« Helgoland / Le sens de la mécanique quantique » Carlo Rovelli

Carlo Rovelli est un passeur de sciences mais pas que. Physicien, professeur à l’université d’Aix-Marseille, il est l’un des promoteurs reconnus de la théorie de la gravitation quantique à boucle. Il a beaucoup travaillé sur l’unification de la relativité générale et de la mécanique quantique. Il a aussi écrit plusieurs ouvrages de vulgarisation consacrés aux dernières avancées de la physique et aux problématiques qu’elles soulèvent, au nombre desquels : « Sept brèves leçons de physique », « Ecrits vagabonds », « L’ordre du temps », « Et si le temps n’existait pas ? ». L’ouvrage commenté, « Helgoland », a été publié par Flammarion en 2021. Son sous-titre est évocateur : « Le sens de la mécanique quantique ».

L’auteur a relevé le défi d’expliquer à des profanes, autant qu’il est possible de le faire, l’étrange théorie des quantas, aussi étonnante par ses énoncés que prodigieuse par ses applications. Le seul objectif de la rendre accessible au grand public serait une raison suffisante d’y porter intérêt. Mais l’ambition de Carlo Rovelli ne s’arrête pas là : philosophe autant que savant, il entreprend de questionner, comme le suggère le sous-titre, le sens de la mécanique quantique sur notre appréhension du réel.

Helgoland est une île venteuse de la mer du Nord où Werner Heisenberg, jeune scientifique allemand de 23 ans, est allé passer quelques jours durant le mois de juin 1925. C’est là qu’il reformule la structure mathématique de la mécanique quantique apparue quelques années plus tôt dans le sillage des travaux de Max Planck, lauréat du prix Nobel en 1918 précisément pour récompenser sa théorie des quanta d’énergie, Albert Einstein qui l’a développée et Niels Bohr, l’un et l’autre également prix Nobel. En 1925, Heisenberg étudiait auprès de Niels Bohr.

Il fut un temps, celui de la physique classique incontestée, nous rappelle Carlo Rovelli, où le monde semblait simple. La physique des quanta vient compliquer – brouiller ? – cette vision. Elle ne remet pas en cause la physique classique – mécanique newtonienne, électromagnétique et thermodynamique – mais la cantonne au monde macroscopique, celui appréhendé à l’échelle de nos perceptions humaines. A notre échelle, nous dit l’auteur, « le monde est comme un océan parcouru par la houle vu de la Lune : la surface plane d’une bille immobile… Mais à l’échelle des molécules, le tranchant d’un couteau en acier est aussi fluctuant et imprécis que le bord d’un océan tumultueux qui s’effrange sur une plage de sable blanc ». En d’autres termes, la théorie des quanta réduit notre vision habituelle du monde à des approximations. Le monde n’est pas continu mais granulaire, ce que nous ne pouvons percevoir à notre échelle ; il existe une limite inférieure finie à sa détermination ; l’avenir n’est pas déterminé par le présent ; les choses physiques n’ont de propriétés que par rapport à d’autres choses physiques et ces propriétés n’existent que lorsque les choses interagissent. On ne saurait mieux exprimer la perplexité du profane qu’en empruntant les mots de l’auteur : « après un siècle de résultats inouïs, la théorie la plus féconde de la science, qui nous a donné la technologie contemporaine et la base de toute la physique du XXème siècle nous remplit encore d’étonnement, de confusion et d’incrédulité ». 

Pour tenter d’y comprendre si peu que ce soit, il faut évoquer les trois principes d’indétermination, de superposition et d’intrication.

Selon le principe d’indétermination, dit aussi d’incertitude, de Heisenberg, deux variables – la position et la vitesse d’une particule – ne commutent pas, elles ne peuvent pas être toutes deux déterminées. Autrement dit, on ne peut connaître simultanément avec précision la position et la vitesse d’une particule. L’incertitude n’est pas due à un manque de précision qui pourrait être améliorée de la mesure, elle est intrinsèque. Tant que l’on n’effectue pas une mesure, il existe un ensemble de valeurs possibles pour une grandeur physique. Heisenberg a reçu le prix Nobel en 1932 pour son principe d’incertitude.

Selon le principe de superposition : une particule peut se révéler dans plusieurs états à un moment donné. Plus exactement on observe l’interférence (la conséquence qu’une particule se trouve d’une certaine façon, à plusieurs endroits à la fois), pas la superposition elle-même. Ce principe a été illustré par un apologue resté célèbre de Schrödinger : soit un chat enfermé dans une boîte avec un dispositif où un phénomène quantique a une probabilité d’un sur deux de se produire ; s’il se produit, le dispositif ouvre une fiole de somnifère (ou de poison) qui endort (tue) le chat ; la théorie veut que le chat soit dans une superposition quantique, chat éveillé (vivant)/ chat endormi (ou mort).

Enfin l’intrication quantique. Une intrication est la situation dans laquelle deux particules (ou ensemble de particules) forment un système lié et présentent des états quantiques dépendant l’un de l’autre quelle que soit la distance qui les sépare.

Si la mécanique quantique heurte nos modes de raisonnement adaptés au monde macroscopique, elle ne relève pas de la science-fiction. Ses applications sont nombreuses. La théorie des quantas a clarifié les bases de la chimie, le fonctionnement des atomes, des solides, des plasmas, de la dynamique des étoiles, de l’univers primordial. Elle est à l’origine des technologies les plus récentes : en vrac le rayon laser, la cryptographie, les semi-conducteurs, l’imagerie médicale (IRM), l’horloge atomique au césium, la spectroscopie… On annonce l’avènement des ordinateurs quantiques pour bientôt…

J’en arrive à ce qui me paraît constituer l’originalité et pour moi le principal intérêt de l’essai de Carlo Rovelli par rapport à d’autres ouvrages de vulgarisation sur le sujet de la physique quantique – lire à cet égard l’excellent numéro spécial de janvier 2024 de la revue Sciences & Savoirs. La réflexion de Carlo Rovelli va au-delà de l’essai pédagogique. Elle se saisit de l’étrangeté de la théorie des quanta pour ouvrir de nouvelles perspectives de la compréhension du réel. Son ouvrage prend alors une tournure philosophique.

Il n’est certes pas le premier à avoir exploré cette problématique. La physique quantique a suscité plusieurs interprétations de la réalité. L’une des plus étranges est celle des mondes parallèles qui a, comme on s’en doute, beaucoup intéressé les auteurs de science-fiction. Formulée à la fin des années 1950 par un physicien de nom d’Everett, elle postule que l’Univers serait un système quantiste déterministe : le chat de Schrödinger serait vraiment dans une superposition endormi/éveillé. Il existerait des mondes multiples évoluant indépendamment les uns des autres au sein d’un ‘multivers’. Dans une appréhension moins provocante, d’inspiration que l’on pourrait qualifier de néokantienne, Hervé Zwirn, physicien et épistémologue français contemporain, la mécanique quantique ne décrit pas le réel mais une façon de le percevoir. Nos capacités sont limitées, la réalité extérieure nous échappe, nous percevons au travers de filtres de nos consciences une apparence du monde (voir la vidéo de sa conférence sur le thème : « Mécanique quantique : le mondes existe-t-il ? » sur youtube).  

Carlo Rovelli propose une interprétation « relationnelle » de la théorie quantique dont l’idée maitresse est que la théorie « décrit comment n’importe quel objet physique se manifeste auprès de n’importe quel autre objet physique (…) Le monde que nous observons est continuellement en interaction. C’est un réseau dense d’interactions. Les objets sont caractérisés par la façon dont ils interagissent. Le monde que nous connaissons, ce que nous appelons la réalité, est le vaste réseau d’entités en interaction qui se manifestent les unes aux autres en interagissant et dont nous faisons partie (…) La mécanique quantique décrit la grammaire élémentaire et universelle de la réalité physique… ». Poursuivons avec l’auteur dans le même ordre d’idée : « La meilleure description de la réalité que nous ayons trouvée est celle d’évènements qui tissent un réseau d’interactions. Les ‘entités’ ne sont que des nœuds éphémères dans ce réseau. Leurs propriétés ne sont déterminées qu’au moment de leurs interactions et seulement par rapport à autre chose ».

Dans un langage plus familier aux philosophes, il ne faudrait plus raisonner en termes d’essence, de substance, mais de processus, d’évènements, d’un monde de relations. Les phénomènes physiques comme mentaux devraient être vus comme des structures d’interactions. Cette perspective nous éloigne des dualismes sujet/objet, matière/esprit et aussi cerveau/conscience. « Si nous parvenons à démêler les processus qui se déroulent à l’intérieur de notre corps et leur relation avec le monde extérieur, que reste-t-il à comprendre ? Ces processus impliquent notre corps et l’extérieur, ce sont des relations et des élaborations de corrélations entre notre corps et l’environnement (…) Il n’y a aucune raison de penser que quelque chose dans notre vie mentale pourrait ne pas être compréhensible en termes de lois naturelles connues » selon l’auteur. Et encore : « ce sont les relations qui font notre moi, nos sociétés, notre vie culturelle, spirituelle et politique ».

Décoiffant et stimulant ! Pour conclure, laissons une dernière fois la parole à Carlo Rovelli : « L’une des grandes erreurs que font les êtres humains lorsqu’ils essayent de comprendre quelque chose est de vouloir des certitudes. La quête de la connaissance ne se nourrit pas de certitudes. Au contraire, grâce à la conscience aiguë de notre ignorance, nous sommes ouverts au doute et pouvons toujours apprendre davantage ». Une réflexion que ne renierait pas un Montaigne de notre temps, Montaigne qui s’opposait à l’absolutisme de l’Etre et pour qui le doute était l’exercice même de la raison.