Einstein, Bohr et la guerre autour de la théorie quantique

Photo en noir et blanc montrant Bohr et Einstein assis côte à côte en pleine conversation.

Niels Bohr (à gauche) avec Albert Einstein à la fin des années 1920, alors que la mécanique quantique en était à ses débuts.Crédit : Emilio Segre Visual Archives/AIP/SPL

Qu’est-ce qui est réel ? : la quête inachevée du sens de la physique quantique Adam Becker Basic : 2018.

Tout l’enfer s’est déchaîné en physique il y a environ 90 ans. La théorie quantique a émergé – en partie lors d’affrontements passionnés entre Albert Einstein et Niels Bohr. Elle a posé un défi à la nature même de la science, et continue sans doute à le faire, en mettant gravement à l’épreuve la relation entre la théorie et la nature de la réalité. Adam Becker, écrivain scientifique et astrophysicien, explore cette histoire embrouillée dans Qu’est-ce qui est réel ?

Becker remet en question l’hégémonie de l’interprétation de Copenhague de la mécanique quantique. Propulsée par Bohr et Werner Heisenberg dans les années 1920, cette théorie soutient que les systèmes physiques n’ont que des probabilités, plutôt que des propriétés spécifiques, jusqu’à ce qu’ils soient mesurés. Selon Becker, essayer d’analyser comment cette interprétation reflète le monde dans lequel nous vivons est un exercice d’opacité. Montrant que l’évolution de la science est affectée par des événements historiques – y compris des facteurs sociologiques, culturels, politiques et économiques – il explore d’autres explications. Si les événements s’étaient déroulés différemment dans les années 1920, affirme-t-il, notre vision de la physique pourrait être très différente.

Becker s’attarde sur la conférence Solvay de 1927 à Bruxelles, où 29 brillants scientifiques se sont réunis pour discuter de la théorie quantique naissante. C’est là que les désaccords entre Bohr, Einstein et d’autres, dont Erwin Schrödinger et Louis de Broglie, ont atteint leur paroxysme. Alors que Bohr proposait que les entités (telles que les électrons) n’aient que des probabilités si elles n’étaient pas observées, Einstein soutenait qu’elles avaient une réalité indépendante, ce qui l’a amené à déclarer que « Dieu ne joue pas aux dés ». Des années plus tard, il a ajouté un commentaire : « Ce que nous appelons science a pour seul but de déterminer ce qui est. » Soudain, le réalisme scientifique – l’idée que les théories scientifiques confirmées reflètent grossièrement la réalité – était en jeu.

Les phénomènes quantiques étaient phénoménalement déroutants pour beaucoup. Il y avait d’abord la dualité onde-particule, dans laquelle la lumière peut agir comme des particules et les particules telles que les électrons interfèrent comme des ondes lumineuses. Selon Bohr, un système se comporte comme une onde ou une particule selon le contexte, mais vous ne pouvez pas prédire ce qu’il fera.

Deuxièmement, Heisenberg a montré que l’incertitude, par exemple sur la position et le moment d’une particule, est câblée dans la physique. Troisièmement, Bohr a soutenu que nous ne pouvions avoir qu’une connaissance probabiliste d’un système : dans l’expérience de pensée de Schrödinger, un chat dans une boîte est à la fois mort et vivant jusqu’à ce qu’il soit vu. Quatrièmement, les particules peuvent être enchevêtrées. Par exemple, deux particules peuvent avoir des spins opposés, quelle que soit la distance qui les sépare : si vous mesurez que l’une d’entre elles a le spin up, vous savez instantanément que l’autre a le spin down. (Einstein appelait cela « action spooky à distance ».)

Becker explique comment ces observations remettent en cause la localité, la causalité et le déterminisme. Dans le monde classique des boules de billard, des projectiles et des pommes tombant des arbres, elles n’ont jamais été des problèmes.

En passant l’histoire au crible, Becker montre comment Bohr, en tant qu’antiréaliste, a amené à ses côtés de nombreux physiciens en pleine ascension, dont Heisenberg, Wolfgang Pauli et Max Born. Einstein, cependant, persistait à dire que l’interprétation de Copenhague était incomplète. Il émet l’hypothèse qu’il pourrait y avoir des variables ou des processus cachés qui sous-tendent les phénomènes quantiques, ou peut-être que les « ondes pilotes », proposées par de Broglie, régissent le comportement des particules. En 1932, le mathématicien John von Neumann a apporté la preuve qu’il ne pouvait y avoir de variables cachées en mécanique quantique. Bien que mathématiquement correcte, cette preuve s’est révélée erronée des décennies plus tard. Mais le mal était fait : les alternatives potentiellement viables conçues par Einstein et de Broglie restaient relativement inexplorées. L’interprétation de Copenhague s’était imposée dans les années 1930, et les manuels scolaires affirment aujourd’hui que la vision de Bohr a « gagné ».

On peut donc considérer la conférence Solvay comme un face-à-face entre deux paradigmes mathématiquement équivalents mais fondamentalement différents : la vision instrumentaliste de la physique quantique de Bohr et la vision réaliste d’Einstein. En science, un paradigme dominant détermine quelles expériences sont réalisées, comment elles sont interprétées et quel type de chemin suit un programme de recherche.

Mais que se passe-t-il si un domaine choisit le mauvais paradigme ? Becker montre comment, dans les années 1950 et 1960, une poignée de physiciens a dépoussiéré les théories d’Einstein et de Broglie pour en faire une interprétation à part entière, capable de bousculer le statu quo. David Bohm a soutenu que les particules des systèmes quantiques existaient, qu’elles soient observées ou non, et qu’elles avaient des positions et des mouvements prévisibles déterminés par des ondes pilotes. John Bell a ensuite montré que les préoccupations d’Einstein concernant la localité et l’incomplétude de l’interprétation de Copenhague étaient valables. C’est lui qui a réfuté la preuve de von Neumann en révélant qu’elle n’excluait qu’une classe étroite de théories à variables cachées.

La communauté scientifique a accueilli froidement les idées de Bohm. Un ancien mentor, J. Robert Oppenheimer, a déclaré : « si nous ne pouvons pas réfuter Bohm, alors nous devons accepter de l’ignorer ». Et, comme le montre Becker, les opinions gauchistes de Bohm lui ont valu une comparution devant la Commission des activités anti-américaines de la Chambre des représentants, puis l’ostracisme.

Le contemporain de Bohm, le physicien Hugh Everett, a livré un autre défi à l’interprétation de Copenhague. En 1957, Everett a entrepris de résoudre le « problème de la mesure » dans la théorie quantique – la contradiction entre la nature probabiliste des particules au niveau quantique et leur « effondrement », lorsqu’elles sont mesurées, en un seul état au niveau macroscopique.

L’interprétation many-worlds d’Everett ne postule aucun effondrement. Au lieu de cela, les probabilités bifurquent au moment de la mesure vers des univers parallèles – comme celui dans lequel le chat de Schrödinger est vivant et un autre dans lequel il est mort. Bien qu’un nombre infini d’univers non testables semble non scientifique pour certains, de nombreux physiciens considèrent aujourd’hui cette théorie comme importante.

Le livre présente quelques défauts mineurs. Becker accorde trop de place aux applications récentes s’appuyant sur les recherches de Bell, et trop peu aux nouveaux développements de la philosophie des sciences. Pourtant, à l’instar du cosmologiste Sean Carroll dans son ouvrage The Big Picture (R. P. Crease Nature 533, 34 ; 2016), il défend explicitement l’importance de la philosophie. C’est un appel clé, avec des scientifiques influents comme Neil deGrasse Tyson qui rejettent la discipline comme une perte de temps.

Qu’est-ce qui est réel ? est un argument pour garder un esprit ouvert. Becker nous rappelle que nous devons faire preuve d’humilité lorsque nous enquêtons sur les myriades d’interprétations et de récits qui expliquent les mêmes données.

La question est de savoir si l’on peut s’en tenir à la réalité.