Une incompatibilité bien gênante entre les deux piliers de la physique moderne

Et si on découvrait une incompatibilité entre la physique quantique et la relativité qui serait tellement profonde et viscérale qu’elle nous obligerait à reconsidérer notre adhésion à ces théories!

On sait déjà depuis un bon bout de temps que la physique quantique et la relativité présentent une forme d’incompatibilité entre elles. Qu’on pense, par exemple, à la gravitation qui est expliquée par des courbures espace-temps par la relativité générale, alors que la physique quantique l’explique plutôt par des particules de liaisons, les gravitons, qui se déplaceraient dans un espace grosso modo euclidien. Pour résoudre cette difficulté de leur science, les physiciens modernes ont essayé de développer de nouvelles théories qui tentent de concilier les courbures espace-temps et les gravitons, malgré leur apparente incompatibilité. La championne de ces théories est la théorie des cordes qui avec ses 10 dimensions d’espace et ses 10500 versions apporte, à mon avis, plus de confusion que de clarté, et risque très peu d’aboutir un jour à quelque chose de concret.

Mais il y a une autre incompatibilité profonde entre les deux piliers de la physique moderne, et je veux parler de l’incompatibilité viscérale entre la corrélation quantique et la relativité de la simultanéité.

La relativité de la simultanéité

Cette dernière découle, comme on le sait, de la transformation de Lorentz, à la base de tout l’édifice de la relativité, et qui stipule que deux événements éloignés l’un de l’autre, et qui sont simultanés dans un système de référence, ne le seront pas nécessairement dans un autre système de référence qui serait en mouvement par rapport au premier. Qu’on se souvienne de la célèbre expérience imaginaire d’Einstein concernant un train en marche et deux éclairs qui éclatent aux deux bouts du train, à exactement la même distance de deux observateurs qui se trouvent au milieu du train, l’un dans le train et l’autre sur le talus. Si les deux éclairs sont simultanés pour l’observateur du talus, qui les observera simultanément une fraction de seconde plus tard quand les deux flashs de ces éclairs l’auront rejoint, il n’en sera pas de même pour l’observateur du train.

Pourquoi? Parce qu’entre le moment où les éclairs ont éclaté et le moment où l’observateur du train les aura observés, il se sera déplacé vers l’un des deux éclairs et éloigné de l’autre, ce qui fait qu’il observera le flash lui parvenant de l’éclair à l’avant du train une fraction de seconde avant celui de l’éclair lui parvenant de l’arrière. Et comme la relativité restreinte considère que la vitesse de la lumière est une constante universelle indépendante du mouvement, étant toujours égale à « c » dans tous les systèmes de référence en mouvement rectiligne et uniforme les uns par rapport aux autres, l’observateur du train ne pourra invoquer une différence de vitesse entre la vitesse de la lumière lui parvenant de l’éclair à l’avant du train par rapport à celle de la lumière lui parvenant de l’éclair à l’arrière, comme nous le suggère le théorème classique d’addition des vitesses. Et comme les deux éclairs ont éclaté exactement à la même distance de lui par rapport à son système de référence (le train), et que la lumière des flashs de ces éclairs a pris exactement le même temps pour lui parvenir, voyageant à la même vitesse, il ne pourra qu’en conclure que l’éclair à l’avant du train s’est produit un peu avant l’éclair à l’arrière, et ces deux éclairs ne seront donc pas simultanés pour lui. Et c’est ce qui explique la relativité de la simultanéité qui attribue donc, d’un référentiel à l’autre, des coordonnées de temps différentes pour les événements qui sont éloignés les uns des autres par rapport à l’axe se situant dans le sens du mouvement, l’axe des « x » (assimilable ici à la voie ferrée).

La corrélation quantique

La corrélation quantique, issue du concept d’intrication quantique découle, pour sa part, de la réponse que fit Bohr à Einstein, Podolsky et Rosen (EPR) concernant un article de ces derniers qui voulait démontrer l’incomplétude de la théorie quantique[i]. La relation d’indétermination d’Heisenberg (que l’on appelait à l’époque « principe d’incertitude » et que l’on appelle souvent aujourd’hui « inégalités d’Heisenberg ») stipule qu’on ne peut déterminer clairement à la fois la position et la quantité de mouvement d’une particule avec une précision supérieure à un certain seuil. En deçà de ce seuil, plus on a d’information sur une de ces grandeurs, moins on en a sur l’autre, ce qui fait qu’il demeure selon la théorie quantique une indétermination inhérente à la réalité, qui n’est pas due à l’imprécision de nos appareils de mesure, mais à la réalité elle-même.

Cette indétermination ne devient évidente que dans le microcosme, là où le rapport entre les masses minimales impliquées dans la constante de Planck « h » et la masse des objets est significatif. Par exemple, si j’essaie de déterminer la position d’un électron, je devrai selon l’interprétation moderne de l’époque de Bohr et Einstein le bombarder de photons pour pouvoir le voir, mais comme l’énergie des photons qui pourraient, de par leur longueur d’onde, permettre d’observer clairement un électron est considérable par rapport à la réactivité des électrons compte tenu de leur masse selon ce qu’on peut en déduire de la théorie des quanta et de la constante « h », ces photons vont perturber le mouvement de l’électron, au point où on ne pourra savoir, après avoir déterminé la position de l’électron, quelle était sa quantité de mouvement avant l’observation, d’où la relation d’indétermination d’Heisenberg[ii].

Einstein détestait l’indétermination quantique, et il élabora, avec Podolsky et Rosen, une expérience de pensée où il prétendait l’avoir déjouée. L’expérience des trois hommes implique des particules intriquées, comme deux particules identiques qui se seraient séparées après avoir été jointes. Les deux particules, après leur séparation, devraient normalement se diriger dans deux directions complètement opposées, avec exactement la même quantité de mouvement (selon la loi de conservation de la quantité de mouvement). Après un temps suffisamment long, où on considère que les deux particules constituent des systèmes indépendants, on fait une mesure de la quantité de mouvement d’une des deux particules, ce qui nous renseigne sur la quantité de mouvement de l’autre particule, sans qu’elle n’ait été perturbée par la mesure, ce qui permet de faire une deuxième observation sur sa position. De cette façon, on est donc renseigné à la fois sur la quantité de mouvement et sur la position de la deuxième particule, ce qui prend en défaut la relation d’indétermination d’Heisenberg.

Bohr mit plusieurs mois avant de répondre. Bien sûr, il n’admettait pas l’argumentation d’EPR en prétendant que les deux particules demeuraient en corrélation l’une avec l’autre, même après avoir été séparées, et ne constituaient donc pas des systèmes indépendants. Les particules demeuraient « intriquées », ce qui fait qu’une mesure de la quantité de mouvement de la première particule perturbait instantanément l’autre particule, quelle que soit la distance les séparant, et donc il n’était plus possible de mesurer de façon précise la position qu’elle aurait eue sans la première mesure sur la première particule, sauvant la relation d’indétermination d’Heisenberg. C’est du moins ainsi que Bohr expliquait la chose à l’époque.

Les états superposés

Mais l’indétermination quantique est encore plus sournoise que cela. Par exemple, des électrons traversant un système de fentes très rapprochées vont former des franges d’interférence sur un écran capteur placé plus loin, comme le ferait une lumière cohérente traversant en même temps les deux fentes et interférant avec elle-même, et même si les électrons passent un par un à travers le réseau des deux fentes, on pourra vérifier en additionnant leurs impacts sur l’écran capteur qu’ensemble ils forment encore une figure en forme de franges d’interférence. On a supposé pour expliquer ce comportement ondulatoire des électrons qu’une onde leur était associée, qui pouvait donc passer par les deux fentes et interférer avec elle-même, mais selon l’interprétation probabiliste que fit Max Born de cette onde, où l’intensité de l’onde détermine la probabilité de position des électrons, tant qu’une observation de la position d’un électron n’a pas été faite sur l’écran capteur ou ailleurs, cet électron est dans des « états superposés », n’ayant pas de position précise, se trouvant partout à la fois où l’onde se situe, et pouvant prendre au moment de l’observation n’importe quelle position prévue par la fonction de l’onde, sans qu’il n’y ait de cause physique à ce choix autre que la probabilité d’avoir telle ou telle position, probabilité que l’on peut vérifier en refaisant plusieurs fois la même expérience dans les mêmes conditions.

Mais ces états superposés ne concernent pas seulement la position des particules. Des photons qui n’ont jamais traversé un filtre polariseur sont, selon la théorie quantique, dans des états superposés, et ont donc tous les plans de polarisation en même temps, et ne se décideront à en « choisir » un qu’au moment où ils traverseront un polariseur. Dans le cas de deux photons qui seraient intriqués et qui s’éloigneraient l’un de l’autre comme dans l’expérience EPR, ceci signifie que la traversée d’un polariseur par un des deux photons polarise instantanément l’autre photon, serait-il dans une autre galaxie, et sans qu’il n’y ait de cause physique apparente dans son entourage justifiant cette polarisation, comme la présence d’un filtre polariseur.

On a voulu vérifier cette intrication quantique sur les photons, et ceci a donné lieu à plusieurs expériences, dont celles d’Alain Aspect et de ses collaborateurs, qui ont supposément confirmé l’intrication quantique des photons. Je ne veux pas entrer dans les détails de ces expériences, me contentant de dire qu’un des éléments qui étaient en jeu dans leur protocole était la vérification de l’instantanéité de la réaction du deuxième photon, à plusieurs mètres du premier, quand le premier traversait un polariseur et lui commandait de prendre le même plan de polarisation, évacuant la possibilité d’un signal entre les deux photons dont la vitesse aurait été égale ou inférieure à la vitesse de la lumière (considéré comme un signal « classique »).

Est-ce bien compatible tout ça?

Mais la relativité affirme entre autres qu’aucune influence ne peut se déplacer plus vite que la lumière. C’était certainement du moins l’interprétation qu’en faisait Einstein à l’époque. Comment alors expliquer l’instantanéité de la corrélation quantique commandant au deuxième photon de prendre le même plan de polarisation que le premier? On a apparemment démontré depuis que la corrélation quantique ne permettait aucun transfert instantané d’information, rafistolage qui aux yeux de la plupart des physiciens d’aujourd’hui résout l’incompatibilité entre la corrélation quantique et la vitesse limite de la relativité restreinte. Mais la corrélation quantique n’en demeure pas moins une influence instantanée à distance, et Einstein, père de la relativité, n’a jamais admit cette « action surnaturelle à distance » comme il l’appelait. Pas surprenant qu’il n’ait pas, lui non plus, accepté l’argumentation du camp adverse, et on voit par là un autre problème potentiel de compatibilité (du moins selon Einstein) entre la théorie quantique et la relativité. Mais l’incompatibilité est beaucoup plus profonde qu’il n’y paraît à première vue.

Supposons que dans le laboratoire d’Aspect, où l’appareillage est bien entendu fixé au sol, qu’il y ait un chariot sur un rail qui peut se déplacer très rapidement parallèlement à la trajectoire des photons, qui s’éloignent l’un de l’autre dans deux directions opposées, cette expérience étant une variante de l’expérience EPR. La polarisation des deux photons qui se fait au bout d’un certain temps après qu’ils se soient séparés, les photons étant donc à ce moment situés à une bonne distance l’un de l’autre, constitue des événements distincts, le long de l’axe des « x », l’axe selon lequel se déplacent, et les photons, et le chariot, événements qui sont donc soumis, selon la relativité restreinte, à la relativité de la simultanéité, la polarisation des deux photons pouvant être assimilée aux deux éclairs de tout à l’heure.

Mais par rapport à quel référentiel, chariot ou laboratoire, la corrélation quantique est-elle instantanée? La question mérite d’être posée, puisque les deux événements que constituent les deux polarisations étant distants l’un de l’autre ne peuvent être simultanés dans les deux systèmes de référence. Il y aurait donc dans un des deux référentiels un délai entre la polarisation des deux photons, ce qui pose déjà un problème au concept de corrélation quantique, celle-ci étant en principe instantanée, mais ce n’est pas tout : selon la corrélation quantique, la polarisation du premier photon (celui qui traverse le filtre polariseur) est la cause de la polarisation du deuxième, puisque c’est la traversée du filtre par le premier photon qui polarise le deuxième, du fait qu’ils sont intriqués. Il y a donc une relation de cause à effet. Mais selon la direction que prendra le chariot le long de la trajectoire des photons et la relativité de la simultanéité qui en découle, si les polarisations sont simultanées dans le référentiel du laboratoire, dans le référentiel du chariot, le deuxième photon pourrait être polarisé avant même le premier, inversant la relation de cause à effet, ce qui bien entendu n’a pas de sens.

On pourrait invoquer qu’il y a une différence de vitesse des photons dans le référentiel du chariot, et que le référentiel du laboratoire, par rapport auquel les photons se déplacent à la même vitesse détermine un référentiel préférentiel, et que c’est donc par rapport à ce référentiel que l’instantanéité des polarisations se vérifie. Mais justement, selon la relativité, la vitesse de la lumière est constante, quel que soit notre état de mouvement rectiligne et uniforme, et le principe de relativité stipule même que : « Tous les systèmes de référence sont équivalents dans la formulation des lois générales de la nature », interdisant qu’un référentiel ait préséance sur un autre. Faudrait-il alors abandonner la relativité au profit de la théorie quantique? Mais la théorie quantique ne peut expliquer l’expérience de Michelson-Morley, qui a échoué à mettre en évidence la différence de vitesse de la lumière entre l’avant et l’arrière qu’aurait dû provoquer le mouvement de la Terre dans l’espace, comme celle qu’on supposait plus haut concernant le mouvement du chariot dans le laboratoire.

On a tenté de concilier tant bien que mal les courbures espace-temps et les gravitons, mais je crois qu’ici, l’incompatibilité est trop profonde pour qu’on puisse espérer réconcilier la théorie quantique et la relativité. Cette dernière ne peut se passer de la transformation de Lorentz, tronc central de toutes ses ramifications, transformation découlant de la vitesse constante de la lumière déduite de l’expérience de Michelson-Morley, et qui détermine inévitablement une relativité de la simultanéité. Et la théorie quantique, du moins l’interprétation de Copenhague qui en est la représentation la plus classique, ne jure que par l’indétermination quantique qui ne peut se déprendre de l’argument d’EPR, avec ses deux mesures fortes qui donnent des résultats précis, que par l’intrication quantique et sa corrélation instantanée.

Peut-on se contenter de choisir entre les deux théories?

Sans entrer dans la polémique, ce qu’il faut retenir de tout ceci (et ce n’est pas rien), c’est qu’au moins une de ces deux théories mythiques est fausse, tout au moins en partie, car elles sont complètement contradictoires! Mais qu’est-ce qui génère ces contradictions sinon le surréalisme de l’une et de l’autre, c’est-à-dire, cette façon de défier outrancièrement le sens commun en supposant d’une part une influence instantanée à distance au caractère « magique », et d’autre part que la simultanéité ne serait pas la même pour tout le monde, faisant perdre à l’instant présent son universalité? Ici, ces deux idées surréalistes engendrent une incompatibilité profonde entre les deux théories qui en disqualifie au moins une des deux, ce qui est déjà un bien mauvais score pour l’une et pour l’autre, mais comme c’est le surréalisme qui est en cause et que les deux théories sont tout aussi surréalistes l’une que l’autre peut-on vraiment se contenter de choisir entre les deux laquelle est vraie et laquelle est fausse ou incomplète? Ne serait-il pas plus logique de les remettre toutes les deux en question?

Et pour cause! Aucune de ces théories n’a réussi le pari de réconcilier le macrocosme et le microcosme, la relativité se cantonnant dans le macrocosme et la physique quantique dans le microcosme, et tant qu’elles étaient chacune dans leur domaine d’application, on ne réalisait pas trop l’incompatibilité viscérale que leurs extravagances engendraient entre elles. Mais dans notre exemple, qui ramène le débat à une même échelle de grandeur, cette incompatibilité est criante, et si on veut se donner une représentation cohérente de la réalité, il faudra, non pas essayer de rafistoler ensemble ces deux inconciliables, comme le fait la théorie des cordes qui donne encore plus loin dans le surréalisme, mais plutôt tenter une nouvelle avenue de recherche, plus près de la pensée classique et du sens commun, point de vue adopté par la toute nouvelle physique néoclassique. Ainsi, pourra-t-on espérer sortir de l’incohérence que nous a léguée la physique du XXe siècle, et dont cet article est un exemple patent[iii].

Jean-Paul Ledoux

www.physiqueneoclassique.com

[i] « La description de la réalité physique par la mécanique quantique peut-elle être considérée comme complète? », paru le 15 mai 1935 dans sa version originale anglaise dans la « Physical Review ».

[ii] Comme je fais un compte rendu historique, je ne discuterai pas de la nouvelle notion de « mesure faible » qui remet en question l’idée que la relation d’indétermination d’Heisenberg reposerait sur une perturbation incontrôlable du système par la mesure, car à l’époque du bras de fer entre Einstein et Bohr on n’avait pas encore élaboré la théorie de ce type de mesure (1988) qui suscite des interrogations et des critiques, et qui de toute façon ne changerait rien à l’argumentation et aux conclusions de cet article.

[iii] La physique néoclassique dont on parle ici n’est pas la théorie du même nom (neoclassical physics) que l’on retrouve sur le Web anglophone, théorie qui tente de réintroduire le concept d’éther en physique par le biais de sous-espaces multiples tout aussi surréalistes que les 10 dimensions d’espace de la théorie des cordes. Il s’agit plutôt de la théorie que j’ai développée au cours des 30 dernières années, que j’ai résumé dans mon livre « La Physique néoclassique : Une nouvelle approche de la physique », et qui tente de réconcilier la physique théorique avec la pensée classique et le sens commun, ce qui, à mon avis, correspond beaucoup plus à ce que devrait être une physique « néoclassique ». Je ne connaissais pas l’existence de l’autre théorie quand j’ai choisi ce nom pour le titre de mon livre.