Entretien

A l’occasion du centième anniversaire du 1er Conseil de Physique Solvay, Bruxelles sera, on le sait, pendant plusieurs jours, la capitale mondiale de la physique. Parmi les activités, on aura ce lundi 17 octobre à 19 h 30 à Flagey, une lecture de la pièce de théâtre "Copenhagen" de Michael Frayn, mettant en scène le fameux débat de 1941 entre Bohr et Heisenberg (participants réguliers aux Conseils Solvay) sur la bombe atomique. Les rôles de Bohr et Heisenberg seront interprétés par les Prix Nobel Alan Heeger (chimie 2000) et David Gross (physique 2004). Le rôle de Mme Bohr sera interprété par la grande actrice shakespearienne Fiona Shaw.

Ce sera une manière de rappeler que ces Conseils Solvay furent souvent le lieu de grands débats qui ont fait avancer la science. La discussion la plus vive et la plus célèbre opposa Einstein à Bohr. Tous deux étaient de grands spécialistes de la physique quantique mais ils avaient une lecture toute différente de son aspect probabiliste. Einstein refusait, ou plus exactement voulait dépasser, cette lecture statistique qui empêchait de déterminer avec précision, à la fois la position et la vitesse d’une particule (ce qui s’exprime par les relations d’incertitude d’Heisenberg). "Dieu ne joue pas aux dés", aurait-il dit. Le débat fut très dramatique, théâtral, lors des Conseils de 1927 et de 1930. Einstein estimait que la dimension probabiliste de la mécanique quantique n’était qu’un effet de son incomplétude. Si on cherchait encore on arriverait à une théorie qui lèverait cette incertitude. Niels Bohr, au contraire, disait que l’incertitude et les probabilités étaient au cœur même de la nature au niveau microscopique.

Einstein n’eut de cesse de lutter contre cette interprétation d’une théorie que par ailleurs il appuyait. Il lança même, en 1935, un sacré défi qui ne fut résolu que des décennies plus tard, notamment par le physicien français Alain Aspect qui sera aussi cette semaine à Bruxelles. Il a pu imaginer et mener l’expérience qui a permis de conclure le débat par la victoire de Bohr, même si cette interprétation probabiliste défie totalement notre sens commun. Et ce résultat n’est pas sans effet pratique. On parlera beaucoup à Bruxelles des suites bien concrètes de cela qui sont les recherches actuelles sur l’ordinateur quantique et la cryptographie quantique.

Nous avons longuement interrogé Alain Aspect sur le débat des géants du XXe siècle.

Einstein peut être considéré, à l’instar de Max Planck, comme un des pères fondateurs de la physique quantique avec son article de 1905 sur l’effet photoélectrique. Mais dans les années 1923-25 se développa ce qu’on a appelé l’école de Copenhague, qui ajouta à la description discontinue de la matière apportée par la théorie quantique, un volet probabiliste. Une particule est à la fois un corpuscule et une onde. Et comme onde, elle peut s’étendre à tout l’espace. Sa position est alors liée à une simple probabilité. Etant une onde, on ne peut alors déterminer à la fois la localisation d’une particule et sa vitesse. Einstein n’aimait pas cela. Cela signifiait pour lui que la mécanique quantique était inachevée et qu’il fallait la développer pour arriver à déterminer avec précision, à la fois, la position et la vitesse d’une particule. Il est vrai que le formalisme probabiliste de la mécanique quantique défie le bon sens : une particule peut être à la fois dans une boîte hermétiquement fermée et en dehors, elle peut traverser une plaque par deux trous différents à la fois, etc.

Albert Einstein va chercher ce qu’il appelle des "expériences de pensée" pour montrer que ce formalisme est absurde. Ce sont des expériences théoriques alors encore impossibles à réaliser mais qui suivraient exactement les lois de la physique.

Aux Conseils Solvay de 1927 et de 1933, Einstein exposa des telles "expériences", développa des "paradoxes", mais, chaque fois, Bohr pouvait y répondre. Langevin qui assistait au Conseil de 1927 témoigna que la confusion était "à son comble". Et on imagine, le soir, dans les rues de Bruxelles, Bohr et Einstein poursuivant leurs discussions. Mais en 1935, Einstein pense avoir trouvé une objection majeure qui "coincera" Bohr. Pour comprendre ce défi appelé "paradoxe EPR" du nom de trois physiciens (Einstein, Podolsky et Rosen), il faut savoir que les débats sur la mécanique quantique avaient d’abord porté sur une particule unique. Bien entendu, les choses ne sont pas comme cela. Les particules interagissent. Et les ondes associées à deux particules qui ont interagi un moment avant de diverger sont dites "intriquées". C’est sur les états intriqués, dont Einstein découvre en 1935 qu’ils sont autorisés par le formalisme quantique, que va porter le débat.

Alain Aspect les explique par une analogie. Soit une paire de deux boules : blanches ou rouges. Chaque boule évolue séparément mais elles se sont heurtées un moment et leurs états sont "intriqués". La physique quantique montre que si l’on mesure leur couleur, on trouve aléatoirement la couleur blanche ou la couleur rouge. Mais si on compare les résultats des mesures pour deux boules, on constate qu’elles sont soit toutes les deux blanches, soit toutes les deux rouges, même si elles sont alors éloignées de plusieurs kilomètres. Einstein y voyait une objection majeure à la lecture probabiliste de la mécanique quantique. Car, disait-il, soit on estime qu’une boule "sait" instantanément que l’autre adopte une couleur au moment de la mesure, même si elles sont fort éloignées l’une de l’autre, mais alors il faudrait que l’information se propage d’une boule à l’autre plus vite que la vitesse de la lumière ce qui est impossible d’après la relativité. Soit alors, la couleur des deux boules de chaque paire était contenue dans l’état initial et les boules avaient alors des propriétés déterminées et non statistiques ce qui contredirait les vues de Bohr. Celui-ci estimait au contraire que, même si cela paraissait bizarre, les deux boules, mêmes à des distances énormes, formaient encore un seul système d’objets intriqués, qui pouvaient jusqu’au dernier moment donner aussi bien le résultat "rouge-rouge" que "blanc-blanc". "Einstein, souligne Alain Aspect, avait mis le doigt sur une bizarrerie incroyable de la mécanique quantique." Des particules très éloignées se comportaient comme si elles étaient liées sans avoir besoin d’échanger des informations !

Ce paradoxe a mis 45 ans à être résolu. Les physiciens d’abord ne s’y intéressèrent pas vraiment puisque de toute manière la mécanique quantique marchait bien et Einstein ne contestait pas ce point. Cela apparaissait d’abord comme un problème de philosophie des sciences. Mais dans les années 60 et 70, une série de physiciens s’y attelèrent, après la découverte de John Bell qui établit une inégalité pouvant être vérifiée ou contredite par les résultats d’une expérience, permettant ainsi de trancher entre Einstein et Bohr. Dans les années 70, un jeune chercheur français, Alain Aspect se passionna pour ce défi et consacra huit ans à mener une expérience très subtile où deux photons sont émis par paires, avec des polarisations intriquées. Des détecteurs permettent de déterminer l’état de polarisation de chaque photon, une fois ces particules suffisamment éloignées l’une de l’autre, et on peut soumettre les résultats aux inégalités de Bell et donc trancher la controverse. L’expérience demande par exemple, que le réglage des détecteurs soit modifié physiquement entre le moment de l’émission de la paire de photons et leur réception pour être certains que ce réglage des détecteurs n’était pas "connu" au départ des photons et puisse expliquer qu’il changent ensemble. Or les photons se déplacent à la vitesse de la lumière, ce qui ne laisse que quelques milliardièmes de seconde pour effectuer le changement !

Le résultat, confirmé depuis par d’autres recherches est clair : Bohr avait raison. La nature est définitivement étrange pour notre sens commun, elle est probabiliste et non déterministe, elle est non locale, c’est-à-dire qu’il existe des influences se propageant plus vite que la lumière, en contradiction avec un principe fondateur de la relativité dont Einstein était le père ! "Mais Einstein fut génial en pointant cette bizarrerie , continue Alain Aspect, il a attiré l’attention sur ces états intriqués qui sont aujourd’hui à la base des recherches sur les futurs ordinateurs quantiques, et sur la cryptographie quantique" (les clés pour sécuriser la transmission des données, par exemple sur Internet).