La mécanique quantique est-elle fausse ? Un test avec l'inflation

La théorie quantique a maintenant plus de 80 ans et aucune expérience n'est venue la remettre en cause, bien au contraire. C'est pourtant le destin de toute théories de n'être qu'une approximation provisoire devenant avec le temps un cas particulier d'une théorie plus générale et plus précise. Les tentatives pour dépasser la mécanique quantique sont d'ailleurs aussi vieilles que la théorie elle-même. Dès 1927, Albert EinsteinEinstein et Louis de BroglieLouis de Broglie, qui faisaient partie des dix principaux créateurs de la théorie quantique, n'ont pas ménagé leurs critiques envers la théorie et ont proposé différentes manières de la compléter.

Pour eux, l'apparition de probabilités pour décrire l'état d'une particule en mécanique quantique était le signe qu'une description complète d'un tel système physique nous manquait. On devait avoir recours à des distributions de probabilités très probablement pour les même raisons qu'en théorie cinétique des gaz ou en thermodynamique statistique : le manque de connaissance de certaines variables déterminant précisément l'état de la particule.

Pour Louis de Broglie, il devait même y avoir une sorte de thermodynamique cachée de la particule. Le mouvement apparemment aléatoire des électronsélectrons dans l'atomeatome d'hydrogènehydrogène devait être l'analogue sophistiqué du mouvement brownien des grains de pollenpollen dans un liquideliquide. Les électrons devaient avoir une localisation bien précise et un mouvement complètement déterminé mais une sorte d'échange de chaleurchaleur entre les particules de matièrematière et un réservoir d'énergieénergie caché devait se produire.

Pour les tenants de l'interprétation orthodoxe de la mécanique quantique, dite de Copenhague, c'est-à-dire Niels BohrNiels Bohr, Werner HeisenbergWerner Heisenberg, Max BornMax Born et Paul DiracPaul Dirac il n'y avait rien de tel.

L'emploi des probabilités ne reflétait pas un manque de connaissances précises de certaines variables cachées mais indiquait tout à la fois un indéterminisme fondamental et une inadéquation des concepts d'ondes ou de particules pour décrire complètement les quanta d'énergie sous forme de matière ou de lumièrelumière. Les protestations d'Einstein, Schrödinger et de Broglie leur semblaient aussi absurdes que de se plaindre que l'aire d'un disque ne soit pas donnée par le carré de son rayon, comme toute bonne surface en forme de carré.

Des variables cachées locales ou non locales ?

Au début des années 1950, le physicienphysicien David Bohm, en utilisant certaines idées de de Broglie, réussit pourtant à construire une formulation non relativiste de la mécanique ondulatoiremécanique ondulatoire des particules redonnant exactement les prédictions de la mécanique quantique. John Bell, un physicien séduit par les idées d'Einstein sur la mécanique quantique, s'en est immédiatement réjoui, s'exclamant : « J'ai vu l'impossible se réaliser... ». Tout en maintenant l'existence de particules dans l'espace et le temps, mais guidées d'une façon très subtile par des ondes dépendants d'un « potentiel quantique », la théorie de Bohm-de Broglie reposait sur une vision déterministe de la mécanique quantique où des variables cachées au sens d'Einstein et de Broglie étaient responsables de l'introduction d'amplitudes de probabilités sous forme de fonctions d'ondes.

John S Bell. Crédit :  Joachim Reinhardt/Université de Frankfort

Il devenait urgent de proposer des moyens de trancher entre l'interprétation orthodoxe et les interprétations déterministes, comme celle de Bohm. C'est ce que parvient à faire d'un point de vue théorique John BellJohn Bell. Il montra que toutes les théories déterministes à variables cachées possibles, mais locales, prédisaient certains résultats en désaccord avec la mécanique quantique lorsqu'on les appliquait à une situations dite EPR, acronyme de Einstein, Podolski, Rosen, des noms des physiciens ayant proposé en 1935 une expérience avec des particules censée montrer le caractère incomplet de la théorie quantique.

Une expérience réalisée en 1982 par Alain AspectAlain Aspect montra effectivement que les théories à variables cachées dite locales étaient nécessairement fausses. La mécanique quantique était-elle alors vraie ?

Pas obligatoirement. La théorie de Bohm-de Broglie est justement une théorie non-locale, c'est-à-dire que le comportement d'une seule particule ne peut pas être séparé de l'état des autres particules, même si celles-ci se trouvent à des années-lumièreannées-lumière. D'une certaine façon, qui rappelle le comportement des hologrammeshologrammes, l'information décrivant l'état de l'UniversUnivers entier est présente dans chaque particule et une modification de l'état de l'une d'entre elles influence instantanément l'état des autres, même si l'on ne peut se servir de ce phénomène pour téléphoner instantanément à l'autre bout de la GalaxieGalaxie.

Dans l'état, la théorie de Bohm-de Broglie (BDB), mis à part des problèmes pour la rendre compatible avec la relativité restreinterelativité restreinte et surtout la théorie quantique des champs, reste une alternative viable à la mécanique quantique orthodoxe.

Le monde quantique observable au télescope ?

Antony Valentini du Perimeter Institute pense aujourd'hui qu'il est possible de départager ces deux interprétations en étudiant les fameuses fluctuations du rayonnement fossilerayonnement fossile. Pour cela, il admet que la théorie de l'inflation est correcte. Il suit alors la même ligne d'idée que des chercheurs comme Brian Greene qui ont proposé de se servir du caractère de « super microscopemicroscope » de l'inflation pour sonder des distances extrêmement courtes à la recherche de signatures d'une nouvelle physique en rapport avec la gravitation quantiquegravitation quantique.

En effet, selon la théorie de l'inflation, les particules de l'Univers proviennent indirectement de fluctuations d'un champ quantique au tout début de l'histoire du cosmoscosmos. L'inflation, une phase courte d'expansion ultra-rapide de l'Univers aurait non seulement amplifié ces fluctuations quantiques en provoquant la matérialisationmatérialisation de particules mais aussi agrandi ces fluctuations de sorte que des détails de la physique à l'échelle de PlanckPlanck se trouveraient littéralement inscrit dans le ciel sous forme de fluctuations de températures dans le rayonnement de fond diffusdiffus.

Actuellement, la théorie BDB décrit les expériences en laboratoire aussi bien que la théorie quantique orthodoxe si l'on fait l'hypothèse que le réservoir d'énergie communiquant par échange de chaleur avec les particules, et responsable d'une sorte de mouvement brownien de celles-ci, est bien un thermostatthermostat à l'équilibre thermodynamique. Or, au début de l'Univers et notamment à cause de processus de gravitation quantique inconnus, rien n'oblige ce réservoir d'énergie à être à l'équilibre thermodynamique. Il pourrait donc exister à cette époque des écarts aux lois probabilistes de la mécanique quantique connues. Valentini a exploré cette possibilité et d'après certains calculs préliminaires de sa théorie basée sur une extension de la théorie de BDB, ces écarts se présenteraient sous la forme de fluctuations non gaussiennes dans le rayonnement de fond diffus.

Ces idées sont évidemment intéressantes et le prix Nobel Gerard 't Hooft n'hésite pas lui-même depuis de nombreuses années à explorer des théories de variables cachées non locales en rapport avec la gravitation quantique. Toutefois, la présence de fluctuations non gaussiennes dans le rayonnement fossile est déjà assez fortement contrainte par les données de WMap et il existe d'autres théories prédisant elles-aussi une légère composante de fluctuations non gaussiennes.

Par ailleurs, il semble clair depuis longtemps, surtout si l'on pense aux oscillations de mésonsmésons K ou simplement aux multiplets d'isospins, que la théorie quantique traite aussi de phénomènes sans rapport avec une interprétation sous forme d'ondes ou de particules mais bien avec l'idée de superposition d'états quantiques de grandeurs arbitraires, qui ne sont ni des vitessesvitesses ni des positions de particules.

Malgré tout, de futurs progrès théoriques et l'analyse des données que fournira le satellite Plancksatellite Planck pourraient bien conduire dans quelques années à une revanche d'Einstein, Bohm et de Broglie tout comme en leurs temps des expériences avaient réhabilité le point de vue corpusculaire de NewtonNewton sur la nature de la lumière, dont on pensait que le caractère ondulatoire était fermement établi.