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Paradoxe EPR : des signaux plus rapides que la lumière ?

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Par Laurent Sacco, Futura

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Un groupe de physiciens de l'université de Genève (UNIGE) dirigé par Nicolas Gisin, l'un des pionniers de la téléportation quantique, vient de poser des bornes à l'explication du paradoxe EPR par la vitesse de propagation d'un signal, dépassant la vitesse de la lumière.

Le début de l'article d’Einstein-Podolski-Rosen. © DR

En mécanique quantique, le paradoxe d'Einstein-Podolski-Rosen, ou paradoxe EPR, désigne un très célèbre effet. En 1935, Einstein et ses deux jeunes collègues publièrent un article tentant de prouver que la mécanique quantique ne pouvait pas être la description ultime d'un quantum de lumière ou de matière, car elle conduisait à des phénomènes violant au minimum l'esprit de la relativité restreinte.

Deux particules, comme des photons (produits par la désintégration d'une autre particule), y apparaissaient alors comme un tout indissociable. Ainsi, toute mesure de l'une de ces particules (produisant une modification de son l'état), entraînait instantanément une modification de l'état de l'autre particule, quand bien même elles étaient séparées par une distance de plusieurs millions d'années-lumière. Une conclusion qui semblait bien peu compatible avec la théorie de la relativité d'Einstein, qui implique qu'aucun signal ne peut se déplacer plus vite que la lumière dans l'univers.

Pour décrire l'état particulier de ces paires de particules en mécanique quantique, on parle de paires de particules intriquées. Une théorie mathématique permet de définir ce qu'on entend par « intrication » pour des systèmes physiques.

Des actions à distance fantômes

Une analyse soignée du phénomène montre, comme le fit Niels Bohr, qu'il est possible de conserver à la fois la théorie d'Einstein et les lois de la mécanique quantique, si l'on admet qu'il existe une sorte de « non-localité ». Les objets dans l'univers ne seraient pas fondamentalement dans l'espace et dans le temps. Par une sorte d'effet de perspective, nous fractionnerions une réalité constituée d'un seul bloc, et foncièrement au-delà de l'espace et du temps, en une série de particules ou d'ondes dans l'espace et le temps.

L'espace et le temps ne sont pas pour autant des illusions, mais les images que nous avons de la réalité avec ces concepts sont des approximations trompeuses, bien que justes dans un certain domaine de notre expérience. Une conclusion déjà atteinte par Platon, Kant et les philosophes hindous avec la notion de « Maya », mais rejetée par les physiciens qui suivent les travaux de John Bell.

À gauche John Bell, à droite le prix Nobel Martinus Veltman. © CERN, AIP Emilio Segre Visual Archives.

Rappelons que John Bell, dans les années 1960, avait découvert une série d'inégalités mathématiques permettant de savoir qui, d'Einstein ou des tenants de l'interprétation standard de la mécanique quantique (l'interprétation de Copenhague), avait raison. Or, en 1982, le physicien français Alain Aspect avait effectivement montré que le phénomène de non-localité en accord avec les lois de la mécanique quantique orthodoxe était bel et bien une réalité.

Dans les années 1950, l'expérience originale d'Einstein, utilisant des mesures de positions et de vitesses avec des particules de matière, avait été traduite théoriquement par David Bohm en termes d'expériences sur la polarisation des photons. Ce sont donc ces expériences-là qu'Aspect et ses collègues réalisèrent. En violant les célèbres inégalités de Bell, les étranges « actions à distance fantômes » (selon les mots d'Einstein) impliquées par l'intrication quantique étaient bien là.

La cause semblait entendue mais John Bell et d'autres n'en démordirent pas. Selon leur intuition, la mécanique quantique, avec les inégalités de Heisenberg, le principe de complémentarité de Bohr, et toutes les amplitudes de probabilités qu'utilise cette dernière, ne pouvait pas être l'expression ultime de la réalité.

Bell se tourna alors vers une approche particulièrement paradoxale de la part d'un défenseur des idées d'Einstein.

Une hypothèse iconoclaste

Et si la mécanique quantique, mais également la théorie de la relativité restreinte, étaient fausses, tout comme la théorie de Newton est fausse par rapport à ces dernières ?

Ne pourrait-il pas exister, au fond, une sorte de référentiel absolu (un peu comme dans la physique prérelativiste de Newton, où une sorte de dynamique subquantique prendrait place avec certaines interactions) pouvant effectivement se déplacer plus vite que la lumière ?

Dans ce cas là, les images bien classiques d'ondes et de particules dans l'espace et dans le temps, ainsi que le déterminisme, pourraient être restaurés.

Autant dire qu'une telle éventualité semble bien peu naturelle et les derniers tests de la relativité restreinte d'Einstein montrent que celle-ci est particulièrement solide. Mais au fond, qu'en savons-nous réellement ?

La localisation géographique des expériences du groupe de physiciens suisses. © Nature.

C'est dans ce cadre que l'on peut replacer les travaux du groupe de Nicolas Gisin (l'un des pionniers de la téléportation quantique) à l'université de Genève. Utilisant les fibres optiques du réseau de Swisscom, s'étendant sur 18 kilomètres entre Satigny et Jussy (dans la région de Genève), les physiciens ont réalisé une expérience de type EPR avec des paires de photons intriquées. En profitant de la rotation de la Terre sur une période de 24 heures, il est alors possible de tester des théories reposant sur l'existence d'une sorte de référentiel absolu, un éther en quelque sorte, par rapport auquel la Terre ne se déplacerait pas à plus d'un millième de la vitesse de la lumière.

La conclusion des chercheurs, publiée dans Nature, est la suivante : si un tel référentiel absolu existait, la vitesse des interactions entre particules intriquées devrait être au moins 10.000 fois plus rapide que la lumière pour expliquer les corrélations quantiques étranges se manifestant avec le phénomène de non-localité observé.