De gauche à droite, Werner Heisenberg et Niels Bohr en 1934. © Fermilab, U.S. Department of Energy

Sciences

Interprétation de Copenhague

DéfinitionClassé sous :physique , interprétation de Copenhague , mécanique quantique

Il s'agit de l'interprétation standard de la mécanique quantique, essentiellement mise en forme par Niels Bohr en 1927 à partir des résultats obtenus par Werner Heisenberg et Max Born, quant à l'interprétation de la mécanique matricielle de Born-Heisenberg-Jordan et celle, ondulatoire, de De Broglie-Schrödinger.

Bohr, dirigeant l'Institut de physique danois de la ville de Copenhague, où de multiples discussions entre les fondateurs de la mécanique quantique eurent lieu, cette interprétation en tira son nom.

Elle est basée sur le principe de complémentarité de Bohr. Ce principe tire son inspiration de l'exemple de la théorie de la relativité, dans lequel la solution des contradictions de la mécanique newtonienne avec l'électromagnétisme de Maxwell a consisté à remettre en cause l'existence d'un temps absolu et d'une existence indépendante de l'espace et du temps. De la non-mesure d'un mouvement absolu et de l'existence d'une vitesse limite pour tous les signaux causaux dans l'univers, on en déduisait la vacuité du concept de mouvement absolu, et une fusion de l'espace et du temps en la géométrie de l'espace-temps de Minkowski.

Selon Bohr, il ne faut pas perdre de vue que la physique décrit avant tout ce qui est observable, ce qui ne veut pas dire, comme certains l'ont pensé, qu'il s'agissait d'une profession de foi positiviste de Bohr. Lui-même refusait d'ailleurs de se compter parmi les positivistes, tout comme Heisenberg. Simplement, la physique est au moins cela, même si elle ne s'y réduit pas.

À partir de cette idée, les contradictions entre le point de vue ondulatoire et corpusculaire pour décrire les manifestations de la lumière, de la matière et de leurs interactions se résolvent de la façon suivante.

La dualité onde-particule de la lumière a fini par être admise. C'est alors que de Broglie a proposé l'hypothèse de la dualité onde-particule pour l'électron ! © Synchrotron soleil

Le physicien utilise des instruments de mesure classiques, lesquels donnent des mesures classiques pouvant s'interpréter, par leur nature même, dans le langage des ondes et des particules. Mais en réalité, il n'y a ni ondes ni particules ! Les quanta sont tout simplement autres, ce ne sont pas des objets classiques dans l'espace et le temps.

Pas plus qu'il n'y a de temps et d'espace absolu, il n'y a de particule ou d'onde absolues associées de façon subtile mais néanmoins classique. On est donc conduit à faire un usage complémentaire des concepts d'ondes et de particules pour décrire les expériences en connexion avec le monde quantique. Mais, par la structure même des équations de la mécanique quantique, on ne pourra jamais mesurer et surtout décrire un phénomène quantique avec des concepts complètement classiques, non pas parce que les lois de la nature nous empêcheraient de savoir si une particule, ou une onde, existe vraiment au niveau quantique mais parce qu'il n'y a rien de tel !

Interprétation de Copenhague : c'est le contenu physique précis des fameuses inégalités de Heisenberg

Le principe de complémentarité de Bohr est donc une injonction pour le physicien classique à se débarrasser de l'idée que les objets du monde atomique doivent être conçus sur un mode classique et à bien voir que la mesure d'un phénomène est quelque chose de beaucoup plus subtil qu'en physique classique. La transition entre l'apparence brute des choses et la conception adéquate de la nature réelle de celles-ci étant beaucoup plus indirecte, elle peut être source d'erreurs et de contradictions.

L'autre aspect de l'interprétation de Copenhague porte sur le statut de l'emploi du calcul des probabilités et de la causalité en mécanique quantique. Selon Bohr, Heisenberg, Pauli, Jordan, Born et Dirac, la fonction d'onde, ou plutôt le vecteur d'état de Schrödinger, exprime bien un hasard intrinsèque à l'œuvre dans le monde quantique et pas du tout une limite de notre connaissance des paramètres déterminant l'état d'un système mécanique comme en théorie cinétique des gaz et surtout, son prolongement, la mécanique statistique. La causalité est donc soumise à une limitation importante de son champ d'applicabilité.

En effet, le vecteur d'état de Schrödinger évolue le plus souvent de façon déterministe mais, en raison des probabilités associées à l'obtention d'une mesure, un élément de hasard « inéliminable » s'introduit alors.

En résumé, aux questions suivantes :

  • Est-ce que les entités fondamentales de la physique atomique, telles que les électrons, les photons, etc. existent réellement, indépendamment des observations effectuées par les physiciens ?
  • Si la réponse à la question précédente est affirmative, est-il possible de comprendre la structure et l'évolution des objets et des processus atomiques, dans le sens des images spatio-temporelles en rapport avec leur réalité ?
  • Peut-on formuler les lois physiques de telle manière qu'une ou plusieurs causes puissent être attribuées aux effets observés ?

Les tenants de l'interprétation de Copenhague répondent : NON !

Alain Aspect - Le photon onde ou particule ? L’étrangeté quantique mise en lumière. © Institut des Hautes Études Scientifiques (IHÉS)

Ni Einstein ni Schrödinger, De Broglie ou Planck ne furent satisfaits de cette position. Au cours des années qui suivirent, les deux premiers proposèrent de multiples expériences de pensée comme celles avec la boîte d'Einstein, le chat de Schrödinger et le célèbre paradoxe EPR, pour prouver que l'interprétation de Copenhague était fausse !

De Broglie fut suivi par David Bohm dans la proposition d'une théorie non-linéaire remplaçant l'équation d'onde pour une particule de matière, cas particulier de l'équation de Schrödinger, devant permettre d'échapper à l'interprétation de Copenhague. Cette théorie ne marche jusqu'ici que dans le cas non relativiste, et les problèmes qu'elle rencontre, en cherchant à tenir compte de la relativité restreinte, ne sont pas pour le moment surmontables.

Toutefois, il est digne de noter que ces théories réalisèrent un contre-exemple à un théorème de Von Neumann, basé sur des hypothèses trop restrictives, qui semblait être un obstacle insurmontable à la modification des équations et des principes de la mécanique quantique selon Copenhague.

En sera t-il de même pour les fameuses inégalités de John Bell violées par l'expérience d'aspect en 1982 et accréditant fortement l'interprétation standard de la MQ ? C'est peu probable mais sans doute pas impossible si des effets de gravitation quantique entrent en jeu comme Roger Penrose, le prix Nobel Gerard 't Hooft et quelques autres le pensent.

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