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Epistémologie Generale        Chapitre IV-2       

 

IV-2
La physique quantique

 

(Permalien) (Etait les chapitres 31 et 32 dans la version 1)

 

L'une des deux bases de la physique aujourd'hui est la Mécanique Quantique, d'où l'intérêt de commencer par elle.

Ce chapitre n'a pas prétention d'expliquer la totalité de la mécanique quantique et son formalisme mathématique. Il présente plutôt quelques rappels abordables par tous, à propos de la mécanique quantique, de ce qu'elle est, afin que tout le monde puisse comprendre mon propos, et voir comment la mécanique quantique s'accorde avec la thèse métaphysique de la troisième partie, alors qu'aucune autre interprétation de la physique ne le peut. (En langage Popperien, ceci peut être considéré comme un test valable de ma thèse métaphysique. Et cette thèse métaphysique est la seule à le passer avec succès)

La façon dont la mécanique Quantique est présentée ici est connue sous le nom de Interprétation de Copenhague, qui est la physique standard aujourd'hui, et celle qui fonctionne avec ma thèse métaphysique.

Bases de physique pour débutants

(Permalien) Les revues de vulgarisation scientifiques présentent une vision de l'atome où les électrons sont des petites billes de matière tournant autour du noyau, comme des planètes autour d'une étoile.

Cette vision de l'atome, datant du 19eme siècle, est totalement fausse.

Prenons l'atome le plus simple, l'atome d'hydrogène, qui n'a qu'un seul électron. Cet électron unique ne «tourne» pas vraiment. Il n'a pas non plus l'apparence d'une petite bille de matière. En fait, si on pouvait approcher l'atome à l'aide d'un véhicule miniature, on ne verrait qu'un nuage flou de charge électrique autour du noyau, sans vraiment quelque chose qui tourne. La physique dit que l'électron se propage comme une onde, mais cette onde est piégée autour du noyau, comme un vague piégée dans un tourbillon. Et ce que l'on observe n'est qu'une probabilité de présence, la probabilité qu'a l'électron de manifester sa présence et son action à un endroit donné.

Ce nuage flou, appelé orbitale, a une symétrie sphérique, et sa densité va en diminuant quand on s'éloigne du noyau. Son diamètre moyen définit le diamètre de l'atome d'hydrogène.

Toutefois l'équation qui définit ce mouvement de l'électron a d'autres solutions, où l'électron peut s'éloigner davantage, et surtout l'onde peut former des ventres et des creux, comme sur la corde d'un piano. Les orbitales prennent alors la forme de lobes autour du noyau, toujours sous forme de nuages flous. Les atomes avec plusieurs électrons auront donc chaque électron dans une orbitale différente, c'est à dire un lobe différent.

Les dimensions et les angles des orbitales sont responsables des dimensions et formes des molécules, et de toutes les propriétés chimiques et mécaniques des corps. On comprend donc l'importance attribuée à l'étude des électrons autour des atomes, dès le 19eme siècle!

L'équation qui définit la forme et les dimensions des nuages de probabilité de présence s'appelle l'équation de Schrödinger, et ses différentes solutions sont en quelque sorte numérotées à l'aide de quatre nombres entiers, dits nombres quantiques. Plus ces nombres sont élevés, et plus les électrons s'éloignent de l'atome, et plus ils font de lobes. Ainsi l'hydrogène n'a pas de lobes, mais le carbone en a quatre, habituellement disposés en tétraèdre. C'est cette forme tétraédrique qui gouverne toutes les structures de la chimie organique, et qui donne sa solidité au diamant.

En fait, un électron autour d'un atome peut occuper n'importe quelle solution de l'équation de Schrödinger, mais plus les nombres quantiques sont élevés, plus l'électron a de l'énergie. L'électron occupera donc habituellement le niveau d'énergie le plus bas disponible (si il n'est pas déjà occupé par un autre électron, quand l'atome en a plusieurs).

Toutefois l'électron peut recevoir de la lumière, qui va alors le faire sauter sur un niveau d'énergie plus élevé. A l'inverse, il peut retomber vers un niveau inférieur. Il va alors rendre cette énergie, en émettant de la lumière. Chaque niveau d'énergie ayant une valeur bien précise, les échanges se font donc par des saut d'énergie de quantités précises et invariable: les quantas d'énergie. Ces choses ont été découvertes et étudiées au début du 20eme siècle, menant à la théorie de la Mécanique Quantique.

Ces émissions de lumière se font donc par grains, appelés photons. En fait la lumière est entièrement formée de tels grains, dont chacun a une énergie donnée. Mais à chaque énergie correspond une longueur d'onde, qui déterminera aussi sa couleur. Ainsi la plupart des couleurs que nous percevons correspondent à des phénomènes d'émission ou d'absorption quantiques de la lumière.

Que la lumière soit formée de grains ne correspond pas du tout à notre intuition. Chacun peut toutefois le vérifier, par une petite expérience simple, quoique délicate à réussir:

Une expérience quantique sur notre table de cuisine

(Permalien) Quand il fait suffisamment sombre, mais pas trop, par exemple notre fenêtre, volets fermés, la nuit, sans trop de lumières extérieures, on peut voir un fourmillement de cette faible lumière, un effet de neige, exactement comme l'écran de télévision analogique entre deux stations. (Cet effet est assez difficile à remarquer: il faut essayer de manière relaxée, sans forcer ni s'accrocher; Il ne faut pas confondre avec les points et images que l'on peut voir dans le noir absolu ou dans le ciel bleu, qui sont dus au fonctionnement de nos neurones; cela marche mieux si notre vision est floue: ne pas accommoder sur la fenêtre, regarder à travers une loupe ou sans lunettes de myope; c'est plus difficile à voir avec une lumière trop faible, quand seuls les bâtonnets travaillent, aussi il faut essayer différents niveaux de faible lumière) Je pense que cet effet de neige est une manifestation du grain quantique de photons de la lumière, visible à l'oeil nu.

A gauche: perception de photons. Milieu: fond neuronal.
				Droite: photons formant un motif d'interférence

L'image de gauche est l'effet de neige que l'on devrait voir. L'image du milieu est l'activité des neurones, qu'il nous faut ignorer pour cette expérience (bien qu'elle soit amusante à explorer de son côté). Habituellement notre cerveau supprime ces deux visions, comme non-pertinentes, ce qui les rend difficiles à voir, et même à remarquer par accident.

L'image de droite est ce que l'on devrait voir avec l'expérience suivante: Si nous comparons avec l'expérience d'interférences dans la grange, au chapitre III-5, nous avons ainsi une perception concrète de l'un des plus profonds mystères de la physique moderne, le fait que la lumière est faite de grains, tout en étant en même temps une onde. Idéalement, un bon bricoleur pourra arranger les interférences de façon à aussi voir le fourmillement, réalisant ainsi les deux expériences en une!

Le comportement élusif des photons

(Permalien) Supposons un atome (par exemple dans la lampe de votre cuisine) qui émet un photon (particule de lumière) qui est ensuite absorbé par une molécule sensible de votre rétine. La lumière est une onde, comme l'onde qui apparaît sur l'eau quand y on jette un caillou. On peut suivre les rayons de cette onde liquide, en mesurer l'intensité en chaque lieu. Elle se propage dans toutes les directions, et va atteindre la rive en différents endroits plus ou moins éloignés, où elle va faire sentir ses effets à différents moments, selon la distance. Si elle atteint une rive proche, elle continue à se propager par ailleurs dans d'autres directions vers des rives plus lointaines où elle aura encore des effets. La lumière, composée d'un grand nombre de photons, se comporte comme l'onde sur l'eau. On peut mesurer son intensité en différents endroits, qui recevront plus ou moins de photons, et elle fera sentir ses effets à différentes distances dans la pièce, mais à la vitesse de la lumière.

Mais l'onde individuelle d'un photon unique atteignant votre rétine ne se comporte pas du tout comme cela. Cette onde se répand aussi dans toutes les directions, et en quelques nanosecondes elle occupe toute la pièce, vers l'abat-jour, vers la table, vers vous, vers la fenêtre où elle peut s'échapper jusqu'à l'infini. Mais contrairement à la vague, elle ignore tous ces objets, n'a strictement aucune action sur eux. Elle n'a aucun effet sur l'abat-jour, ni sur la table, ni sur les murs. Certes ces objets guident l'onde, selon les lois de l'optique, mais ils ne reçoivent aucune information du photon, ne peuvent même pas soupçonner son existence. Ce n'est que quand l'onde du photon atteint votre rétine, qu'elle interagit avec une molécule sensible, et toute l'énergie que contenait l'onde du photon dans toute la pièce se condense alors instantanément en ce point. Par une série de réactions chimiques et de messages, l'oeil a une sensation de lumière. Et la partie de l'onde qui continue de se propager dans les autres directions, par la fenêtre, vers l'infini? Personne ne sait ce qu'elle devient. En fait personne ne sait non plus ce qu'elle faisait pendant le trajet vers votre rétine, où personne ne l'a vue. Il doit pourtant bien y avoir moyen de la déceler, direz-vous, en plaçant un détecteur de lumière entre la rétine et la lampe. Effectivement, on la détecte, mais alors la rétine ne la voit plus, puisqu'il y a un objet qui s'interpose. L'onde d'un photon unique entre la lampe et la rétine est parfaitement et totalement indécelable, elle n'a strictement aucun effet sur quoi que ce soit.

La lumière que nous connaissons ne semble pas se comporter de cette façon. C'est parce qu'elle est composée d'un nombre immense de photons. Rien n'interdit alors d'interposer des détecteurs qui indiquent son trajet de la lampe à la rétine, qui montreront ce trajet, sans bloquer trop de photons. Rien n'interdit non plus à une partie de la lumière de votre lampe de s'échapper à l'infini par la fenêtre, comme nous avons l'habitude de voir. Mais ces comportements familiers ne sont que la somme statistique visible du comportement quantique bizarre d'un nombre immense de photons individuels, chacun avec un trajet différent.

Interférences lumineuses

(Permalien) On peut bien voir la nature ondulatoire de la lumière dans les expériences d'interférences, comme celle décrite au chapitre III-5.

Dans un faisceau de lumière bien parallèle, on interpose un écran opaque avec deux fines fentes. La lumière passant par les fentes arrive sur un écran. Dans certaines conditions, les ondes lumineuses provenant de chacune des fentes arrivent en phase (en rythme) ou en opposition de phase (à contre temps). Dans le premier cas, elles s'ajoutent, et on a sur l'écran une frange lumineuse. Dans le second cas, elles se retranchent, et on a une frange obscure. Ces franges lumineuses ou obscures s'appellent des interférences.

Que lumière plus lumière puisse donner obscurité choque notre intuition. Pourtant c'est bien ce que l'on observe, et qui prouve que la lumière est bien une onde. Ainsi la lumière n'est pas une entité magique, mais une onde obéissant à des lois mathématiques précises.

Cette double nature de la lumière a longtemps été un sujet de débat en physique, avant que les physiciens se fassent à l'idée de cette non-dualité (chapitre I-3) entre onde et particule.

 

Mais il y a mieux...

Interférences des électrons

(Permalien) Après tout, la lumière n'étant pas matérielle, mais une vibration, on peut admettre qu'elle puisse interférer, et s'auto-annihiler, comme une son, ou comme une vague. Le problème, c'est que les particules matérielles le peuvent aussi! Un procédé similaire (mais impossible à faire dans une cuisine) permet aussi de faire interférer un électron avec lui-même. L'expérience a été faite, avec deux fentes et un écran fluorescent sensible au choc des électrons. Et l'on observe bien des interférences, y compris des franges obscures.

On pourrait admettre qu'un électron passe dans une des fentes, et un autre dans l'autre fente. Leurs interactions feraient alors apparaître des franges d'interférence, où aucun électron ne pourrait arriver. Mais en envoyant les électrons un à un, les franges sont toujours là. Ainsi un électron passe à travers les deux fentes à la fois, pour interférer avec lui-même!

En toute rigueur, pour observer ce phénomène, il faut se placer dans des conditions très spéciales, où un électron pourra accomplir tout le trajet de l'émetteur à l'écran sans aucune interaction quantique avec un autre objet.

L'effet tunnel et la dématérialisation

(Permalien) Normalement, un courant électrique est le passage d'électrons dans un matériau conducteur. Le courant ne peut pas passer à travers un matériau isolant: comme le veut notre intuition matérialiste, l'électron et le matériau isolant sont deux matières différentes, qui ne peuvent donc occuper le même endroit. Pour passer à travers un isolant, le courant a donc besoin de forcer le passage: c'est une étincelle, qui produit un trou dans le corps isolant.

Toutefois, si la barrière est suffisamment mince, l'électron peut passer à travers sans rien casser. Comment? Comme on l'a vu, un électron lié à un atome occupe un certain volume d'espace, où sa probabilité de présence, forte près de l'atome, décroît très rapidement avec la distance. On peut se le représenter comme une boule de brume floue. Si on interpose une barrière isolante, l'électron ne peut normalement pas passer. Mais si cette couche est suffisamment mince, alors le nuage flou de probabilité de présence va en quelque sorte dépasser de l'autre côté. Si une tension électrique pousse l'électron, alors il peut très bien réapparaître de l'autre côté, sans avoir manifesté sa présence à l'intérieur de la couche isolante (Ce qui aurait fait des dégâts). On ne peut donc pas détecter son passage à l'intérieur de la couche isolante. C'est la façon quantique qu'ont les électrons de se comporter et de se déplacer, comme les photons vus précédemment.

La comparaison courante voit la barrière comme une bosse: une bille roulant sur le sol n'a pas assez d'élan pour la franchir. Toutefois, si la barrière est suffisamment mince, il arrive qu'un électron la traverse, sans nécessiter d'énergie, sans rien casser. Simplement il cesse d'exister d'un côté de la barrière pour se re-matérialiser de l'autre côté. Comme si la bille passait au travers de la bosse, par un tunnel, d'où le nom.

L'effet tunnel est utilisé dans certains composants électroniques comme les mémoires NAND qui équipent les clés USB et les baladeurs MP3. Il intervient aussi dans de nombreuses réactions biochimiques et on le soupçonne aussi d'influer sur l'activité des neurones. En toute rigueur, d'après la mécanique quantique, il n'est pas impossible qu'une voiture heurtant un platane ressorte intacte de l'autre côté, mais dans le cas des objets de notre quotidien, vu leur taille et le nombre énorme de particules qui les composent, observer un effet tunnel à travers un platane est extrêmement improbable, et il vaut mieux que ceux qui conduisent sous l'emprise de l'alcool ne comptent pas trop dessus pour survivre!

L'expérience d'Aspect

(Permalien) C'est encore une expérience avec des photons. Cette fois, ils sont émis par paires de deux photons de même fréquence, mais de direction et de polarisation inverses (certains atomes font ça naturellement). Ces deux photons s'éloignent donc à deux fois la vitesse de la lumière. Le premier va passer dans un verre polariseur, qui va lui imposer une polarisation donnée. Le second va passer par un détecteur de polarisation, situé à la même distance, mais dans la direction opposée.

Le résultat est que le second photon a la polarisation inverse de celle qui a été imposée au premier... bien qu'ils n'aient aucun moyen de communiquer! Ceci est appelé la simultanéité quantique: les deux photons ne forment en fait qu'un seul système quantique, qui va se manifester simultanément en deux endroits différents. On dit que le monde quantique est non-local.

L'expérience a été faite avec succès à Genève, avec les deux récepteurs éloignés de 10kilomètres. Le résultat ne fait donc aucun doute.

(Ajouté Avril 2012) D'après la théorie de l'autogénération logique présentée dans cette partie, l'arrivée de chacun des deux photons sur son polariseur est en fait un événement quantique unique (un nib unique), qui se manifeste toutefois en deux lieux séparés. Les équations de la Relativité Restreinte expliquent alors exactement ce que l'on observe, venant de chacun de ces deux lieux. Et un événement unique est une causalité unique, et non pas une «communication à vitesse infinie».

(Ajouté Avril 2012) La seule question ouverte (déjà posée dans la version 1, chapitre 35) est alors: si on place le détecteur trop près, et qu'on l'éloigne progresivement, à partir de quel moment observera t-on l'interaction? A partir du moment où les distances sont égales... ou autrement? L'expérience mérite d'être tentée. Il serait aussi intéressant de tester le cas d'un événement non-physique, ESP ou télépathie.

Les revues de vulgarisation scientifique ont affirmé que l'expérience d'Aspect pourrait servir à transmettre de l'information à une vitesse pratiquement infinie, par exemple entre deux planètes, en s'affranchissant de la limite de la vitesse de la lumière. Sur cette base, j'avais moi-même développé cet aspect au chapitre 35 de la première version de ce livre, en 2000. mais depuis, les scientifiques ont marqué leur désaccord: en effet, la polarisation induite au premier photon est aléatoire, et donc celle du second aussi. On ne peut donc que comparer ces deux photons pour démontrer la non-localité, mais pas transmettre de l'information.

Je ne suis toutefois pas totalement convaincu de ce raisonnement: je me souviens de ces physiciens qui affirmaient que l'on ne pourrait jamais faire d'ordinateurs quantiques, parce qu'on ne pouvait pas éviter la décohérence des états quantiques (note 35) de se produire dans des temps bien trop brefs. A peine l'encre de leur discours était-elle sèche, que d'autres physiciens s'amenaient avec un simple verre d'eau, disant qu'il présentait un temps de décohérence de plusieurs minutes, grâce à un système de RMN couramment utilisée en médecine. La même chose pourrait-elle arriver avec l'expérience d'Aspect? Je l'espère, mais je ne sais pas, aussi je me garderai bien d'extrapoler. Mais je me garderai aussi de tout pessimisme, et je ne renie pas les «télescopes quantiques» qui sont à la base de mes romans de science-fiction de la série Dumria.

Interprétation classique

(Permalien) Depuis la fin du 19eme siècle, les scientifiques firent de nombreux efforts pour tenter de concilier ces étranges observations avec une vision classique du monde, où le fait qu'une particule soit «matérielle» lui donne magiquement la propriété d'être «réelle».

Dans le cas de l'électron interférant avec lui-même, on a supposé qu'il n'y aurait bien qu'un seul électron, qui passerait par une seule des deux fentes, mais qu'il serait accompagné d'une onde, qui elle pourrait sans difficulté passer par les deux fentes, et interférer avec elle-même. L'électron n'a alors plus qu'à atterrir dans une zone où l'interférence est constructive, au lieu d'atterrir dans une zone où il y a annihilation.

Electron classiqe «bille de matière» dans l'expérience
				d'interférence

Ici l'électron tel que vu au 19eme siècle, est une bille de matière, un objet unique qui aurait la propriété magique d'«exister concrètement» en un lieu absolument unique et déterminé. On a déjà du mal à admettre qu'il exerce son influence par les deux fentes à la fois, par le biais de son onde mystérieuse. Mais il passerait forcément par une seule des deux fentes.

  

L'ennui c'est que cela fait deux objets au lieu d'un... Le débat a fait rage pendant plusieurs décennies dans la communauté scientifique, avant qu'un groupe de scientifiques, rassemblés autour de Niels Bohr et Werner Heisenberg, à Copenhague, ne résolve le problème. Ou plutôt ne le calme, car il continue à heurter le gros bon sens matériel.

L'interprétation de Copenhague.

(Permalien) Cette interprétation de Copenhague est assez frustrante, car elle renonce à essayer de comprendre ce qui est sous-jacent à des expériences telles que l'électron passant par deux fentes à la fois. Y a t-il «quelque chose» qui passe «quand même» par une seule des deux fentes? Ou bien l'électron est-il réellement capable de se dédoubler? La théorie de la mécanique quantique ne permet pas de répondre à cette question. Historiquement, d'autres scientifiques, dont rien moins que Einstein, s'y sont opposés. Néanmoins, il leur a fallu s'incliner: on n'a rien trouvé de mieux depuis. Alors aujourd'hui encore, les scientifiques font d'excellentes prédictions avec une théorie déjà vieille d'un siècle, que rien jusqu'à présent n'a pris en défaut, mais qui ne permet pas de comprendre «pourquoi» les choses sont ainsi.

Electron de Copenhague dans l'expérience
				d'interférence

L'électron tel que vu par l'interprétation de Copenhague n'a pas de lieu déterminé, et il n'exerce son existence que au moment de son émission ou de sa réception (qui sont des interactions quantiques, signes ¤ rouges). Entre les deux, tout se passe comme si il n'existait pas, comme dans le cas de l'effet tunnel où il passe à travers les obstacles.

Le lieu de réapparition de l'électron est toutefois dicté par des ondes de probabilité de présence. Rien n'interdit alors que le lieu de réapparition soit déterminé par les interférences de ces ondes, c'est à dire que les deux fentes ont leur mot à dire. Tout se passe donc comme si l'électron était passé par les deux fentes, sans toutefois rien de tel qu'une bille de matière qui se dédoublerait. On peut considérer que les fentes (ou tout autre objet) agissent sur lui, et lui dictent son point de réapparition probable.

Diagramme de Feynmann de l'électron dans l'expérience
				d'interférence

Ceci est un diagramme de Feynmann: seules les interactions quantiques (signes ¤ rouges) sont observables (ici, émission et réception d'un électron). Les diagrammes de Feynmann relient ces évènements avec des flèches, mais ce ne sont pas des trajectoires dans l'espace, juste la transmission abstraite des propriétés de l'électron. La flèche peut donc bien passer à travers n'importe quoi, une fente, deux fentes, un mur. On remarque que l'écran avec ses deux fentes influence le lieu de réception (seconde flèche), mais il ne reçoit aucune information de l'électron. Entre l'émission et la réception, l'électron est totalement inobservable.

Il existe de nombreuses autres expériences où on ne sait pas ce qui se passe entre deux interactions quantiques, mais où l'appareil mathématique de la Mécanique Quantique permet de prédire exactement le résultat. Malgré cette limitation fondamentale, la mécanique quantique a permis de créer toutes les merveilles de l'électronique, des lasers, de la chimie, etc.

Epicier de Copenhagen crétin lançant des patates quantiques
				aux passants

A Copenhague, un épicier s'amuse à lancer des patates quantiques aux passants. La police n'a jamais pu l'attraper, car personne ne sait par quelle fenêtre la patate est passée.

  

  

Ultimement, la seule réalité physique définie est l'interaction quantique. Les interactions quantiques sont des événements de durée nulle, arrivant à un moment précis et en un lieu précis. D'après l'interprétation de Copenhague, il n'y a simplement aucun sens à chercher quoi que ce soit qui serait «entre» les interactions quantiques, ou «plus petit» ou «plus fondamental».

  

En particulier il n'y a aucun sens à chercher une trajectoire ou un lieu pour la particule entre deux interactions quantiques.

L'interaction quantique.

(Permalien) Nous avons vu un peu plus haut que lorsqu'un photon est émis, une «onde» est émise, qui se propage dans toutes les directions. On ne peut donc pas définir un lieu pour ce photon, pendant qu'il voyage. Mais lorsqu'il arrive quelque part, alors tout ce qui constitue le photon est instantanément reporté en ce lieu.

D'une manière générale, les particules élémentaires passent leur temps à cela: Lors d'une interaction quantique, une particule se trouve dans un état déterminé et observable. Mais ensuite, la particule se comporte comme une onde, et, au fur et à mesure que le temps passe, et que de nouvelles possibilités d'interactions s'offrent à elle, de nombreuses ondes se superposent. Par exemple un électron a possibilité pour deux valeurs de spin (son aimantation), les deux valeurs se propagent donc simultanément. Un photon a le choix de son angle de polarisation: toutes les valeurs se propagent donc simultanément. Et chacune de ces ondes détermine la probabilité d'une interaction future.

Mais quand cette particule va effectivement interagir, alors une seule de ces ondes, une seule de ces possibilités se manifeste. Toutes les autres disparaissent! C'est ce que l'on appelle la réduction du paquet d'ondes. Par exemple un photon passant à travers un verre polariseur n'aura plus qu'une seule polarisation, au lieu de toutes les orientations possibles.

Ce qui est important de comprendre, c'est qu'entre deux interactions quantiques avec d'autres particules, une particule quantique n'a pas d'état défini, elle n'interagit pas avec les autres, et on ne peut pas la détecter (On pourrait essayer de la détecter avec une autre interaction quantique, mais c'est alors une histoire différente que l'on observerait). Une particule entre deux interactions quantiques n'a pas d'état défini, mais elle porte en potentiel tous les états qui lui sont permis, chacun avec sa probabilité. Toutefois l'environnement (autres particules, champs, etc.) influence ces différentes probabilités. L'état qui apparaîtra est donc un tirage au sort parmi tous ces états, chacun avec sa probabilité. C'est le hasard quantique. Ce hasard quantique est un hasard absolu et parfait. C'est avec le hasard quantique qu'on fait les meilleurs générateurs de nombres aléatoires.

Pourquoi la mécanique quantique nous semble absurde, alors qu'elle est très logique

(Permalien) Cette vision d'une particule qui existe seulement par moments, sautant dans l'espace sans trajet intermédiaire et se matérialisant peut-être ici, peut-être là, est à la base de la physique d'aujourd'hui. Elle est très frustrante pour nous gens du commun, parce qu'elle est à l'exact opposé de notre idée de la matière qui existerait continûment, et qui aurait à se frayer son chemin dans l'espace, au besoin en perçant un mur. On ne peut que se demander «comment» une bille de matière peut-elle ainsi disparaître, rester inobservable et imprédictible, occuper tout l'espace, puis tout à coup reparaître instantanément, un peu plus loin, en un point unique, sans cause apparente. Les scientifiques aussi sont frustrés, car ils n'ont rien de plus à dire, pas de théorie, pas d'explication, pas la plus petite hypothèse. Au début de la théorie quantique, certains, incluant non moins que Einstein, se demandaient si il n'y avait pas «quelque chose» qui accompagnerait l'onde et qui déterminerait le point d'arrivée. Mais rien n'a été trouvé, et en 1927 l'Ecole de Copenhague (Niels Bohr et Werner Heisenberg) récusèrent toute explication de ce genre, comme complètement inutile. Aujourd'hui, la grande majorité des physiciens pensent, comme l'Ecole de Copenhague, qu'il faut abandonner les préjugés qui nous viennent de notre expérience courante, et accepter que le monde microscopique des particules se comporte bien ainsi. Dans ces conditions, il n'y a effectivement pas à se demander le pourquoi du comment, et tous les «illogismes» quantiques disparaissent effectivement, dès qu'on cesse d'essayer de les expliquer par la matière de notre vie courante. On verra même plus loin dans cette partie, que la physique quantique est finalement bien plus simple que si les particules étaient «faits de matière» comme des boules de billard.

Interprétation selon la thèse métaphysique de ce livre

(Permalien) Cette interprétation de Copenhague me fait un peu sourire: parce qu'on n'a pas d'explication matérielle, alors on n'aurait pas d'explication du tout. Comment nos physiciens, si intelligents et si savants, ont-ils pu espérer trouver une explication matérielle à la matière?? Une telle explication ne peut pas en être une, car elle se mord forcément la queue. Nos physiciens ont juste oublié qu'une explication ultime à la physique est forcément au-delà de la physique, c'est-à-dire méta physique. Mais gargl couic kekekça faut pas parler d'ça, et surtout pas toucher. D'où mon sourire, car nos physiciens sont bien plus proches de la vérité ultime qu'ils ne le pensent, refusant simplement de la voir, retranchés qu'ils le sont derrière un voile de mystère et de ténèbres… qu'ils ont eux mêmes tissé au fil de deux siècle de matérialisme, au point de ne même plus en percevoir l'existence!

Scientifiques se demandant comment est le monde, alors qu'ils sont dedans

Sans le tabou sur la métaphysique, les scientifiques auraient normalement du trouver vers 1940 la thèse métaphysique expliquée dans la troisième partie. Ça aurait été plus utile que le nucléaire, en tous cas...

  

Car la vérité est très simple: cette thèse métaphysique explique précisément la mécanique quantique, même la pure et dure, celle de Copenhague, sans aucun besoin de la modifier, sans aucun besoin d'y rajouter un quelconque ingrédient inconnu, sans aucune «physique alternative». Et elle exclut même tout ingrédient de ce type, tout à fait dans l'esprit de Copenhague. Et cette explication est simple et parfaitement satisfaisante, permettant de comprendre parfaitement pourquoi le monde des particules se comporte ainsi.

  

Il suffit de reconnaître que, comme on l'a vu dans la troisième partie sur la métaphysique, les particules et les photons ne sont RIEN D'AUTRE que l'effet de relations logiques. Alors il n'y a pas «quelque chose» de mystérieux derrière tout cela, et, ces relations étant déjà connues des physiciens, ces derniers sont plus près qu'ils ne le pensent d'avoir complètement maîtrisé le sujet.

  

Plus précisément, on peut dire que notre univers physique serait un système d'autogénération logique, comme ceux que l'on a vus dans la troisième partie, plus précisément au chapitre III-4.

 

Alors l'interaction quantique serait tout simplement le «nib» de notre univers (symbole ¤).

  

La seule réalité définie de notre univers est son «nib»: l'interaction quantique.

  

Ainsi notre univers s'autogénère exactement comme le système de nibs vu au chapitre III-4.

  

Même les particules, qui nous semblent exister continûment, n'existent que comme une succession d'interactions quantiques, qui se transmettent les propriétés de la particule, telles que sa charge, sa masse, son énergie, etc. donnant l'illusion que la particule existe continûment, et se déplace selon une trajectoire dans l'espace. (Ne confondons pas nib et particule: un nib, ou interaction quantique, n'existe que à un instant donné et en un lieu donné. Pour qu'une particule se manifeste et décrive une trajectoire, il faut forcément une chaîne de nibs)

Et entre deux nibs, il n'y a aucune réalité définie, ni des objets, ni même de l'espace ou du temps. Ainsi l'onde du photon n'existe pas en tant qu'objet physique, cette onde est simplement une relation mathématique, et rien d'autre, qui décrit la façon dont le photon va réapparaître quelque part. Elle n'est pas visible après cette réapparition; elle n'est pas non plus visible avant. Elle n'est pas visible «sur le trajet» du photon; elle n'est pas non plus visible sur d'autres chemins. Elle n'est pas en un lieu précis, elle n'est pas non plus dans tout l'univers. Elle n'est qu'une entité mathématique, inutile de la chercher, de tenter de la voir: on ne peut observer matériellement d'entités mathématiques. Elle est aussi intemporelle et non-locale qu'un nombre. C'est bien ce que l'on observe avec la non-localité quantique de l'expérience d'Aspect. Il n'y a vraiment aucun mystère dans la non-localité quantique: personne n'a jamais vu de mystère à ce que 2+2 fasse 4 partout simultanément. C'est une propriété très banale des objets mathématiques, que d'exister en toute indépendance du lieu et du temps.

  

Ainsi nous allons plus loin que l'interprétation de Copenhague. Cette dernière dit qu'il n'y a pas de sens à chercher une réalité sous-jacente aux phénomènes quantiques, par exemple un électron «bille de matière» qui guiderait l'onde et son point de réapparition, tout en ne passant que par une seule des deux fentes. La thèse métaphysique présentée ici dit qu'il n'y a effectivement rien! Rien de plus en tous cas que ce que dit la mécanique quantique, et surtout rien de «matériel» qui ferait magiquement «exister concrètement» les particules.

 

 

Je propose donc ici une nouvelle formulation de l'Interprétation de Copenhague, qui ne serait pas négative ni masochiste (On ne sait pas pourquoi c'est comme ça, mais on applique les formules): Les relations logiques entre ses élements suffisent à décrire l'univers observable, sans besoin de rien d'autre, en particulier sans supposer qu'aucun de ces éléments existerait absolument. (ni variables cachées, ni continuum, ni champs, ni particules, ni création mystérieuse) Cette formulation décrit exactement une des principales propriété des systèmes d'autogénération logique.

 

 

Dans ces conditions, toutes le bizarreries de la mécanique quantiques apparaissent comme des comportements simples, voire évidents et familiers. Il n'y a plus aucun mystère à voir une relation mathématique influencer le monde sans avoir à se déplacer, à travers un mur ou à une distance arbitrairement élevée, comme dans l'expérience d'Aspect. Il n'y a aucun mystère à voir une particule, ultimement immatérielle, se «dématérialiser» et se «rematérialiser» un peu plus loin, comme dans l'effet tunnel. Il n'y a non plus aucun besoin de supposer quoi que ce soit de «plus fondamental» ou «plus petit», qui «guiderait» l'interaction. On verra plus loin, au chapitre IV-3, que même l'espace et le temps sont générés de façon simple et claire, même dans le «vide» c'est-à-dire en l'absence de particules: notre espace-temps lui même serait un processus d'autogénération logique, comme ceux que l'on a vus au chapitre III-4. Et tout cela sans aucune contradiction avec la physique connue, sans aucun besoin de rajouter aucune hypothèse, au contraire en en retranchant une: l'hypothèse matérialiste, cette hypothèse bizarre qui empêche les particules de faire ce qu'elle veulent (et les gens aussi, parce que le matérialisme est vraiment la religion la plus anti-liberté, la plus sadomaso).

Enfin, ce monde quantique abstrait, formé uniquement de relations logiques entre nibs (interactions quantiques) sans «existence concrète», nous offre l'illusion d'être «observable» et «d'exister concrètement», pour la raison vue au chapitre III-5: comme nos organes des sens et notre cerveau sont formés des mêmes particules que le reste de l'univers, dans le même processus d'autogénération logique, alors ils peuvent recevoir des informations de cet univers, et de celui-là seulement. Ainsi ces organes des sens et ce cerveau peuvent apporter information et sensations à notre conscience, que ce soit de «l'observation scientifique», ou notre familière sensation «d'existence concrète». Ainsi il n'y a aucun mystère à ce qu'un univers abstrait, sans aucune «matière ultime», nous apparaisse «matériel» et «existant». Des milliards d'autres pourraient avoir la même propriété, mais seulement aux yeux de leurs propres habitants, pas des nôtres.

Tout cela est en fait extrêmement simple, dès qu'on arrête de se faire des noeuds au cerveau en cherchant une «explication ultime de la matière» qui distinguerait notre univers de tous les autres. Même la mécanique quantique nous paraît maintenant simple et familière... sauf les calculs, que nous n'avons malheureusement pas simplifiés.

Comparaison avec le jeu d'échec

(Permalien) J'affirme haut et fort que, une fois qu'on ne cherche plus à le ramener à des conceptions matérialistes, le monde quantique perd toute étrangeté, et qu'il peut même se décrire de manière très familière.

Un exemple flagrant de système quantique familier est le jeu d'échec. Ainsi, à chaque «interaction» les «particules» (les pièces) «sautent» d'une case à l'autre, dans un espace quantifié (l'échiquier, divisé en cases) et un temps également quantifié (les tours). Les positions de l'ensemble des pièces déterminent les possibilités de mouvement pour chacune d'elle, et un «champ» (la mise en échec) détermine un type d'interaction particulier (la prise). On a une pièce (le cavalier) capable d'«effet tunnel» (sauter). On a même le trait quantique le plus «bizarre»: le «paquet d'ondes» (le nombre de possibilités dont un joueur doit tenir compte) qui est «réduit» à chaque fois qu'un joueur effectue un mouvement!

Je dis que, aux règles près, la mécanique quantique et le jeu d'échec fonctionnent de la même façon.

(Cette comparaison vaut bien sûr pour le jeu dans son abstraction, pas pour les objets qui le représentent. Sur un échiquier en bois on peut effectivement faire glisser les pièces d'une case à l'autre dans n'importe quelle position intermédiaire. Mais pour un jeu normal on considère que chaque pièce est dans une case et chaque mouvement dans un tour).

A l'extrême, si on imagine un échiquier en trois dimensions, s'étendant à l'infini, où se déroulerait une évolution suffisante, alors il pourrait y apparaître des «scientifiques», qui, explorant leur monde, le trouveraient «quantique» exactement comme le nôtre, avec juste des lois mathématiques différentes pour la réapparition des «particules». Et si par malheur ces scientifiques sont matérialistes, alors ils trouveront le jeu d'échec extrêmement bizarre, incompréhensible, «ésotérique», «impossible à expliquer de manière intuitive».

Pourquoi le monde ordinaire n'apparait-il pas quantique?

(Permalien) Comment un monde fait de particules évanescentes et volatiles, ultimement de seules relations mathématiques, peut-il apparaître solide et stable? Voyons sur un exemple: la chaise sur laquelle vous êtes assis est faite de particules quantiques qui n'apparaissent qu'au moment de leurs interactions avec les particules voisines. Mais comme leur énergie est faible, au moment de leur interaction suivante avec votre derrière, chaque particule réapparaîtra très près de sa dernière position, de telle façon qu'elles garderont la même relation avec leurs voisines, dans la même molécule, dans la même structure, etc. Ainsi la chaise garde toujours la même forme. De là vient l'illusion d'avoir des objets «solides» et stables, alors que rien de tel n'existe, ultimement, dans un univers formé uniquement de relations mathématiques.

D'une manière générale, les phénomènes quantiques sont produits par des particules qui sont extrêmement petites, ou qui vivent très peu de temps. Voir des phénomènes quantiques à notre échelle habituelle, comme par exemple passer une voiture à travers un platane par effet tunnel, demanderait qu'un nombre incroyable de particules soient protégées de toute interaction qui détruirait leurs états quantiques. Cela est permis par les lois quantiques, mais a extrêmement peu de chances d'arriver en pratique, car les états quantiques se dissipent rapidement, à cause de la présence constante de lumière ou d'autres particules qui interagissent avec eux. Cela est appelé la décohérence (note 35), et c'est un obstacle majeur à l'utilisation des états quantiques.

Il y a toutefois quelques exceptions où les états quantiques échappent à la décohérence et produisent des effets quantiques à échelle humaine. Citons le laser, les aimants, l'IRM (scanner médical), la supraconductivité et la superfluidité.

Vues fausses

(Permalien) On entend souvent dire qu'on ne peut connaître la réalité quantique, car la pensée de l'expérimentateur la modifierait. Oh, comme c'est flatteur. En fait la pensée de l'expérimentateur n'y est pour rien du tout: ce qui modifie l'expérience, et empêche de voir un résultat «pur», ce n'est pas sa pensée, mais tout simplement son instrument de mesure: le détecteur placé sur le trajet du photon, qui l'intercepte, tout simplement. Si on place un détecteur, on voit mais rien ne se passe. Si on ne le place pas, on ne peut pas voir ce qui se passe. L'élément causal est cet instrument de mesure, et l'esprit de l'expérimentateur ne vient que ensuite, après une longue chaîne de conséquences: signal électrique, affichage, vision, nerfs, etc.

C'est le même problème que de commencer la lecture d'un roman par la fin: il devient bien moins intéressant. Mais cela ne signifie pas que notre esprit a modifié le roman...

Il n'y a non plus aucune parapsychologie là dedans, et de toutes façons les expériences du laboratoire PEAR ont montré qu'un évènement quantique individuel n'est pas plus sensible à la télékinésie qu'un hasard ordinaire.

Enfin les commentaires sur la mécanique quantique semblent souvent déboucher sur des réflexions grises et tristounettes sur une prétendue inconnaissabilité du monde, et autres philosophies masochistes. Mais dans la vue de Copenhague, et même dans la mienne, il n'y a pas d'inconnaissabilité, car tout simplement il n'existe RIEN de caché, et par conséquent rien d'inconnaissable. Encore une fois, il y en a qui seraient bien contents que leurs magouilles restent inconnaissables. Mais je vous rassure, les particules n'y sont pour rien du tout.

  

Il est intéressant de noter que la présentation de l'école de Copenhague a été influencée, depuis sa création, par les Popperiens, et surtout le Cercle de Vienne, un courant de philosophie positiviste (chapitre II-7) et hypermatérialiste. Dans leur rage à dénier l'esprit humain, ces gens ont vu dans la mécanique quantique une excellente occasion de combattre la métaphysique. Ainsi est apparue la vision, attribuée ensuite à l'école de Copenhague, comme quoi les phénomènes intermédiaires (l'onde) entre deux observations étant «inobservables», ils seraient «métaphysiques» et donc ils n'existeraient pas. Ces gusses ont de la chance: tout ce qu'ils détestent cesse d'exister! J'aimerais pouvoir faire pareil! De toutes façons, réduire la mécanique quantique à seulement «l'observable» a dû pas mal compliquer son formalisme mathématique, qui était déjà assez trapu. De plus cela l'a rendue plus difficilement accessible par l'intuition et par les gens du commun.

La vue que je propose est différente: l'onde entre deux interactions quantiques n'est certes pas «matérielle», mais elle existe tout de même, en tant que relation mathématique. On a interaction, onde, interaction, onde, etc. exactement comme dans une série par itération on a valeur, relation, valeur, relation, etc. Donc l'interaction quantique «observable» et l'onde «inobservable» ont exactement le même statut existentiel de faits mathématiques, il n'y en a pas un de supérieur à l'autre, ou différent. Certes un seul des deux est observable, mais cela permet toutefois d'inférer avec certitude l'existence de l'autre. Exactement comme en mathématique, ne connaître que les valeurs d'une série permet quant même d'affirmer l'existence de la loi d'itération, et souvent de la trouver. Cette façon de voir les choses me paraît beaucoup plus saine que l'allergie à la métaphysique, et parfaitement acceptable du point de vue de Copenhague.

Ainsi n'importe qui peut aisément se représenter le fonctionnement de base de la physique comme des interactions quantiques ponctuelles, à partir desquelles rayonnent des ondes abstraites qui détermineront les interactions quantiques suivantes. C'est exactement comme au jeu d'échec, où chaque mouvement (interaction quantique) crée de nouvelles mises en échec (l'onde) qui influenceront le tour suivant (l'interaction suivante). Certes il n'y a rien de matériel entre la pièce qui met en échec et la pièce qui est mise en échec. Mais dire que la mise en échec n'existerait pas parce qu'elle est matériellement inobservable n'est pas de la science, c'est de la sodomie intellectuelle, et si on expliquait le jeu d'échec sans expliquer la mise en échec, personne n'y comprendrait rien.

Remarques sur le hasard quantique

(Permalien) Le fait qu'une particule puisse être réifiée en un lieu et un moment aléatoire, avec des propriétés également aléatoires, constitue le hasard quantique, ou plus précisément l'indétermination quantique.

Le hasard quantique, qui est un hasard parfait, non déterminé par avance, est utilisé dans certaines expériences de physique ou de parapsychologie, où l'on a besoin d'événements totalement imprédicables, ou encore en statistique.

(Il est à noter que le hasard ordinaire est aussi ultimement le résultat d'un grand nombre de hasards quantiques, et qu'il n'en est donc pas foncièrement différent. Toutefois il est susceptible d'être biaisé de nombreuses façons. Enfin les générateurs pseudo-aléatoires utilisés dans les ordinateurs sont en fait déterministes, n'offrant que l'apparence d'un hasard, suffisant toutefois pour l'usage considéré)

Une des conséquences les plus curieuses du hasard quantique concerne le libre arbitre des personnes (que nous étudierons au chapitre V-3). En effet, un électron dans une molécule, n'a qu'une probabilité de se trouver, disons en simplifiant, sur telle ou telle partie de la molécule. Ainsi, si une autre molécule réactive se présente à proximité, la réaction chimique a une probabilité quantique de se produire ou non. Et cela va très loin: le fonctionnement des neurones de notre cerveau est basé sur de telles réactions chimiques, où quelques molécules seulement d'un neuromédiateur peuvent avoir des effets importants en terme d'expériences de conscience. Ainsi le hasard quantique pourrait jouer un rôle primordial dans notre vie intérieure. En particulier de nombreux scientifiques ont supposé que le hasard quantique pourrait provoquer nos choix de libre arbitre. Il a même été théorisé que la conscience elle-même pourrait résulter d'états quantiques dans les molécules de fibrine à l'intérieur des neurones.

Les explications que nous verrons dans la cinquième partie sur la conscience invalident plutôt ces hypothèses. De plus, il serait logique que les neurones se protègent du «bruit» du hasard quantique, en ne réagissant qu'a un certain nombre de molécules de neuromédiateurs, afin de fonctionner de manière fiable. Ainsi le hasard quantique ne jouerait pas un rôle particulier, par rapport au hasard ordinaire. Même le hasard ordinaire ne jouerait qu'un rôle mineur dans le fonctionnement du cerveau: on a vu comment le bruit neuronal aléatoire est éliminé, avec l'expérience ci-dessus. Ce n'est donc probablement pas là qu'il faut chercher le libre arbitre. Et le fonctionnement du cerveau serait bien plus déterministe qu'on ne le pense généralement.

D'autres scientifiques pensent que des effets quantiques pourraient expliquer certains phénomènes parapsychologiques (télépathie, ESP, prémonition) par des interactions quantiques à distance, sur le modèle de l'expérience d'Aspect. Mais les expériences faites à la fin du 20ème siècle par le laboratoire PEAR de l'université de Princeton ont montré que la télékinésie n'influence pas davantage un générateur de hasard utilisant un seul évènement quantique qu'un générateur non-quantique (tel qu'une cascade d'eau) Cela n'indique pas un rôle particulier pour le hasard quantique, et va plutôt à l'encontre d'une explication quantique de la conscience. De toutes façons les phénomènes parapsychologiques forts ne peuvent pas s'expliquer par des effets quantiques, ni par aucune autre théorie physique actuelle.

 

 

 

 

 

 

Epistémologie Generale        Chapitre IV-2       

 

 

 

 

 

 

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