemple, avéré expérimentalement, signifie que observer l'une des deux particules réduit le paquet d'ondes, modifie le vecteur d'état commun et détermine les valeurs des deux particules. Si l'on admet à la fois l'hypothèse de complétude et le critère de réalité, il faut en déduire qu'un élément de réalité physique doit correspondre à chacune de ces deux valeurs, donc à chacune des deux particules, et que l'opération de mesure, non seulement influence la particule observée, mais également celle située dans une région de l'espace séparée. Autrement dit l'hypothèse de complétude, la localité et le critère de réalité ne peuvent tout trois être admis en même temps. C'est ainsi que EPR tenta de prouver l'incomplétude de la physique quantique et ouvrit la voie aux théories à variables supplémentaires que nous aborderons ultérieurement. Bien après que l'article EPR ait fait couler beaucoup d'encre, c'est John Bell qui démontra en 1964 une batterie de trois théorèmes qui fournit réellement de quoi progresser sur cette question. Ces trois théorèmes possèdent la même structure, ils posent chacun une série de prémisses à partir desquelles il est possible de déduire des inégalités dont on peut montrer qu'elles sont violées par des prédictions vérifiées de la mécanique quantique. Ainsi il est possible d'en apprendre beaucoup car ces prémisses ne peuvent alors pas être conservées ensembles. Le raisonnement de Bell se place dans la même lignée que le théorème EPR, philosophiquement en se fixant un but similaire -prouver l'incomplétude de la mécanique quantique- et méthodologiquement en adoptant une structure logique sensiblement similaire. Il a été perfectionné à plusieurs reprises et dans plusieurs sens par d'autres auteurs de sorte que désormais, si son interprétation est l'objet de discussion, sa validité logique fait l'unanimité. Les théorèmes de Bell posent les mêmes prémisses que celles d'Einstein, localité et réalité, ainsi que d'autres toutes aussi simples comme le libre choix de la mesure par l'expérimentateur et la validité du raisonnement par induction. Par des raisonnements par l'absurde du même type que celui de l'article EPR mais bien trop complexes pour être rapportés ici, les inégalités de Bell montrent essentiellement que la mécanique quantique, comme toute autre théorie visant à reproduire les mêmes prévisions, doit soit abandonner le critère de réalité soit la localité. En effet, puisque le formalisme quantique est non-local dans tous ses outils épistémiques, on peut considérer que celui-ci a une validité strictement opératoire et ne nous informe absolument en rien sur la nature d'une quelconque réalité fondamentale, dans ce cas on est encore en droit de supposer que cette dernière pourrait être purement locale. Sinon, si l'on veut affirmer que le formalisme quantique correspond, ne serait-ce que partiellement, à des éléments de réalité, il faut admettre que cette réalité doit être non-locale, c'est-à-dire que sont possibles des influences instantanées entre des éléments de deux régions séparées de l'espace-temps. Ce point est d'une importance capitale pour la compréhension de notre monde et/ou de la nature de notre connaissance des choses, et il sera d'un grand usage pour la suite de notre étude et notamment lors de l'analyse des diverses interprétations du formalisme quantique. Pour le moment il est déjà possible de constater comment le fait d'adopter une vision positiviste ou réaliste en physique quantique a une importance dans la structure logique de la théorie alors que, dans n'importe quel autre domaine scientifique, il ne s'agit que de points de vue philosophiques qu'il n'est pas nécessaire d'introduire dans les débats strictement scientifiques.

Les théories à variables supplémentaires Il est impossible de fournir ici la moindre description exhaustive de toutes les théories de ce type qui ont pu être proposées, c'est pourquoi nous nous contentons d'une rapide description structurelle et d'un bref et incomplet historique de l'apparition de ces théories. C'est à partir du résultat de l'article EPR que les partisans, comme Einstein, de l'incomplétude de la mécanique quantique tentèrent de construire une théorie qui devait dépasser, en l'intégrant, la théorie actuelle pour proposer les mêmes prédictions tout en rendant compte de manière plus cohérente du monde. Toutes ces tentatives sont classées comme théories à variables cachées, quoique beaucoup d'auteurs préfèrent parler de théories à variables supplémentaires car si la première formulation est consacrée par l'usage, la seconde est moins trompeuse et plus exhaustive. Bell étant de ces physiciens soucieux de retrouver une description du monde plus proche de ce que peut nous procurer notre intuition, c'est en travaillant à ce projet qu'il découvrit ses inégalités. Ces dernières posent d'ailleurs un cadre essentiel à toute entreprise de ce type, mais un cadre très restrictif comme nous l'avons vu car il y est établi qu'une théorie destinée à reproduire les prévisions de la mécanique quantique tout en revendiquant une description complète de la réalité doit contrevenir à la localité. C'est en effet en tentant de contourner ce point que ces théories furent considérées comme introduisant des variables cachées. Car la localité au sens de la Relativité n'interdit pas tout à fait toute forme d'influence plus rapide que la lumière mais seulement tous les transferts de signaux plus rapides que la lumière ; ce qui limite toutefois grandement le type d'influence non-locale permis. Le seul moyen alors de réconcilier une théorie ayant ce genre de visées ontologiques avec la théorie de la Relativité est de supposer que les influences à distance qui y sont possibles doivent correspondre à des variables qui nous sont complètement inaccessibles. Cependant nombre d'autres théories à variables supplémentaires introduisent pour d'autres raisons des variables qui n'ont rien de caché, ce qui explique le choix de la présente formulation. Si elles sont regroupées dans la même école de pensée, c'est que ces théories présentent un certains nombre de similitudes structurelles et conceptuelles. Elles ont toutes le même objectif : réinterpréter le formalisme quantique pour lui donner une signification ontologique. En d'autres termes, il s'agit de construire une théorie mathématiquement équivalente au formalisme conventionnel mais qui a prétention à décrire le réel tel qu'il est en soi, c'est-à-dire en définissant la nature des objets étudiés, le statut des particules et des opérateurs mathématiques, etc. En général d'une construction plus complexe que la théorie orthodoxe, ces alternatives réutilisent tout son bagage mathématique permettant la prédiction des phénomènes, substituent les termes du formalisme pour lui donner du sens et introduisent de nouveaux outils afin de gérer les variables ajoutées. Si l'engouement pour les théories à variables supplémentaires correspond plus ou moins à l'article EPR, on peut remarquer que la première construction de ce type fut la théorie de l'onde pilote que de Broglie proposa dans les années vingt, avant même que s'établisse le point de vue conventionnel en physique quantique que nous avons évoqué et que ces théories doivent remplacer. Bohm repris cette théorie à la suite de l'article EPR dans la perspective einsteinienne de compléter la physique quantique et Bell entreprit la synthèse et l'actualisation des travaux des deux physiciens dans une même optique. On peut sans trop de risque affirmer que la théorie de l'onde pilote, ainsi augmentée et raffinée, est l'archétype d'une théorie à variables cachées et nous permet d'en donner un bon exemple. Cette théorie consiste à supposer l'existence d'une fonction d'onde de l'Univers qui piloterait toutes les particules de l'Univers. Chacune d'entre elles possède alors position, vitesse et donc trajectoire, ce qui nous réconcilie avec des conceptions familières. Les particules sont alors des existences fondamentales qui possèdent une persistance ontologique, de même que cette fonction d'onde qui définit le potentiel quantique tout aussi réel de chaque particule. C'est ce potentiel, comparable à un champs de force et donc lui aussi susceptible d'une compréhension relativement intuitive, qui détermine les particules à parfois adopter un comportement si particulier, comme les franges d'interférence dans l'expérience de Davisson et Germer. Ce qui provoque alors les nombreux problèmes épistémologiques que nous avons remarqués, c'est le fait déjà constaté qu'une fonction d'onde ou un vecteur d'état décrivant plusieurs particules enchevêtrées n'est pas la somme ou le produit des vecteurs d'état de toutes ces particules. Comme nous ne pouvons connaître et quantifier en détail le vecteur d'état du système qu'est l'Univers, nous en sommes réduit à ne considérer que des sous-systèmes de celui-ci et leurs vecteurs d'état respectifs qui ne contiennent par conséquent pas toutes les informations permettant de décrire le comportement des particules qui y évoluent. De même l'influence de l'observateur que l'on peut considérer concernant le problème de la mesure se résout par le fait que nous aussi, observateurs, nous sommes composés de particules pilotées par la fonction d'onde de l'Univers et donc enchevêtrées avec toutes les autres. A l'instar de la théorie de l'onde pilote, on peut en général remarquer que les théories à variables supplémentaires, pour donner une interprétation ontologique à la physique quantique, réaménagent son formalisme pour réintroduire, sauvegarder ou renforcer des concepts classiques qui avaient étés plus ou moins abandonnés et notamment des conceptions corpusculaires. C'est par là même que de telles théories présentent un intérêt et un attrait certain, elles ont l'avantage d'offrir une description du monde quantique qui satisfasse à la grille de lecture classique avec laquelle nous avons tendance à raisonner. Nous allons maintenant voir qu'elles ont à faire face à un certain nombre de difficultés qui ne peuvent être négligées. Les difficultés Outre les théories à variables supplémentaires qui doivent être abandonnées car des erreurs mathématiques et logiques ont pu être décelées dans leur formulation, des difficultés très particulières d'ordre épistémologique et conceptuel sont communes à toutes les théories de ce type qui présentent pourtant une validité incontestée sur le plan logique. Premièrement il nous faut rappeler le commerce très spécial que doit entretenir toute théorie à variables supplémentaires avec la Relativité en raison des inégalités de Bell. Même s'il est possible de trouver des astuces structurelles qui permettent de réconcilier les deux par une légère modification du formalisme quantique ou de la Relativité, il demeure qu'en poursuivant son objectif de proposer une alternative à la mécanique quantique conventionnelle à l'aide de conceptions classiques, toute théorie à variables supplémentaire doit introduire une non-localité fortement contre intuitive. Aussi, si en effet une théorie à variables cachées permet une description plus intuitive des évènements du monde microscopique dans des cas simples ou des exemples types, l'équivalence avec le formalisme orthodoxe à laquelle ces théories doivent souscrire leur fait perdre toute cette simplicité dans des cas plus complexes, notamment lorsque augmente le nombre de dimensions de l'espace abstrait dans lequel évoluent les vecteurs d'état. On est donc en droit de penser que la cohérence que semble présenter ce type de théories pour rendre compte du monde quantique ne tient qu'à une efficacité pédagogique. La simplicité basée sur l'usage de termes classiques comme ceux de corps, position et vitesse dont ces théories peuvent faire preuve pour expliquer le comportement d'une particule se dissout progressivement lorsque le cas considéré se complexifie. De telles théories à variables supplémentaires présentent également une difficulté liée au fait même qu'elles aient pour but de fixer la nature fondamentale des existants du monde quantique, difficulté qu'elles partagent avec d'autres travaux théoriques à visée ontologique dans d'autres domaines scientifiques. En effet, une fois que la théorie a déterminé et décrit les éléments de réalités qui correspondent aux phénomènes quantiques, une rigidité a été introduite qui peut poser un certain nombre de problèmes conceptuels dés que de nouvelles données expérimentales sont apportées. De nouvelles avancées scientifiques peuvent alors sonner le glas d'une théorie à variables supplémentaires comme la théorie de Relativité remit en cause l'existence (mais pas l'efficacité) des champs de gravité newtoniens car le type d'existants fondamentaux qui avait été postulé se trouve impossible à conserver dans la nouvelle théorie. Ainsi, si la théorie conventionnelle, essentiellement opératoire, se garde de ce type de problèmes car elle s'abstient de se prononcer sur la nature des objets étudiés, une théorie qui a prétention à décrire la réalité fondamentale ne peut qu'avoir une postérité bien incertaine. Un problème bien plus radical et plus spécifique à la physique quantique caractérise toutes les théories à variables supplémentaires qui ont pu être construite. Si toutes ces théories, pourvu qu'elles soient correctement construites, reproduisent toutes les prédictions permises par la mécanique quantique, aucune n'a jamais fourni une prédiction vérifiée qui ne puisse être fournie par la théorie quantique conventionnelle. Autrement dit aucune n'a pu fournir la moindre preuve expérimentale de sa supériorité sur le modèle orthodoxe. D'autant plus que les théories à variables supplémentaires, puisque d'une construction mathématique plus complexe, ont toujours plus de mal à assimiler de nouvelles données fournies par l'expérience. Par conséquent ces théories ne peuvent avancer que leur clarté conceptuelle et leur efficacité pédagogique pour soutenir leur supériorité. Cela est particulièrement symptomatique si l'on considère que parmi les multiples modèles à variables supplémentaires qui ont pu être proposés et qui présentent chacun une parfaite cohérence interne, aucun n'a pu présenter d'argument décisif pour montrer sa supériorité sur les autres. Ainsi, même le physicien soucieux d'adhérer à une théorie décrivant le réel fondamentalement aurait bien du mal à discriminer parmi tous les modèles disponibles. Nous ne pouvons donc en toute rigueur, c'est-à-dire uniquement sur la base d'arguments rationnels, adhérer à aucune de ces théories à variables supplémentaires. Mais, à la suite de Bernard d'Espagnat, nous pouvons tout de même considérer ces modèles comme de bons « laboratoires théoriques » permettant de mieux analyser les enjeux ontologiques et épistémologiques que présente le formalisme quantique. Comme exemple ou contre-exemple, de telles constructions, visant à décrire avec un maximum d'objectivité le monde quantique, permettent d'éviter certaines conclusions et généralisations hâtives à partir de données expérimentales qui pourraient être interprétées de diverses manières.

Quel que soit l'objectif du physicien, qu'il ait une véritable volonté théorique visant à décrire les choses en soi ou qu'il se cantonne à un travail opératoire et à l'établissement de règles de prédiction efficaces, certaines questions d'ordre ontologique ne peuvent être ignorées car elles doivent inévitablement se poser au scientifique qu'il soit d'inspiration plutôt réaliste ou plutôt positiviste. Ainsi la question de savoir si le concept de corps matériel doit être conservé en physique quantique est inévitablement posée car quelle que soit l'obédience du discours, il fait invariablement référence à des objets précis dont la nature doit, à un moment ou à un autre, être traitée. Même si l'on estime que la nature des objets étudiés en physique quantique ne peut être fixée, on a d'ores et déjà admis que le concept de corps matériel n'y a plus l'évidence qu'il revêt dans la physique classique. Pour reprendre le propos de l'épistémologue Michel Bitbol, en toute rigueur il n'est pas possible de retrouver en physique quantique le type d'invariants dont l'on dispose en physique classique comme dans la vie courante et qui nous permettent de faire usage en toute légitimité du concept de corps matériel. Si l'on définit comme lui un corps matériel comme « un secteur d'espace tridimensionnel objectivé par la détermination d'effets locaux invariants sous un ensemble de changements réglés », ni une localisation précise ni aucun effet particulier ne nous sont disponibles pour justifier l'usage en mécanique quantique d'une telle notion corpusculaire. De même, quelle que soit la théorie de la référence utilisée, les conditions nécessaires à une objectivation ne sont pas réunis, que ce soit des procédures de suivi ou des modalités trans-temporelles de réidentification. Mais les pères fondateurs de la microphysique ne s'y sont pas trompés en faisant preuve d'une grande prudence, dés la naissance de la physique quantique, quand à la nature des entités étudiées. Ainsi Schrödinger abandonna très tôt le concept de corpuscules dés lors qu'il n'était plus possible d'avoir de position et de trajectoire clairement définies. Ce sera Bohr qui ira le plus loin en affirmant que l'on est réduit à décrire des dispositifs et des résultats expérimentaux et que les hypothétiques propriétés de corps existant indépendamment de toute observation nous sont inaccessibles et n'ont même aucun sens. Cependant, malgré son caractère particulièrement opératoire, la théorie quantique, dans sa formulation orthodoxe, n'est pas exempte de considérations corpusculaires. Il y est constamment fait référence à des particules mais dont on n'exige pas que leur description réunisse tous les éléments nécessaires à une objectivation rigoureuse du type de celle d'un corps matériel et dont on ne s'attend pas à ce qu'elles reproduisent tous les comportements généralement associés à une entité corpusculaire. Ainsi une particule possède une position et une vitesse bien définies, mais uniquement lors d'une mesure et jamais simultanément. Cet usage d'une notion très proche de l'idée d'un corps matériel mais qui n'en présente que peu de caractéristiques est symptomatique, non seulement du flou qui caractérise les objets étudiés dans la physique quantique conventionnelle, mais également de l'impossibilité d'y utiliser le concept intuitif de corps matériel dont nous disposons. En général les théories à variables supplémentaires s'attachent à restaurer pleinement toutes les conditions nécessaires à l'usage d'un tel concept. Cependant cela se paye d'un coût épistémologique très lourd car, outre la non-localité qui doit être admise, des variables inobservables empiriquement doivent être acceptées pour que l'on puisse continuer à parler des particules comme de petits corps matériels disposant en permanence d'une position, d'une vitesse, d'une trajectoire, etc. Cela se rajoute aux difficultés que nous avons traitées précédemment et nuit grandement à leur crédibilité car c'est par des invariants qui ne correspondent à aucune donnée observable, donc à aucune modalité référentielle, qu'une stabilité suffisante est trouvée pour redonner du sens au concept de corps matériel. Pourtant, dans nombre d'expériences, il est possible d'effectuer des observations enchaînées ou des détections coordonnées de sortes que l'on puisse constater des impressions de trajectoire concernant une particule, mais, en raison des relations d'incertitude d'Heisenberg, seule l'introduction de données supplémentaires non-empiriques permettent d'en conclure logiquement à la présence localisée, même en l'absence de mesure, de la particule en chacun des moments de la trajectoire. Cette survie artificielle de notions corpusculaires inutiles au formalisme, pour son efficacité prédictive, peut alors rapidement passer pour une simple astuce conceptuelle, voire un vulgaire réflexe défensif, de la part des ultimes partisans de la réalité fondamentale des corps matériels. Nous avons cependant déjà remarqué que même si l'on n'admet aucune théorie à variables supplémentaires, il est possible de leur trouver une grande utilité épistémologique. Quoiqu'il en soit, même un modèle à variables cachées est obligé d'admettre le comportement souvent fort contre intuitif des particules et la présence d'autres entités réelles et non corpusculaire comme des potentiels ou champs quantiques pour rendre compte de ces bizarreries. Il arrive que les interprétations de la théorie quantique dites statistiques ou stochastiques soient présentées comme résolvant la question de la nature des entités du monde microscopique. Une telle interprétation part du fait que le formalisme du vecteur d'état et de l'espace de Hilbert est une description complète et adéquate d'ensembles statistiques de systèmes physiques. La parfaite prédictibilité dont fait preuve le formalisme quantique au sujet de distributions statistiques suscite en effet l'unanimité, pourtant diverses interprétations basées sur cette certitude sont envisageables. Ainsi on ne peut considérer ni les vecteurs d'état ni les ensembles statistiques comme réels tout en leur restituant la complète validité opératoire qui leur est due, ou considérer le formalisme quantique comme une description complète et adéquate de la réalité à condition que ces ensembles statistiques constituent des entités réelles. Dans le cadre de la première hypothèse il est alors possible, dans une optique réaliste, de construire sur cette base une théorie à variables supplémentaires qui assigne à chaque système individuel toutes les propriétés d'un corps matériel en considérant qu'ils ne sont pas soumis individuellement aux étrangetés de ce formalisme. Mais il est également acceptable, sur la même base, de tenir un discours d'inspiration positiviste où cette seule efficacité opératoire est considérée comme suffisante et où le concept de corps matériel n'est plus alors nécessaire. La seconde hypothèse, si elle n'établit pas quelle est la nature des entités qui composent les ensembles statistiques, a cependant le mérite de sauvegarder le déterminisme, car s'il ne s'applique pas aux systèmes individuels, il reste complètement opérant au sujet de ces ensembles. Il faut tout de même remarquer qu'une interprétation positiviste qui ne se prononce pas sur la nature des entités individuelles, contrairement à une théorie stochastique à variables supplémentaires, reste condamnée à invoquer le principe de réduction du paquet d'ondes pour rendre compte qu'à chaque mesure on observe sur chaque système individuel des valeurs bien définies. Dans tout les cas, si les interprétations statistiques du formalisme quantique permettent de construire de cohérentes théories à variables supplémentaires et peuvent expliquer l'efficacité opératoire de la physique quantique concernant des distributions statistiques, elles n'apportent pas vraiment de réponse au problème ontologique posé quand au maintien ou non du concept de corps matériel pour le monde microscopique. Ainsi on peut voir clairement que pour expliquer la théorie quantique comme pour prouver son efficacité, celle-ci n'a absolument pas besoin de notions corpusculaires. Cependant, comme Bitbol le suggère, si de telles notions sont maintenues dans le langages de la plupart des physiciens c'est peut-être parce qu'elles sont nécessaires pour conserver un lien entre ce formalisme si particulier et l'expérience commune qui est la nôtre et dans laquelle nous pouvons en général toujours compter sur des entités spatialement bien localisées et dont le suivi ne pose guère de problème. Le statut de la conscience Il nous faut maintenant revenir au problème de la mesure que nous n'avons fait que poser précédemment et notamment sur le statut particulier que le principe de réduction du paquet d'ondes semble donner à l'observation et donc à la conscience. Dans une perspective réaliste ce problème du statut de la conscience est très grave car il devient alors très complexe de construire une description objective de la réalité indépendante. Mais le physicien positiviste doit également être gêné par ce statut très particulier et très important qui est donné à l'influence de l'observateur dans toute opération de mesure car il empêche à première vue de trouver une équation prédictive purement déterministe concernant les résultats de mesures possibles sur un système individuel. La question est donc de savoir si la théorie quantique donne vraiment un statut exceptionnel à la conscience ou s'il est possible de retrouver une description purement physicaliste du réel qui réutilise le même formalisme. Dans un premier temps il faut remarquer que la plupart des théories à variables supplémentaires, dans l'optique d'une description cohérente du réel, évacuent complètement le principe de réduction du paquet d'ondes, et donc toute intervention de la conscience. Pour cela elles supposent généralement que toutes les observables d'un système ont toujours des valeurs bien définies bien qu'elles ne soient pas données par son vecteur d'état. Dans ce cas l'opération de mesure, comme dans toutes les autres sciences, ne fait que dévoiler une donnée préexistante et le vecteur d'état, qui n'est pas plus une description complète du système, n'est actualisé que grâce à l'apport de cette nouvelle donnée comme dans tout fonctionnement probabilistique en physique classique. Cependant nous avons déjà assez précisé les problèmes épistémologiques que soulèvent les théories à variables cachées pour que nous ne nous suffisions pas des solutions qu'elles proposent et qui ne sont de toute manière pas admissibles dans une optique positiviste. Nous devons tenter d'éclaircir le problème posé par le statut de la conscience dans le strict cadre de la théorie quantique conventionnelle. Partons pour cela de la célèbre théorie des états relatifs proposée par Hugh Everett. Celle-ci évacue complètement le principe de réduction du paquet d'ondes mais d'une manière très particulière : il n'est pas question de supposer pour cela des valeurs prédéterminées aux observables du système, bien au contraire, même après la mesure, ces observables ne sont toujours pas considérées comme ayant des valeurs déterminées. Pour se passer ainsi de la réduction du paquet d'ondes et résoudre le problème de la mesure, la théorie des états relatifs se propose de traiter la conscience comme une propriété purement physique de l'observateur, lui-même conçu comme un automate de sorte qu'il n'y ait aucune différence entre lui et n'importe quel autre instrument de mesure. Ainsi, après l'interaction, entre un observateur et un système étudié, que nous appelons communément opération de mesure, le grand système composé de leur combinaison se trouve dans un état enchevêtré, et superposé car il n'y a pas eu réduction du paquet d'ondes. L'observateur, comme tout système quantique dans la théorie orthodoxe, est alors considéré comme étant dans plusieurs états en même temps. Mais comment expliquer alors l'unicité que nous observons perpétuellement à propos de la valeur d'une observable mesurée aussi bien qu'au sujet de notre propre conscience ? La théorie des états relatifs montre comment il découle directement des règles de la mécanique quantique que les différentes'branches'' du vecteur d'état du système total, qui correspondent chacune à un état précis, ne communiquent pas entre elles et sont individuellement cohérentes. En réalité, selon cette théorie, lors d'une mesure, nous observons toutes les valeurs possibles de l'observable considérée mais dans autant d'états de conscience qui ne communiquent pas entre eux. On comprend alors bien comment la théorie de Everett a pu être à la base de la tout aussi célèbre théorie des mondes multiples de Bryce De Witt. Toute opération de mesure crée plusieurs ramifications qui peuvent cohabiter sans encombre en raison du cloisonnement qui les caractérise. Etant donné le nombre de consciences et de mesures effectuées dans l'univers on peut imaginer un nombre astronomique et en augmentation constante pour ces ramifications. Le concept des mondes multiples vient tout simplement de l'idée, que l'on ne peut ni réfuter ni prouver, qu'à la création d'une ramification doit correspondre celle d'un univers correspondant de sorte que le nombre des univers parallèles doit lui aussi être dans une augmentation constante. Aussi étrange qu'elle puisse paraître, la théorie des états relatifs est logiquement très cohérente et permet d'expulser efficacement le principe de réduction du paquet d'ondes sans introduire de données inobservables. Que l'on considère son modèle comme valide ou non, le coup de génie d'Everett demeure qu'il ait songé à faire glisser le problème de la mesure de considérations physiques à une conception davantage psychologique, tout en admettant comme valide l'essentiel des règles de la mécanique quantique conventionnelle. Cependant, dans l'analyse que d'Espagnat a pu en proposer, il est possible de remarquer que la théorie des états relatifs peine quelque peu à donner un statut à la mémoire de l'observateur et qu'il est nécessaire pour régler ce point de retomber sur un certain dualisme car l'état de conscience de l'observateur est alors une propriété particulière soumise à un régime spécial. Dans ce dernier cas, si la théorie des états relatifs a le mérite de refuser à la conscience une quelconque influence lors de l'opération de mesure, elle ne parvient pas tout à fait à lui enlever son statut particulier.
Quelle que soit la tournure dans laquelle nous prenons le formalisme quantique orthodoxe, on doit inévitablement constater que les notions d'observation et d'observateur ne peuvent en être expulsées. Etant donné que toute forme d'observation suppose une conscience correspondante et que toute formulation de loi en physique quantique conventionnelle ne peut manquer de faire appel à ce concept d'observation, une vision matérialiste de la théorie quantique du type de celle habituellement adoptée en physique classique, c'est-à-dire éjectant complètement toute référence à l'esprit humain, n'est tout simplement pas envisageable. Et cela est tout à fait indépendant du problème posé par la réduction du paquet d'ondes car par exemple la règle de Born, qui sert à calculer la probabilité que telle valeur soit mesurée sur telle observable, ne peut être transformée en une règle nous permettant de déterminer la valeur que telle observable a avant la mesure que si l'on se place dans le cadre d'une théorie à variables supplémentaires. Donc soit on prend le formalisme dans sa mouture orthodoxe et on est alors dans l'incapacité de tenir l'habituel discours scientifique et physicaliste, soit on adhère à l'une des théories à variables cachées mais, en admettant ainsi des données non-empiriques, on s'expose à l'accusation scientiste, habituellement réservée aux théories les moins matérialistes, d'accepter des hypothèses métaphysiques. Comme le remarque Bitbol, cette irréductible présence de l'expérimentateur dans la formulation de la théorie quantique fera rappeler à Bohr ce fait, pourtant déjà remarqué par la tradition philosophique mais oublié dans la construction de la méthode scientifique, que « nous sommes aussi bien acteurs que spectateurs dans le grand drame de l'existence ».

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article685

Lire encore que la réduction du paquet d'ondes :

https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9duction_du_paquet_d%27onde

http://www.physique-quantique.wikibis.com/reduction_du_paquet_d_onde.php

https://blogs.mediapart.fr/jean-paul-baquiast/blog/210716/la-reduction-du-paquet-donde-est-elle-une-realite-objective

https://datafranca.org/wiki/Processus_de_r%C3%A9duction_du_paquet_d%E2%80%99ondes

https://forums.futura-sciences.com/physique/163843-reduction-paquet-donde-decoherence.html

https://fr.quora.com/La-d%C3%A9coh%C3%A9rence-et-la-r%C3%A9duction-du-paquet-donde-sont-elles-synonymes

https://www.phy.ulaval.ca/fileadmin/phy/documents/PDF/Pedago/Ondes_v3.pdf

https://www-fourier.ujf-grenoble.fr/~faure/enseignement/meca_q/cours.pdf

https://fr.quora.com/La-conscience-est-elle-n%C3%A9cessaire-pour-la-r%C3%A9duction-du-paquet-donde

https://forums.futura-sciences.com/physique/822683-quantique-mesure-reduction-paquet-donde-observateur.html

https://scienceetonnante.com/2022/12/08/mesure-quantique-coleman/

https://www.pourlascience.fr/sd/epistemologie/l-observateur-un-defi-pour-la-physique-quantique-18875.php

La physique quantique à notre échelle

Robert Paris — 2024-01-01T23:13:00Z

La physique quantique à notre échelle

Pour bien des gens, quantique suppose l'échelle microscopique mais il existe bien des effets macroscopiques de la physique quantique.

Il existe aussi bien des preuves du niveau quantique au niveau macroscopique.

Certaines de ces preuves sont très récentes mais d'autres beaucoup plus anciennes comme le magnétisme et la supraconductivité qui ne sont interprétables que par la physique quantique.

Qu'est-ce que le « niveau quantique » ?

Quelle physique s'applique à l'échelle de Planck ?

Robert Paris — 2023-05-05T22:05:00Z

Quelle physique s'applique à l'échelle de Planck, là où relativité et quantique s'appliquent en même temps ? La réponse n'est pas surprenante mais renversante !

Aux dimensions de Planck, limites inférieures des dimensions universelles de temps, d'espace et d'énergie, là où relativité et quantique s'appliquent en même temps, il n'y a pas de différence entre vide quantique et matière : à cette échelle, il faut dire adieu aux instants de temps, adieu aux points de l'espace, adieu à la variété espace-temps, adieu aux observables et aux mesures, adieu à la masse, adieu aux trajectoires, adieu à la permanence de la matière, adieu aux mesures, adieu aux observations, et même adieu à la séparation diamétrale entre matière et vide.

Le texte qui suit est extrait de l'article de Christophe Schiller dans l'ouvrage collectif « Le Vide » dirigé par Edger Gunzig et Simon Diner, article intitulé « Le vide diffère-t-il de la matière ? ». Il raisonne entièrement aux dimensions de Planck et démontre qu'à cette échelle, toute la physique est bouleversée, y compris la physique quantique et la relativité.

« Le face-à-facede la mécanique quantique et de la relativité générale conduit à des conclusions surprenantes concernant l'espace et le temps. Nous montrons que les concepts de continuité de l'espace-temps, de point d'espace, de moment de temps, de particule ponctuelle, de causalité, perdent tout fondement dans le domaine des distances inférieures à la distance de Planck, ou celui des énergies de Planck. Le vide lui-même devient indiscernable de la matière et du rayonnement.

(…)

Pour décrire le mouvement, ces deux théories (relativité générale et mécanique quantique) recourent à des objets constitués de particules et à la notion d'espace-temps. Voyons comment ces concepts sont définis.

Une particule – et en général tout objet – est défini comme une entité permanente, à laquelle une position peut être attribuée et qui peut se déplacer (l'étymologie du terme « objet » se rapporte à ce dernier trait). En d'autres termes, une particule est une petite entité dont la masse, la charge, etc. se conservent. Cette particule peut changer de position avec le temps.

Cependant, dans tous les traités de physique, les temps est déterminé à l'aide d'objets en mouvement, qu'on appelle habituellement « horloges », ou à l'aide de particules en mouvement, comme celles qui sont émises par des sources de lumière. De même, l'unité de longueur se définit également avec des objets, par exemple les règles comme autrefois, ou le mouvement de la lumière qui n'est rien d'autre qu'un ensemble de particules en mouvement.

(…)

Pour éviter les contradictions entre la mécanique quantique et la relativité générale… les changements conceptuels nécessaires sont si spectaculaires qu'ils devraient intéresser tous ceux qui manifestent un certain intérêt pour la physique… La mnière la plus efficace d'approcher ces changements sera de fixer notre regard sur les détails du domaine où la contradiction entre les deux théories standard prend son tour le plus saillant et où elles sont toutes deux nécessaires en même temps…

La relativité générale et la mécanique quantique proposent chacune un critère pour déterminer quand la physique galiléenne n'est plus applicable… La relativité générale montre qu'il est nécessaire de prendre en compte la courbure de l'espace-temps lorsque l'on s'approche d'un objet de masse m à des distances de l'ordre du rayon de Schwarzschild qui vaut deux fois la constante de gravitation universelle de Newton fois la masse et divisé par le carré de la vitesse de la lumière… Un objet plus petit que son propre rayon de Scwarzschild est un « trou noir ». Selon la relativité générale, aucun signal issu de l'intérieur du rayon de Schwarschild ne peut parvenir au monde extérieur d'où le nom « trou noir ».

De même, la mécanique quantique montre que la physique classique galiléenne doit être abandonnée et les effets quantiques pris en compte lorsque l'on approche d'un objet à des distances qui sont de l'ordre de la longeur d'onde de Compton qui est égale à la constante de Planck h barre divisée par le produit de la masse et de la vitesse de la lumière. Naturellement, cette longueur n'a d'importance que si l'objet lui-même est plus petit que sa longueur de Compton. A ces échelles, on observe des effets quantiques relativistes, comme les créations et annihilations de particules-antiparticules (théorie quantique des champs).

(…)

Si nous rassemblons ces deux résultats, les situations qui demandent la combinaison des concepts de la théorie quantique des champs et de la relativité générale sont celles où ces deux conditions sont satisfaites simultanément. La distance d'approche critique admise est un rayon de Schwarschild double de la longueur d'onde de Compton. On constate que c'est le cas lorsque les longueurs sont de l'ordre de la « longueur d'onde de Planck » et les temps de l'ordre du « temps de Planck ».

La longueur d'onde de Planck « lP » vaut 1,6 fois dix puissance moins 35 mètres et le temps de Planck « tP » vaut 5,4 fois dix puissance moins 44 secondes.

lP vaut tP multiplié par la vitesse de la lumière c. Le carré de lP vaut la constante de Planck h barre fois la constante de gravitation universlle G divisé par la puissance trois de la vitesse de la lumière.

Si l'on approche un objet à ces échelles, la relativité générale et la mécanique quantique jouent toutes deux un rôle.

(…)

Est-il possible de construire une horloge qui soit susceptible de mesurer des intervalles de temps plus courts que le temps de Planck ? Il est remarquable que la réponse soit non ; même si dans la relation d'incertitude temps-énergie (produit des incertitudes de temps et d'énergie supérieure ou égale à h barre), il semble que qu'en donnant l'incertitude de d'énergie une valeur arbitrairement grande, l'on peut rendre l'incertitude de temps aussi petite que l'on veut.

Une horloge est un appareillage qui comporte des pièces mobiles qui peuvent être des roues mécaniques, des particules matérielles en mouvement, des champs électromagnétiques variables – des photons -, des particules radioactives en désintégration, etc. Pour chaque composant mobile d'une horloge, par exemple les aiguilles du cadran, le principe d'incertitude s'applique… Or, à propos d'une horloge quelconque, l'on doit connaitre le temps marqué et l'énergie pour chaque aiguille sans quoi ce ne serait pas un système classique, c'est-à-dire que ce ne serait pas un système d'enregistrement… Il est évident que le plus petit intervalle de temps qui peut être mesuré par une horloge est toujours plus grand que la limite quantique, et donc plus grand que la précision temporelle qui résulte de la relation d'incertitude pour ses parties en mouvement. On a donc la relation : plus petit intervalle de temps plus grand ou égal à h barre divisé par l'incertitude sur l'énergie du composant en mouvement.

Cette incertitude sur l'énergie est certainement plus petite que l'énergie totale du composant lui-même qui vaut la masse fois le carré de la vitesse de la lumière…

Qui plus est, toute horloge fournit de l'information ; il faut donc que des signaux puissent en émaner. Pour permettre ceci, l'horloge ne doit pas être un trou noir ; sa masse ne doit donc pas être plus petite que la masse de Schwarschild pour sa taille, soit inférieure ou égale au produit de la taille de l'horloge par le carré de la vitesse de la lumière divisée par la constante de gravitation universelle G. Et finalement, la taille de l'horloge doit être plus petite que le facteur vitesse de la lumière fois le plus petit intervalle de temps lui-même, pour permettre une mesure adéquate de l'intervalle de temps ; sinon les diverses pièces de l'horloge ne pourraient travailler ensemble pour afficher le même temps…

Si l'on réunit toutes ces conditions, on obtient que le plus petit intervalle de temps est plus grand ou égal au temps de Planck.

En résumé, l'on obtient la conclusion générale que les horloges ne peuvent mesurer que des intervalles de temps plus courts que le temps de Planck, et ce à partir des trois propriétés simples de toute horloge, n'avoir qu'une seule horloge (pas d'horloge avec, en paire, son antihorloge), savoir lire son cadran et qu'elle donne des informations adéquates.

On observera que cet argument est indépendant de la nature du mécanisme de l'horloge. Que celle-ci soit mue par des moyens d'ordre gravitationnel, électrique, simplement mécanique, voire nucléaire, les relations ci-dessus s'appliquent.

(…)

L'on est ainsi conduit à conclure qu'il existe dans la nature un intervalle de temps minimum. En d'autres termes, aux échelles de Planck, le terme « instant du temps » ne s'appuie ni sur la théorie ni sur l'expérience. Utiliser ce concept n'a donc aucun sens.

L'on peut de même déduire qu'il n'est pas possible de construire une règle pour mesurer la longueur ou un quelconque autre instrument de mesure qui puisse mesurer des longueurs plus courtes que la longueur de Planck. Cela découle déjà de la relation longueur de Planck égale vitesse de la lumière c fois temps de Planck.

La manière simple de mesurer la distance entre deux points est de mettre un objet au repos en chacun d'eux. En d'autres termes, des mesures conjointes de la position et de l'impulsion sont nécessaires pour toute mesure de longueur. Or, la longueur minimum mesurable est certainement plus grande que l'incertitude qui porte sur la position des deux objets. A partir du principe d'incertitude, l'on sait que la position de chacun ne peut être connue avec une précision meilleure que celle donnée par la relation d'incertitude :

incertitude sur la position fois incertitude sur l'impulsion égale constante dePlanck h barre

Si l'on exige qu'un seul objet figure à chacune des deux extrémités (autrement dit si l'on veut éviter la production quantique de maires d'objets à partir du vide), cela implique que l'incertitude sur l'impulsion soit inférieure au produit de la masse et de l'impulsion.

La longueur minimum mesurable étant supérieure ou égale à l'incertitude sur la longueur qui est supérieure ou égale à la constante de Planck h barre divisée par le produit de la masse et de la vitesse de la lumière.

De plus, la mesure ne peut être effectuée si des signaux ne peuvent quitter l'objet en question : il ne peut pas s'agir de trous noirs. Les masses doivent donc être si petites que leur rayon de Schwarschild est plus petit que la distance qui les sépare. D'où il découle que la longueur minimum mesurable est supérieure ou égale à la longueur de Planck.

Une autre technique pour déduire cette limite renverse le rôle de la relativité générale… L'on retrouve une fois encore que la limite de mesure de longueur est la distance de Planck.

On peut remarquer que la longueur de Planck étant la plus courte possible, il s'ensuit qu'il ne peut exister d'observations ni de conséquences d'effets quantiques pour des situations où la longueur d'onde de Compton correspondante serait plus petite.

(…)

Par conséquent, dans son sens usuel d'entité sans extension, le concept de « point de l'espace » ne peut s'appuyer sur l'expérience. De la même façon, le terme « événement », qui combine les « points de l'espace » et l' « instant de temps » perd également sa signification pour la description de la nature.

Ces résultats sont résumés dans ce que l'on appelle le principe d'incertitude généralisé selon lequel le produit des incertitudes sur la position et sur l'impulsion est supérieur ou égal à sa somme de deux termes dont l'un dérive de la physique quantique (h barre sur deux) et l'autre de la relativité (G fois le carré de l'incertitude d'impulsion divisé par la vitesse de la lumière à la puissance trois).

(…)

La description de l'espace-temps en termes de continuum doit donc être abolie en faveur d'une autreplus appropriée.

la nouvelle relation d'incertitude aux échelles de Plack devient :

incertitude sur la longueur fois incertitude sur le temps supérieure ou égale à temps de Planck fois longueur de Planck
Une manière finale de se convaincre que les points n'ont pas de signification est qu'un point ne peut avoir qu'un volume nul ; mais le volume minimum possible dans la nature est le volume de Planck égale distance de Planck à la puissance trois.

(…)

Mais les conséquences des limites de Planck pour les mesures de l'espace et du temps peuvent être poussées beaucoup plus loin…

C'est un lieu commun que de dire qu'étant donnés deux points quelconques de l'espace ou deux instants du temps, il y en aura toujours un troisième entre eux. Les physiciens se contentent de baptiser continuité cette propriété et les mathématiciens parlent de densité. Mais aux dimensions de Planck, cette propriété ne peut plus tenir, puisque l'on ne peut avoir des intervalles plus courts que le temps de Planck : points et instants ne sont donc pas denses, et entre deux points il n'y en a pas toujours un troisième. Mais ceci signifie que l'espace et le temps ne sont pas continus.

(…)

La relativité restreinte, la mécanique quantique et la relativité générale reposent toutes trois sur l'idée que le temps peut être défini pour tous les points d'un référentiel donné. Or, deux horloges éloignées d'une certaine distance ne peuvent être synchronisées avec une précision arbitraire. Puisque la distance qui les sépare ne peut être mesurée avec une erreur plus petite que la longueur de Planck, et sachant que la transmission des signaux est indispensable à la synchronisation, il n'est donc pas possible de synchroniser deux horloges avec une précision plus fine que celle que nous impose le temps de Planck. En raison de cette impossibilité, l'idée d'une coordonnée temporelle unique pour un référentiel global n'est qu'une approximation elle aussi et ne peut être maintenue dans le cadre d'une description précise de la nature.

De plus, puisque l'écart entre événements ne peut se mesurer avec une précision plus fine que le temps de Planck, il s'ensuit que pour deux événements éloignés dans le temps de cet ordre de grandeur, il n'est pas possible de dire avec une certitude complète lequel précède l'autre. Ceci constitue un résultat important. Si les événements ne peuvent être ordonnés aux échelles de Planck, le concept de temps, que l'on a introduit en physique pour décrire des séquences, ne peut tout simplement pas être défini.

En d'autres termes, une fois abandonnée l'idée de coordonnée temporelle unique pour un référentiel global, on se voit contraint d'abandonner également celle du temps d'un événement considéré comme un « point » unique.

(…)

L'existence même d'une longueur minimum ciontredit la relativité restreinte où l'on montre que, si l'on passe à un système de coordonnées en mouvement, une longueur donnée subit une contraction de Lorentz. Il ne peut exister de longueur minimum en relativité restreinte ; et donc, aux dimensions de Planck, l'espace-temps n'est ni invariant de Lorentz, ni invariant par difféomorphisme, ni invariant par dilatation.

(…)

Mais nous ne sommes pas au bout de nos surprises. Aux échelles de Planck, puisque l'ordre temporel et l'ordre spatial s'effondrent, il n'est pas possible de décider si la distance entre deux régions de l'espace-temps assez proches est de type spatial ou temporel. Les limites de la mesure rendent impossible la distinction entre ces deux cas. Aux échelles de Planck, le temps et l'espace ne peuvent se distinguer.

En résumé, aux échelles de Planck, l'espace-temps n'est ni continu, ni ordonné, ni pourvu d'une métrique, ni quadridimensionnel, ni constitué de points.

(…)

Pour achever cet inventaire, si l'espace et le temps ne sont pas continue, les quantités définies comme des dérivées spatiales ou temporelles n'ont pas de définition précise.

(…)

L'expression courante pour une grandeur observable A(x,t) n'a pas de sens…Aux échelles de Planck, les champs physiques ne peuvent être décrits par des fonctions continues… Il est impossible de définir la multiplication des observables par des nombres continus…

En théorie quantique des champs, la différence entre une particule virtuelle et une particule réelle est qu'une particule réelle est « sur sa couche de masse », c'est-à-dire qu'elle obéit à la relation énergie au carré égale masse au carré fois vitesse de la lumière puissance quatre plus impulsion au carré fois vitesse de la lumière au carré, alors qu'une particule virtuelle n'y obéit pas. Aux échelles de Planck, on ne peut pas déterminer si une particule est réelle ou virtuelle.

Mais ce n'est pas tout. Puisque l'antimatière peut être décrite comme de la matière qui se déplace à contre-courant dans le temps, et puisque la différence entre mouvement et mouvement inverse ne peut être observée aux échelles de Planck, l'on ne peut distinguer la matière et l'antimatière à ces échelles.

(…)

De même, l'imprécision sur la position nous empêche de déterminer des positions distinctes précises pour des expériences d'échange. En bref, aux échelles de Planck, on ne peut définir le spin, on ne peut distinguer les fermions des bosons ou, autrement dit, la matière du rayonnement…

(…)

Pour conclure, le vide, c'est-à-dire l'espace-temps vide ne peut se distinguer de la matière aux échelles de Planck. (…) »

Articles scientifiques de Christophe Schiller :

https://scholar.google.fr/scholar?hl=fr&as_sdt=0%2C5&as_vis=1&q=article+scientifique+C.+Schiller+planck&btnG=

Christophe Schiller, « L'aventure de la Physique » :

Chute, flux et chaleur

https://www.motionmountain.net/MontagneMouvement-volume1.pdf

La Relativité

https://www.motionmountain.net/MontagneMouvement-volume2.pdf

Lumière, charges et cerveau

https://www.motionmountain.net/MontagneMouvement-volume3.pdf

La quantification du changement

https://www.motionmountain.net/motionmountain-volume4.pdf

Mouvement au sein de la matière

https://www.motionmountain.net/motionmountain-volume5.pdf

Une spéculation sur l'unification

https://www.motionmountain.net/motionmountain-volume6.pdf

https://www.motionmountain.net/motionmountain-volume7.pdf

Que sont les photons virtuels et quel est leur rôle fondamental dans le fonctionnement de la matière ?

Robert Paris — 2022-02-07T23:05:00Z

Que sont les photons virtuels et quel est leur rôle fondamental dans le fonctionnement de la matière ?

Les photons sont la forme corpusculaire de la lumière (plus généralement des bosons). Mais il ne faut pas oublier que les bosons (comme les fermions qui sont les corpuscules de la matière) sont quantiques, c'est-à-dire non seulement procédant par quantités entières de grains d'une quantité appelée "action" (quantité équivalent au produit d'une énergie et d'un temps), mais aussi à la fois corpusculaires et ondulatoires.

Rappelons que bosons et fermions se distinguent parce que les premiers s'agglomèrent en grand nombre que les seconds ne le peuvent pas. Les premiers ne cessent de se multiplier pendant que les seconds se conservent...

Les bosons comme les fermions peuvent être captables par un appareil à notre échelle (on les dit alors « réels ») ou non captables mais détectables par leurs effets (on les dit alors « virtuels »).

On pouvait croire avoir des dualités réel/virtuel, onde/corpuscule, boson/fermion et on trouve finalement des unités dialectiques des contraires !!!

Des heurts entre des fermions donnent des bosons et des couples de bosons se transforment en fermions.

Les bosons et fermions dits réels fonctionnent par unités de quanta, et leurs homogues virtuels fonctionnent par demi unités de quanta. Il en résulte qu'il suffit de fournir un demi quanta à une unité virtuelle pour qu'elle devienne réelle…

Par exemple, dans la liaison atomique la plus simple, celle qui lie le proton et l'électron dans l'atome d'hydrogène, on est en présence d'un photon virtuel de 13.6 eV.

Autre exemple, à un niveau beaucoup plus interne, on peut prendre celui du noyau de deutérium, la liaison nucléaire entre le proton et le neutron est représentée par un 'nuage' de particules élémentaires telles que les mésons Pi, les Kaons et d'autres aux noms plus ou moins exotiques.
On les dit virtuelles parce qu'elles prennent naissance aussi vite qu'elles disparaissent pour respecter le principe de conservation de l'énergie.

Les fluctuations électromagnétiques, et donc les photons virtuels qui en sont la contrepartie dans le langage des particules, furent mises en évidence dès 1940, par la mesure du décalage des raies spectrales de l'hydrogène (Lamb shift) dû à un très léger changement des niveaux d'énergie de l'atome correspondant, et par la découverte d'une minuscule attraction entre deux plaques conductrices (effet Casimir).

La notion de « virtuel » fait appel à des seuils appelés inégalités d'Heisenberg. Quand on est en dessous ou proche de de ces seuils, on est dans le virtuel. Ce qui est inférieur à un quanta h est du virtuel, c'est-à-dire un phénomène du vide quantique.

En microphysique, les particules échangent des photons lumineux pour interagir. Ce phénomène fondamental de la matière/lumière a été interprété pour la première fois par les diagrammes de Feynman de l'électrodynamique quantique. Il s'agit du seul mode de description connu des interactions entre particules via les photons lumineux. Il a été vérifié par un grand nombre de calculs qui sont les plus précis de toute la physique. Cependant, pour bien des physiciens, la réalité des interactions révélées par Feynman n'est pas encore reconnu unanimement. En effet, elles nécessitent de reconnaître dans le vide un nombre infini de particules, d'antiparticules et de photons éphémères, appelés « virtuels » parce qu'ils sont trop fugitifs pour être mis en évidence par des mesures supérieures au temps de Planck. Les virtuels ne peuvent donc être mesurés par la matière/lumière. Au cours d'une transformation de matière/lumière, elles sont insensibles mais sont nécessaires au calcul et on est amené à supposer qu'elles apparaissent et disparaissent. Nous allons voir qu'au contraire les diagrammes de Feynman ne montrent pas que les corpuscules virtuels apparaissent et disparaissent mais que ce sont les corpuscules matériels dits réels qui apparaissent et disparaissent ! Ceux qui existent réellement sont donc les particules du vide et l'aspect réel, durable, n'est qu'une apparence, effet des interactions.

Ainsi, l'interaction électromagnétique, dite coulombienne, est le produit d'échanges de photons dits virtuels et l'interaction nucléaire suppose également des échanges virtuels. Feynman explique ainsi dans son cours de physique (chapitre Mécanique quantique) que "on a l'habitude de dire qu'il y a échange d'un électron "virtuel" quand l'électron doit sauter à travers une région de l'espace où il y a une énergie négative. Plus précisément, un "échange virtuel" signifie que le phénomène implique une interférence quantique entre un état avec échange et un état sans échange.

Le photon, tout comme le corpuscule de matière, est un phénomène fondé sur le vide quantique. C'est un couplage d'une particule et d'une antiparticule qui a reçu une énergie suffisante pour que le phénomène reste durable alors que les couples virtuels du vide disparaissent. Le photon est un phénomène périodique dans lequel le cycle consiste dans la transformation : couple virtuel donne photon, puis redonne couple virtuel. Ce phénomène n'est durable que s'il correspond à un certain rapport entre espace et temps. C'est cela qui est appelé « vitesse de la lumière ». La signification de ce rapport distance sur temps est qu'il faut une certaine quantité de vide autour pour effectuer la transformation du cycle entre virtuel et photon avec suffisamment d'énergie. Dans ce sens, la lumière est, comme la matière, une forme d'organisation du vide inorganisé (ou moins organisé), qui permet une transmission durable de l'énergie alors qu'à la base les couples virtuels ne sont pas durables. La différence avec la durabilité de la matière (des particules), c'est que l'énergie est utilisée pour séparer durablement la particule de son antiparticule à laquelle elle restait attachée dans le vide. Cela se réalise par le fait que la particule réelle s'apparie avec une antiparticule proche au sein de son nuage (et devient ainsi virtuelle) et libère ainsi une autre particule qui passe ainsi de virtuelle à réelle. Le dipôle a été cassé par l'apport d'énergie appelé boson de Higgs.

Les particules (virtuelles comme réelles) ne se touchent pas. En effet, elles sont entourées de particules et antiparticules (du virtuel de virtuel ou du virtuel) qui constituent des couches électrisées successivement positives et négatives qui repoussent toute autre particule qui s'approcherait trop.

Quant aux photons qui couplent une particule et une antiparticule, ces nuages entourant chaque particule amènent la particule et l'antiparticule a s'attirer (électriquement) puis à se repousser du fait de la couche virtuelle électriquement opposée à la charge de la particule.

Contrairement à la matière/lumière qui fonctionne par unités entières de un quanta h, les fluctuations du vide ont lieu par demi quanta, h/2, en plus ou demi quanta en moins, qui correspondent à des particules et antiparticules virtuelles fusionnant en un photon virtuel puis se redécomposant en un couples particule/antiparticule virtuels (comme électron/positon ou quark/antiquark). Il suffit qu'une particule virtuelle reçoive l'énergie nécessaire pour devenir réelle. Il suffit qu'une particule réelle perde de l'énergie pour redevenir virtuelle. Cette énergie peut être portée par un photon lumineux. Du coup, un photon d'énergie suffisante rend réelle une particule virtuelle. Inversement, l'émission d'un photon rend virtuelle une particule réelle.

Par exemple, dans la liaison atomique la plus simple, celle qui lie le proton et l'électron dans l'atome d'hydrogène, on est en présence d'un photon virtuel de 13.6 eV.

couplage électron-photon (appelé vertex) : un électron peut émettre ou absorber un photon ; ce processus a une probabilité proportionnelle à la charge électrique de l'électron ;

propagateur du photon : un photon peut être émis à un point donné de l'espace-temps et absorbé à un autre ; la probabilité ne dépend que de la distance dans l'espace-temps entre les deux points ;

propagateur de l'électron : un électron peut être émis à un point donné de l'espace-temps et absorbé à un autre.

« Un premier électron émet un photon, le photon se propage puis se matérialise en une paire électron-positon qui se propagent puis s'annihilent pour se retransformer en un photon qui se propage et est finalement absorbé par un deuxième électron. Ce processus contient huit diagrammes élémentaires : quatre font intervenir le couplage électron-photon, deux le propagateur du photon et deux le propagateur de l'électron. (...) Trois diagrammes suffisent pour décrire tous les processus de l'électromagnétisme : couplage électron-photon (appelé vertex) : un électron peut émettre ou absorber un photon ; ce processus a une probabilité proportionnelle à la charge électrique de l'électron ; propagateur du photon : un photon peut être émis à un point donné de l'espace-temps et absorbé à un autre ; la probabilité ne dépend que de la distance dans l'espace-temps entre les deux points ; propagateur de l'électron : un électron peut être émis à un point donné de l'espace-temps et absorbé à un autre ; la probabilité est dans ce cas plus compliquée à décrire et elle dépend aussi de la masse de l'électron. Mais le calcul pose des problèmes apparemment insurmontables : il faut additionner les diagrammes de Feynman pris à tous les points de l'espace-temps. Or la somme sur toutes les paires de points de l'espace-temps de la boucle du diagramme représentant la propagation de la paire électron-positon donne un résultat infini. Il existe par ailleurs deux autres diagrammes de Feynman en boucle qui donnent des résultats infinis. (...) Autre exemple du problème des infinis : quelle est la force nécessaire pour mettre en mouvement un électron initialement au repos ? Conformément à la théorie de Maxwell, toute particule chargée accélérée émet des ondes électromagnétiques. Or, ces dernières agissent sur l'électron en le freinant. Le calcul de cette force de freinage selon la théorie de Maxwell donne un résultat infini. Il serait donc impossible de déplacer un électron, ce qui est bien sûr contredit par l'expérience ! Ce n'est qu'en 1949 que Julian Schwinger, Richard Feynman, Sin-Itiro Tomonaga et Freeman Dyson parviennent à résoudre ce problème des quantités infinies des diagrammes en boucle : ils le contournent en inventant une méthode de calcul ingénieuse appelée renormalisation. Elle introduit enfin les concepts quantiques de façon cohérente dans la théorie de Maxwell. Cette nouvelle théorie est appelée électrodynamique quantique. (...) L'électrodynamique quantique est valable jusqu'à une certaine distance minimale qu'on choisit plus ou moins arbitrairement : l'addition des diagrammes de Feynman en boucle sur tous les points de l'espace-temps s'arrête alors à cette distance. On évite ainsi les quantités infinies mais le résultat du calcul de ces diagrammes dépend de cette distance minimale. »

Les photons « réels » définissent l'espace et les photons « virtuels » définissent le temps. Près de la matière, un photon rencontre sans cesse des particules et sont absorbées par elles avant qu'un nouveau photon soit réémis. Ce processus d'absorption/émission définit une distance de libre (sans absorption) parcours moyen. Cette distance donne une échelle locale de l'espace. Lorsque l'on va du vide aux masses matérielles, cette distance diminue sans cesse. C'est un mouvement irréversible qui définit un sens d'écoulement du temps qui n'existe que près des masses matérielles. Dans le vide, il n'y a aucun sens d'écoulement du temps. Plus on s'approche d'une grande masse de matière, plus l'écoulement du temps est rapide (relativité d'Einstein). Les grands espaces quasiment vides qui séparent les galaxies connaissent un écoulement du temps beaucoup plus long. Conformément au fait que les photons lumineux réels qui en mesurent la distance se déplacent à vitesse globalement constante, c, cela signifie que la distance mesurée est plus grande. Plus la matière se concentre plus le vide s'étend. Plus se constituent des étoiles et des galaxies et plus l'univers pris dans son ensemble d'étend. C'est le vide qui grandit et non les distances au sein de la matière. Cela signifie que la gravitation est un effet global opposé à l'expansion et non une interaction liée à une structure du type onde/corpuscule. La gravitation découle donc du processus qui construit en permanence la mesure de l'espace-temps.

Ce qui caractérise la matière, c'est son existence durable. Ce qui caractérise le vide, c'est l'existence brève de ses quantons qui sont dits virtuels mais, rappelons-le, qui sont bel et bien réels. Ils sont seulement éphémères car ils s'accouplent très rapidement même si c'est en un temps aléatoire. Quand ils s'accouplent ils forment un photon. Qu'est-ce qui rend la particule de matière un peu plus « durable » ? C'est une particule virtuelle qui a reçu un boson de Higgs. Quelle hypothèse peut permettre de comprendre ce qui rend une telle particule un peu plus durable, c'est-à-dire qui retarde son accouplement avec un quanton virtuel du vide voisin ? Le fait que la matière constitue une espèce de trou au sein du vide quantique et retarde ainsi les accouplements possibles. D'où pourrait provenir ce « trou », cet isolement de la particule de matière, dite « particule réelle », par rapport aux particules du vide qui sont ses voisines, dites particules virtuelles ? La particule qui aurait reçu un boson de Higgs émettrait une onde de matière, dite onde de Broglie, qui repousserait les quantons virtuels voisins. Ce faisant, il y aurait modification du temps désordonné du vide. Le temps du vide est marqué par la durée moyenne d'accouplement des quantons virtuels. Ce temps serait modifié par la présence de la particule de masse (particule ayant reçu un boson de Higgs) du fait de l'écartement des particules virtuelles voisines. Le temps local tel que nous le connaissons (et non pas tel qu'il existe dans le vide quantique) serait dû à un retardement des interactions avec les quantons virtuels de l'environnement vide. Si une particule se trouve elle-même non dans un environnement vide mais dans un environnement de particules, une moyenne d'interactions avec les quantons virtuels va s'établir, menant à un temps moyen ou temps local. Le déplacement moyen d'une particule durant ce temps va également définir un espace. La matière durable (dite réelle) va ainsi définir un espace et un temps.

Pour subsister, la particule doit brutalement émettre un ou plusieurs photons par un processus qui est assimilable à un choc et par lequel la particule saute d'un état à un autre. Par l'émission de certains bosons (particules d'interaction), ceux du mécanisme de Higgs, la particule cède sa propriété de masse à la particule virtuelle voisine. Le virtuel devient réel et inversement, par une procédure assimilable au même type de choc et qui fonde une nouvelle structure. C'est par ce mécanisme de changement brutal que les caractéristiques de l'ancienne particule sont conservées. La conservation structurelle a eu lieu aux dépens de la matérialité de la particule. Cette dernière a disparu ou, plus exactement, ce n'est plus le même grain qui en est porteur. C'est au prix de cette disparition et de cette apparition que la matière se conserve au plan structurelle (conservation de la masse, de la charge, de l'énergie, etc).

Gilles Cohen-Tannoudji dans "La Matière-espace-temps" :

« La théorie classique de l'électromagnétisme constitue la base de toute l'expérimentation en physique des particules : accélération et détection mettent en jeu les interactions de particules chargées avec des champs électromagnétiques. Cela signifie qu'à l'origine du signal macroscopique obtenu par amplification se trouve toujours un signal microscopique de nature électromagnétique. On s'attend donc que le discontinu et le discret apparaissent dans la description des phénomènes électromagnétiques mettant en jeu des actions de l'ordre de h (constante de Planck). L'effet photoélectrique est justement une première manifestation de ce caractère discontinu. Cet effet consiste en la production d'un courant électrique par l'irradiation d'un métal photo-électrique par un faisceau lumineux. Ce courant correspond à l'arrachement d'électrons par le rayonnement. Le caractère discontinu de l'effet photoélectrique réside dans l'existence d'un seuil de fréquence. En dessous de ce seuil, l'effet photoélectrique ne se produit pas quelle que soit l'intensité du rayonnement. (…) De tels effets sont totalement incompréhensibles en théorie classique. L'interprétation proposée par Einstein en 1905 consiste à supposer que l'énergie du champ électromagnétique est transmise aux électrons grain par grain, par quanta. (…)

En théorie quantique, la force exercée entre deux charges électriques est due à l'échange de photons virtuels. Ces photons sont virtuels car leur existence est éphémère. (...) Des particules quantiques peuvent se trouver dans un état virtuel pendant des durées limitées par les inégalités d'Heisenberg. (...) Le nombre de photons ainsi échangés étant proportionnel au produit des deux charges, on retrouve ainsi la loi de Coulomb. Plus formellement on peut associer à un diagramme de Feynman, dans lequel une seule particule virtuelle est échangée, un potentiel effectif. (...) C'est le potentiel de la théorie classique. La nature attractive ou répulsive du potentiel dépend du signe des constantes de couplage à chacun des vertex du diagramme de Feynman. (...) On dit qu'il y a une transition virtuelle si le diagramme de Feynman comporte au moins une boucle. (...) L'électron n'est pas pensable sans son cortège de photons potentiels. (...) Toute la matière et toutes les interactions sont donc présents dans l'espace vide pourvu que l'on considère cet espace pendant des intervalles de temps suffisamment brefs. Un électron, vu au « microscope », manifeste des structures à toutes les échelles. Ces structures traduisent le caractère indissociable de l'électron et des quanta des champs de force qu'il émet puis réabsorbe. On a là un processus de type fractal. On peut donner un exemple de ce type de structures fractales. (…) L'équilibre entre la phase vapeur et la phase liquide de l'eau présente, dans les conditions de température et de pression voisines du point critique (P=221 bars, T=647°K), une particularité fascinante. Si on examine un échantillon d'eau placé dans ces conditions on observe des gouttes de liquide et des bulles de gaz. Au fur et à mesure que la résolution de l'appareil s'améliore, le phénomène se reproduit sans cesse : les phases liquides et gaz s'emboîtent les unes dans les autres et sont mêlées les unes dans les autres à toutes les échelles de distance. La nouvelle conception de l'élémentarité repose sur un « équilibre » quelque peu similaire : ainsi, ce qui apparaît comme un électron lorsqu'il est « vu » avec une résolution modeste se révèle émettre un photon virtuel ensuite réabsorbé. Avec une résolution encore meilleure, ce photon virtuel peut émettre une paire électron-positron qui se recombine ensuite ; ces paires ne peuvent être réelles car cela violerait le principe de la conservation de l'énergie. La durée de ces transitions virtuelles est limitée par les inégalités d'Heisenberg. (…) L'électron est ainsi habillé d'un nuage de charges positives et négatives. Ces paires virtuelles ont tendance à se polariser, c'est-à-dire à s'orienter vers l'électron, les charges positives masquant la charge nue de l'électron. (…)
En électrodynamique quantique, la force élémentaire entre deux particules de matière est décrite par le diagramme de Feynman d'échange d'un photon virtuel. Mais les transitions virtuelles introduisent des corrections radiatives (purement quantiques) qui peuvent être évaluées grâce à la théorie de la renormalisation. Ces corrections sont interprétées physiquement comme une polarisation du vide : le photon virtuel se matérialise en une paire électron-positron qui s'annihile pour redonner un photon virtuel. Cette polarisation du vide produit un effet d'écran : un électron numéro deux « voit » une charge électrique de l'électron numéro un « écrantée » par la polarisation du vide. C'est d'ailleurs dans cet effet d'écran que réside l'essentiel de la renormalisation : la charge « nue » de l'électron est infinie, c'est la polarisation du vide par les paires électron-positron (qui vivent le temps des transitions virtuelles) qui écrante, renormalise cette charge et en fait une charge physique, finie, effective, dépendant de la résolution.
En électrodynamique quantique donc, le vide est assimilé à un milieu diélectrique, polarisable par les fluctuations quantiques, capable d'écranter la charge électrique. La charge renormalisée décroît quand la distance croît. (…)
Une question lancinante persiste : pourquoi la charge électrique est-elle quantifiée et non continue, et pourquoi la charge des protons qui eux sont formés de quarks (qui a priori n'ont pas grand-chose en commun avec les électrons) est-elle juste opposée à la charge électrique des électrons ? (…) Une voie paraît possible pour tenter d'expliquer la quantification de la charge électrique, c'est la voie de l'unification. (…) Regrouper quarks et leptons dans une même représentation signifie qu'il existe une symétrie dont découlent à la fois les interactions des quarks et celles des leptons. C'est donc qu'il existe une description unifiée des interactions fortes, faibles et électromagnétiques. (…)
Dans l'histoire du cosmos, des transitions de phase, s'accompagnant de brisures de symétries ont différencié les particules et leurs interactions, et produit le germe de toute la variété des structures actuellement présentes dans l'univers. (…) Le vide quantique (c'est-à-dire l'état d'énergie minimale) passe par une série de transitions de phase : déconfinement des quarks et des gluons, annulation de la masse des bosons intermédiaires, annulation de la masse des leptoquarks vers dix puissance 15 gigaélectronvolts. A ce niveau, les différentes interactions deviennent indiscernables. Les particules, qui ne peuvent être différenciées que par la manière dont elles interagissent, deviennent à leur tour indiscernables. »

Paul Davies écrit dans "Les forces de la nature" :

« Le lecteur ne doit pas s'imaginer que ce nuage de photons virtuels autour d'un électron n'est qu'un gadget heuristique. Ces photons ont des effets réels, mesurables, bien que faibles en raison de la petitesse du couplage. (...) Toutes les particules quantiques existent sous forme virtuelle, pas seulement les photons. Par exemple, une paire virtuelle électron-positron peut apparaître brièvement, avant de s'annihiler dans les limites permises par les relations d'incertitude. Un photon peut ainsi se convertir soudain en une telle paire au cours de son voyage. Cela implique que deux photons peuvent se diffuser mutuellement via l'interaction de telles paires virtuelles électron-positron, processus impossible en physique classique où les faisceaux lumineux se pénètrent sans se perturber. Le fait que tous les photons, réels aussi bien que virtuels, passent une partie de leur vie sous forme d'une paire électron-positron conduit à un effet intéressant appelé polarisation du vide. Les photons virtuels qui entourent toute particule chargée contiennent des paires virtuelles électron-positron. Si la particule centrale est un électron, par exemple, sa charge électrique aura tendance à attirer les positrons virtuels et à repousser les électrons virtuels. Cette polarisation a un effet d'écran sur la charge centrale, et la charge effectivement perçue au loin est plus faible que la charge réelle de l'électron. (...) Le champ magnétique de l'électron est une autre confirmation importante de l'existence de photons virtuels. Le nuage virtuel modifie légèrement le moment magnétique…

La théorie quantique du champ électromagnétique doit pouvoir décrire bien plus que la simple émission ou absorption de photons. Quand deux particules chargées interagissent à distance et s'attirent ou se repoussent, les forces qui perturbent leur mouvement sont d'origine électromagnétique. Deux particules de même charge s'approchant l'une de l'autre, soumises à une force de répulsion mutuelle, sont déviées (processus appelé diffusion). L'explication classique de la diffusion est qu'il y a un transfert continu d'énergie et d'impulsion entre les deux particules via le champ électromagnétique et ce transfert est cause de la déviation des trajectoires. La description quantique de ce processus ne peut pas faire appel à de tels concepts, car les particules quantiques comme les électrons ne suivent pas des trajectoires bien définies et la propagation d'énergie et d'impulsion doit être décrite en termes d'échanges de photons. (…) Des particules de charges opposées s'attirent également en échangeant un photon. La force de répulsion (ou d'attraction) entre des particules chargées peut se calculer comme un effet du transfert de photons virtuels entre elles.

Pour distinguer un photon « ordinaire », qui possède une énergie et une impulsion bien définies, des photons éphémères échangés au cours d'une diffusion, ceux-ci sont appelés virtuels. Les photons virtuels ne sont pas vus explicitement dans une diffusion. Les photons virtuels ne sont pas vus explicitement dans une diffusion : il s'agit d'un arrangement strictement privé entre les particules chargées en jeu. Nous pouvons considérer ces photons virtuels comme des messagers, porteurs de la force électromagnétique. En général, un photon virtuel peut vivre pendant un laps de temps égal à la constante de Planck divisée par l'énergie du photon, soit l'inverse de sa fréquence. Pendant ce temps, le photon virtuel parcours une distance égale à la vitesse de la lumière c divisée par la fréquence, soit une longueur d'onde. Cela diffère beaucoup d'un photon réel qui se détache complètement de l'électron qui l'émet et peut voyager très loin, jouissant d'une existence autonome. Les photons virtuels décrivent le champ à proximité d'une charge électrique, tandis que les photons réels appartiennent au champ lointain (le rayonnement). Les photons virtuels ne privent pas de façon permanente un électron d'énergie, des photons réels le peuvent. Nous pouvons considérer ces photons virtuels comme des messagers, porteurs de la force électromagnétique. En général, un photon virtuel peut « vivre » pendant un laps de temps égal à la constante de Planck h divisée par l'énergie empruntée, ici celle d'un photon soit constante de Planck fois la fréquence, donc ce laps de temps est l'inverse de la fréquence du photon. Pendant cette durée de vie, le photon parcourt une distance égale à la vitesse de la lumière c fois le temps, donc c divisé par la fréquence égale une longueur d'onde. Cela diffère beaucoup d'un photon réel qui se détache complètement d'un électron et peut voyager très loin, jouissant d'une existence autonome. Les photons virtuels décrivent le champ à proximité d'une charge électrique, tandis que les photons (dits réels) appartiennent au champ lointain (le rayonnement). Les photons virtuels ne privent pas de façon permanente un électron d'énergie, des photons réels le peuvent. Nous pouvons identifier les photons virtuels au champ électrostatique, qui décroit comme l'inverse du carré de la distance de la particule chargée, et les photons réels au rayonnement électromagnétique qui décroit plus lentement, comme l'inverse de la distance, et voyage donc au loin. (…) En raison de la relation d'incertitude temps-énergie, il est impossible de dire quelle est la particule qui, dans une diffusion, émet le photon virtuel et quelle est celle qui l'absorbe. L'ordre dans lequel se produisent ces deux événements proches ne peut être déterminé. (…) Un photon virtuel ne peut voyager au-delà d'une longueur d'onde et il est donc inutilisable pour transporter les messages. Seuls les photons réels transportent une information. (…) Un électron isolé peut être considéré comme émettant et réabsorbant continuellement des photons virtuels, dans les limites permises par les relations d'incertitude. Chaque électron est enveloppé d'un essaim de photons virtuels qui bourdonnent autour de lui de façon éphémère. Cela est aussi vrai de toutes les particules chargées. Les photons virtuels qui enveloppent un électron lui sont étroitement liés par le principe d'incertitude, et ne s'aventurent jamais très loin. Si pourtant l'électron venait à disparaitre, les photons virtuels n'auraient plus rien pour les retenir et s'en iraient au loin comme les photons réels. Une disparition soudaine d'un électron n'est pas aussi improbable qu'il le semble : nous savons que s'il venait à rencontrer un positron, il s'annihilerait avec lui. Nous pouvons donc considérer les rayons gamma produits par l'annihilation d'un électron et d'un positron comme le résidu des photons virtuels que ces particules emportaient toujours avec elles, et que leur soudaine disparition a libéré. (…) Le lecteur ne doit pas considérer que ce nuage de photons virtuels autour d'un électron n'est qu'un gadget heuristique. Ces photons ont des effets réels, mesurables bien que faibles en raison de la petitesse du couplage. L'un des plus célèbres est le léger décalage qui apparaît dans les niveaux d'énergie de tous les atomes, de l'hydrogène en particulier et que l'on appelle le décalage de Lamb. Il est dû à la perturbation apportée par le noyau, chargé électriquement, au nuage de photons virtuels qui entoure l'électron, perturbation qui change un tout petit peu l'énergie de l'électron. Toutes les particules quantiques existent sous forme virtuelle, pas seulement les photons. Par exemple, une paire virtuelle électron-positron peut apparaître brièvement, avant de s'annihiler dans les limites permises par les relations d'incertitude. Un photon peut ainsi se convertir soudain en une telle paire au cours de son voyage. Cela implique que deux photons peuvent se diffuser mutuellement via l'interaction de telles paires virtuelles électron-positron, processus impossible en physique classique où les faisceaux lumineux se pénètrent sans se perturber. Le fait que tous les photons, réels aussi bien que virtuels, passent une partie de leur vie sous forme d'une paire virtuelle électron-positron conduit à un effet intéressant appelé la polarisation du vide. Les photons virtuels qui entourent toute particule chargée contiennent des paires virtuelles électron-positron. Si la particule centrale est un électron, par exemple, sa charge électrique aura tendance à attirer les positrons virtuels et à repousser les électrons virtuels. Cette polarisation a un effet d'écran sur la charge centrale, et la charge effectivement perçue au loin est plus faible que la charge réelle de l'électron. (...) Même en l'absence de particules réelles, l'espace apparemment « vide » est rempli d'un ferment de particules virtuelles de toutes sortes. En fait, les jongleries des particules réelles peuvent être considérées comme une simple écume sur un océan d'activité frémissante du vide.
Le champ magnétique de l'électron est une autre confirmation importante de l'existence de photons virtuels. Le nuage virtuel modifie légèrement le moment magnétique.
(…) Pourquoi les autres forces de la nature ne seraient-elles pas décrites de la même façon ? Yukawa fit dès 1935 une première tentative ne ce sens, pour décrire la force nucléaire forte. (…) Nous avons expliqué que l'échange d'un photon virtuel conduit à une force entre particules chargées électriquement. Yukawa suggéra que tout proton ou neutron était entouré d'un nouveau type de champ, auquel il se couple via une « charge nucléaire », tout comme un électron se couple au champ électromagnétique via une charge électrique. Ce nouveau champ a des quanta d'excitation (des particules virtuelles) analogues aux photons, et l'échange de ces particules virtuelles entre neutrons et protons engendre une force attractive. (…) Opérant par quanta virtuels, l'interaction entre deux particules ne peut avoir lieu au-delà de la distance maximale que peuvent parcourir ces quanta. Ces limites sont fixées par les inégalités d'Heisenberg qui disent qu'un quantum d'énergie E a une durée de vie h (constante de Planck) divisé par deux fois pi fois E et peut donc parcourir une distance c fois plus grande (c étant la vitesse de la lumière) avant d'être absorbé. Dans le cas électromagnétique, l'énergie E peut être aussi faible que l'on veut : il suffit de considérer des photons virtuels de très basse fréquence. C'est pour cela que la force électromagnétique a une très grande portée, l'énergie de l'interaction diminuant comme l'inverse de la distance, et la force comme l'inverse du carré de la distance. Pour obtenir une force de courte portée, Yukawa supposa que les quanta du nouveau champ nucléaire avaient une masse m. De cette façon, l'énergie E à emprunter pour créer un quantum virtuel est au moins égale à mc², et le principe d'incertitude ne permet pas à ce dernier d'exister plus d'un temps de h divisé par deux pi fois mc² avant d'être réabsorbé. (…) La portée de la force est à peu près h divisé par deux pi fois mc. (…) La masse doit être environ trois cent fois la masse de l'électron. Les quanta du champ nucléaire furent appelés des mésons. Plus tard on les appelé mésons pi ou pions. (…) Les particules chargées électriquement sont entourées d'un nuage de photons virtuels. De même, les protons et les neutrons sont entourés d'un nuage de mésons virtuels, dont certains portent une charge électrique. La preuve directe de l'existence de ce nuage vient de la diffusion d'électrons (insensibles à la force nucléaire) sur les mésons virtuels chargés par interaction électromagnétique. Cet essaim tourbillonnant de charges électriques crée un champ magnétique. La théorie de quarks complète aujourd'hui cette explication. (…) La durée de vie du neutron, de l'ordre du quart d'heure, est extrêmement longue selon les standards nucléaires, ce qui signifie qu'elle est l'œuvre d'une force très faible. La quatrième force connue de la nature est donc appelée l'interaction faible, par opposition à l'interaction forte. (…) Un neutron et un antineutrino pénètrent dans une région d'interaction très localisée et en émergent sous la forme d'un proton et d'un électron. (…) Yukawa suggère que cette transmutation est due à l'échange d'un nouveau type de particule messagère (quantum virtuel d'un champ) appelé W. (…) On annonça début 1983 la découverte du W, avec une masse environ 80 fois supérieure à celle du proton. (…) Nous avons dit que le pion était instable et se désintégrait. Le principal mode de désintégration des pions est sous forme d'un muon (ou d'un antimuon) plus un neutrino ou un antineutrino. (…) En fait, le muon a été découvert avant le pion en 1937. (…) Le muon lui-même est instable en un électron ou un positron plus un neutrino et un antineutrino. (…) Des particules comme le pion se désintègrent au bout d'un temps très court. Le pion zéro par exemple se désintègre en moins d'un dix-millionième de milliardième de seconde. (…) A comparer avec le temps mis par la lumière pour traverser un proton ou un neutron : un milliard de fois moins que cette durée. (…) La base de la théorie des quarks est très simple :il faut trois quarks pour former un baryon, soit un quark s'unit à un antiquark pour former un méson. (…) Il existe six sortes de quarks (on dit six saveurs) : u, s, d, c, t, et b). (…) La formation et la désintégration des particules s'expriment en termes de quarks. Dans la désintégration du neutron, un quark d est remplacé par un quark, ce qui fait que udd donne uud, soit un neutron se transforme en un proton plus un positron et un antineutrino. (…) Si les quarks sont liés, il doit bien y avoir une force qui les attire les uns vers les autres, une force extrêmement forte. L'interaction entre quarks et entre nucléons est appelée la force forte. (…) les quarks existent sous trois formes différentes qu'on a appelé couleurs : rouge, vert et bleu. (…) La théorie qui incorpore toutes ces caractéristiques de la force entre quarks est la Chromodynamique quantique ou QCD. (…) Nous avons expliqué que la charge d'un électron polarise le vide en attirant les positrons virtuels et en repoussant les électrons virtuels dans l'espace autour de lui. Cela écrante sa charge, diminuant la force effective ressentie à distance. Un effet semblable de polarisation se passe autour d'un quark, mais cette fois il met en jeu la couleur au lieu de la charge électrique. La charge de couleur d'un quark attire les antiquarks virtuels de l'anticouleur appropriée. Le vide contient aussi des gluons virtuels, qui participent aussi à la polarisation puisqu'ils sont colorés, mais leur effet est au contraire de renforcer la charge de couleur au lieu de l'écranter. Les gluons l'emportent sur les quarks, et le résultat net est que la charge effective de couleur augmente au lieu de diminuer. Pour deux quarks très proches, l'effet anti-écran est évité, expliquant le confinement des quarks.

Les physiciens pensent que le vide peut être rempli de paires de particules « virtuelles », comme des électrons et des positrons, qui se créent et s'annihilent rapidement ensuite[78]. La combinaison de la variation d'énergie nécessitée pour créer ces particules, et du temps pendant lequel elles existent reste en-dessous du seuil de détectabilité exprimé par le principe d'incertitude de Heisenberg. Pratiquement, l'énergie demandée pour créer les particules, , peut être « empruntée » au vide pour une durée, dans la mesure où le produit n'est pas plus grand que la constante de Planck réduite ħ ≈ 6,6×10-16 eVs. Donc pour une paire électron-positron virtuelle, est au plus de 6,6×10-22 s[79].
Tandis qu'une paire virtuelle électron-positron subsiste, la force coulombienne du champ électrique ambiant entourant un électron fait que le positron est attiré par ce dernier, tandis que l'électron de la paire est repoussé. Ceci provoque ce que l'on appelle polarisation du vide. En fait, le vide se comporte comme un milieu ayant une permittivité diélectrique supérieure à l'unité. Donc la charge effective d'un électron est plus faible que sa valeur nominale, et la charge diminue quand la distance à l'électron augmente. Cette polarisation a été confirmée expérimentalement en 1997 en utilisant l'accélérateur de particules japonais TRISTAN. Les particules virtuelles provoquent un effet de masquage comparable pour la masse de l'électron.

L'interaction avec des particules virtuelles explique aussi la légère déviation (environ 0,1%) entre le moment magnétique intrinsèque de l'électron et le magnéton de Bohr (le moment magnétique anomal). La précision extraordinaire de l'accord entre cette différence prévue par la théorie et la valeur déterminée par l'expérience est considérée comme une des grandes réussites de l'électrodynamique quantique.

En physique classique, le moment angulaire et le moment magnétique d'un objet dépendent de ses dimensions physiques. Il paraît donc incohérent de concevoir un électron sans dimensions possédant ces propriétés. Le paradoxe apparent peut être expliqué par la formation de photons virtuels dans le champ électrique engendré par l'électron. Ces photons font se déplacer l'électron de façon saccadée (ce qui s'appelle Zitterbewegung en allemand, ou mouvement de tremblement) qui résulte en un mouvement circulaire avec une précession. Ce mouvement produit à la fois le spin et le moment magnétique de l'électron. Dans les atomes, cette création de photons virtuels explique le décalage de Lamb (Lamb shift) observé dans les raies spectrales.

En électrodynamique quantique, l'interaction électromagnétique entre particules est transmise par des photons. Un électron isolé, qui ne subit pas d'accélération, ne peut pas émettre ni absorber un photon réel : ceci violerait la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement. Par contre, des photons virtuels peuvent tranférer de la quantité de mouvement entre deux particules chargées. C'est cet échange de photons virtuels qui, en particulier, engendre la force de Coulomb. Une émission d'énergie peut avoir lieu quand un électron en mouvement est défléchi par une particule chargée, comme un proton. L'accélération de l'électron résulte en émission de rayonnement continu de freinage (Bremsstrahlung en allemand). Une courbe montre le mouvement de l'électron ; un point rouge montre le noyau, et une ligne ondulée le photon émis Ici, le bremsstrahlung est produit par un électron e défléchi par le champ électrique d'un noyau atomique. Le changement d'énergie E2 — E1 détermine la fréquence f du photon émis. »

Maurice Jacob, dans « Au cœur de la matière » :

« L'interaction électromagnétique correspond à l'échange de photons qui se couplent aux particules chargées en fonction de la charge électrique, quelle que soit celle qui la porte… Prenons un électron absorbant un photon. Nous sommes déjà assez familiers avec les mécanismes quantiques pour savoir que le vide est animé par la création continuelle et la disparition rapide de paires électron-positron. Ce sont des paires virtuelles mais cela va compliquer notre processus d'absorption qui ne demande qu'un temps très bref durant lequel ces paires virtuelles ont bien le temps de se manifester. L'électron, de charge négative, va ainsi attirer les positrons de ces paires virtuelles en repoussant leurs électrons. « Approchant » de l'électron, le photon va ainsi le « voir » entouré d'un « nuage » de charge positive dû aux positrons virtuels attirés… C'est une version quantique de l'effet d'écran… Revenons à notre électron absorbant un photon tout en s'entourant d'un nuage virtuel contenant plus de positrons que d'électrons… Il se trouve que, dans le calcul quantique, l'effet principal peut être conçu comme la transformation du photon en une paire électron-positron, qu'il réabsorbe avant l'interaction. C'est le terme dominant de l'effet d'écran. »

Physique atomique et moléculaire, leçon inaugurale de Claude Cohen-Tannoudji

Processus d'interaction entre photons et atomes

Au cœur de la matière de Maurice Jacob

Quelles idées de la physique quantique changent fondamentalement notre vision du monde ?

Robert Paris, Tiekoura Levi Hamed — 2022-01-14T23:05:00Z

Quelles idées de la physique quantique changent fondamentalement notre vision du monde ?

Nous allons, dans cet article, à l'encontre non des thèses actuelles en physique quantique ou en physique tout court, ou même simplement en philosophie des sciences, mais en termes de conception générale de la société. Il importe en effet de rappeler que, dans le monde actuel, c'est-à-dire dans le monde capitaliste en déliquescence et en effondrement historique, on nous dit qu'aucune compréhension théorique du monde n'a d'importance : seules compteraient, selon la thèse dominante, les capacités technologiques et financières ! Nous ne partageons nullement ce point de vue qui est celui d'une société en voie de pourrissement et de disparition, et continuons, contre vents et marées, à examiner imperturbablement la raison objective qui fait fonctionner le monde… Et nous continuons donc à étudier les grandes idées comme principal levier de changement du monde.

Comme le disait Victor Hugo, « Il existe une chose plus puissante que toute les armées du monde, c'est une idée dont l'heure est venue. »

Et, comme le disait Karl Marx, « une idée devient force quand elle s'empare des masses »…

Venons-en au changement renversant qu'a représenté la physique quantique et examinons si ce changement est toujours aussi renversant pour la pensée de l'homme sur le monde.

Il convient de remarquer que, si la révolution des quanta en Physique est assez ancienne, ses conséquences fondamentales sont encore peu connues, peu développées et encore moins diffusées dans le grand public.

Que la matière/lumière et le vide soient faits de quanta n'en est qu'un bref résumé qui est loin d'exprimer tous les concepts renversants qu'a entraîné cette Physique. Bien sûr, c'est un point fondamental et il exprime le caractère fondamentalement discontinu de l'Univers. Mais il exprime aussi son caractère révolutionnaire, ce qui signifie que le changement brutal est le fondement de tout. En effet, quel changement plus brutal et radical que le passage d'une propriété de masse d'un quanta réel à un quanta virtuel qui devient ainsi réel ? Quel changement plus brutal et radical que la transformation de matière en vide et de vide en matière ?

Quel renversement radical et brutal des anciens concepts que de dire que le vide, la lumière et la matière sont du même monde. Quel autre changement tout aussi radical et brutal que de dire que la seule réalité du monde réel est dans le monde dit virtuel ?

Quelle image entièrement nouvelle de la particule de matière que celle d'un centre réel qui saute sans cesse d'une particule virtuelle à une autre, centre entouré de particules et antiparticules virtuelles qui l'emmaillotent d'un nuage successivement électriquement chargé positivement et négativement, par couches en pelure d'oignon ! Rien à voir avec l'ancienne conception de la particule individuelle, seule dans un univers vide qui l'entoure et avec lequel elle n'échangerait que de l'énergie !

Une des conséquences philosophiques de la Physique quantique doit aussi être appréciée en termes de hasard et de nécessité, de déterminisme et d'indéterminisme, de capacité de connaissance par l'homme de la nature ou d'incapacité, de limites de l'univers connu, de limites des connaissances par la mesure, etc.

Non seulement, certains ont attribué la loi de Heisenberg d'indéterminisme à une limite objective de la connaissance, mais ils ont été souvent plus loin en niant l'existence de l'objet de cette connaissance, à savoir une matière objective totalement indépendante de celui qui l'observe et certains ont été jusqu'à dire que l'observateur crée l'observé !

Bien des gens ont affirmé que l'un des résultats philosophiques de la physique quantique consisterait à renoncer, de manière agnostique, à toute compréhension globale du monde, et même à tout discours philosophique sur la matière. Nous ne partageons pas, là non plus, leur avis comme on le constatera aisément…

Ces gens-là, qu'ils soient scientifiques ou philosophes, ou simple commentateurs des sciences, affirment que la matière quantique n'existe que si elle est observée. On se souvient qu'un tel adage révoltait Einstein qui affirmait que la matière quantique est comme la lune, elle existe même sans qu'un observateur la regarde !

On peut dire aussi que des écoles de pensée issues de la physique quantique ont développé des arguments en faveur de l'indéterminisme et même contre le matérialisme. Là non plus, nous ne suivons pas ce chemin… Les uns ont conclu que la matière n'existait pas ou était de l'ordre de l'inconnaissable ou devait être abandonnée à la Métaphysique, toute vérité sur la matière, autre que Mathématique, quittant selon eux le champ de la Physique.

D'autres ont vu dans la philosophie issue de la quantique un bouddhisme ou une autre sorte de métaphysique, indienne ou pas…

Il faut dire que la physique quantique a eu diverses étapes avant de parvenir à sa version actuelle et que les philosophies liées aux premières versions de la physique quantique sont souvent liées à la conception erronée dite « de l'école de Copenhague ». Celle-ci affirmait que le formalisme mathématique était le seul langage qui pouvait comprendre la physique quantique. Aucun discours en langue humaine ne pouvait, selon ses auteurs, décrire ce qui se passait au sein de la physique quantique. Cela aussi nous semble faux…

Alors, quelles idées nous semblent déterminantes après la révolution quantique ? Est-ce l'existence des quanta (on remarquera d'ailleurs sur ce point qu'il n'existe pas seulement des quanta de Planck mais aussi des quanta de charge électrique !) ? Est-ce le paradoxe de la mesure ? Est-ce la complémentarité onde/corpuscule ? Ou encore la disparition brutale de l'onde quand le corpuscule est capté, encore appelé réduction du paquet d'ondes ? Ou encore, est-ce l'inexistence de distinction individuelle des particules en contact appelée non-séparabilité ? Ou encore d'autres contradictions apparentes ou réelles découvertes avec la Physique quantique ?

En fait, c'est tout cela à la fois et aucun de ces mystères en particulier. C'est tout simplement que la Physique quantique est philosophiquement absurde si on refuse de raisonner en termes de dialectique hégélienne mais matérialiste ! En effet, ce qui est contradictoire dans les découvertes de la Physique quantique n'est contradictoire qu'au sens dialectique et non au sens diamétral.

Or, l'immense majorité de ceux qui discutent ou ont discuté du contenu en termes de concepts de la Physique quantique ignoraient la dialectique hégélienne ou en avaient retenu si peu de choses qu'ils étaient bien incapables de la retrouver dans les contradictions quantiques.

Bien des notions anciennes en Physique ont été bouleversées par la physique quantique : la continuité des trajectoires dans les déplacements d'objets physiques, la notion même d'objet physique, la continuité en général, l'existence même de trajectoires, l'opposition diamétrale entre corpuscule et onde, l'opposition diamétrale entre réel et virtuel, l'opposition diamétrale entre objets éphémères et durables, l'opposition diamétrale entre matière et lumière, l'opposition diamétrale entre vide et matière, l'opposition diamétrale entre matière et énergie, l'opposition diamétrale entre matière et antimatière, l'opposition diamétrale entre espace et temps, et on en passe…

Ce qui est révolutionnaire, renversant, bouleversant même dans la Physique quantique, c'est bel et bien qu'elle illustre de manière saisissante la dialectique de Hegel. Nous l'avions déjà écrit dans d'autres articles mais il ne nous semble pas inutile de le rappeler alors que la quantique a pénétré tous les domaines des sciences et pas la seule physique !

Et de rappeler aussi que la Physique, ce n'est pas seulement des expériences, des calculs et des techniques et des retombées technologiques, ce sont des concepts philosophiques. Et pour les hommes de demain qui n'en resteront sans doute pas aux limites imposées par le système capitaliste, c'est très fondamental.

Il n'y a bien entendu rien d'étonnant que la science et la philosophie officiels ne veuillent pas se rendre compte de l'importance de la dialectique hégélienne, vu que sa principale interprétation matérialiste a été celle de Marx et que le cauchemar des classes possédantes reste attaché à ce nom et est la révolution sociale !

La suite

Le quanta ou la mort programmée du continu en physique

Robert Paris — 2021-01-21T23:05:00Z

La notion de molécule a déjà représenté la fin de la continuité de la matière, comme le relevait le chimiste August Kékulé : "Dans les réactions chimiques il existe une quantité qui y entre et qui en sort en plus petite proportion et jamais dans une fraction de cette proportion. Ces quantités sont les molécules définies chimiquement."

La notion de quanta avancée par Planck et Einstein a donné une tout autre signification à la discontinuité de la matière. Ce n'est pas la masse (ni l'énergie) qui contient un nombre entier de quantités élémentaires. C'est un produit de l'énergie et du temps qui est en un nombre entier de grains. Cette quantité s'appelle l'action. Que l'action soit quantitfiée signifie que ce n'est pas seulement la masse de matière qui est discontinue mais aussi les interactions. On n'est pas loin déjà à l'époque de considérer que la lumière (les grains appelés photons) mais aussi l'espace, le temps et le vide (les photons virtuels) sont eux aussi quantifiés, nouveau saut qualitatif que la physique quantique va devoir réaliser, abandonnant complètement le vieil idéal de continuité...
"Contrairement à ce que l'on entend souvent dire, le discontinu que Planck découvre ici (avec les quanta) affecte non la matière, mais les interactions. (...) Les calculs de Planck montrent que les échanges d'énergie électromagnétique sont portés par des grains, alors qu'on les croyait continus. (...) Ce que Planck découvre, c'est que dans toute interaction il y a échange et, de plus, qu'il existe un échange minimum au-dessous duquel il n'y a plus d'interaction. (...) C'est à Planck que revient le mérite d'avoir porté le premier "une-deux" contre la continuité. En 1905, Einstein conclut le "une-deux" de Planck par un uppercut décisif : il attribue au rayonnement lui-même, et non plus seulement aux échanges d'énergie, une structure corpusculaire. Le rayonnement, essentiellement discontinu, est, d'après lui, formé d'une ensemble de corpuscules transportant chacun un quantum d'énergie. (...) Le rayonnement n'est pas émis d'une manière continue." écrit Etienne Klein dans "Regards sur la matière"

Etienne Klein et Bernard D'Espagnat rajoutaient dans "Regards sur la matière" : "Le quantum, nous le verrons, a une valeur minuscule, mais l'idée du quantum est devenue aussi incontournable qu'un mastodonte. C'est bien la preuve qu'on peut être à la fois fantomatique et esssentiel. Vérité des paradoxes, arguait déjà Zénon d'Elée."

Gilles Cohen-Tannoudji explique dans "Le temps et sa flèche" (ouvrage collectif dirigé par Etienne Klein et Michel Spiro :

"L'inégalité d'Heisenberg marque l'irruption du discontinu là où on ne l'attendait pas, dans les interactions. Alors que le discontinu était accepté dans la matière, puisque c'est essentiellement le fondement de l'hypothèse atomique, on pensait que les interactions relevaient complètement du continu. C'est effectivement la pensée du continu qui constitue le fondement de la théorie de la gravitation universelle de Newton, et la théorie de l'électromagnétisme de Maxwell est une théorie ondulatoire, et quoi de plus continu qu'une onde ou un champ ? Ni la relativité restreinte ni la relativité générale n'y changent rien : en physique classqiue, les interactions relèvent entièrement du continu. or le quantum d'action est fondamentalement un quantum d'interaction : il n'y a pas d'interaction que si est mise en jeu une action au moins égale au quantum d'action. Il faut donc admettre l'idée que, de même qu'il y a des particules élémentaires de matière, les fermions, il doit y avoir des particules élémentaires d'interaction. Et, de fait, il est avéré que les interactions fondamentales sont bien portées, véhiculées, transmises, par d'authentiques particules élémentaires, les bosons. le photon est le boson de l'interaction électromagnétique, les bosons W+, W- et Z° sont les bosons de l'interaction faible et les gluons les bosons de la chromodynamique quantique (l'interaction forte au niveau des quarks)."

La matière/lumière et les quanta

Expériences de physique quantique, le film

La physique quantique, le film

Henri Poincaré dans « Dernières pensées » :

« On ne se demande plus seulement si les équations différentielles
de la Dynamique doivent être modifiées, mais si les lois du mouvement pourront encore être exprimées par des équations différentielles. Et ce serait là la révolution la plus profonde que la Philosophie Naturelle ait subie depuis
Newton. Le clair génie de Newton avait bien vu (ou cru voir, nous commençons à nous le demander) que l'état d'un système mobile, ou plus généralement celui de l'univers, ne pouvait dépendre que de son état immédiatement antérieur, que toutes les variations dans la nature doivent se faire d'une manière continue.
Certes, ce n'était pas lui qui avait inventé cette idée : elle se trouvait dans la
pensée des anciens et des scolastiques, qui proclamaient l'adage : Natura non
facit saltus ; mais elle y était étouffée par une foule de mauvaises herbes qui
l'empêchaient de se développer et que les grands philosophes du XVIIe siècle ont fini par élaguer.
Eh bien, c'est cette idée fondamentale qui est aujourd'hui en question ; on
se demande s'il ne faut pas introduire dans les lois naturelles des discontinuités, non pas apparentes, mais essentielles (…)

CONCLUSIONS

On voit quel est l'état de la question ; les anciennes théories, qui semblaient
rendre compte jusqu'ici de tous les phénomènes connus, se sont heurtées à un
obstacle inattendu. Il a semblé qu'une modification s'imposait. Une hypothèse
s'est d'abord présentée à l'esprit de M. Planck, mais tellement étrange qu'on était
tenté de chercher tous les moyens de s'en affranchir ; ces moyens, on les a
vainement cherchés jusqu'ici. Et cela n'empêche pas que la nouvelle théorie
soulève une foule de difficultés, dont beaucoup sont réelles et ne sont pas de
simples illusions dues à la paresse de notre esprit qui répugne à changer ses
habitudes.
Il est impossible pour le moment, de prévoir quelle sera l'issue finale ;
trouvera-t-on une autre explication entièrement différente ? Ou bien, au
contraire, les partisans de la nouvelle théorie parviendront-ils à écarter les obstacles empêchent de l'adopter sans réserve ? La discontinuité va-t-elle régner sur l'univers physique et son triomphe est-il définitif ? »

Louis de Broglie, dans « La physique nouvelle et les quanta » :

« Sans quanta, il n'y aurait ni lumière ni matière et, s'il est permis de paraphraser un texte évangélique, on peut dire que rien de ce qui a été fait n'a été fait dans eux. »

Le physicien Léon Lederman :

« Si l'électron est un point, où se trouve la masse, où se trouve la charge ? Comment savons-nous que l'électron est un point ? Peut-on me rembourser ? »

L'électron n'a pas une position fixe : sa charge tremble, sa masse saute d'un point à un autre, son nuage de polarisation interagit avec le voisinage.... Cela définit diverses "dimensions" de l'électron. S'il est capté, il est ponctuel. Sa masse est ponctuelle. Sa charge est ponctuelle. S'il interagit, il est considéré par l'autre objet comme une zone de dimension non nulle. les divers es dimensions ont entre elles un rapport égal à la constante de structure fine alpha. Voilà les résultats de la physique quantique sur la "particule élémentaire".

Qu'est-ce que l'atome, l'élémentaire, l' « insécable » ? Un nuage de points à de nombreuses échelles ! Ces points sont les particules électrisées, dites virtuelles, qui composent le vide. La propriété de masse de l'électron saute d'une particule virtuelle du nuage à une autre.

La lumière est constituée par deux (ou un nombre pair) particules virtuelles d'électricité opposées.

Le vide, avec ses divers niveaux hiérarchiques, est donc le constituant de base de l'univers matière/lumière.

Le caractère probabiliste de l'électron provient du fait qu'il n'est pas un seul objet mais un ensemble de niveaux emboîtés fondés sur l'agitation du vide.

La propriété de dualité de la particule élémentaire (se comportant à la fois comme un corpuscule et comme une onde) a été l'une des interrogations les plus difficiles de la physique quantique. L'onde et le corpuscule sont deux descriptions très opposées de la réalité et pourtant la matière comme la lumière se sont révélés être à la fois corpusculaires et ondulatoires. A la fois ne signifie pas que l'on peut effectuer en même temps une expérience qui donne les deux résultats. Par contre, dès que l'on effectue une expérience donnant un résultat du type onde, on obtient une onde. Et, à chaque fois que l'on effectue une expérience du type corpuscule, on obtient un corpuscule. De là a découlé une interprétation selon laquelle c'était l'observation par l'homme qui décidait de la nature du réel…
En fait, la dualité provient du caractère fractal de la particule. Celle-ci existe à plusieurs échelles. Si l'on mesure à une échelle, on obtient un résultat à cette échelle. On perd, du coup, le résultat trouvé à une autre échelle.
Si l'expérience effectue une mesure sur le nuage de polarisation, on obtient un résultat ondulatoire. Si on interagit avec le point matériel, on obtient un résultat corpusculaire qui prouve que l'électron est bien ponctuel et est bien un seul être. Mais cet être existe simultanément aux différents niveaux. Par contre, dès que le corpuscule est capté, dans un temps extrêmement court, le nuage disparaît. En effet, au niveau où se situent les particules virtuelles, la limite de vitesse de la lumière n'a plus cours. C'est la « réduction du paquet d'ondes » qui a tellement compliqué la vie des physiciens quantiques.
On peut interpréter ainsi l'ensemble des propriétés, souvent apparemment étranges, de la particule dite élémentaire, l'électron.
Les physiciens avaient, depuis longtemps, remarqué qu'il y avait un problème pour en comprendre la nature. Comme le relève Abraham Pais dans « Subtle is the lord », probablement la meilleure biographie d'Einstein, « Tout ce qui reste de ceci (des travaux de Abraham, Lorentz, Poincaré, Einstein,… sur l'auto-énergie de électron), c'est que nous ne comprenons toujours pas ce problème. » Certains physiciens théorisent même l'impossibilité de se le représenter Margenau (1961) : « Les électrons ne sont ni des particules, ni des ondes (…) Un électron est une abstraction, qui ne peut plus être décrite par une image intuitive correspondant à notre espérance de tous les jours mais déterminé au travers de formules mathématiques. » Mais, comme Einstein le disait à Wheeler : « Si je ne peux pas l'imaginer, je ne peux pas le comprendre. » Et Einstein affirmait : « Vous savez, il serait suffisant de réellement comprendre l'électron. » En 1991, la conférence internationale sur l'électron de Antigonish écrivait encore : « Nous sommes réunis ici pour discuter de nos connaissances actuelles sur l'électron. (…) Il est étrange de constater quelle masse énorme de technologie est fondée sur l'électron sans que nous soyons capable de comprendre cette particule. »

Ces remarques provenaient de nombreuses difficultés théoriques pour interpréter les phénomènes observés. L'interprétation qui en est donnée ici est celle du caractère fractal de l'électron. Elle explique notamment les sauts quantiques de la particule et de l'atome. Il y a un saut à chaque interaction entre niveaux de réalité de la particule. Le saut d'échelle explique le saut du phénomène. Par exemple, l'électron ne suit pas une trajectoire, mais saute d'une position à une autre. Cette discontinuité provient du fait que l'électron ne se déplace pas dans un espace continu, mais interagit avec les particules virtuelles du vide. Le « simple » déplacement est déjà le produit de ce caractère fractal. Il en va de même sur les interaction entre particules de matière, entre matière et lumière, et, plus généralement, entre matière et vide.
Quant au caractère probabiliste de la particule, si étrange que son découvreur Einstein n'arrivait à l'accepter, il n'existerait pas si on était capable d'étudier simultanément la réalité à toutes les échelles.
On a beaucoup disserté sur l' « incertitude » inhérente à la physique quantique, limite prétendue des capacités de l'homme de connaître le monde ou même, disent certains, preuve que le réalisme matérialiste devrait être abandonné. En fait, c'est bien le caractère fractal du réel qui cause cette indétermination quand on mesure à une échelle.
Ce que les physiciens ont remarqué, c'est qu'en mesurant ou raisonnant à une échelle, on ne doit pas chercher à dépasser une certaine précision. Sinon on n'améliore pas notre image, on la détériore mais ils se demandaient pourquoi. On a dit bien souvent que c'était contraire à notre expérience quotidienne et au bon sens. Je ne le crois pas. Quand on lit un texte, on se rapproche un peu pour lire correctement, mais si on se rapproche trop, on voit moins bien. Il y a une échelle favorable pour lire et on ne peut pas lire à la fois à toutes les échelles. De même, on ne peut pas avoir une carte à l'échelle qui permette à la fois d'indiquer plusieurs villes éloignées et les rues de ces villes. Il faut choisir. Est-ce que cela signifie que la carte choisit ce que sera la réalité ? Non, cela signifie seulement que la réalité existe à plusieurs échelles suffisamment différentes pour ne pas pouvoir être examinées simultanément.
Le nuage de polarisation qui entoure l'électron est constitué d'éléments d'un monde inférieur qui est le monde des particules virtuelles caractérisées par deux propriétés liées entre elles : pas de masse et pas d'espace-temps tel que nous le connaissons à notre échelle macroscopique ni tel qu'il existe (localement) dans l'environnement d'une masse. Ces particules sont électrisées positivement ou négativement et s'ordonnent dynamiquement autour de l'électron par couches positives et négatives alternativement, écrantant ainsi le champ de la charge électrique à proximité de l'électron. Cela explique qu'aucune charge électrique ne peut s'approcher au point de toucher l'électron. Il y a toujours des couches de particules virtuelles entre deux particules « réelles ». Rappelons une fois de plus que les particules dites virtuelles sont tout aussi réelles que celles dites réelles mais sont situées à un autre niveau de réalité. Elles ne sont pas les seules puisqu'existent à un niveau encore inférieur le « virtuel de virtuel ». Ainsi deux particules virtuelles sont elles-mêmes entourées, à un niveau hiérarchique inférieur, de particules électrisées. Ces mondes ne sont pas seulement emboités. Les niveaux sont interactifs. Et même plus puisque chaque niveau émerge du niveau inférieur. Les particules « réelles » sont des structures portées par des particules virtuelles qui reçoivent un boson de Higgs. Lorsque la particule virtuelle devient porteuse de masse, elle construit autour d'elle un champ d'espace-temps, elle structure l'espace-temps désordonné du niveau virtuel.
Le nuage de polarisation tourne du fait du magnétisme par l'action du mouvement de l'électron. C'est ce que l'on appelle le spin de l'électron. Mais les couches positives et négatives ne tournent pas de la même manière car l'électron est chargé négativement. Cela explique qu'il faille de tour pour revenir à la situation de départ, ce que l'on appelle un spin ½.
La charge de l'électron est ponctuelle. Sa masse est ponctuelle. Pourtant, les expériences montrent également qu'elles ne sont jamais exactement au même endroit, d'où des propriétés de rotations internes de la structure électron. Cette différence provient du fait que le saut de l'électron ne produit pas la même réaction aux diverses échelles d'espace-temps. La masse bouge plus lentement que les bosons. Elle met plus de temps pour se déplacer. Elle va donc moins loin. Cela produit plusieurs mouvements différents. Le nuage de positions de la charge est beaucoup plus ample que celui de la masse : le rapport appelé « constante de structure fine » est le rapport d'échelle des différents mondes hiérarchiques emboîtés est donc aussi le rapport entre les temps ou les distances. C'est donc aussi le rapport entre les différents « rayons de l'électron ». Alors que la masse tremblote autour de sa position (propriété appelée « zitterbezegung »), la charge s'étend sur toute une zone.

Henri Poincaré écrit dans « Leçons sur le rayonnement thermique » :
« L'hypothèse des quanta d'action consiste à supposer que ces domaines, tous égaux entre eux ne sont plus infiniment petits, mais finis et égaux à h, h étant une constante. »

Théorème de Joseph Liouville, rapporté par Jean-Paul Auffray dans « L'atome » :
« La densité de points dans le voisinage d'un point donné dans l'extension de phase est constante dans le temps. »

Enoncé de Poincaré, dans « l'hypothèse des quanta » :

« L'énergie est égale au produit de la fréquence par l'élément d'action. (...) Le quantum d'action est une constante universelle, un véritable atome. (...) Un système physique n'est susceptible que d'un nombre fini d'états distincts ; et il saute d'un de ces états à l'autre sans passer par une série continue d'états intermédiaires. (...) l'ensemble des points représentatifs de l'état du système est une région (...) dans laquelle les points sont si serrés qu'ils nous donnent l'illusion de la continuité. (...) ces points représentatifs isolés ne doivent pas être distribués dans l'espace de façon quelconque (...) mais de telle sorte que le volume d'une portion quelconque de matière demeure constant. (...) L'état de la matière pondérable pourrait varier d'une manière discontinue, avec un nombre fini d'états possibles seulement. (...) L'univers sauterait donc brusquement d'un état à l'autre ; mais dans l'intervalle, il demeurerait immobile, les divers instants pendant lesquels il resterait dans le même état ne pourraient plus être discernés l'un de l'autre : nous arriverions ainsi à la variation discontinue du temps, à l'atome de temps. (...) Si plusieurs points représentatifs constituent un domaine élémentaire insécable dans l'extension en phase, alors les états du système que ces points représentent constituent nécessairement, eux aussi, un seul et même état. »

Jean-Paul Auffray dans « L'atome » :
« Richard Feynman demandait à son fils : « Lorsqu'un atome fait une transition d'un état à un autre, il émet un photon. D'où vient le photon ? » (…) Dans la terminologie de Feynman, le quantum est un photon virtuel. »

Lochak, Diner et Fargue dans « L'objet quantique » :

« La théorie des quanta s'est développée simultanément de deux manières différentes. La première consiste à mettre en avant l'existence d'états discontinus dans le monde microphysique et de transitions entre ces états. La seconde consiste plutôt à mettre en avant le fait que les propriétés corpusculaires et ondulatoires (…) se trouvent mêlées l'une à l'autre dans tous les domaines. Les deux façons s'imbriquent donc étroitement. (…) Planck introduisit dans la physique un élément de discontinuité, là où la continuité semblait devoir régner. D'après lui, un atome ne pouvait absorber petit à petit, continûment, de l'énergie lumineuse : il ne pouvait le faire que par paquets, par quanta, dont la valeur extrêmement petite, mais quand même finie, était déterminée par une constante qu'il désigna par h : la célèbre constante de Planck. (…) L'hypothèse des quanta voulait dire cette chose étrange que le mouvement des atomes n'évolue pas continûment mais par bonds discontinus : comme si une fusée ne pouvait s'élever progressivement au dessus de la terre vers n'importe quelle orbite et ne pouvait atteindre que certaines orbites particulières en sautant brusquement de l'une à l'autre. »

Louis de Broglie, dans « La physique nouvelle et les quanta » :

« Sans quanta, il n'y aurait ni lumière ni matière et, s'il est permis de paraphraser un texte évangélique, on peut dire que rien de ce qui a été fait n'a été fait dans eux. On conçoit donc quelle inflexion essentielle a subi le cours du développement de notre science humaine le jour où les quanta, subrepticement, s'y sont introduits. Ce jour-là, le vaste et grandiose édifice de la physique classique s'est retrouvé ébranlé jusque dans ses fondements, sans, d'ailleurs, qu'on s'en soit rendu tout d'abord bien compte. (…) Fidèle à l'idéal cartésien, la physique classique nous montrait l'univers comme analogue à un immense mécanisme susceptible d'être décrit avec une entière précision par la localisation de ses parties dans l'espace et leur modification au cours du temps, mécanisme dont l'évolution pouvait en principe être prévue avec une rigoureuse exactitude quand on possédait un certain nombre de données sur son état initial. Mais une telle conception reposait sur certaines hypothèses implicites que l'on admettait presque sans s'en apercevoir. Une de ces hypothèses était que le cadre de l'espace et du temps dans lequel nous cherchons presque instinctivement à localiser toutes nos sensations est un cadre parfaitement rigide et déterminé où chaque événement physique peut, en principe, être rigoureusement localisé indépendamment de tous les processus dynamiques qui s'y déroulent. Dès lors, toutes les évolutions du monde physique sont nécessairement représentées par des modifications des états locaux de l'espace au cours du temps, et c'est pourquoi dans la science classique les grandeurs dynamiques, telles que l'énergie et la quantité de mouvement, apparaissent comme des grandeurs dérivées construites à l'aide du concept de vitesse, la cinématique servant ainsi de base à la dynamique. Tout autre est le point de vue de la physique quantique. L'existence du quantum d'action, sur lequel nous aurons si souvent à revenir dans le cours de cet ouvrage, implique en effet une sorte d'incompatibilité entre le point de vue de la localisation dans l'espace et dans le temps et le point de vue de l'évolution dynamique ; chacun de ces points de vue est susceptible d'être utilisé pour la description du monde réel, mais il n'est pas possible de les adopter simultanément dans toute leur rigueur. La localisation exacte dans l'espace et dans le temps est une sorte d'idéalisation statique qui exclut toute évolution et tout dynamisme ; l'idée d'état de mouvement prise dans toute sa pureté est par contre une idéalisation dynamique qui est en principe contradictoire avec les concepts de position et d'instant. La description du monde physique dans les théories quantiques ne peut se faire qu'en utilisant plus ou moins l'une ou l'autre de ces deux images contradictoires. (…) Il est néanmoins parfaitement légitime de se servir de la cinématique quand on étudie des phénomènes à grande échelle ; mais pour les phénomènes à l'échelle atomique où les quanta jouent un rôle prépondérant, on peut dire que la cinématique, définie comme l'étude du mouvement faite indépendamment de toute considération dynamique, perd complètement sa signification. (…) La mécanique et la physique classiques ont été édifiées pour rendre compte des phénomènes qui se jouent à notre échelle et elles sont aussi valables pour les échelles supérieures, les échelles astronomiques. Mais, si l'on descend à l'échelle atomique, l'existence des quanta vient limiter leur validité. Pourquoi en est-il ainsi ? Parce que la valeur du quantum d'action mesurée par la fameuse constante de Planck est extraordinairement petite par rapport à nos unité usuelles, c'est-à-dire par rapport aux grandeurs qui interviennent à notre échelle. (…)

Les équations de la dynamique classique du point matériel expriment que le produit de la masse du point matériel par l'une quelconque des composantes rectangulaires de son accélération est égale à la composante correspondante de la force. (…) Ce résultat exprime que la dynamique classique du point matériel est entièrement en accord avec le postulat du déterminisme physique, postulat selon lequel l'état futur du monde matériel doit être entièrement prévisible quand on possède un certain nombre de données sur son état présent.
Une autre remarque est intéressante à faire ici. Le point matériel étant supposé ponctuel, sa trajectoire est une ligne qui n'explore dans l'espace à trois dimensions qu'un continu à une dimension. (…) Il n'explore le champ de force que le long de sa trajectoire. (…) En mécanique classique, les accidents topologiques qui peuvent exister dans l'espace à des distances finies de la trajectoire d'un point matériel ne peuvent aucunement influer sur son mouvement. Plaçons, par exemple, sur la trajectoire d'un point matériel, un écran percé d'un trou. Si la trajectoire passe vers le centre du trou, elle ne sera aucunement perturbée par l'accident topologique que constitue la présence de l'écran. (…) Il est inconcevable, en mécanique classique, que le mouvement du point matériel traversant le trou en question dépende du fait qu'il y ait ou pas d'autres trous dans l'écran. L'on comprend tout de suite l'importance de ces remarques pour une interprétation corpusculaire de l'expérience des trous de Young et l'on pressent que la mécanique ondulatoire doit apporter de nouveau sur ce point. (…) Les ondulations lumineuses traversant sans difficulté les espaces vides, ce n'est pas la matière qui les transmet. Quel est donc le support de ces ondes, quel est le milieu dont la vibration constitue la vibration lumineuse ? Telle est la question qui se posait aux protagonistes de la théorie des ondulations. (…) L'éther envisagé comme un milieu élastique doit être un milieu infiniment plus rigide que l'acier car il ne peut transmettre que des vibrations transversales et cependant ce milieu si rigide n'exerce aucun frottement sur les corps qui le traversent et ne freine aucunement le mouvement des planètes. (…) Après avoir montré que le rotationnel du champ magnétique est égal à la densité du courant électrique, donnant ainsi naissance à l'électromagnétisme, (…) Maxwell, après avoir écrit les lois générales des phénomènes électriques, s'aperçut de la possibilité de considérer la lumière comme une perturbation électromagnétique. Par là, il a fait rentrer toute la science de l'optique à l'intérieur des cadres de l'électromagnétisme, réunissant ainsi deux domaines qui semblaient entièrement distincts. (…) La théorie électromagnétique de Maxwell fournissait des équations représentant exactement à notre échelle la liaison entre les champs électromagnétiques mesurables d'une part, les charges et les courants électriques d'autre part. Obtenues en réunissant en un seul système formel le résultat des expériences macroscopiques, leur valeur était incontestable dans ce domaine. Mais pour décrire le détail des phénomènes électriques au sein de la matière et à l'intérieur des atomes, pour prévoir les rayonnements émis ou absorbés par les particules matérielles ultimes, il fallait extrapoler les équations de Maxwell et leur donner une forme applicable à l'étude des phénomènes de l'échelle atomique et corpusculaire. C'est ce que fit, avec plus de hardiesse qu'il ne peut paraître au premier abord, un des grands pionniers de la physique théorique moderne, H.A. Lorentz.

Lorentz prit comme point de départ l'idée d'introduire dans les équations de l'électromagnétisme la structure discontinue de l'électricité. (…) En opérant des moyennes sur les phénomènes microscopiques élémentaires, on peut repasser des équations de Lorentz aux équations de Maxwell. (…) La théorie des électrons, édifiée sur les bases que nous venons d'esquisser, a conduit à d'importants succès pour la prévision d'un grand nombre de phénomènes. Elle a d'abord permis de retrouver l'interprétation des lois de la dispersion. Elle a ensuite, et cela a été sans doute son plus important succès, permis de prévoir d'une façon exacte l'effet Zeeman normal, c'est-à-dire la façon dont les raies spectrales émises par un atome sont affectées dans le cas le plus simple par la présence d'un champ magnétique uniforme. (…) La théorie des électrons a aussi paru apporter la solution d'un problème capital : l'origine de l'émission des rayonnements par la matière. D'après les équations de Lorentz, un électron animé d'un mouvement rectiligne et uniforme transporte avec lui globalement son champ électromagnétique et, par suite, il n'y a dans ce cas aucune émission d'énergie dans l'espace environnant. Mais si le mouvement d'un électron comporte une accélération, on peut démontrer qu'il y a émission d'une onde électromagnétique et l'énergie ainsi perdue à chaque instant par l'électron est proportionnelle au carré de son accélération. (…) Si l'on veut interpréter le rayonnement des atomes par le mouvement des électrons intra-atomiques, il faut supposer qu'à l'état normal les électrons intérieurs à l'atome sont immobiles ; sans quoi, obligés de se mouvoir à l'intérieur du très petit domaine de l'atome, ils seraient forcément animés de mouvements très accélérés et émettraient constamment de l'énergie sous forme de rayonnement, ce qui serait contraire à l'idée même de stabilité de l'atome. (…)

L'origine de la théorie des quanta est dans les recherches faites vers 1900 par M. Planck sur la théorie du rayonnement noir. (…) Si l'on considère une enceinte maintenue à température uniforme, les corps maintenus dans cette enceinte émettent et absorbent du rayonnement et il finit par s'établir un état d'équilibre (…) Kirchoff a montré que cet état d'équilibre est unique et correspond à une composition spectrale parfaitement déterminée du rayonnement enfermé dans l'enceinte. De plus, la composition de ce rayonnement dépend uniquement de la température de l'enceinte. (…) Il est souvent appelé du nom assez incorrect de « rayonnement noir » correspondant à cette température. (…) M. Planck avait commencé par reprendre l'étude de la question en imaginant que la matière est formée d'oscillateurs électroniques, c'est-à-dire d'électrons susceptibles d'osciller autour d'une position d'équilibre sous l'action d'une force proportionnelle à l'élongation. (…) M. Planck put apercevoir que l'inexactitude de la loi de Rayleigh provient du rôle trop grand que jouent, dans l'image classique des échanges d'énergie entre oscillateurs et rayonnement, les oscillateurs de haute fréquence. (…) M. Planck a eu alors l'idée géniale qu'il fallait introduire dans la théorie un élément nouveau, entièrement étranger aux conceptions classiques, qui viendrait restreindre le rôle des oscillateurs de haute fréquence, et il a posé le fameux postulat suivant : « La matière ne peut émettre l'énergie radiante que par quantités finies proportionnelles à la fréquence. » Le facteur de proportionnalité est une constante universelle, ayant les dimensions d'une action mécanique. C'est la célèbre constante h de Planck. Mettant en jeu cette hypothèse d'aspect paradoxal, Planck a repris la théorie de l'équilibre thermique et trouvé une nouvelle loi de répartition spectrale du rayonnement noir à laquelle son nom est resté attaché. (…)

Peu à peu, l'importance fondamentale de l'idée de Planck apparut. Les théoriciens s'aperçurent que la discontinuité traduite par l'hypothèse des quanta est incompatible avec les idées générales qui servaient jusqu'alors de bases à la physique et exigeait une révision complète de ces idées. (…) Pour trouver une forme générale de sa théorie, Planck a dû renoncer à l'hypothèse primitive des quanta d'énergie et lui substituer l'hypothèse des quanta d'action (produit d'une énergie par un temps ou d'une quantité de mouvement par une longueur)

(...) Mais la méthode de quantification de Planck ne s'appliquait qu'aux mouvements pour la description desquels une seule variable suffit. (...) D'autre part, si la théorie électromagnétique sous la forme de Lorentz était réellement applicable aux particules élémentaires d'électricité, elle permettrait de calculer sans aucune ambiguïté les rayonnements émis par un atome du modèle planétaire de Rutherford-Bohr. (...) l'atome perdant constamment de l'énergie sous forme de radiation, ses électrons viendraient tous très rapidement tomber sur le noyau et la fréquence des rayonnements émis varierait constamment d'une façon continue. l'atome serait instable et il ne pourrait exister des raies spectrales à fréquences bien définies, conclusions absurdes. Pour éviter cette difficulté essentielle, M. Bohr a admis que l'atome dans ses états stationnaires ne rayonne pas, ce qui revient à nier la possibilité d'appliquer la théorie électromagnétique du rayonnement au mouvement orbital des électrons sur leurs trajectoires stables. (..) Bohr a résolu la question des fréquences des raies spectrales grâce à l'hypothèse que chaque transition entre états quantifiés s'accompagne de l'émission d'un quantum d'énergie radiante. (...) En d'autres termes, d'après la théorie quantique, l'émission des raies spectrales d'un corps simple est discontinue et procède par actes individuels isolés. »

Louis de Broglie, dans « Nouvelles perspectives en Microphysique »

« En 1927, je la considérais (l'onde pilote, dite « onde de Broglie ») comme une solution avec singularité des équations linéaires admises par la Mécanique ondulatoire pour l'onde Phi (onde dite « de probabilité de présence » par la physique quantique). Diverses considérations, et en particulier le rapprochement avec la théorie de la Relativité générale, m'ont fait penser que la véritable équation de propagation de l'onde de Broglie pourrait être non-linéaire comme celles que l'on rencontre dans la théorie de la gravitation d'Einstein, équation non-linéaire qui admettrait comme forme approximative l'équation linéaire de la Mécanique ondulatoire quand les valeurs de l'onde de Broglie seraient assez faibles. (…) Malheureusement ce changement de point de vue ne facilite pas la résolution des problèmes mathématiques qui se posent car, si l'étude des solutions à singularités des équations linéaires est souvent difficile, celle des solutions des équations non-linéaires est plus difficile encore. (…) Einstein a beaucoup insisté sur une propriété importante des équations non-linéaires. Si les équations d'un certain champ sont linéaires, on peut toujours trouver une solution à singularités de ces équations telle que la singularité ait un mouvement prescrit à l'avance. On pourra d'ailleurs ajouter à la solution à singularité une solution continue et cette adjonction n'aura aucune influence sur le mouvement de la singularité. Il n'en est plus du tout de même si les équations du champ sont non linéaires car on ne peut plus alors obtenir une solution en ajoutant plusieurs solutions : la non-linéarité crée une sorte de solidarité entre des solutions qui auraient été indépendantes si l'approximation linéaire avait été valable partout. Cette non linéarité explique que la singularité et l'onde de Broglie ne soient pas indépendantes comme elles le seraient s'il y avait linéarité et qu'elles restent en phase. (…) De plus, la non-linéarité, peu sensible dans le corps du train d'ondes, peut réapparaître sur leurs bords où les groupes de dérivées de l'onde de Broglie pourrait prendre de grandes valeurs ; il y a là aussi une circonstance qui peut s'opposer à l'étalement des trains d'ondes. Il apparaît donc qu'une théorie non linéaire des ondes de Broglie pourrait permettre d'obtenir des « groupes d'ondes sans étalement » représentant par exemple un corpuscule qui se déplacerait d'un mouvement rectiligne et uniforme sans perdre son onde (…) Nous avons vu que dans la théorie des ondes de Broglie, comme dans l'interprétation relativiste de la gravitation, la non-linéarité des équations de base doit jouer un rôle essentiel et seul pouvoir expliquer la solidarité de l'onde et du corpuscule. Nous sommes actuellement arrivés à l'image suivante. Un train d'ondes de Broglie, constituant un corpuscule au sens large du mot, serait une sorte d'unité étendue et organisée, un peu analogue à une « cellule » dans l'acception biologique du terme. Il comprendrait en effet essentiellement les trois parties suivantes : 1° une sorte de noyau, la région singulière, le corpuscule au sens étroit du mot, siège de phénomènes essentiellement non linéaires ; 2° une région environnante étendue, siège d'un phénomène sensiblement linéaire ; 3° une enveloppe constituant les bords des trains d'ondes où la non-linéarité jouerait peut-être à nouveau un rôle important. Or, ce me semble être l'intervention des phénomènes non linéaires qui donnerait à cette « cellule » son unité, sa solidarité et sa permanence.
S'il est vrai que la non-linéarité soit la véritable clef de la Microphysique corpusculaire, on comprend aisément pourquoi la Physique quantique actuelle n'est pas parvenue à écrire le dualisme onde-corpuscule et a dû se contenter d'une description uniquement statistique et probabiliste des phénomènes de l'échelle atomique. Prenant a priori pour base des équations linéaires et ne sortant pas du domaine de l'analyse linéaire, la théorie actuelle fait disparaître les accidents locaux dus à la non-linéarité (tels que les régions singulières et éventuellement les bords abrupts de trains d'ondes), elle efface ainsi les structures corpusculaires et, incapable de saisir la véritable relation entre onde et corpuscule, elle ne peut plus aboutir qu'à des images continues à caractère statistique. (…) L'onde continue (…) ne comportant aucune région singulière (…) ne décrit pas vraiment la réalité physique. »

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"La manifestation des phénomènes énergétiques, s'effectuant par sauts ou paliers, est essentiellement discontinue".

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Le gradualisme a reçu des chocs majeurs, en évolutionnisme avec la découverte des explosions de biodiversité des plans d'organisation comme à Burgess et à Ediacara, en structure de la matière avec la notion d'atome, d'agitation moléculaire et, en physique, avec la découverte par Faraday du nombre entier de lignes de flux du champ électrique traversant une surface, et surtout, avec, en microphysique, l'invention par Planck et Einstein des quanta – notion discontinue par excellence -, ainsi que l'étude des « transitions de phase » [1] en macrophysique permettant de sauter d'un état dans un autre et, enfin, le développement des connaissances sur la radioactivité naturelle montrant que les sauts de la matière microscopique ont des conséquences à notre échelle. Ces deux domaines des sciences (évolution de la vie et physique) qui étaient obligés de reconsidérer leur vision continue de l'univers allaient être suivis de nombreux autres. A chaque fois, il s'agissait de revenir à des nombres entiers d'unités, à des concepts discrets, à des phénomènes décrits comme des discontinuités. Les notions même d'espèce, d'ADN, de gène, de molécule, d'atome, de particule signalent de la même manière cette discontinuité fondamentale. On a une particule, un atome, une molécule, un nombre entier de ceux-ci. Sinon rien. Un quanta ou deux quanta, pas de terme intermédiaire. Un élément chimique ou un autre sans continuité entre eux. Réalisant le rêve des alchimistes, on sait aujourd'hui passer d'un élément à un autre de la classification de Mendeleïev, mais le passage est un saut : fusion ou fission nucléaire. Dans « La Recherche » de juillet 1970, Jacques Ruffié exposait « Le gène, élément discontinu ». La raison de fond de cette discontinuité est somme toute très simple : on n'a plus affaire qu'à des nombres entiers (de particules ou d'interaction). Ceux-ci ne peuvent décrire une réalité continue mais, au contraire, discrète. Ainsi, il n'y a pas toute une série d'étapes intermédiaires, très petites, qui précèdent l'émission radioactive brutale, l'explosion nucléaire ni le choc matière/antimatière qui sont tous des discontinuités. Il n'y en a pas non plus qui anticipent l'émission d'un photon par un atome ou par une particule de matière. Il en va de même lors de l'arrachage d'un électron à une molécule par un photon suffisamment énergétique (effet photoélectrique découvert et analysé par Einstein). Et, l'idée même de quanta de matière et de lumière a choqué par le caractère discontinu et non-linéaire de la causalité qu'ils découvraient. Citons par exemple le rapport d'Einstein au premier conseil de physique Solvay de 1911 : « Le résultat du paragraphe précédent peut se résumer ainsi : quand un corps échange de l'énergie par un mécanisme quasi périodique de fréquence µ, les propriétés statistiques du phénomène sont les mêmes que si l'énergie se déplaçait par quanta entiers de grandeur h fois µ. (...) Ces discontinuités qui rendent la théorie de Planck si difficiles à accepter semblent vraiment exister dans la nature. »

La principale découverte de la physique quantique en matière de discontinuité n'est pas le caractère discontinu de la matière ou de la lumière (les quanta). L'idée atomique la contenait déjà. C'est la découverte que les phénomènes fondamentaux de la matière sont fondés sur des sauts. Par exemple, l'électron saute brutalement d'un niveau à un autre de l'atome. S'il n'en était pas ainsi, l'électron rayonnerait de l'énergie et finirait pas chuter sur le noyau de l'atome. De nombreuses expériences comme l'émission de lumière par l'atome ou le choc de matière et de lumière ne peuvent s'expliquer que par un saut quantique. La discontinuité concerne non seulement la matière et la lumière mais aussi l'énergie et le mouvement. Ils sont tout aussi fondamentalement discontinus. Plus l'interaction concerne une importante quantité d'énergie, plus le caractère brutal et révolutionnaire du changement apparaît. Heisenberg rapporte ce dialogue dans « La partie et le tout, Le monde de la physique atomique » :
Bohr : « Nous savons déjà depuis vingt-cinq ans ce que signifie la formule de Planck. Nous voyons les discontinuités, les bonds, dans les phénomènes atomiques de façon très directe, par exemple sur un écran à scintillation ou dans une chambre de Wilson. Nous voyons un éclair se manifestant brusquement sur l'écran, ou encore le passage brusque d'un électron à travers la chambre de Wilson. Vous ne pouvez pas tout simplement ignorer ces phénomènes discontinus et faire comme s'ils n'existaient pas. »
Schrödinger : « Si ces damnés sauts quantiques devaient subsister, je regretterais de m'être jamais occupé de théorie quantique. »

Dans « Regards sur la matière », le physicien Etienne Klein rapporte le changement de point de vue qu'a représenté cette nouvelle physique : « Les calculs de Planck montrent que les échanges d'énergie électromagnétique sont portés par des grains, alors qu'on les croyait continus. Voilà la vraie révolution, qui ébranle la conviction que les physiciens avaient depuis Newton, selon laquelle on peut faire tendre une force vers zéro. (...) Max Planck fut extrêmement perturbé par sa propre conclusion. Il mit des années à accepter qu'il pouvait s'agir de quelque chose de plus profond qu'un simple artefact mathématique. C'est « dans le désespoir » (Max Planck, Physikalche Abhandlungen) qu'il vécut la perte – qui allait suivre – des instruments anciens de la raison et leur remplacement par des idées neuves. Sa constante injectait de la discontinuité dans des processus qui avaient toujours été perçus comme étant fondamentalement continus. (...) Planck fut aussi choqué que si on lui avait dit, par exemple, que la température d'un radiateur pouvait passer de dix à vingt degrés sans passer par aucune température intermédiaire ! Pourtant, il fallut bien se rendre à l'évidence (qui n'en était pas un) : le concept de continuité n'est pas un absolu. C'est à Planck que revient le mérite d'avoir porté le premier « une-deux » contre la continuité. (...) En 1905, Einstein conclut le « une-deux » de Planck par un uppercut décisif : il attribue au rayonnement lui-même, et non plus seulement aux seuls échanges d'énergie, une structure corpusculaire. Le rayonnement, essentiellement discontinu, est, d'après lui, formé d'un ensemble de corpuscules transportant chacun un quantum d'énergie. (...) Comment décrire le déroulement du processus d'émission (d'un photon par atome qui saute d'un état à un autre) si le champ rayonné sait d'avance ce que sera l'état final de l'atome ? A cette question, Bohr répondra qu'il faut renoncer à décrire le processus d'émission comme une histoire qui se déroule continûment dans le temps : il s'agit plutôt d'un bond, d'un « saut quantique », qu'il faut prendre comme un tout, sans chercher à l'analyser en étapes successives. »

L'exemple le plus connu d'intrusion brutale des concepts discontinus est bien la physique quantique. C'est même un problème de discontinuité qui lui a donné naissance : Planck avait constaté que la continuité était incompatible avec l'émission du corps noir, pourtant considérée jusque là comme un phénomène ondulatoire continu. « Les phénomènes du monde quantique ne sont pas continus mais abrupts. C'est pour cela qu'on les appelle « quantiques », d'un mot qui s'oppose à « continu ». Certains phénomènes ont lieu d'un coup, sans transition, comme par exemple l'émission d'un photon de lumière par l'atome. » expliquent les physiciens Georges Charpak et Roland Omnès dans « Soyez savants, devenez prophètes ». C'est l'existence de tels changements brutaux ayant lieu de façon discrète (unité par unité, sans fractionnement de l'unité), qui a amené la découverte des quanta. Les phénomènes quantiques, comme l'effet tunnel, l'effondrement du paquet d'ondes ou le saut quantique, sont inexplicables par une philosophie du continu.

Les physiciens Georges Lochak, Simon Diner et Daniel Fargue retracent ainsi dans « L'objet quantique » ce changement radical : « L'hypothèse des quanta voulait dire cette chose étrange que le mouvement des atomes n'évolue pas continûment mais par bonds discontinus : comme si une fusée ne pouvait s'élever progressivement au dessus de la Terre vers n'importe quelle orbite et ne pouvait atteindre que certaines orbites particulières en sautant brusquement de l'une à l'autre. (...) Einstein avait émis en 1905, à, partir des travaux de Planck, une hypothèse encore plus paradoxale que la sienne : il suppose que si les atomes absorbent et émettent l'énergie lumineuse par paquets, par quanta, c'est que ces quanta se trouvent déjà dans la lumière autrement dit les ondes lumineuses continues transportent leur énergie sous forme discontinue, concentrée dans des corpuscules de lumière, qu'on appelle photons. » Le quanta est la quantité minimale pour tout être physique du monde matière/lumière. Cela signifie que l'on ne peut passer que de un à deux, trois ou quatre … quanta. Il n'y a pas de quantité intermédiaire. Mais la physique quantique ne se contente pas de quantifier les objets, les particules et les ondes. Elle les mêle et, du coup, unifie l'univers par la discontinuité générale. Ainsi, elle permet de définir un temps minimum, le temps de Planck, et un espace minimum, la longueur de Planck. Il est impossible de rapprocher deux masses de moins de 10-33 cm et deux instants de moins de 10-43 secondes. La continuité de l'espace-temps n'est plus une image valable de l'univers. Le meilleur exposé du caractère novateur de cette nouvelle physique vient sans doute de son auteur. « Les postulats primitivement considérés comme la base évidente de toute théorie sérieuse furent remis en question plus tard (...) : le postulat de l'invariabilité des atomes, celui de l'indépendance réciproque du temps et de l'espace et celui de la continuité de toutes les actions dynamiques. » écrit le physicien Max Planck dans « Initiation à la physique ».

Avec la physique quantique, la discontinuité est devenue une propriété fondamentale de la matière. « L'hypothèse des quanta conduit à admettre qu'il y a dans la nature des phénomènes n'ayant pas lieu d'une manière continue mais brusquement et, pour ainsi dire, explosivement. » écrit le physicien Max Planck dans « Initiation à la physique ». « C'est pour essayer de retrouver la vérité sur des faits aussi simples mais fondamentaux que Planck introduisit dans la physique un élément de discontinuité là où la continuité semblait devoir régner. (...) L'hypothèse des quanta voulait dire cette chose étrange que le mouvement des atomes n'évolue pas continûment mais par bonds, et par bonds discontinus. » remarquent les physiciens Georges Lochak, Simon Diner et Daniel Fargue dans « L'objet quantique ». Autrefois, il y avait les corpuscules, existant un par un, de manière discontinue et les ondes, étendues et continues. En microphysique, que reste-t-il de ces images : rien. Les particules ne sont plus des objets exactement localisés et les ondes ne sont pas des ondes de type électromagnétique mais des ondes de probabilité de présence de la particule discrète. Résultat, le continu n'a plus de réalité physique. L'onde électromagnétique est elle aussi fondée sur des particules et des couples particules/antiparticules du vide, discontinus donc même si l'onde de probabilité rend floue leur point de présence. Partout on rencontre ces grains que l'on appelle discrets. L'expression ne réfère pas à leur timidité mais à leur caractère fondamentalement discontinu, existant seulement par unités entières, des grains. Il n'y a pas deux grains accolés. Ils ne peuvent même pas se toucher. Les états de ces grains sont également discrets. Cela signifie qu'un état ne suit pas exactement l'état voisin. Il y a un saut [2] entre les deux car les états intermédiaires sont impossibles. La révolution des quanta (ces grains discrets) touche aussi bien la matière que la lumière (sous le vocable duquel on entendra toujours l'ensemble des rayonnements électromagnétiques). La lumière se révèle elle-même constituée de nombres entiers de quanta. Ce sont des grains appelés les photons. Là encore le choc est fondamental. Finies les ondes continues ! On capte la lumière dans des appareils qui enregistrent les arrivées. Un grain puis un autre, etc… Même dans des expériences d'interférences, réputées caractéristiques de phénomènes ondulatoires continus, le physicien Feynman remarque que l'écran ne reçoit les photons qu'un par un. L'interférence n'est pas continue mais le produit collectif d'interactions individuelles. Alain Boutot souligne cet aspect granulaire et discret dévoilé par la physique quantique : « Dans le cadre de la physique quantique, les formes d'interaction ne se propagent pas sous forme d'ondes, mais par l'intermédiaire de particules qu'on appelle les « quanta de l'interaction ». Plus précisément, un système interagit avec un autre en échangeant avec lui une (ou plusieurs) particules d'un genre bien défini, variable selon le type de l'interaction. (...) Les photons sont ce que l'on appelle les quanta de l'interaction électromagnétique. (...) La fécondité du concept de quantum du champ électromagnétique a, en effet, incité les physiciens à supposer que toutes les interactions étaient véhiculées par des quanta appropriés. (...) C'est ainsi que le physicien japonais Yukawa a postulé en 1935 l'existence d'un quantum, le méson, qui serait responsable de l'interaction forte, et donc de la cohérence des nucléons. A la fin des années 1930, le physicien O Klein étendit le modèle de Yukawa aux interactions faibles. Il supposa que l'interaction faible, responsable des transitions béta, mettait en jeu des bosons lourds chargés W- et W+ qui étaient échangés par les particules en interaction. »

Avec la physique relativiste, on a appris qu'aucune interaction ne peut aller plus vite que la lumière et qu'il n'y a jamais de relation immédiate entre deux objets de type matière ou lumière. Il faut un temps d'interaction. La transmission instantanée d'information n'existe pas. Il y a toujours un décalage. L'interaction est donc discontinue, car il n'existe pas d'objet s'étendant dans tout l'espace. Le continu n'est qu'une illusion. Dans la nature, il ne peut y avoir une série de valeurs successives d'un paramètre décrivant une dynamique qui soient toutes les valeurs numériques successives. Une telle situation signifierait que le paramètre en question s'établirait par une action immédiate, sans aucune médiation, et ne nécessitant aucune énergie, ce qui est impossible. Du moment que l'établissement de la valeur du paramètre provient d'une interaction, il nécessite un temps et aussi un temps de relaxation, c'est-à-dire un temps pendant lequel cette action ne peut plus être réalisée. Quelle en est la cause ? La réalisation d'une valeur d'un paramètre est l'établissement d'un ordre, d'une cohérence. Cela nécessite l'établissement autour d'un désordre en vertu des échanges d'entropie. L'établissement d'un paramètre d'ordre ne peut donc être continu. La physique quantique n'a fait que redécouvrir à son échelle cette constatation qui existe en fait à toutes les échelles. La mesure en un point d'un quanta nécessite un temps inversement proportionnel à l'énergie dépensée. Le quanta est donc le produit d'un temps et d'une énergie. Plus on veut détecter un quanta dans un temps court, plus il faut d'énergie. C'est l'inégalité bien connue d'Heisenberg. Elle indique qu'à chaque niveau on ne peut descendre en dessous d'une valeur minimale sans changer d'univers. Si la première version de cette physique avait conclu à un univers flou, il semble bien que l'interprétation à retenir soit plutôt un univers hiérarchique, avec passage par interaction d'une échelle à une autre.

Cette inégalité, d'une importance considérable en physique quantique, indique le caractère fondamentalement discontinu de l'univers que le physicien Cohen-Tannoudji appelle espace-temps-matière. Par exemple, en exposant que le produit du temps et de l'énergie ne peut descendre en dessous d'un minimum, elle ne permet de définir que des intervalles de temps aussi petit que l'on veut mais jamais infiniment petits. Voilà de quoi détruire la notion de continuité du temps fondée sur des intervalles de plus en plus petits. Il est physiquement impossible de concevoir un temps continu. Et ce pour deux raisons. Premièrement, il n'y a pas d'intervalles de plus en plus petits en temps. Cela nécessiterait, inversement, des énergies de plus en plus grandes, du fait de l'inégalité d'Heisenberg. Il n'y a pas non plus de temps ponctuel car cela nécessiterait cette fois une énergie infinie. En fait, quand on veut diminuer le temps, il faut changer de niveau d'univers. Au dessus du temps de Planck, nous sommes dans l'univers de la matière/lumière. En dessous, nous sommes dans le vide quantique. Et dans ce dernier, nous trouvons, plusieurs niveaux également : virtuel, virtuel de virtuel, etc… La représentation linéaire de la droite du temps n'est donc plus valable, car elle laisse entendre que le petit intervalle est simplement une fraction du grand. En fait, il y a des seuils avec changement qualitatif. Quand on dépasse ces limites, on entre dans un autre monde qui est plus … grand en énergie. D'où le fait que le monde des interactions très rapides nous soit très peu perceptible alors qu'il nécessite des énergies énormes. Le bon sens laissait entendre que l‘on perçoit d'autant mieux les phénomènes les plus énergétiques. Il en résulte que l'on ne peut pas agrandir l'intervalle pour aller regarder ce qui se passe aux petites échelles du temps. Au lieu de l'agrandissement, nous sommes contraints à l'agraindissement, comme dans tout domaine discontinu. C'est le cas d'une photographie qui est imprimée dans un journal. On ne peut que choisir le grain mais, de toutes les manières, on n'aura qu'une image fondée sur des points. Et encore, des points qui ne sont pas ponctuels, pas précis et plutôt approximatifs, des espèces de nuages de points. Tel est le réel, à petite comme à grande échelle.

Le quanta n'est donc pas un objet comme on l'entendait, c'est-à-dire défini par une position, une énergie, une vitesse définis avec une précision infinie. Sa caractéristique est le multiple entier d'une quantité élémentaire d'action appelée l'action ou la constante de Planck. Cela semble facile mais c'est très dérangeant. Au lieu de se mouvoir d'un point à un autre, la nature saute d'un, de deux, de trois quanta. Au lieu de tourner gentiment sur lui-même à une certaine vitesse, le corpuscule tourne d'un quanta, de deux, de trois, par crans successifs. Comment concevoir un objet qui tournerait de la même quantité autour de n'importe quel axe et par à coups d'un nombre entier de fractions de tours [3] ? Toute quantité qui semble évoluer continûment doit être produite par des sauts discontinus de la quantité d'action par augmentation ou diminution d'un nombre entier de la même quantité d'action. L'univers n'est pas le mouvement d'objets fixes. Ces « objets » qu'on disait élémentaires et en mouvement [4] ne sont eux-mêmes que du mouvement [5]. Il ne peut y avoir échange entre onde et corpuscule, deux identités aussi différentes, que si elles sont composées d'un même élément et c'est le mouvement. Or tout mouvement est une rupture, un saut !

Dans « Physique quantique et représentation du monde », le physicien Erwin Schrödinger résumait ainsi le bouleversement conceptuel de la physique quantique : « En partant de nos expériences à grande échelle, les physiciens en étaient arrivés (...) à formuler le postulat de la continuité de la description. C'est ce postulat de la continuité qui apparaît ne pas pouvoir être satisfait ! (...) C'est cette habitude de penser que nous devons rejeter. (...) En 1913, Bohr fut amené à supposer que l'atome passe brusquement d'un état à l'autre, et que, au cours d'une telle transition, il émet un train d'ondes lumineuses (...) Les faits observés ne peuvent donc pas être mis en accord avec une description continue dans l'espace et le temps. (...) Nos difficultés actuelles en physique sont liées aux difficultés conceptuelles bien connues qui s'attachent à l'idée du continu. (...) Si l'on considère le développement de la physique au cours du dernier demi-siècle, on a l'impression que la vision discontinue de la nature nous a été imposée en grande partie contre notre volonté. Nous paraissons être entièrement satisfaits du continu. Max Planck fut sérieusement effrayé par l'idée d'un échange discontinu qu'il avait introduite (1900) pour expliquer la distribution de l'énergie dans le rayonnement du corps noir. Il fit de grands efforts pour affaiblir son hypothèse et pour l'éliminer dans la mesure du possible mais ce fut vain. Vingt-cinq ans plus tard, les inventeurs de la mécanique ondulatoire entretinrent pendant un certain temps avec la plus grande ardeur l'espoir d'avoir préparé la voie à un retour de la description classique continue, mais de nouveau cet espoir fut déçu. La nature elle-même semblait rejeter une description continue (...). »

Pourquoi cette réticence si grande et durable à accepter ce que montrait l'expérience : la discontinuité ? La raison de fond réside dans les préjugés sociaux. La continuité est reliée à celle de progrès social et de stabilité alors que celle de discontinuité est reliée à celle de crise et de révolution. Prenons à témoin un géographe et un historien. « Certains considèrent la discontinuité comme l'application à l'espace de la notion de crise. La discontinuité géographique présente en effet dans l'espace les mêmes propriétés que la crise dans le temps. Si l'on se place du point de vue d'un observateur qui se déplace dans l'espace, c'est une « catastrophe » qui se produit en un lieu de faiblesse sous l'effet d'un catalyseur. Son apparition résulte très souvent d'avantage de processus internes au système (discontinuités endogènes) que de perturbations extérieures (discontinuités exogènes) »explique le géographe Jean-Claude François dans « Discontinuités territoriales et mise en évidence de système spatiaux ». Quant à l'historien Eric J. Hobsbawm dans « L'âge des extrêmes », il affirme que « Au 19ème siècle, siècle d'amélioration et de progrès bourgeois, la continuité et le gradualisme avaient dominé les paradigmes. Quelque soit le mode de locomotion de la nature, il ne faisait aucune place au saut. Le changement géologique et l'évolution de la vie sur terre avaient progressé sans catastrophes, par infimes accroissements (incréments) (...) La science du 20ème siècle a élaboré une image du monde très différente. »

Malgré ces obstacles intellectuels, culturels et sociaux, il a bien fallu admettre que la nature est discontinue. L'étude de la microphysique a particulièrement représenté un changement dans le sens de la discontinuité et des sauts brutaux. En étudiant la matière à petite échelle de l'espace, on a constaté les particularités étonnantes du passage d'échelle. Le phénomène se produisant en un temps long n'est pas la somme de petits phénomènes se produisant dans des fractions courtes de ce temps long. Il n'y a pas, à l'échelon supérieur, addition des propriétés de l'échelon inférieur. Chaque échelon n'est pas non plus indépendant. L'interaction a lieu dans les deux sens et pourtant les deux niveaux obéissent à des lois différentes. A petite échelle, on remarque des sauts (les fameux « sauts quantiques ») que l'on ne constate pas à grande échelle (l'échelle dite macroscopique qui correspond au monde tel que nous le voyons). A notre échelle, nous constatons d'autres types de sauts, par exemple de l'atome à la molécule, de la planète à l'étoile… Il n'y a pas toute une série d'étapes de la planète à l'étoile. Les sauts ont lieu d'un état à un autre, d'une structure à une autre, d'une position à une autre, d'une loi à une autre. Aussi étonnant et dérangeant que cela puisse paraître, une particule ne passe pas d'une position à la position voisine en transitant par toutes les positions intermédiaires. La particule peut réapparaître en un point, … avant d'avoir disparu du point précédent ! L'écoulement linéaire du temps était une illusion. Si on examinait les choses de manière linéaire, additive, on pourrait croire qu'à un moment il y a eu deux particules… On ne peut comprendre ce qui se passe que si on renonce à la continuité spatio-temporelle. Cette remarque étonnante se retrouve quand on examine l'atome. Là non plus, il n'y a pas de position fixe de la particule. Un électron ne tourne pas autour du noyau atomique mais se situe en des points du nuage atomique, en sautant brutalement d'un point à un autre, dans un mouvement quasi instantané. Ces mouvements sont si rapides que la particule peut sembler en même temps en plusieurs points et que son état apparaît comme une superposition d'états. L'outil de description de ce type de réalité est bien le nuage de points et non le segment ou le point.

Toute la réalité (matière, énergie et vide) est constituée de grains discrets [6]. L'aspect ondulatoire (interférences par exemple) n'est pas dû à une onde continue mais à une probabilité de présence de corpuscules, donc de particules discrètes. La notion de trajectoire continue (entre deux points, il y en a toujours un autre tout proche) d'une particule est également abandonnée. La continuité est la grande vaincue de la physique quantique. Toute matière, tout mouvement n'est rien d'autre qu'une somme de bonds discontinus. L'énergie n'est elle-même que la manifestation des sauts de la matière. La plus importante nouveauté de la physique quantique [7] , la découverte de la quantité élémentaire d'action de Planck, h, quantité qui est un produit d'une énergie par un temps, expose que les sauts les plus importants ont lieu dans un temps court. Et cependant, le physicien va travailler avec des outils mathématiques continus que sont les champs qui sont étendus à tout l'espace et définis point par point. Le « Dossier de La Recherche » de mai 2006, « Les particules élémentaires », expose ainsi : « La matière macroscopique n'est-elle pas symbolisée par les physiciens comme un ensemble de points matériels, de lieux où se concentre la masse ? En électromagnétisme, les mouvements de ces points peuvent être décrits grâce au concept de champ introduit par Faraday au milieu du 19ème siècle. Structure infinie étendue à l'ensemble de l'espace et du temps, le champ est devenu au fil des années un concept fondamental pour comprendre la matière. Mais il pose un problème. Comment, en effet, concilier ce concept, fondé sur des équations qui reposent sur la continuité, et la notion de particule, par essence discontinue ? » écrivent Sylvie Gruszow et Gilles Cohen-Tannoudji. Il citent ensuite la théorie quantique des champs, cette dernière tentative d'accommoder continu et discontinu. Cependant, comme nous le verrons, le véritable produit de cette théorie est celle des fluctuations quantiques du vide qui s'avèrent constituées de deux entités discrètes, particule virtuelle et antiparticule virtuelle. Le champ a donc comme véritable fondement la particule virtuelle, par essence discontinue. Dans cette physique, il n'y a ni segment continu ni point précisément défini, mais des nuages de points. Toutes ces images ne sont pas des idéalisations de la réalité, contrairement à ce qui est souvent dit. Ce sont des images fausses, même si elles ont certainement leur efficacité dans des situations particulières pour des problèmes précis. En effet, il faudrait une énergie infinie pour définir précisément un point. Et il faudrait également une énergie infinie pour définir un segment. Cela supposerait que les extrémités soient définies avec une précision infinie. Enfin, cela supposerait que ces points soient exactement alignés de façon fixe. Une fois encore, cela nécessiterait une infinité d'énergie pour qu'un mécanisme produise une telle fixité. Deux particules-points matériels pourraient se déplacer l'une vers l'autre et se toucher, ce qui est physiquement impossible. Le fait que deux particules ne puissent s'approcher infiniment près, appelé le principe de Pauli, provient de l'existence de contradictions au sein de la particule. Deux points matériels électrisés devraient pouvoir entrer en contact, ce qui n'est pas le cas. La contradiction est liée à la polarisation du vide autour de la particule. Cela signifie que l'entourage le plus proche d'une particule positive est négative. On appelle ce phénomène l'écrantage de la charge de la particule. Quand on s'approche, une attraction électromagnétique se transforme donc en répulsion et la particule d'électricité opposée ne peut plus approcher. Voilà pourquoi l'explication physique des phénomènes peut être fondée sur une description contrairement à ce que pensait l'école de Copenhague mais c'est une explication dialectique par négations combinées. Autour de la particule, on trouve sa négation sous forme de particules fugitives du vide. L'apparence d'onde provient de ces mouvements et ces apparitions/disparitions de particules virtuelles du vide, qui fondent cette apparence ondulatoire. L'onde, elle-même, est donc un mouvement de grains d'un univers inférieur à celui de la matière-lumière : le vide quantique, avec ses divers niveaux (virtuel puis virtuel de virtuel, etc). Le phénomène apparemment le plus continu est fondé uniquement sur des discontinuités, sur des contradictions dialectiques et sur une dynamique au lieu d'objets fixes.

Pour la physique, la discontinuité est devenue une composante inévitable de toutes les actions dynamiques et de leur capacité de sauter d'une solution à une autre. « Un système physique n'est susceptible que d'un nombre fini d‘états distincts et il saute d'un de ces états à l'autre sans passer par une série continue d'états intermédiaires. » expose le physicien et mathématicien Henri Poincaré dans « Les méthodes nouvelles de la mécanique céleste ». Cette remarque, Poincaré l'a faite à propos de la mécanique des astres, à propos de la terre, du soleil et de la lune), mais il l'a élargi au problème des trois corps, démontrant que la loi de la gravitation ne suscitait pas une seule trajectoire solution mais toute une famille de trajectoires avec possibilité de sauter de l'une à l'autre. La physique de l'électrodynamique quantique a montré que l'existence d'une multiplicité de solutions avec des sauts d'une solution à une autre était universelle. Non seulement, l'électron saute d'une couche à une autre de l'atome mais, isolé, sa propriété de masse (portée par le boson de Higgs) saute d'une position à une autre de l'espace, ou plutôt d'une particule fugitive du vide à une autre. Il saute également d'un état à un autre. Le saut implique que la dynamique passe d'une position à une autre ou d'un état à un autre sans jamais passer par les positions ou les états intermédiaires. Cette remarque fondamentale – selon laquelle tout changement, et également tout mouvement, est une discontinuité et une transformation qualitative à un niveau de la réalité – est loin d'être acquise dans la philosophie des sciences et dans celle de la société. On trouve à cela plusieurs raisons. Le plus souvent, le saut n'est pas évident parce qu'il est trop rapide, beaucoup plus rapide que la dynamique dans laquelle il s'insert. La physique est partie des « évidences sensibles » et elle a mis du temps à s'en détacher, comme le remarque le physicien Max Planck dans « L'image du monde dans la physique moderne » [8]. Les sens ont des limites de temps de réaction et sont déterminées par des modes de fonctionnement du cerveau qui reconstitue le réel. L'apparence de continuité est le produit d'illusions d'optique (continuité apparente des lignes, des couleurs, des formes, des changements, …). Des phénomènes, présentant des effets cumulatifs de quantités aléatoires assez petites, ressemblent à s'y méprendre à de la continuité, s'ils sont observés sur une grande échelle. La physique quantique allait même remettre en question le continu un domaine où il régnait : en physique ondulatoire, celle qui englobait la lumière, l'électricité et le magnétisme. Là encore, les quanta allaient se révéler à l'œuvre, agissant seulement par quantités entières et donc par sauts ! Non seulement, le transport d'énergie par la lumière se révélait, comme l'électromagnétisme, fondé sur des grains – les photons-, mais il s'avérait que chaque grain subissait des changements brutaux. Comme l'explique David Ritz Finkelstein dans l'ouvrage collectif « Le vide » : « La physique quantique traite de choses, le photon par exemple, qui ne sont pas complètement descriptibles et qui subissent des transitions spontanées. » On ne soulignera jamais assez combien ce caractère spontané est important et étonnant si on raisonne dans l'ancienne conception figée de la particule. Si le photon n'avait pas une structure complexe et contradictoire, il ne pourrait subir des transitions spontanées. En effet, c'est parce que le photon a une structure interne qu'il peut changer d'état sans action externe.

Le physicien et philosophe Eftichios Bitsakis, dans « Physique et matérialisme », en donne la raison : « La grandeur caractéristique de la mécanique quantique, la constante de Planck h, détermine le caractère discontinu des phénomènes quantiques. (...) Dans la théorie quantique des champs, le mouvement ne peut pas être défini en dehors des transformations des particules. (...) C'est ainsi que, si un électron est dévié d'une direction de mouvement dans une direction différente, cet événement est décrit comme « destruction » de l'électron initial, et comme « création » d'un autre électron, qui se met dans la nouvelle direction. (...) La physique contemporaine a mis aussi en lumière un aspect du mouvement, pressenti par la pensée dialectique : la discontinuité. » Plus qu'une discontinuité dans la matière-objet, il a fallu admettre une discontinuité dans les transmissions entre matières. C'est une remise en cause encore plus profonde puisqu'on se représentait les transmissions comme des ondes continues. « On dit souvent que la constante de Planck a fait apparaître du discontinu dans la matière (...) En réalité, le discontinu que découvre le physicien allemand affecte non la matière mais les interactions (...) Mais une discontinuité dans ce que nous appelons aujourd'hui les interactions, voilà qui apparaissait beaucoup plus difficile à admettre et provoqua une véritable « crise » de la pensée physique.(...) on découvrait que dans toute interaction il y a échange et, de plus, il existe un échange minimum au-dessous duquel il n'y plus d'interaction, (...) un quantum d'interaction (...). » expose le physicien Gilles Cohen-Tannoudji dans « Les constantes universelles ». Bertrand Russell affirme que « la continuité du mouvement ne peut consister dans l'occupation par un corps de positions consécutives à des dates consécutives. » Planck a en effet démontré que l'on ne pouvait pas concevoir d'action, de distance ni d'intervalles de temps infiniment petits et même que, dans tous ces domaines, il y avait un minimum appelé quantum d'action, distance de Planck, et temps de Planck. Du coup, la discontinuité s'est introduite partout en physique. Plusieurs niveaux de structure sont apparus et les sauts ont lieu aussi bien d'un groupe à un autre que d'un état à un autre. En effet, à partir du moment où les interactions ne peuvent se faire que par paquets d'une quantité minimale et non progressivement, graduellement, il n'y a plus que des sauts. Comme l'explique Engels dans « Dialectique de la nature », on ne peut plus dire qu'il y a parfois des sauts [9] parce qu'il y en a tout le temps. Ce qui compte c'est seulement l'échelle du saut. Si elle est très petite, une série de sauts de petite taille apparaît comme une continuité.

La discontinuité semble, avec la physique quantique, avoir triomphé en sciences et pourtant cela n'est pas aussi simple. La physique relativiste, par exemple, continue d'employer des notions continues du temps et de l'espace. Du coup, elle prête à l'univers infiniment plus de d'espace, de temps et … moins d'énergie que la physique quantique. On sait que les deux physiques, quantique et relativiste, divergent extrêmement sur l'énergie de l'univers. Pour la physique relativiste, l'existence du continuum d'espace temps courbé nécessite une densité d'énergie de 2x10-29 g/cm3 de densité d'énergie totale (total de la masse gravitationnelle et des autres formes d'énergie). Pour la physique quantique, l'énergie du vide, à lui seul du fait des fluctuations d'énergie des particules virtuelles, donne déjà 10 92 g/cm3 de densité d'énergie de l'univers.

Les phénomènes physiques sont discontinus de manière fondamentale et générale. Le temps, l'espace, la matière, l'énergie, les interactions sont tous des phénomènes discontinus. C'est seulement les relations mathématiques entre des valeurs moyennes (qui n'ont pas d'existence physique directe) examinées à une échelle largement supérieure au phénomène qui peuvent donner une apparence de continuité, de régularité ou de linéarité.
Par exemple, en physique quantique, on peut citer comme phénomènes fondamentaux qui sont discontinus, brutaux, qualitatifs et pas seulement quantitatifs et non graduels : les collisions entre particules donnant deux photons, les sauts quantiques de l'électron dans l'atome, les transformations entre proton et neutron, les changements de forme du nuage électronique de l'atome, les émissions et absorptions de photons par les particules, les sauts quantiques qui déplacent la particule de masse au sein du nuage virtuel, les transformations d'un photon en un couple particule et antiparticule et inversement, les transformations d'un gluon, d'un méson, d'un pion en quark et antiquark, les absorptions/émissions de gluons ou de couples quark/antiquark par le proton, les apparitions/disparitions de couples matière et antimatière au sein du vide quantique, les échanges de photons virtuels, de gluons virtuels entre particules de matière, le changement de couleur des quarks, les transformations des états des neutrinos, etc….

Les lois de la physique

Lire encore

[1] Transformations qui ne peuvent être décrites par des fonctions analytiques continues car l'énergie libre thermodynamique manifeste des discontinuités. On peut citer les transitions des états de la matière macroscopique, les transitions des structures microscopiques impliquées notamment dans l'histoire du cosmos (rupture de symétrie des interactions), le ferromagnétisme, la supraconductivité, la superfluidité, l'opalescence critique, la condensation quantique, les transitions bêta de l'interaction faible, les transitions dites virtuelles de Feynman de l'électromagnétisme, la matérialisation et dématérialisation de la particule dans le vide, etc … Le caractère commun de phénomènes aussi divers a été signalé, si bien que l'on parle à leur propos d' « universalité » et qu'on a trouvé des moyens communs de les décrire, notamment la renormalisation et l'étude de la criticalité.

[2] Georges Lochak écrit ainsi dans « Vers une microphysique de l'irréversible » (revue du palais de la découverte) : « l'idée des quanta, autrement dit l'idée que l'énergie des systèmes microscopiques ne varie que par bonds instantanés (les transitions quantiques) au cours desquels les microsystèmes passent subitement d'un état stationnaire à un autre en échangeant entre eux des parcelles d'énergie. » Et Lochak cite Schrödinger qui « reprochait aux théories quantiques de ne s'intéresser qu'aux états stationnaires, dans lesquels disait-il, il ne se passait rien et d'être muette au sujet des autres, qui sont ceux où il se passe quelque chose. »

[3] En mécanique quantique, le moment cinétique n'a pas une direction quelconque, mais sa composante sur un axe donné ne peut prendre que certaines valeurs discrètes, également espacées. Voilà quelque chose de choquant et de singulier. » (Cours de physique de Richard Feynman – tome électromagnétisme).

[4] Engels écrivait ainsi dans « Anti-Dühring » : « La matière sans mouvement est aussi inconcevable que le mouvement sans matière. » et, dans « Socialisme scientifique et socialisme utopique » : « Parmi les propriétés innées de la matière, le mouvement est la première et la plus éminente. »

[5] La meilleure preuve n'est-elle pas que le choc de deux particules produit de nouvelles particules qui n'existaient pas auparavant. C'est du mouvement transformé en matière. On en trouve de nouveaux exemples dans les réactions nucléaires. C'est ce que signifie le rapport entre matière et mouvement de la formule fameuse d'Einstein E = mc².

[6] Le terme « discret » ne se réfère pas à une discrétion du grain mais au fait qu'il existe et agit de manière discontinue, grain par grain.

[7] Le produit de l'énergie et du temps est constante E x t = h

[8] « S'il est vrai que la structure du monde de la physique s'éloigne toujours plus du monde des sens pour se rapprocher du monde réel inconnaissable par principe, il est évident que l'image du monde proposée par la physique doit être purifiée dans une mesure croissante de ses éléments anthropomorphiques. (….) Dans l'acoustique, l'optique, la thermodynamique modernes, les impressions sensorielles sont tout simplement éliminées. » écrit Max Planck.

[9] « Quelque idée que l'on se fasse de la constitution de la matière, elle est articulée en une série de grands groupes bien délimités de masse relative, en sorte que les membres de chaque groupe ont entre eux, quant à la masse, des rapports finis déterminés (...). Le système stellaire visible, le système solaire, les masses terrestres, les molécules et les atomes, enfin les particules d'éther constituent chacun de ces groupes. (...) S'il n'y a pas de bonds dans la nature, c'est précisément parce que la nature ne se compose que de bonds. »

La discontinuité et la physique quantique

Robert Paris — 2021-01-01T23:05:00Z

Le physicien Erwin Schrödinger dans « Qu'est-ce que la vie ? » :

« La grande révolution de la théorie des quanta fut que des caractères de discontinuités furent découverts dans le Livre de la Nature, dans un contexte où tout autre chose que la continuité apparaissait comme absurde d'après les vues admises jusqu'à ce moment. »

Poincaré, dans « l'hypothèse des quanta » :

« L'énergie est égale au produit de la fréquence par l'élément d'action. (...) Le quantum d'action est une constante universelle, un véritable atome. (...) Un système physique n'est susceptible que d'un nombre fini d'états distincts ; et il saute d'un de ces états à l'autre sans passer par une série continue d'états intermédiaires. (...) l'ensemble des points représentatifs de l'état du système est une région (...) dans laquelle les points sont si serrés qu'ils nous donnent l'illusion de la continuité. (...) ces points représentatifs isolés ne doivent pas être distribués dans l'espace de façon quelconque (...) mais de telle sorte que le volume d'une portion quelconque de matière demeure constant. (...) L'état de la matière pondérable pourrait varier d'une manière discontinue, avec un nombre fini d'états possibles seulement. (...) L'univers sauterait donc brusquement d'un état à l'autre ; mais dans l'intervalle, il demeurerait immobile, les divers instants pendant lesquels il resterait dans le même état ne pourraient plus être discernés l'un de l'autre : nous arriverions ainsi à la variation discontinue du temps, à l'atome de temps. (...) Si plusieurs points représentatifs constituent un domaine élémentaire insécable dans l'extension en phase, alors les états du système que ces points représentent constituent nécessairement, eux aussi, un seul et même état. »

Henri Poincaré dans « Dernières pensées » :

« On ne se demande plus seulement si les équations différentielles de la Dynamique doivent être modifiées, mais si les lois du mouvement pourront encore être exprimées par des équations différentielles. Et ce serait là la révolution la plus profonde que la Philosophie Naturelle ait subie depuis Newton. Le clair génie de Newton avait bien vu (ou cru voir, nous commençons à nous le demander) que l'état d'un système mobile, ou plus généralement celui de l'univers, ne pouvait dépendre que de son état immédiatement antérieur, que toutes les variations dans la nature doivent se faire d'une manière continue. Certes, ce n'était pas lui qui avait inventé cette idée : elle se trouvait dans la pensée des anciens et des scolastiques, qui proclamaient l'adage : Natura non facit saltus ; mais elle y était étouffée par une foule de mauvaises herbes qui l'empêchaient de se développer et que les grands philosophes du XVIIe siècle ont fini par élaguer. Eh bien, c'est cette idée fondamentale qui est aujourd'hui en question ; on se demande s'il ne faut pas introduire dans les lois naturelles des discontinuités, non pas apparentes, mais essentielles (…)

CONCLUSIONS

On voit quel est l'état de la question ; les anciennes théories, qui semblaient rendre compte jusqu'ici de tous les phénomènes connus, se sont heurtées à un obstacle inattendu. Il a semblé qu'une modification s'imposait. Une hypothèse s'est d'abord présentée à l'esprit de M. Planck, mais tellement étrange qu'on était tenté de chercher tous les moyens de s'en affranchir ; ces moyens, on les a vainement cherchés jusqu'ici. Et cela n'empêche pas que la nouvelle théorie soulève une foule de difficultés, dont beaucoup sont réelles et ne sont pas de simples illusions dues à la paresse de notre esprit qui répugne à changer ses habitudes. Il est impossible pour le moment, de prévoir quelle sera l'issue finale ; trouvera-t-on une autre explication entièrement différente ? Ou bien, au contraire, les partisans de la nouvelle théorie parviendront-ils à écarter les obstacles empêchent de l'adopter sans réserve ? La discontinuité va-t-elle régner sur l'univers physique et son triomphe est-il définitif ? »

Max Planck :

"La manifestation des phénomènes énergétiques, s'effectuant par sauts ou paliers, est essentiellement discontinue".

Einstein (1949) :

"Les physiciens contemporains sont convaincus qu'il est impossible de rendre compte des traits essentiels des phénomènes quantiques (changements apparemment discontinus et non déterminés dans le temps de l'état d'un système, propriétés à la fois corpusculaires et ondulatoires des entités énergétiques élémentaires) à l'aide d'une théorie qui décrit l'état réel des choses au moyen de fonctions continues soumises à des équations différentielles. [...] Surtout, ils croient que le caractère discontinu apparent des processus élémentaires ne peut être représenté qu'au moyen d'une théorie d'essence statistique, où les modifications discontinues des systèmes seraient prises en compte par des modifications continues des probabilités relatives aux divers états possibles."

Louis de Broglie, dans « Nouvelles perspectives en Microphysique » :

« L'onde continue (…) ne comportant aucune région singulière (…) ne décrit pas vraiment la réalité physique. »

Heisenberg rapporte son débat avec Einstein qui lui dit : « Vous savez que j'ai essayé de suggérer l'idée que l'atome tombe, pour ainsi dire subitement, d'un état d'énergie stationnaire à un autre, en émettant la différence d'énergie sous forme d'un paquet d'énergie ou encore quantum de lumière. Ceci serait un exemple particulièrement frappant de cette discontinuité dont j'ai parlé tout à l'heure. » Il lui répond ainsi : « Peut-être faudrait-il imaginer la transition d'un état stationnaire à un autre à peu près comme le passage d'une image à une autre dans certains films. « Et Einstein répondait : « Si votre théorie est juste, vous devrez me dire un jour ce que fait l'atome lorsqu'il passe d'un état à un autre en émettant de la lumière. » Heisenberg reconnaît ne pas connaître la réponse : « Lorsque l'électron (d'un atome) saute – dans le cas d'émission de rayonnement – d'une orbite à l'autre, nous préférons ne rien dire au sujet de ce saut : est-ce un saut est-ce un saut en longueur, un saut en hauteur ou quoi d'autre ? »

Heisenberg défend l'idée que la matière subit des sauts qualitatifs, des discontinuités : « Comme vous le savez, Planck a découvert que l'énergie d'un système atomique varie de façon discontinue, que lors de l'émission d'énergie par un tel système, il existe, pour ainsi dire, des positions d'arrêt, correspondant à des énergies déterminées, c'est ce que j'ai appelé plus tard les états stationnaires. » Il cite là un débat avec Albert Einstein qui lui dit : « Vous savez que j'ai essayé de suggérer l'idée que l'atome tombe, pour ainsi dire subitement, d'un état d'énergie stationnaire à un autre, en émettant la différence d'énergie sous forme d'un paquet d'énergie ou encore quantum de lumière. Ceci serait un exemple particulièrement frappant de cette discontinuité dont j'ai parlé tout à l'heure. » Il lui répond ainsi : « Peut-être faudrait-il imaginer la transition d'un état stationnaire à un autre à peu près comme le passage d'une image à une autre dans certains films. « Et Einstein répondait : « Si votre théorie est juste, vous devrez me dire un jour ce que fait l'atome lorsqu'il passe d'un état à un autre en émettant de la lumière. » Heisenberg reconnaît ne pas connaître la réponse : « Lorsque l'électron (d'un atome) saute – dans le cas d'émission de rayonnement – d'une orbite à l'autre, nous préférons ne rien dire au sujet de ce saut : est-ce un saut est-ce un saut en longueur, un saut en hauteur ou quoi d'autre ? » Et, pour souligner la difficulté du problème et, surtout, à la fois la nécessité et la difficulté d'admettre la discontinuité de la nature, il cite un autre grand physicien quantique Erwin Schrödinger qui déclare : « Si ces damnés sauts quantiques devaient subsister, je regretterais de m'être jamais occupé de théorie quantique. »

Louis de Broglie dans "la nouvelle physique et les quanta" : "Bohr a résolu la question des fréquences des raies spectrales grâce à l'hypothèse que chaque transition entre états quantifiés s'accompagne de l'émission d'un quantum d'énergie radiante. (...) En d'autres termes, d'après la théorie quantique, l'émission des raies spectrales d'un corps simple est discontinue et procède par actes individuels isolés."

Lochak, Diner et Fargue dans « L'objet quantique » :

« L'hypothèse des quanta voulait dire cette chose étrange que le mouvement des atomes n'évolue pas continûment mais par bonds discontinus : comme si une fusée ne pouvait s'élever progressivement au dessus de la terre vers n'importe quelle orbite et ne pouvait atteindre que certaines orbites particulières en sautant brusquement de l'une à l'autre. »

[La physique matérielle est discontinue :

Saut du photon entre ses deux états (neutre et dipolaire)

Saut du proton entre ses divers états qui diffèrent par le nombre de gluons (dipôles)

Saut de la particule qui émet (ou absorbe) brusquement un boson

Saut de la particule d'une position à une autre et d'un état à un autre

Saut de l'électron entre couches au sein de l'atome

Saut entre neutron et proton au sein du noyau de l'atome

Saut du neutrino entre ses états électronique, muonique et tauonique

Saut du couple particule/antiparticule au boson (par exemple électron/positon donne un photon lumineux)

Saut du quark (ou de l'antiquark) entre des états caractérisés par une charge dite de couleur (bleu ou antibleu, vert ou antivert, rouge ou antirouge).

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Comprendre les bases de la Physique Quantique sans connaissances mathématiques préalables

Robert Paris — 2019-08-02T22:10:00Z

Comprendre les bases de la Physique Quantique sans connaissances mathématiques préalables

Tout le monde vous dira que la physique quantique est « purement mathématique ». Même le physicien Feynman que nous citons largement ici a un point de vue assez proche mais son texte lui-même démontre le contraire : c'est une description physique de « ce qui se passe quand ». Cependant, à l'époque de Feynman, l'étude du vide quantique étant moins développée qu'elle ne l'est maintenant, cette description reste limitée.

En effet, pour décrire réellement les phénomènes physiques quantiques, il est indispensable de faire appel à « ce qui se passe » dans le vide quantique, le domaine de ce qui est appelé « particules virtuelles », expression malheureuse puisque ces particules sont justement le fondement « réel » du monde…

Exposons donc, sans formules mathématiques, ce qui caractérise le fonctionnement quantique (et non classique) du monde (c'est-à-dire de la matière-lumière-interactions-énergie-vide-espace-temps). Nous ne voulons nullement nier que les mathématiques jouent un rôle crucial dans la physique quantique mais nous pensons que la physique ce n'est pas que des mathématiques. C'est une étude du monde réel qui nécessite de comprendre ce que fait la réalité et comment elle le fait. Cela parle donc sans cesse du réel et on peut le faire avec notre langage habituel comme on le verra…

Bien sûr, nous ne nions pas que les images classiques du monde doivent être abandonnées comme, par exemple, les images des ondes et des corpuscules puisque la seule expérience des fentes de Young, pour la lumière comme pour la matière, démontre que l'un comme l'autre ont à la fois des propriétés ondulatoire et d'autres propriétés corpusculaires, bien que les deux types de propriétés soient parfaitement contradictoires. Ce n'est pas tantôt ondulatoire et tantôt corpusculaire, c'est-à-dire différent selon les expériences, car il y a tout le temps à la fois les deux sortes qui sont constatés. C'est donc une nouvelle image de la réalité qui représente un phénomène contentant à la fois et de manière interactive des propriétés ondulatoires et d'autres corpusculaires. Et ce n'est qu'un des aspects contradictoires de la physique quantique mais non le seul.

Dans ce texte, pour le lire et le comprendre, vous n'aurez besoin d'aucune étude des mathématiques ni de physique puisque tout est expliqué au fur et à mesure, et chacun peut apprécier le sens de cette révolution scientifique sans aucune préparation ni connaissance préalable.

Rappelons que la physique classique a été développée, de Galilée et Newton à Einstein, à propos des phénomènes à notre échelle, dite macroscopique, et que la physique classique l'a été à propos des phénomènes microscopiques (en fait, l'atome et tout ce qui est plus petit). Mais, en réalité, le monde entier, à toutes les échelles, est quantique et le « classique » n'est pas un domaine du monde. Ce n'est qu'une apparence et une approximation produite à grande échelle par un grand nombre d'objets quantiques de petite échelle en interaction permanente. C'est l'illusion classique qui émerge du monde quantique réel et non l'inverse. Quand on parle même de « virtuel quantique », il faut bien comprendre qu'il n'est virtuel que pour nous mais tout à fait réel pour le monde matériel. Nous, humains, ne sommes donc plus les seuls critères de vérité sur le monde. Au-delà de l'observateur humain, la matière est juge de ce qui existe ou pas et de comment il existe.

La physique classique n'est absolument pas abandonnée en ce qui concerne les phénomènes concernant un très grand nombre de quanta. Elle est indispensable parce que les observateurs du niveau quantique, en ce qui nous concerne, sont toujours à l'échelle macroscopique et parce que nos outils scientifiques et conceptuels ont été bâtis à l'époque de la physique classique et que nous ne savons pas comment raisonner directement au niveau quantique que nous ne percevons d'ailleurs pas directement.

En physique quantique, on n'a jamais affaire à un seul objet simple, toujours le même et dans un état donné à un instant donné, mais à une superposition d'états qui se transforme en une autre superposition d'états et cesse d'exister entre les deux. L'existence de l'objet fixe est remise en cause. Son histoire conçue comme une continuité n'est plus.

Les paramètres classiques peuvent prendre n'importe quelle valeur entre deux valeurs possibles. Les paramètres quantiques ne peuvent pas prendre toutes les valeurs intermédiaires entre deux valeurs possibles. En physique classique, il n'y a jamais de sauts d'une valeur à une autre et pas de phénomènes de discrétion non plus (apparence ponctué de la réalité). Les transitions sont possibles en classique mais, alors, elles ne sont pas une rupture logique de causalité tandis que c'est le cas des transitions quantiques.

En classique, pas d'apparition et de disparition, pas d'émergence de structures matérielles ou lumineuses, pas de rupture de continuité de la matière et de l'énergie, pas de rupture logique non plus. Les particules classiques suivent des trajectoires. On peut les distinguer individuellement. En quantique, c'est tout le contraire !

Quand il n'y a pas d'effet quantique, on peut diviser autant qu'on veut un effet mesuré, on peut le diminuer autant qu'on veut, car il n'y a pas de minimum. Il n'y a pas d'effet par quantités entières non divisibles en fractions. Dans un phénomène quantique, c'est exactement l'inverse. Quand il y a des effets quantiques, certaines quantités ne peuvent qu'être des multiples entiers des quanta et quantités quantiques. On ne peut pas diviser ces quantités ou les réduire en dessous d'un nombre entier de fois. En dessous d'un minimum, il ne se passe rien. Pour ce qui n'est pas un nombre entier de fois ce minimum, la partie inférieure à un entier est comme… rien. Ce minimum est appelé « un quantum ». Il ne peut y avoir qu'un quantum ou un nombre entier de quanta et pas de valeurs intermédiaires. La continuité n'est plus possible.

Les quanta ne sont ni des masses, ni des énergies, ni des charges, mais des quantités élémentaires d'action – action qui est un produit d'une énergie et d'un temps -, que l'on rencontre au niveau microscopique, par exemple le moment cinétique ou le moment magnétique.

Qu'est-ce qui caractérise les quanta, quels que soient les états, les conditions, les circonstances, les phénomènes où on les rencontre ? Eh bien, c'est le fait que les quanta de même état ne sont pas distinguables entre eux s'ils sont dans le même état, ni sécables en parties, ni séparables, ni suivables de manière continue, ni suivant eux-mêmes des trajectoires continues, ni marquables, toutes propriétés qui les distinguent totalement du comportement de la matière ou de la lumière, de l'énergie ou de l'espace-temps, quand on les observe à grande échelle. Ce qui distingue la physique quantique, c'est que le tout n'est plus identique à la somme des parties, que les phénomènes apparemment opposés (comme onde et corpuscule, localisé et délocalisé, matière et énergie, matière et interaction, matière et lumière, etc.) sont en fait un même phénomène, que la matière et le vide eux-mêmes forment un ensemble inséparable, que la notion d'objet fixe est remise en cause. En somme, tout ce qui fait la manière de voir la matière et la lumière à notre échelle est remis en cause et d'abord ils sont tous deux quantiques et de la même manière. Tous deux obéissent à la même logique probabiliste et de structures émergentes issues du vide quantique. Ou plus exactement, la matière est en même temps lumière et la lumière en même temps matière. L'énergie et les interactions sont inséparables de cette matière-lumière. Toutes conceptions complètement inconcevables en physique classique. Et pourtant, avec la physique quantique, on peut concevoir pourquoi la matière-lumière se comporte de manière apparemment classique à notre échelle. C'est le phénomène nommé la décohérence.

Un point essentiel est le fait que le fondement de la lumière et de la matière est le même : ce sont les quanta du vide, dits quanta virtuels, qui ont la propriété d'apparaître et de disparaître, apparitions et disparitions qui donnent un fondement permanent à une agitation et au caractère fondamentalement aléatoire de l'univers.

Voici ce qu'en dit Richard Feynman, l'un des plus grands physiciens contemporains et des plus grands professeurs de Physique, dans son cours « Mécanique quantique » :

Epilogue du cours de Feynman :

« … Eh bien, je vous ai parlé pendant deux ans et maintenant je m'apprête à m'en aller… Puis-je vous dire que le but essentiel de mon enseignement n'a pas été de vous préparer à un certain examen – ni même de vous préparer à servir l'industrie ou l'armée. Je voulais surtout vous faire prendre conscience de ce monde merveilleux et de la vision qu'un physicien peut en avoir, ce qui est à mon sens une partie essentielle de la vraie culture des temps modernes… »

Mécanique atomique

« La « mécanique quantique » est la description de la matière et de la lumière dans tous leurs détails et, en particulier, de tout ce qui se passe à l'échelle atomique. A très petite échelle, les choses ne se comportent en rien comme ce dont vous avez l'expérience directe. Elles ne se comportent pas comme des ondes, elles ne se comportent pas comme des particules, elles ne se comportent pas comme des nuages, ni comme des boules de billard, ni comme des poids sur une corde, ni comme rien que vous ayez jamais vu.

Newton pensait que la lumière était faite de particules, mais on découvrit ensuite qu'elle se comportait comme une onde. Plus tard, cependant (au début du vingtième siècle), on trouvera que la lumière se comportait quelquefois comme une particule. Historiquement, l'électron, par exemple, fut d'abord supposé se comporter comme une particule, puis on trouva qu'il se comportait en plusieurs points comme une onde. Il ne se comporte donc réellement ni comme l'une, ni comme l'autre. A l'heure actuelle, nous avons abandonné ce dilemme et nous disons : « il n'est ni l'une ni l'autre ».

Il y a heureusement une issue : les électrons se comportent exactement comme la lumière. Le comportement quantique des objets atomiques (électrons, protons, neutrons, photons, etc.) est le même pour tous, ce sont tous des « ondes-particules » ou comme vous voudrez les appeler. Ainsi, ce que nous apprenons sur les propriétés de l'électron (et que nous utiliserons pour nos exemples) s'appliquera également à toutes les « particules », y compris les photons de lumière.

L'accumulation progressive d'information sur le comportement microscopique et atomique, durant le premier quart de ce siècle (XXe siècle) donna quelques indications sur la façon dont les petits objets se comportent, mais produisit une confusion croissante qui fut finalement résolue en 1926 et 1927 par Schrödinger, Heisenberg et Born. Ils obtinrent finalement une description cohérente du comportement de la matière à petite échelle…

Le comportement atomique est tout à fait différent de notre expérience quotidienne, il est très difficile de s'y habituer et il apparaît singulier et mystérieux à tout le monde – aussi bien au physicien expérimenté qu'au novice. Même les experts ne le comprennent pas de la façon dont ils le voudraient et c'est parfaitement normal qu'il en soit ainsi, puisque toute expérience humaine directe, et toute intuition humaine, s'appliquent à de grands objets. Nous savons ce que font les grands objets mais à petite échelle les choses ne font rien de la même façon. C'est pourquoi nous ne pouvons plus rien apprendre d'elles par notre expérience immédiate, mais seulement en faisant appel à l'abstraction et à l'imagination.

Dans ce chapitre, nous allons aborder immédiatement le point fondamental de ce comportement mystérieux sous son aspect le plus étrange. Nous avons choisi d'examiner un phénomène qui est impossible, absolument impossible, à expliquer de façon classique et qui contient le cœur de la mécanique quantique. En réalité, il en contient même l'unique mystère. Nous ne pouvons pas faire disparaître le mystère en « expliquant » pourquoi les choses en sont ainsi. Nous vous diront seulement « comment » les choses se passent. Et, en vous le disant, nous vous aurons donné les particularités fondamentales de toute la mécanique quantique.

Pour essayer de comprendre le comportement quantique des électrons, nous allons, grâce à un dispositif expérimental particulier, comparer et opposer leur comportement avec celui, plus familier, de particules telles que des balles de fusil et avec le comportement d'ondes telles que des ondes à la surface de l'eau.

Nous considérons d'abord le comportement de balles de fusil dans un montage expérimental. Le fusil tire en direction de deux fentes qui sont en face du fusil dans une paroi, avec un écran situé en peu en arrière des fentes.

Nous avons un fusil qui tire une série de coups. Ce n'est pas une très bonne arme du fait qu'elle disperse les balles (aléatoirement) avec une très large dispersion angulaire. En face du fusil, nous avons disposé une paroi (faite d'une plaque de blindage) qui est percée de deux trous juste assez grand pour laisser passer une balle. Au-delà de cette paroi, il y a une plaque d'arrêt (disons une épaisse plaque de bois) qui doit « absorber » les balles qui l'atteignent. Devant ce mur, nous plaçons un objet que nous appellerons un « détecteur » de balles. Cela pourrait être une boîte contenant du sable. Toute balle qui entre dans le détecteur y est stoppée et reste dans la boîte. Quand nous le souhaitons, nous pouvons vider la boîte et compter le nombre de balles qui ont été attrapées. Le détecteur peut être déplacé d'avant en arrière le long de ce que nous appellerons l'axe x.

Avec cet appareil, nous pouvons trouver expérimentalement la réponse à la question : « quelle est la probabilité pour qu'une balle qui est passée à travers un trou de la paroi puisse arriver sur la plaque d'arrêt à la distance x du centre ? »

Tout d'abord, vous devez bien comprendre qu'il nous faut parler en termes de probabilité – parce que nous ne pouvons pas dire où exactement ira un projectile particulier. Une balle qui atteint un trou peut très bien rebondir sur les bords du trou et achever sa course n'importe où.

Nous entendons par « probabilité » la chance qu'a une balle d'atteindre le détecteur, ce que nous pouvons mesurer en comptant le nombre de balles qui arrivent dans le détecteur pendant un certain intervalle de temps et en prenant le rapport de ce nombre au nombre total de balles qui ont atteint la plaque d'arrêt dans un temps donné.

Ou bien, si nous supposons que le fusil tire toujours à la même cadence pendant les mesures, la probabilité que nous cherchons est exactement proportionnelle au nombre de balles qui atteignent le détecteur pendant une unité de temps conventionnelle.

Pour les besoins de notre démonstration, nous allons imaginer une expérience quelque peu idéalisée dans laquelle les balles ne sont pas de vraies balles, mais des balles indestructibles qui ne peuvent se couper en deux. Dans cette expérience, nous constatons que les balles arrivent toujours d'un seul coup et, quand nous trouvons quelque chose dans le détecteur c'est toujours une balle tout entière. Si nous diminuons de beaucoup la cadence de tir de l'arme, nous constatons qu'à un moment donné ou bien rien n'arrive, ou bien une balle – et exactement une seule – atteint la plaque d'arrêt. Et, de même, les dimensions de ce qui arrive ne dépendent évidemment pas de la cadence de tir. Nous dirons que « les balles arrivent toujours comme des projectiles identiques ».

Ce que nous mesurons avec notre détecteur est la probabilité d'arrivée d'un projectile. Et nous mesurons la probabilité comme une fonction de x (x représente, rappelons-le, la direction sur l'écran d'arrêt, parallèle à la ligne des fentes et perpendiculaire à la direction principale de tir). Le résultat de telles mesures avec cet appareil est un graphique indiquant la probabilité du nombre d'impacts de balles sur l'écran d'arrêt… Vous ne serez pas surpris du fait que la probabilité, si les deux fentes sont ouvertes, est maximale à égale distance des deux fentes et baisse de part et d'autre de ce point. Nous pouvons refaire la même expérience en fermant l'une des fentes, puis encore en fermant l'autre fente. Nous obtenons le résultat important : la probabilité deux fentes ouvertes égale la probabilité première fente ouvert plus la probabilité deuxième fente ouverte.

Les probabilités fente ouverte s'additionnent tout simplement. L'effet obtenu avec les deux trous ouverts est égal à la somme des effets obtenus séparément avec un seul trou ouvert. Pour une raison que vous verrez plus tard, nous interprétons ce résultat comme l'observation du fait qu' « il n'y a pas d'interférence ». (Rappelons que, lorsqu'il y a interférence, les effets peuvent s'additionner mais aussi se soustraire, y compris au point de s'annuler, de manière périodique. On parle alors d'effet « particulaire », les balles se comportant comme des particules, par opposition à un effet « ondulatoire », les ondes étant ce que l'on perçoit à l'arrivée.)

Voilà qui suffit pour les balles de fusil. Elles arrivent d'un seul coup, et leur probabilité d'arrivée montre qu'il n'y a pas d'interférence.

Nous allons maintenant considérer une expérience avec des ondes dans l'eau…

Nous avons une cuve peu profonde remplie d'eau. Un petit objet que nous appelons « source d'ondes » est agité de haut en bas par un moteur et produit des ondes circulaires (la perturbation qui augmente et diminue se propage en cercles autour de la source).

A la droite de la source, nous avons à nouveau un mur avec deux trous, et, au-delà, un deuxième mur. Pour simplifier, nous supposons que ce dernier est « absorbeur », de sorte que les ondes qui arrivent à ce mur ne sont pas réfléchies (et donc disparaissent)… En fait, nous y plaçons un détecteur qui peut être déplacé d'avant en arrière dans la direction x, la même qu'auparavant. Le détecteur est maintenant un système qui mesure « l'intensité » du mouvement de l'onde. Vous pouvez imaginer quelque chose qui mesure la hauteur de la vague, mais dont l'échelle est graduée proportionnellement au carré de la hauteur réelle de façon que la mesure soit proportionnelle à l'intensité de l'onde. Notre détecteur est donc proportionnel à l'énergie qui est transportée par l'onde – ou plutôt à la quantité d'énergie qui est apportée au détecteur.

Avec notre appareil à ondes, la première chose à remarquer est que l'intensité peut prendre n'importe quelle valeur. Si la source vibre un tout petit peu, le détecteur recueille juste une toute petite vague. Si le mouvement de la source est plus important, l'intensité détectée est plus grande. L'intensité de l'onde peut avoir n'importe quelle valeur. Nous ne pouvons pas dire qu'il y ait la moindre apparence de « phénomène discret » dans l'intensité de l'onde.

Mesurons maintenant l'intensité de l'onde pour différentes valeur de x, (c'est-à-dire en s'éloignant progressivement de la position centrale sur le deuxième mur, en s'approchant plus d'un trou que de l'autre) en gardant les mêmes conditions de fonctionnement de la source. Nous indiquons les résultats des arrivées sur le deuxième mur, avec les deux trous ouverts, sur une courbe qui ne présente pas seulement un maximum au centre mais aussi d'autres minimums et maximums successifs. Si nous effectuons l'expérience successivement avec le premier trou seul ouvert, puis avec le deuxième trou seul ouvert, nous obtenons deux courbes avec un seul maximum, au niveau correspondant au trou qui est ouvert. Mais, contrairement au cas exposé précédemment, celui des balles qui passent par deux fentes, la courbe des arrivées avec deux trous ouverts n'est absolument pas la somme des deux courbes avec un seul trou ouvert. Les probabilités d'arrivées ne s'additionnent pas. L'addition des deux courbes à un seu trou ouvert donne une courbe à deux maximas et pas une courbe avec une série de maximum et de minimum successifs.

On dit que la courbe observée, avec deux fentes ouvertes, présente des interférences. Dans notre cas, nous observons que l'onde initiale est diffractée par les trous et que de nouvelles ondes circulaires sont émises par chaque trou. Si nous fermons un seul trou à la fois et si nous mesurons la distribution d'intensité à l'absorbeur, nous trouvons une courbe d'intensité très simple qui n'est pas la somme mais l'interférence entre les deux ondes provenant d'un trou. A certains endroits (là où la courbe finale a ses maximums) les ondes sont dites « en phase » et les valeurs des pointes des amplitudes (des courbes avec un seul trou) s'ajoutent pour donner l'amplitude totale. A ces endroits, nous dirons que les ondes « interfèrent constructivement ». Il y aura une telle interférence constructive chaque fois que la distance du détecteur à un trou est plus grande (ou plus courte) que la distance à l'autre trou d'un nombre entier de longueurs d'onde (la longueur d'onde étant la distance entre deux maximums de l'onde).

Aux endroits où les deux ondes atteignent le détecteur avec une différence de phase d'un demi tour (valeur pi), on dit alors qu'elles sont « en opposition de phase » (l'une à un maxi quand l'autre est à un mini et inversement), le mouvement de l'onde résultant (celui avec les deux trous ouverts) est la différence des deux amplitudes (alors que précédemment, c'était la somme). Les ondes « interfèrent alors destructivement »… Nous trouvons de telles valeurs minimales lorsque la distance entre le premier trou et le détecteur diffère de la distance entre le deuxième trou et le détecteur d'un nombre impair de demi-longueurs d'onde…

Imaginons maintenant une expérience semblable avec des électrons. Nous construisons un canon à électrons avec un fil de tungstène chauffé par un courant électrique et entouré d'une boîte de métal percée d'un trou. Si le fil est à un voltage négatif par rapport à la boîte, les électrons émis par le fil seront accélérés vers les parois et quelques-uns d'entre eux passeront à travers le trou.

Tous les électrons qui sortiront du canon auront (à peu près) la même énergie. En face du canon, il y a à nouveau une paroi (juste une mince feuille de métal) percée de deux trous. Au-delà de cette paroi, une autre plaque servira de « plaque d'arrêt ». En face de cette plaque nous plaçons un détecteur mobile. Le détecteur peut être un compteur Geiger, ou, encore mieux, un multiplicateur d'électrons connecté à un haut-parleur… C'est une expérience « de pensée » car l'appareil devrait être réalisé à une échelle extraordinairement petite…

La première chose que nous remarquons avec notre expérience sur les électrons est que nous entendons des « clics » provenant du détecteur (c'est-à-dire du haut-parleur). Et tous les clics sont semblables. Il n'y a pas de « demi-clic ».

Nous devons aussi remarquer que les clics arrivent de façon complètement erratique. Quelque chose comme : clic… clic-clic… clic… clic-clic…clic… etc, exactement comme un compteur Geiger, ce que vous avez sans doute déjà entendu. Si nous comptons tous les « clic » qui se produisent pendant un temps suffisant – disons quelques minutes – et si nous comptons de nouveau pendant un autre intervalle de temps égal, nous trouvons que les deux nombres sont très proches l'un de l'autre. Nous devons donc parler du « rythme moyen » auquel les « clic » sont entendus (en moyenne tant et tant de clic par minute).

Lorsque nous déplaçons le détecteur, le « rythme » avec lequel les « clic » se produisent est plus rapide ou plus lent, mais la grandeur (l'intensité du bruit) de chaque « clic » est toujours la même. Si nous abaissons la température du fil dans le canon, le rythme des « clic » diminue, mais chaque « clic » a encore le même son. De plus, si nous placions deux détecteurs différents devant la plaque d'arrêt, nous constaterions que l'un OU l'autre émettrait des « clic », mais jamais les deux à la fois (sauf si par hasard les deux « clic » étaient émis si peu de temps l'un après l'autre que notre oreille ne pût percevoir la différence). Nous concluons donc que tout ce qui arrive sur la plaque d'arrêt y arrive « en paquet ». Tous les « paquets » ont la même taille : ce sont seulement des « paquets » entiers qui arrivent, et ils arrivent d'un seul coup sur la plaque d'arrêt. Nous dirons : « Les électrons arrivent toujours en paquets identiques. »

Comme nous l'avons fait pour notre expérience avec des balles de fusil, nous pouvons maintenant nous mettre à chercher expérimentalement la réponse à la question : « quelle est la probabilité relative pour qu'un « paquet » électronique arrive sur la plaque d'arrêt à différentes distances du centre ? » Comme auparavant nous obtenons la probabilité relative en observant le rythme des « clic », tout en maintenant le canon dans les mêmes conditions de fonctionnement. La probabilité pour qu'un paquet arrive en un point particulier (mesuré par la distance x du centre) est proportionnelle au rythme moyen des « clic » en x. Voilà ce que nous donnent les électrons.

Essayons maintenant d'analyser la courbe d'interférence des électrons (avec un plus grand maximum au centre mais aussi plusieurs maximums successifs séparés par des minimums) pour voir si nous pouvons comprendre le comportement des électrons. La première chose que nous pouvons dire est que, comme ils viennent en paquet, chaque paquet, que nous pouvons tout aussi bien appeler un électron, est passé soit à travers le trou 1, soit à travers le trou 2…

Essayons de vérifier cette idée : les électrons sont passés soit à travers le trou 1 soit à travers le trou 2.

La courbe que nous observons devrait alors être la somme des effets des électrons qui sont passés à travers le trou 1 et de celui des électrons qui sont passés à travers le trou 2.

Essayons de vérifier cette idée par une expérience. Tout d'abord, nous ferons une mesure pour les électrons qui passent par le trou 1. Nous obturons le trou 2 et nous faisons notre compte des « clic » du détecteur. Du rythme de ces « clic », nous déduisons une Probabilité 1. Le résultat de la mesure est indiqué dans une courbe avec un maximum qui n'est pas au centre mais en face du trou 1. Ce résultat semble tout à fait raisonnable.

De façon semblable, nous mesurons la Probabilité 2, soit la distribution de probabilités des électrons qui passent par le trou 2. Le résultat de cette mesure est tracé sur une figure. C'est une courbe avec un seul maximum situé non au centre mais en face du trou 2.

Il est clair que le résultat obtenu avec les deux trous ouverts (la probabilité pour les électrons qui passent à travers des trous 1 et 2) n'est pas la somme de Probabilité 1 plus Probabilité 2.

Par analogie directe avec notre expérience d'ondes dans l'eau nous disons : « il y a interférence ».

Comment une telle interférence peut-elle se produire ? Nous pourrions peut-être dire : « bien, cela signifie probablement qu'il n'est pas vrai que les paquets passent soit à travers le trou 1, soit à travers le trou 2, parce que, s'ils faisaient cela, les probabilités s'ajouteraient. Peut-être passent-ils d'une façon plus compliquée. Ils se coupent en deux et… Mais non ! Ils ne le peuvent pas, ils arrivent toujours par paquets… Bien, peut-être encore quelques fois, ou encore ils passent par un chemin plus compliqué… ainsi, en obturant le trou 2, nous modifions les chances pour qu'un électron qui a « démarré » par le trou 1 atteigne finalement la plaque d'arrêt… »

Mais attention ! Il y a certains points où très peu d'électrons arrivent lorsque les deux trous sont ouverts, mais qui en reçoivent beaucoup si nous fermons un trou, par conséquent c'est comme si le fait de « fermer » un trou « augmentait » le nombre des électrons venant de l'autre trou. Par contre, remarquez qu'au centre de la figure des probabilités à deux trous ouverts, la probabilité est deux fois plus grande que le total : Probabilité 1 (probabilité d'arrivées d'électrons à travers du trou 1 seul ouvert) additionnée à Probabilité 2 (probabilité d'arrivées d'électrons à travers du trou 2 seul ouvert). Tout se passe comme si, en fermant un trou, on diminuait le nombre d'électrons qui passe par l'autre trou. Il semble difficile d'expliquer les deux effets par l'hypothèse que les électrons suivent des chemins compliqués.

Tout cela est tout à fait mystérieux. Et plus on y pense et plus cela paraît mystérieux. Beaucoup d'idées ont été élucubrées pour essayer d'expliquer la courbe des probabilités à deux trous ouverts en termes de chemins compliqués qu'emprunteraient les électrons pour passer à travers les trous. Aucune de ces idées n'a pleinement réussi. Aucune ne peut expliquer la bonne courbe à deux trous ouverts en fonction des Probabilités 1 et 2.

Cependant, et c'est assez surprenant, les mathématiques reliant la probabilité à deux trous aux deux probabilités à un trou sont extrêmement simples… Les mathématiques sont donc les mêmes que celles que nous avions pour des interférences : celles dans l'eau !

Nous conclurons ainsi :

Les électrons arrivent en paquets, comme des particules, et la probabilité d'arrivée de ces paquets est distribuée comme l'intensité d'une onde. C'est dans ce sens que les électrons se comportent « quelquefois comme des particules et quelquefois comme des ondes »…

Il n'est donc pas vrai, lorsque les deux trous sont ouverts, que les électrons passent « soit » par le trou 1, « soit » par le trou 2. Cette conclusion peut être vérifiée par une autre expérience.

Nous ajoutons à notre appareil à électrons une forte source de lumière, placée après la paroi et juste entre les deux trous. Nous savons que les charges électriques diffusent la lumière. Ainsi, lorsqu'un électron traverse la paroi, de quelque façon que ce soit, et qu'il se dirige vers le détecteur, il diffuse de la lumière vers notre œil et nous pouvons « voir » où l'électron va. Si, par exemple, un électron passait à travers le trou 2, suivant le chemin, canon à électron puis trou 2 puis passage devant la source de lumière au point A avant d'aller vers la plaque d'arrêt, nous verrions un éclair lumineux provenant du voisinage du point A, près du trou 2. Si un électron passait à travers le trou 1, nous nous attendrions à voir un éclair en provenance du voisinage du trou 1. S'l arrivait que nous apercevions de la lumière des deux endroits à la fois, l'électron s'étant coupé en deux… Mais faisons plutôt l'expérience !

Voilà ce que nous voyons : chaque fois que nous entendons un « clic » provenant de notre détecteur d'électrons (devant la plaque d'arrêt), nous voyons aussi un éclair de lumière provenant « soit » du trou 1, « soit » du trou 2, mais jamais des deux à la fois ! Et nous obtenons le même résultat quelle que soit la façon dont nous plaçons le détecteur. De cette observation, nous concluons que, lorsque nous observons les électrons, nous trouvons qu'ils passent à travers l'un ou l'autre trou. Expérimentalement, la proposition « Les électrons ne passent pas à la fois par les deux trous » est nécessairement vraie…

Revenons à l'expérience ! Suivons les électrons et essayons de trouver ce que font les électrons. Pour chaque position du détecteur (en x) nous compterons les électrons qui arrivent et nous noterons aussi par quel trou ils sont passés en observant les éclairs. Nous noterons les faits de la façon suivante : chaque fois que nous entendrons un « clic », nous compterons 1 dans la colonne 1 si nous voyons un éclair près du trou 1, et nous compterons 1 dans la colonne 2 si nous voyons un éclair près du trou 2. Chaque électron qui arrive est enregistré dans l'une des deux classes : ceux qui passent par le trou 1 et ceux qui passent par le trou 2. Du nombre enregistré dans la colonne 1 nous déduisons la Probabilité 1 pour qu'un électron atteigne le détecteur en étant passé à travers le trou 1 et du nombre enregistré dans la colonne 2 nous déduisons la Probabilité 2 pour qu'un électron atteigne le détecteur en étant passé à travers le trou 2. Si maintenant nous répétons une telle mesure pour de nombreuses valeurs de x, c'est-à-dire de la position du détecteur sur la plaque d'arrêt, nous obtenons les courbes des Probabilités 1 et 2.

Bien. Ce résultat n'est pas trop surprenant ! Nous obtenons pour la Probabilité 1 quelque chose de très similaire à la Probabilité 1 que nous avions obtenu en fermant le trou 2. Et pour la Probabilité 2 quelque chose de très semblable que lorsque nous mesurions la Probabilité 2 en fermant le trou 1. Il ne se passe donc rien de compliqué du type de passer par les deux trous à la fois. Lorsque nous les observons, les électrons traversent la paroi exactement comme nous nous y attendions. Que les trous soient ouverts ou fermés, tous ceux que nous voyons venir par le trou 1 sont distribués de la même façon que le trou 2 soit ouvert ou fermé.

Mais attendez ! Qu'obtenons-nous maintenant pour la probabilité TOTALE, c'est-à-dire la probabilité pour qu'un électron atteigne le détecteur par n'importe quel chemin ? Nous avons déjà cette information. Faisons comme si nous n'avions jamais regardé les éclairs lumineux et mettons ensemble les « clics » du détecteur que nous avions séparés en deux colonnes. Nous n'avons qu'à additionner les deux nombres. Nous trouvons alors la probabilité pour qu'un électron atteigne la plaque d'arrêt en passant par l'un ou l'autre trou égale à la somme des Probabilité 1 et 2. Cela signifie que depuis que nous avons réussi à observer par quel trou chaque électron passait, nous n'obtenons plus l'ancienne courbe d'interférence (avec de nombreux maximums et minimums) mais une nouvelle courbe où n'apparaît aucune interférence (un seul maximum au niveau du centre et pas de minimum) ! Si nous éteignons la lumière, la courbe avec interférences est restaurée.

Il nous faut conclure que la répartition des électrons sur l'écran est différente lorsque nous les observons et lorsque nous ne les observons pas. C'est peut-être en allumant notre source de lumière que nous changeons tout. Les électrons doivent être très délicats et, en diffusant les électrons, la lumière leur donne sans doute un choc qui modifie leur mouvement. Nous savons qu'appliqué à une charge le champ électrique de la lumière exerce une force sur elle. Nous devrions peut-être nous attendre à ce que le mouvement soit modifié. Quoiqu'il en soit la lumière exerce une grande influence sur les électrons. En essayant d' « observer » les électrons, nous avons modifié leur mouvement. Autrement dit, le choc donné à l'électron lorsqu'il diffuse un photon est suffisant pour modifier son mouvement et le faire atterrir là où la probabilité totale (avec interférences) est minimale alors que, sans ce choc, il aurait été là où la probabilité totale est maximale. C'est pourquoi nous ne voyons plus d'effet du genre d'une interférence de deux ondes quand nous éclairons les trous.

Vous pourriez rétorquer : « n'utilisez pas une source si brillante ! Diminuez la brillance ! Les ondes lumineuses seront alors plus faibles et ne perturberont plus autant les électrons. Sûrement, en diminuant de plus en plus la lumière, les ondes deviendront si faibles qu'elles ne donneront plus qu'un effet négligeable ».

D'accord. Essayons. La première chose que nous observons est que les éclairs lumineux diffusés par les électrons ne deviennent pas plus faibles. Ce sont toujours les mêmes éclairs. La seule chose qui se produit lorsque l'on diminue la lumière est que, quelquefois, nous entendons un « clic » provenant du détecteur mais nous ne voyons pas d'éclair du tout. Les électrons sont passés sans être vus. Ce que nous sommes en train d'observer c'est que la lumière se comporte aussi comme les électrons ; nous savions qu'elle était « ondulatoire » et maintenant nous trouvons qu'elle est aussi « corpusculaire ». Elle arrive toujours – ou elle est toujours diffusée – par paquets que nous appelons « photons ». Lorsque nous diminuons l'intensité de la source, nous ne changeons pas la taille des photons, mais seulement le rythme auquel ils sont émis. Ceci explique pourquoi quelques électrons passent sans être vus lorsque notre source est faible. C'est qu'il n'y avait pas de photons dans le voisinage lorsque l'électron est passé.

Tout cela est un petit peu dérangeant. S'il est vrai que, lorsque nous « voyons » un électron, nous voyons toujours le même éclair, alors les électrons que nous voyons sont toujours des électrons perturbés.

Revenons à l'expérience avec une source faible. Maintenant, lorsque nous entendons un « clic » dans le détecteur, nous l'inscrirons dans l'une des trois colonnes suivantes : dans la colonne (1) les électrons vus près du trou 1, dans la colonne (2) les électrons vus près du trou 2 et dans la colonne (3) les électrons que nous n'aurons pas vus. Quand nous faisons le bilan de nos données (en calculant les probabilités) nous trouvons les résultats suivants : les électrons « vus près du trou 1 » ont une distribution comme la probabilité que nous avions trouvé pour les électrons passant au travers du trou 1 en éclairant les deux trous ouverts tous les deux : « ceux vus près du trou 2 » ont une distribution comme la probabilité que nous avions trouvé pour les électrons passant au travers du trou 2 en éclairant les deux trous ouverts tous les deux. Si bien que « les électrons vus soit près du trou 1, sot près du trou 2 » ont une distribution comme la probabilité totale sans interférence (pas ondulatoire) et « ceux qui n'ont pas été vus du tout » ont une distribution « ondulatoire » exactement comme la probabilité totale avec interférences.

Si les électrons ne sont pas vus, nous avons des interférences !

Tout cela est compréhensible. Lorsque nous ne voyons pas l'électron, aucun photon ne le perturbe, et quand nous le voyons, c'est qu'un photon l'a perturbé. La perturbation a toujours la même grandeur car les photons de la lumière produisent tous des effets de même grandeur et l'effet de la diffusion des photons est suffisant pour empêcher tout effet d'interférence.

N'y a-t-il pas quelque moyen de voir les électrons sans les perturber ? Nous avons appris dans un précédent chapitre que l'impulsion transportée par un « photon » est inversement proportionnelle à la longueur d'onde (c'est-à-dire qu'elle est proportionnelle à sa fréquence). Il est certain que le choc donné à l'électron lorsque le photon est diffusé vers notre œil dépend de l'impulsion du photon. Ah ! Ah ! Mais alors, si nous voulions ne perturber l'électron que légèrement nous n'aurions pas dû diminuer l'intensité de la lumière, mais nous aurions dû diminuer sa fréquence (c'est-à-dire augmenter sa longueur d'onde).

Utilisons de la lumière de couleur plus rouge. Nous pourrions même employer de l'infrarouge ou des ondes radioélectriques (comme celles du radar), et « voir » où l'électron va à l'aide d'un appareil qui peut « voir » de la lumière ayant ces grandes longueurs d'onde. Si nous utilisons de la lumière plus douce, nous pouvons peut-être éviter de perturber autant les électrons.

Essayons l'expérience avec de plus grandes longueurs d'onde. Nous allons nous contenter de répéter notre expérience avec, chaque fois, une lumière ayant une plus grande longueur d'onde. Au début, rien ne semble changer. Les résultats sont les mêmes. Puis quelque chose de terrible se produit. Vous vous rappelez que lorsque nous avons discuté le microscope, nous avons remarqué que la nature ondulatoire entraînait une limitation de la distance minimum qu'il peut y avoir entre deux points pour qu'ils soient perçus comme deux points séparés. Cette distance est de l'ordre de la longueur d'onde de la lumière. De même maintenant, lorsque nous prenons une longueur d'onde plus grande que la distance entre nos deux trous, nous voyons un grand éclair indistinct lorsque la lumière est diffusée par les électrons. Nous ne pouvons plus dire par quel trou l'électron est passé ! Nous savons seulement qu'il est passé quelque part ! Et c'est juste avec de la lumière de cette couleur que nous trouvons que les chocs donnés à l'électron sont assez petits pour que nous commencions à obtenir quelques effets d'interférences, et que la courbe de probabilité commence à ressembler à la probabilité totale avec interférences (obtenue avec deux trous ouverts sans éclairer les trous). Et c'est seulement pour des longueurs d'onde beaucoup plus grandes que la distance entre les trous (et, par conséquent, lorsque nous n'avons aucune chance de pouvoir dire par où un électron est passé), que la perturbation due à la lumière devient suffisamment petite pour que nous obtenions à nouveau la courbe avec interférences.

Avec notre expérience, nous trouvons qu'il est impossible de régler une source de lumière de telle façon que l'on puisse dire par quel trou un électron est passé et, en même temps, pour qu'elle ne perturbe pas la source d'interférence. Heisenberg a suggéré que ces lois de la nature, nouvelles, ne pouvaient être cohérentes que s'il existait une limitation fondamentale de nos capacités d'observation, limitation qui n'avait pas été reconnue jusque là. Il proposa comme un principe général son « principe d'incertitude » que nous pouvons énoncer de la manière suivante, dans les termes de l'expérience précédente : « il est impossible de construire un appareil pour déterminer par quel trou un électron est passé, sans que cet appareil ne perturbe suffisamment les électrons pour détruire la figure d'interférence »…

Personne n'a jamais trouvé (ni même esquissé) un moyen d'éviter le principe d'incertitude. C'est pourquoi nous devons admettre qu'il décrit une caractéristique fondamentale de la nature.

La théorie complète de la mécanique quantique, que nous employons maintenant pour décrire les atomes et, en fait, toute matière, repose sur l'exactitude du principe d'incertitude…

Nous allons maintenant résumer les conclusions principales de nos expériences. Nous mettrons toutefois les résultats sous une forme telle qu'ils seront encore vrais pour une classe plus générale d'expériences. Nous pouvons écrire ce résumé plus simplement si nous définissons d'abord une « expérience idéale » dans laquelle il n'y a aucune influence aléatoire externe, telle qu'une agitation, que nous ne puissions prendre en compte exactement. Nous serions tout à fait précis si nous disions : « une expérience idéale est une expérience dans laquelle toutes les conditions initiales et finales sont complètement spécifiées ». Ce que nous appellerons « un événement » est, en général, un ensemble particulier de conditions initiales et finales. Par exemple : « un électron, quittant le canon à électrons, arrive au détecteur et rien d'autre ne se passe ».

Venons-en maintenant à notre résumé :

La probabilité d'un événement dans une expérience idéale est obtenue en multipliant par lui-même un nombre appelé amplitude de probabilité. Lorsqu'un événement peut se produire suivant l'une ou l'autre de plusieurs voies, l'amplitude de probabilité pour l'événement est donnée par la somme des amplitudes de probabilité correspondant à chaque voie, considérée isolément. Il y a interférence. La probabilité est le carré de la somme des amplitudes de probabilité des différentes voies.

Si l'on réalise une expérience capable de déterminer la voie suivant laquelle l'événement s'est effectivement produit, la probabilité de l'événement est la somme des probabilités pour chacune des voies. L'interférence est détruite. La probabilité est la somme des probabilités des différentes voies.

On aimerait encore demander « comment cela marche-t-il ? Quel mécanisme y a-t-il derrière cette loi ? » Personne n'a jamais trouvé de mécanisme derrière la loi. Personne ne peut « expliquer » plus que nous n'avons « expliqué ». Personne ne vous donnera une description plus profonde de la situation. Nous n'avons pas la moindre idée d'un mécanisme plus fondamental dont on pourrait déduire les résultats précédents.

Nous voudrions souligner une différence très importante entre les mécaniques classique et quantique. Nous avons parlé de la probabilité pour qu'un électron arrive à un certain endroit, dans des circonstances données. Nous avons implicitement supposé qu'avec notre dispositif expérimental (ou même avec le meilleur dispositif possible) il est impossible de prédire exactement ce qui allait arriver. Nous pouvons seulement prévoir des probabilités ! Si cela était vrai, cela signifierait que la physique a renoncé de prédire exactement ce qui se passe dans des conditions données.

Oui ! La physique y a renoncé. Nous ne savons pas comment prédire ce qui arrive dans des conditions données, et nous croyons en fait que c'est impossible et que la seule chose qui peut être prédite est la probabilité des différents événements. Il faut admettre que ceci est une restriction à notre ancien idéal de compréhension de la nature. C'est peut-être un pas en arrière mais personne n'a trouvé le moyen de l'éviter…

Implications philosophiques

Considérons brièvement quelques implications philosophiques de la mécanique quantique. Comme toujours, il y a deux aspects du problème : l'un concerne les implications philosophiques pour la physique, et l'autre l'extrapolation de cette philosophie à d'autres domaines. Lorsque les idées philosophiques associées à la science sont habituellement complètement déformées. Aussi nous limiterons nos remarques à la physique elle-même.

L'aspect le plus intéressant est d'abord l'idée principale d'incertitude ; faire une observation affecte le phénomène. On sait depuis toujours que lorsqu'on observe, on affecte le phénomène, mais l'important ici est que l'effet ne peut pas être négligé ou écarté ou diminué arbitrairement en transformant l'appareil. Lorsque nous cherchons un certain phénomène, nous ne pouvons pas nous empêcher de le perturber d'une certaine manière minimum, et la perturbation est nécessaire à la cohérence du point de vue.

L'observateur était quelquefois important en physique préquantique, mais seulement dans un sens plutôt évident. Le problème a été posé : si un arbre tombe dans une forêt et qu'il n'y ait personne pour l'entendre, fait-il du bruit ? Un arbre « réel » tombant dans une forêt « réelle » fait un bruit, bien sûr, même si personne n'est là. Même si personne n'est présent pour l'entendre, d'autres traces restent. Le son agitera certaines feuilles, et si nous sommes suffisamment attentifs nous pouvons trouver quelque part qu'une épine a frotté contre une feuille et y a laissé une petite trace qui ne peut être expliquée que si nous supposons que la feuille a vibré. Ainsi, dans un certain sens, nous devons admettre qu'un son est produit. Non, les sensations sont en relation, probablement, avec la conscience. Que les fourmis soient conscientes et qu'il y ait des fourmis dans la forêt, ou que les arbres soient conscients, nous n'en savons rien. Laissons le problème sous cette forme.

Une autre chose sur laquelle les gens ont insisté depuis que la mécanique quantique s'est développée est l'idée que nous ne devrions pas parler de ces choses que nous ne pouvons pas mesurer.

En réalité, la théorie de la relativité nous le dit également.

Tant qu'une chose ne peut être définie par la mesure, elle n'a pas de place dans une théorie.

Et puisqu'une valeur précise de la quantité de mouvement d'une particule localisée ne peut être définie par la mesure, elle n'a pas lieu de figurer dans la théorie.

L'idée que c'est cela qui n'allait pas dans la théorie classique est une position fausse. C'est une analyse peu soigneuse de la situation.

Ce n'est pas simplement parce que nous ne pouvons pas mesurer la position et la quantité de mouvement précisément que cela signifie a priori que nous ne puissions pas en parler.

Cela signifie simplement que nous ne sommes pas obligés d'en parler.

La situation dans les sciences est celle-ci : un concept ou une idée qui ne peuvent pas être mesurés ou qu'on ne peut relier directement à l'expérience peuvent ou peuvent ne pas être utiles. Il n'est pas nécessaire qu'ils existent dans une théorie.

En d'autres termes, supposez que nous comparions la théorie classique du monde avec la théorie quantique, et supposez qu'il soit vrai expérimentalement que nous ne puissions mesurer la position et la quantité de mouvement qu'avec une certaine imprécision. La question est de savoir si les notions de position exacte d'une particule et de quantité de mouvement exacte d'une particule sont valides ou pas.

La théorie classique admet ces idées ; la théorie quantique ne les admet pas.

Cela ne signifie pas en soi que la physique classique soit fausse.

Lorsque la nouvelle mécanique quantique fut découverte, les gens d'obédience classique – ce qui comprenait tout le monde à l'exception de Heisenberg, Schrödinger et Born – disaient :

« Regardez, votre nouvelle théorie n'est pas bonne parce que vous ne pouvez pas répondre à certaines questions telles que : quelle est la position d'une particule ?, par quel trou passe-t-elle ? et d'autres encore. »

La réponse d'Heisenberg était :

« Je n'ai pas besoin de répondre à de telles questions, parce que vous ne pouvez pas vous poser de telles question expérimentalement. »

Nous n'avons pas besoin de le faire.

Considérez deux théories (a) et (b) ; (a) contient une idée qui ne peut être vérifiée directement mais qui est utilisée dans le calcul, et l'autre, (b), ne contient pas l'idée. Si elles sont en désaccord dans leurs prédictions, on ne peut pas dire que (b) est fausse parce qu'elle ne peut pas expliquer l'idée qui se trouve en (a), parce que cette idée correspond à une des choses qui ne peut pas être vérifiée directement.

Il est toujours bon de savoir quelles idées ne peuvent pas être vérifiées directement, mais il n'est nécessaire de les éliminer toutes. Il n'est pas vrai que nous puissions avancer jusqu'au bout dans la connaissance scientifique en utilisant seulement ces concepts qui sont directement soumis à l'expérience.

Dans la mécanique quantique elle-même, il y a une amplitude de fonction d'onde, il y a un potentiel, il y a de nombreux autres concepts que nous ne pouvons mesurer directement.

La base d'une science est sa capacité à prédire. Prédire signifie dire ce qui va se passer dans une expérience qui n'a jamais été réalisée auparavant.

Comment pouvons-nous le faire ? En supposant que nous savons ce qui se passe, indépendamment de l'expérience. Nous devons extrapoler les expériences dans une région où elles n'ont pas encore été réalisées. Nous devons prendre nos concepts et les étendre à des régions où ils n'ont pas encore été vérifiés.

Si nous ne le faisons pas, nous n'avons pas de prédictions. Ainsi, pour un physicien classique, il était parfaitement raisonnable d'aller de l'avant tranquillement et de supposer que la position – qui manifestement signifie quelque chose pour un ballon de football – signifie quelque chose également pour un électron.

Ce n'était pas une stupidité. C'était une procédure sensée...

Nous avons déjà fait quelques remarques sur l'indétermination de la mécanique quantique. C'est-à-dire que nous sommes incapables maintenant de prédire ce qui va se passer en physique dans une circonstance physique donnée qui est préparée aussi précisément que possible.

Si nous avons un atome dans un état excité qui va donc émettre un photon, nous ne pouvons pas dire quand il va émettre ce photon. Il a une certaine amplitude d'émettre le photon à n'importe quel moment, et nous ne pouvons que prédire une probabilité d'émission ; nous ne pouvons pas prédire le futur exactement…

Bien entendu, nous devons insister sur le fait que la physique classique est également, en un sens, indéterminée. On pense habituellement que cette indétermination, cette incapacité de prédire le futur, est une caractéristique importante de la mécanique quantique, et on dit que cela explique le comportement de l'esprit, les sentiments de libre volonté, etc. Mais si le monde était classique – si les lois de la mécanique étaient classiques – il n'est pas du tout évident que l'esprit ne sentirait pas plus ou moins la même chose…

Il est vrai classiquement que si nous connaissions la position et la vitesse de chaque particule dans le monde, ou dans un récipient de gaz, nous pourrions dire exactement ce qui va se passer. Et de ce fait le monde classique est déterministe.

Supposez, cependant, que notre précision soit limitée et que nous ne sachions « exactement » où se trouve un atome, à un milliardième près par exemple. Lorsque celui-ci se déplace, il frappe un autre atome et du fait que nous ne connaissions pas la position mieux qu'à un milliardième près, nous trouvons une erreur encore plus grande sur la position après la collision.

Et ceci est amplifié, bien sûr, dans la collision suivante, de telle sorte que si nous partons avec simplement une petite erreur, elle est rapidement amplifiée pour devenir une très grande incertitude…

Parlant plus précisément, étant donné une précision arbitraire, quelle que soit cette précision, on peut trouver un temps suffisamment long pour que nous ne puissions plus faire de prédictions valables sur ce qui doit se passer au bout de ce temps long.

Le point important maintenant est que cet intervalle de temps n'est pas très grand… Dans un tout petit laps de temps nous perdons toute notre information… Ce n'est donc pas juste de dire, en nous fondant sur l'apparente liberté et l'indéterminisme de l'esprit humain, que nous aurions dû réaliser que la physique « déterministe » classique ne pouvait en rendre compte et accueillir la mécanique quantique comme la libération d'un univers « complètement mécanique ». Car déjà en mécanique classique, l'indétermination existe d'un point de vue pratique.

Amplitudes de probabilité

Quand Schrödinger découvrit le premier les lois correctes de la mécanique quantique, il écrivit une équation qui donnait l'amplitude pour trouver une particule en différents endroits. Cette équation était très similaire de celles qui étaient déjà connues des physiciens de l'époque classique et que ceux-ci avaient utilisés pour décrire le mouvement de l'air dans une onde sonore, pour la transmission de la lumière, etc. si bien que, pendant les débuts de la mécanique quantique on passa beaucoup de temps à résoudre cette équation.

Mais, en même temps, on commençait à comprendre, avec Born et Dirac en particulier, les idées physiques foncièrement nouvelles de la mécanique quantique. Tandis que celle-ci continuait à se développer, il apparut qu'il y avait un grand nombre de choses qui n'étaient pas directement impliquées par l'équation de Schrödinger, telles que le spin de l'électron et différents phénomènes relativistes…

Nous cherchons l'amplitude de probabilité pour qu'une particule, qui arrive en x, reparte en s.

Il nous suffira de calculer l'amplitude de probabilité pour qu'une telle particule passe par le trou 1. Le même type de calcul nous donnera l'amplitude de probabilité pour qu'elle passe par le trou 2. Puis on additionnera les deux.

Le calcul est extrêmement simple. En effet, l'amplitude de probabilité pour qu'une particule passe par le trou 1 pour aller de la position x à la position s est simplement le produit de l'amplitude de probabilité pour aller de x au trou 1 avec l'amplitude de probabilité pour aller du trou 1 à s. On fait de même pour le trou puis on additionne les deux. Vous avez là l'essentiel de ce calcul de probabilités développé par Dirac.

Quels sont les comportements de base du monde ?

Nous avons découvert que n'importe quel état du monde peut être représenté comme une superposition – une combinaison linéaire avec des coefficients convenables – d'état de base. Vous pouvez vous demander d'abord, quels états de base ? Eh bien, il y a de nombreuses possibilités différentes. Vous pouvez, par exemple, projeter un spin sur la direction z, ou sur une autre direction. Il y a beaucoup, beaucoup de représentations différentes, qui sont les analogues des différents systèmes de coordonnées que l'on peut employer pour représenter des vecteurs ordinaires. Ensuite, quels coefficients ? Eh bien, ceci dépend des conditions physiques. Des ensembles de coefficients différents correspondent à des conditions physiques différentes.

(Rappel : le spin est le moment angulaire quantifié de la particule.)

La chose importante à connaître est « l'espace » dans lequel vous travaillez – en d'autres termes, quelle est la signification physique des états de base ? La première chose qu'il faut donc savoir est, en général, à quoi ressemblent les états de base ? Vous pouvez alors comprendre comment décrire une situation donnée en fonction de ces états de base.

Nous voudrions anticiper un peu et parler un petit peu de ce que va être la description quantique générale de la nature – en termes d'idées courantes dans la physique d'aujourd'hui. Tout d'abord, on choisit une représentation particulière pour les états de base – différentes représentations sont toujours possibles. Par exemple, pour une particule de spin un demi (comme l'électron), nous pouvons utiliser les états « plus » ou « moins » par rapport à l'axe z. Mais l'axe z n'a rien de spécial – vous pouvez toujours prendre n'importe quel autre axe si vous le préférez. Cependant, par souci de cohérence, nous prendrons toujours l'axe z.

Supposons que nous commencions avec une situation à un électron. En plus des deux possibilités de spin (« en haut » et « en bas » le long de l'axe z), il y aussi différentes possibilités pour l'impulsion de l'électron. Nous choisissons un ensemble d'états de base, chacun correspondant à une valeur de l'impulsion. Mais que faire si l'électron n'a pas une impulsion définie ? Cela va encore, nous ne faisons que dire que ce sont des états de base. Si l'électron n'a pas d'impulsion définie, il a une certaine amplitude pour avoir une impulsion donnée et une autre amplitude pour avoir une autre impulsion, et ainsi de suite. Et il n'est pas nécessairement en train de tourner spin en haut, il a une certaine amplitude pour être spin en bas avec la même impulsion, etc.

La description complète d'un électron, pour autant que nous le sachions, ne requiert que l'impulsion et le spin pour décrire les états de base. Un ensemble d'états de base acceptable pour un seul électron est donc décrit par les différentes valeurs de l'impulsion et les positions, en haut et en bas, du spin…

Que dire des systèmes à plus d'un électron ? Les états de base deviennent alors plus compliqués. Supposons que nous ayons deux électrons. Tout d'abord, nous avons quatre états de spin possibles : les deux électrons spin en haut, le premier en bas et le deuxième en haut, le premier en haut et le deuxième en bas, les deux en bas. Nous avons aussi à préciser que le premier électron a l'impulsion p1, et le deuxième électron a l'impulsion p2. Les états de base requièrent que l'on spécifie deux impulsons et deux spins. Avec sept électrons, nous avons à spécifier sept de chaque.

Si nous avons un proton et un électron, il nous faut spécifier la direction du spin du proton et son impulsion, la direction du spin de l'électron et son impulsion. Du moins, ceci est approximativement vrai… Dans un atome d'hydrogène qui a un proton et un électron, nous avons beaucoup d'états de base différents à décrire – les spins du proton et de l'électron en haut ou en bas et les différentes valeurs possibles des impulsions du proton et de l'électron…

La question se pose alors : le proton a-t-il des constituants internes ? Devons-nous décrire un proton en donnant tous les états possibles des protons, des mésons et des particules étranges ?... Peut-être allons-nous découvrir demain qu'électron a aussi toute une mécanique interne…

Actuellement, nous nous contentons de deviner que pour l'électron, il suffit de spécifier l'impulsion et le spin. Nous pensons aussi qu'il y a un proton idéal entouré de mésons pi, de mésons k, etc. qui doivent tous être décrits….

En mécanique quantique non relativiste – si les énergies ne sont pas trop élevées de façon que vous ne dérangiez pas le jeu interne des particules, étranges et autres – vous pouvez faire du très bon travail sans vous soucier de ces détails. Vous pouvez décider de ne spécifier que les impulsions et les spins des électrons et des noyaux ; tout se passera très bien… Nous ferons souvent l'approximation selon laquelle nous ne tenons pas compte de la possibilité d'un mouvement interne, diminuant ainsi le nombre de détails que nous devons inclure dans nos états de base.

Bien entendu, nous oublions alors certains phénomènes qui apparaîtraient (en général) à des énergies plus élevées, mais en faisant de telles approximations nous pouvons simplifier énormément l'analyse des problèmes. Par exemple, nous pouvons discuter la collision de deux atomes d'hydrogène à basse énergie – ou n'importe quelle réaction chimique – sans nous inquiéter du fait que les noyaux atomiques pourraient être excités. En résumé, quand nous pouvons négliger les effets des états excités d'une particule, nous pouvons choisir un ensemble d'états de base constitué des états dont l'impulsion et le composante z du moment angulaire sont définis.

Notre problème, alors, pour décrire la nature est de trouver une représentation adéquate des états de base. Cela n'est que le commencement. Nous voulons de plus être capables de dire ce qui « arrive ». Si nous connaissons l'état du monde à un moment donné, nous voulons connaître son état un peu plus tard. Nous avons donc aussi à trouver les lois qui déterminent comment les choses changent dans le temps…

Structure d'un atome et couches électroniques – amplitude et fonction d'onde

Pour analyser la structure d'un atome, nous pouvons considérer que les électrons remplissent des couches successives. La théorie de Schrödinger sur le mouvement des électrons ne peut être aisément mise en œuvre que s'il s'agit d'« un seul électron » se déplaçant dans un champ « central » - un champ ne variant qu'en fonction de la distance par rapport à un point. Alors, comment peut-on analyser ce qui se passe dans un atome à 22 électrons ?!

Une manière consiste à utiliser une sorte d'approximation de particules indépendantes. Vous calculez d'abord ce qui se passe avec un électron. Vous obtenez un certain nombre de niveaux d'énergie. Vous placez un électron dans l'état d'énergie le plus bas. Pour un modèle grossier, vous pouvez continuer d'ignorer les interactions entre électrons et vous pouvez continuer à remplir les couches successives, mais il existe un moyen d'obtenir de meilleures réponses en tenant compte – au moins d'une manière approchée – de l'effet de la charge électrique portée par l'électron.

Chaque fois que vous ajoutez un électron, vous calculez l'amplitude pour qu'il se trouve aux divers emplacements, et vous utilisez ensuite cette amplitude pour faire une certaine estimation d'une espèce de distribution de charge à symétrie sphérique… De cette manière vous pouvez obtenir des corrections raisonnables pour l'énergie de l'atome neutre et des états ionisés…

Avec une couche partiellement remplie, l'atome montrera une tendance à se saisir d'un ou plusieurs électrons supplémentaires, ou bien à perdre quelques électrons, de manière à passer à l'état plus stable d'une couche remplie.

Cette théorie explique le mécanisme qui gouverne les propriétés chimiques fondamentales tout au long de la table périodique des éléments… Un atome ayant un électron de plus ou de moins qu'un gaz inerte perdra ou prendra facilement un électron pour passer à la situation particulièrement stable (état de basse énergie) associée au fait d'avoir une couche complètement remplie – ce sont ces éléments chimiques très actifs dont la valence est +1 ou -1…

L'équation de Schrödinger

Le but est de voir comment les états peuvent varier en fonction du temps. Cette transformation est indiquée par ce que l'on appelle « une fonction d'onde », qui est en fonction du temps et décrit les états successifs qui se produisent au cours du temps. C'est une « représentation d'espace » qui donne les valeurs des projections d'états sur les états de base…

Elle donne la variation de l'amplitude d'un électron pour se déplacer dans un potentiel et exprime cette variation en fonction du potentiel et de son accélération de variation (appelée dérivée seconde).

Ce fut la première équation de mécanique quantique jamais écrite. Elle a été écrite avant qu'aucune des équations quantiques n'ait été découverte…

Bien que nous ayons abordé le sujet selon une voie complètement différente, le grand moment historique de la naissance de la description quantique de la matière s'est produit lorsque Schrödinger en 1926 a écrit pour la première fois son équation. Pendant de longues années, la structure atomique interne de la matière était restée un grand mystère. Personne n'avait été capable de comprendre ce qui maintient la matière ensemble, pourquoi il y a des forces de liaisons chimiques et surtout comment il peut se faire que des atomes puissent être stables. Si Bohr avait su donner une description du mouvement interne d'un électron dans un atome d'hydrogène, description qui paraissait expliquer le spectre de la lumière émise par cet atome, la raison pour laquelle les électrons se déplacent de cette manière restait un mystère.

La découverte par Schrödinger des équations propres du mouvement des électrons à l'échelle atomique a fourni une théorie à partir de laquelle on peut calculer des phénomènes atomiques de façon quantitative, précise et détaillée. En principe, l'équation de Schrödinger permet d'expliquer tous les phénomènes atomiques sauf ceux qui font intervenir le magnétisme et la relativité. Elle permet d'expliquer les niveaux d'énergie d'un atome ainsi que tous les faits qui concernent les liaisons chimiques. Cependant, ceci n'est vrai qu'en principe : pour résoudre exactement n'importe quel problème sauf les plus simples, les calculs deviennent rapidement trop compliqués. Seuls les atomes d'hydrogène et d'hélium ont pu être calculés avec une grande précision…

Les états qui satisfont à l'équation de Schrödinger pour un électron dans un champ coulombien sont caractérisés par les trois nombres quantiques m, l et n, tous entiers.

m : nombre quantique magnétique, entre –l et +l

l : nombre quantique du moment cinétique total, entre 0 et n-1

n : nombre quantique principal, entier 1, 2, 3…

L'énergie de l'état ne dépend que de n et croit avec n.

La distribution angulaire de l'électron correspondant à l'amplitude de l'électron est caractérisée par les valeurs de l et m.

Pour chaque configuration angulaire, plusieurs distributions radiales sont possibles et la distribution radiale ne dépend que de n.

On obtient ainsi les diverses couches atomiques des électrons :

1s

2s et 2p

3s 3p et 3d

4s 4p 4d et 4f

etc.

L'état s est l = 0, m = 0 et n = 0

L'état p est l = 1, n = 2 ou plus, m = +1, 0 ou -1

Par exemple, 2s signifie couche 2, état s

Cela donne le diagramme des niveaux d'énergie de l'atome.

Cela permet d'interpréter les propriétés chimiques des atomes.

L'état fondamental de l'hydrogène est dans la configuration 1s (l=m=0 et n=1)

Discussion sur le point de vue de Feynman :

« Il nous faut conclure que la répartition des électrons sur l'écran est différente lorsque nous les observons et lorsque nous ne les observons pas. » écrit Feynman dans sa discussion sur l'expérience des fentes de Young qui début ce texte. En réalité, que « nous » les observions ou pas ne compte pas. Ce qui compte, c'est qu'ils se heurtent à des photons émis par une source de lumière ou pas. Si une lumière éclaire les trous et que nous n'observons pas ce qui se passe et par quel trou ils passent, cela suffit à supprimer les interférences. On a donc, à tort, développé une argumentation sur le rôle de l'observateur humain !!!! La réalité, c'est que la lumière émise en direction des deux trous et qui heurte le passage des électrons perturbe les interférences. Elle remet les deux chemins au même rythme et supprime le décalage de phase entre les ondes passées par les deux trous. Bien sûr, s'il n'y a qu'un trou d'ouvert, il ne peut pas y avoir d'interférence.

Certes, le raisonnement de Feynman reste valable pour l'essentiel et il démontre que l'onde est passée par les deux trous et que le corpuscule n'est passé que par un trou et que, dans l'électron, il y a à la fois l'onde et le corpuscule !!!

Ce que démontrent les expériences de Young, dans les divers cas, trous éclairés ou pas, trous ouverts ou pas, c'est que ce qui passe par les trous n'est pas un objet indépendant sur lequel on peut raisonner comme un seul objet. Le phénomène « électron » n'est pas un objet mais un effet qui dépend de l'état du vide quantique qui l'entoure. La lumière modifie l'état du vide qui entoure le corpuscule, l'état du nuage de polarisation de l'électron et donc le pilotage du mouvement de l'électron qui dépend complètement de ce nuage. Les trous aussi modifient ce nuage au sens où le corpuscule ne peut passer que par Un trou et que le nuage de polarisation ne peut que passer par les DEUX trous !

Pour étudier cette question plus avant, lire ici :

Exposé sur les fentes de Young

Exposé sur la microscopie électronique

Deuxième exposé sur les fentes de Young

Ce que nous apprend l'expérience des fentes de Young

L'expérience des fentes de Young et la dualité onde/corpuscule

Qu'est-ce que l'expérience des fentes de Young et quelle en est la conséquence ?

La Physique sans équations

La physique qui n'est pas pure mathématique

Qu'est-ce qui fait que la physique fondamentale contemporaine est purement mathématique et n'est plus conceptuelle ?

Mille et une interprétations des inégalités d'Heisenberg de la physique quantique

La physique n'est pas seulement un calcul mais une pensée

Lumière et matière, des lois issues du vide

Pourquoi la physique quantique nous pose autant de problèmes philosophiques ?

Qu'est-ce que la dualité onde-corpuscule

Les paradoxes de la physique

Einstein expose lui-même pourquoi il critiquait les limites de la physique quantique qu'il avait largement contribué à fonder…