Recherche d'erreurs dans le monde quantique

Il n'existe probablement aucune autre théorie scientifique aussi bien étayée que la mécanique quantique. Depuis près d'un siècle, elle est confirmée expérimentalement, encore et encore, avec une grande précision. Et pourtant, les physiciens ne sont pas entièrement satisfaits. Car la mécanique quantique décrit certes très précisément ce qui se passe à l'échelle microscopique. Mais pour les objets plus grands, elle atteint ses limites, en particulier lorsqu'il s'agit d'objets pour lesquels la force de gravitation joue un r?le. Ainsi, la mécanique quantique ne permet pas de décrire le comportement des planètes. C'est toujours le domaine de la relativité générale, qui ne parvient pas à décrire correctement les processus à petite échelle. De nombreux physiciens rêvent donc de relier la mécanique quantique à la théorie de la relativité pour obtenir une image cohérente de notre monde.

Vers des objets plus grands

Mais comment relier deux théories qui, bien qu'elles décrivent toutes deux les processus physiques de manière très pertinente dans leurs domaines respectifs, sont tout de même très différentes ? Une voie possible est de réaliser des expériences de physique quantique avec des objets de plus en plus grands. L'espoir est qu'un jour ou l'autre, des incohérences apparaissent et que des solutions possibles soient trouvées. Mais les physiciens sont confrontés à des limites étroites. La fameuse expérience de la double fente, par exemple, qui permet de montrer que les particules solides se comportent simultanément comme des ondes, ne peut pas être réalisée avec des objets de tous les jours.

Les expériences de pensée, en revanche, permettent de franchir les frontières du monde macroscopique. C'est précisément ce qu'ont fait Renato Renner, professeur de physique théorique, et son ancienne doctorante Daniela Frauchiger dans une publication qui para?t aujourd'hui dans la revue "Nature Communications". En termes simples, les deux chercheurs considèrent dans leur expérience de pensée un physicien hypothétique qui examine un objet de la mécanique quantique, puis calculent à l'aide de la mécanique quantique ce que le physicien va constater. Selon notre vision du monde actuellement en vigueur, cette observation indirecte devrait conduire au même résultat que l'observation directe. Mais les calculs des uns et des autres montrent que ce n'est justement pas le cas : la prédiction de ce que le physicien va observer est justement le contraire de ce que l'on mesurerait directement - une situation paradoxale.

Pas de solutions simples

Bien que l'expérience de pensée ne soit publiée officiellement que maintenant dans une revue scientifique, elle a déjà fait parler d'elle dans le monde professionnel. Comme le processus de publication a été sans cesse retardé, il existe entre-temps déjà plusieurs autres publications qui traitent des résultats - une situation paradoxale, comme le fait remarquer Renner en souriant.

La première réaction habituelle de ses collègues spécialistes est généralement de mettre en doute les calculs, rapporte Renner. Mais jusqu'à présent, personne n'a réussi à falsifier les calculs. Un expert a reconnu qu'il avait essayé à cinq reprises de trouver une erreur dans les calculs, mais sans succès. D'autres collègues ont présenté des explications concrètes sur la manière de résoudre le paradoxe. Mais en y regardant de plus près, il s'est toujours avéré qu'il s'agissait de solutions ad hoc qui ne permettaient pas de résoudre le problème.

Des conclusions irritantes

Renner trouve remarquable que le sujet polarise apparemment. Certains collègues ont réagi de manière très émotionnelle à ses résultats, constate-t-il avec étonnement. Cela est sans doute d? au fait que les deux conclusions évidentes tirées des résultats de Renner et de Frauchiger sont tout aussi irritantes l'une que l'autre. La première explication est que la mécanique quantique n'est manifestement pas applicable de manière universelle comme on le pensait jusqu'à présent et qu'elle ne peut donc pas être appliquée à des objets plus grands. Mais comment se fait-il qu'une théorie qui a été confirmée expérimentalement à maintes reprises et de manière si évidente soit incohérente ? L'autre explication est qu'il n'y a apparemment pas de faits clairs non seulement en politique, mais aussi en physique, et qu'il existe d'autres possibilités que ce que nous tenons pour vrai.

Renner a du mal avec ces deux interprétations. Il est plut?t convaincu que le paradoxe se résoudra d'une autre manière : "Si l'on regarde en arrière dans l'histoire, la solution à de tels moments est souvent venue d'un c?té inattendu", explique-t-il. Par exemple, la théorie de la relativité générale, qui a permis de résoudre les contradictions de la physique newtonienne, repose sur la constatation que le concept de temps, encore courant à l'époque, était erroné. "Notre t?che consiste maintenant à vérifier si, dans notre expérience de pensée, nous n'avons pas fait des hypothèses que nous n'aurions pas d? faire sous cette forme", explique Renner. "Qui sait, peut-être devrons-nous même revoir notre conception de l'espace et du temps". Pour Renner, ce serait une option tout à fait séduisante : "Ce n'est qu'en repensant fondamentalement les théories actuelles que nous parviendrons à une compréhension plus profonde de la manière dont la nature fonctionne réellement".