La physique quantique – “Pour raison garder” (Centenaire de Louis de Broglie)

Colloque organisé par Simon Diner du 15 au 20 mai 1992

Participants

Luigi Accardi (Universita di Roma II), Ian Johnston Rhind Aitchison (University of Oxford), Sergio Albeverio (Université de Bochum, Allemagne), Leslie E. Ballentine (Simon Fraser University, Burnaby, BC Canada), Asim Orhan Barut (University of Colorado), Francis Bénistant (Institut national des télécommunications, Paris), Marie-Christine Combourieu (CNRS/GERS, Paris), Hans Dekker (Université d’Amsterdam), Simon Diner (Institut de biologie physico-chimique, Paris et Fondation Louis de Broglie, Paris), Thomas Durt (Université Libre de Bruxelles (ULB)), Edgard Gunzig (ULB), Anthony J. Leggett (University of Illinois), Hannes Lichte (Université de Tübingen, Allemagne), Georges Lochak (Fondation Louis de Broglie, Paris), Pierre Lochak (Ecole Normale Supérieure), Nik Lygeros (Université de Lyon), Alexandre Maassen van den Brink (Université d’Amsterdam), Vladimir I. Man’Ko (Institut de physique P.N. Lebedev et Académie des sciences de Russie, Moscou), Pascal Nardone (RGGR, faculté des sciences, Bruxelles), Philip Pearle (Hamilton College, Clinton, New York), Antonio F. Ranada (Universidad Complutense, Madrid), Jacques Robert (Université Paris-Nord), Sebastiano Sonego (RGGR, faculté des sciences, Bruxelles), Yuri I. Vorontsov (Université de Moscou), Anton Zeilinger (Université d’Innsbruck, Autriche)

Compte-rendu

Ce colloque est un hommage à Louis de Broglie, tant au savant qui a découvert les “ondes de matière” qu’à l’homme de raison qui a lutté toute sa vie pour maintenir une image réaliste du monde.

De Broglie partage avec Henri Poincaré une attitude foncièrement opposée à toutes les démarches “formalistes” dont le XXe siècle a été le théâtre. C’est ce qui les réunit, dans une marginalité relative ; leur génie commence seulement à les en faire sortir.

Ils sont tous les deux porteurs de messages qui bouleversent des images du monde établies sans doute depuis plusieurs millénaires. Poincaré découvre que le hasard n’est pas irrémédiablement opposé à la nécessité et à l’ordre.

De Broglie impose l’idée révolutionnaire que les atonies et toutes les particules, comme l’électron ou le neutron, ne sont pas de simples boules, mais sont accompagnées, dans leurs mouvements, de phénomènes qui ressemblent en tout point à ceux qui sont si caractéristiques des ondes.

Comme si toute particule microscopique était accompagnée d’une musique secrète qui en ferait la richesse.

Mais ils sont tous deux des visionnaires et non pas des anarchistes. Ils cherchent tous deux à canaliser les révolutions scientifiques pour constituer un front unitaire de la science.

L’essence même de leurs découvertes est de montrer que des catégories conceptuelles, relevant de ces oppositions binaires qui constituent la toile de fond sur laquelle se tissent toutes les représentations du monde, entretiennent, pour ainsi dire, des relations de parenté longtemps insoupçonnées.

Que le hasard flirte avec le déterminisme, que le discontinu ne soit pas l’ennemi du continu, voilà une nouvelle à première vue paradoxale que la science contemporaine n’a pas fini de digérer.

Digestion difficile dans un climat général de déconstruction de la réalité et d’irrationalisme qui marque le XXe siècle. Tourmentes de la pensée dans un monde aux turbulences cruelles.

En hommage à Louis de Broglie, ce colloque se veut une réunion de physiciens qui tiennent à raison garder.

Le XIXe siècle a vu s’affirmer deux programmes scientifiques :

le programme mécaniste et atomistique, qui s’exprime à travers la chimie et la thermodynamique,
le programme des ondes et des champs, qui triomphe en optique, puis en électromagnétisme.
La victoire, après des millénaires, de la vision atomique du monde s’effectue en liaison étroite avec la théorie des phénomènes de hasard. Là où sont les atomes bien souvent règne le hasard. Et c’est bien cela qui gênait Aristote, lui faisant refuser les atomes et le vide, parce qu’il récusait le désordre. Et c’est pourtant ce qui fait une grande part du génie d’Einstein d’avoir systématiquement considéré que là où l’on observe des mouvements qui semblent dus au hasard, là se trouvent des atomes.

Derrière le mouvement brownien se cache la structure moléculaire de l’eau. Derrière les fluctuations du rayonnement d’un corps idéal, appelé “corps noir”, se cachent des “atomes de lumière” : les photons.

Il s’est produit au XXe siècle un renouveau total de la mécanique classique, alors que l’on pouvait penser qu’il n’y avait là plus rien de fondamental à découvrir. Grâce aux travaux de Poincaré, Liapounov et Birkhoff, puis à ceux de l’école russe des systèmes dynamiques (Andropov, Kolmogorov, Anosov, Sinaï, Arnold), on a vu se développer le nouveau paradigme du chaos déterministe. Les équations de la mécanique peuvent donner naissance à des mouvements parfaitement déterminés, mais si complexes que leur représentation et leur prévision deviennent impossibles. Des mouvements qui ont tous les attributs du hasard. Et ce hasard est à nouveau fortement lié à l’atomisme, car bien des systèmes qui manifestent le chaos déterministe ont en fait des propriétés mathématiques analogues à celles d’un billard de boules dures. Hasard et chaos signifient instabilité, ce qui semble suggérer quelque part l’existence de discontinuités, donc de domaines isolés, bref d’« atonies ».

Au début du siècle, l’ancienne théorie quantique semblait s’engager dans la même voie de l’atomisme : l’atomisme des échanges d’énergie entre la matière et la lumière. De son côté, la théorie des probabilités, formalisée par Kolmogorov dans les années trente, était, elle aussi, profondément atomiste. Elle s’applique en effet à des événements complexes, que l’on peut décomposer en événements simples, et calcule par des opérations simples la probabilité de l’évènement composé à partir des probabilités des événements composants.

Après des millénaires de prégnance philosophique, l’atomisme s’impose comme vision scientifique du monde.

En un sens, le XXe siècle va exploiter dans toutes les directions cette vision simple, logique et fertile. Il y a là un principe d’explication universel qui s’applique aussi bien à la matière inanimée qu’à la matière vivante. La biologie moléculaire est l’expression contemporaine nouvelle de cet atomisme universel.

Enfin, trêve de parler des atomes sans les voir, puisqu’ aujourd’hui les progrès de la technologie permettent d’accéder aux lieux secrets où ils se nichent. La microscopie électronique à haute résolution ou le microscope à effet tunnel nous fournissent depuis peu des images des atomes. Ils sont bien là, petites boules diffuses et tranquilles, comme on les imaginait.

Et pourtant, depuis la thèse de Louis de Broglie, en 1924, se sont accumulées les évidences que les particules microscopiques, les atomes en particulier, ne sont pas de petites boules isolées dans le vide. Liés à ces particules et autour d’elles, s’agitent des phénomènes mystérieux qui étendent d’une manière universelle les phénomènes ondulatoires et continus introduits en optique et en électromagnétisme.

Le vide, là où il n’y aurait point de matière, n’est pas rien. Pour reprendre l’expression d’Émile Noël (1648), on parle à nouveau du plein du vide.

La théorie quantique dans toute son étendue prend acte de ce que les particules localisées ne sont pas seules dans l’Univers, mais baignent dans des “champs” qui leur confèrent leurs propriétés particulières. La mécanique quantique rend admirablement compte de ces propriétés par un formalisme mathématique élégant et complexe, mais elle ne démêle en rien ce rapport mystérieux entre les particules et les champs. La mécanique quantique fait écho à l’existence de l’onde de Louis de Broglie, sans renseigner pour autant sur la nature de cette onde. De là, un des plus grands débats épistémologiques et scientifiques de tous les temps. Le débat sur l’interprétation de la mécanique quantique.

Ce colloque, rassemblant treize conférenciers venant des domaines sensibles les plus variés de la physique quantique et neuf jeunes chercheurs auxquels l’expérience donne déjà une mentalité critique nouvelle, a cherché à poser les repères de la situation actuelle de ce débat fondamental.

Au cours de ce colloque, les grandes questions suivantes ont été débattues :

1) Si le monde est quantique à l’échelle microscopique, comment peut-on expliquer son aspect ordinaire à notre échelle ?
Leslie E. Ballentine (Canada) a montré que cette question n’a pour l’instant pas de réponse.

2) L’univers microscopique est un univers turbulent où le hasard rôde sans cesse. Il faut créer un calcul des probabilités quantiques pour décrire convenablement cet aléatoire primordial. C’est le but poursuivi par Luigi Accardi (Italie).

Sergio Albeverio (Allemagne) a montré les rapports complexes et par trop formels que ce calcul entretient avec le calcul classique des probabilités.

3) A ces difficultés de base s’ajoute l’incapacité de la théorie quantique à décrire un système de plusieurs particules en spécifiant leur comportement dans l’espace physique ordinaire. Elle doit avoir recours à un espace mathématique abstrait dont la dimension croît avec le nombre de particules. C’est la comparaison des “calculs” dans cet espace abstrait et des images réalistes de l’espace ordinaire qui entraîne bien des paradoxes que la communauté scientifique digère mal et que la communauté philosophique agite à tort et à travers. D’autant plus que l’expérience donne raison aux “résultats” des calculs dans l’espace abstrait, pourvu que l’on sache les rendre pertinents pour l’expérience dans l’espace ordinaire.

Anton Zeilinger (Autriche) expose la dernière mise en forme — dont il est l’auteur — de cette discussion géante née avec Einstein, Podolsky et Rosen en 1935 et marquée depuis par les fameuses inégalités de Bell et les expériences d’Aspect.

4) A ces difficultés qui peuvent paraître techniques s’ajoute une difficulté plus fondamentale sans doute et dont toutes les autres dérivent peut-être.La mécanique quantique pose le problème de savoir si dans l’univers microphysique les propriétés et les qualités des objets sont explicites ou ne se révèlent qu’à l’observation. Débat séculaire des qualités cachées, en faveur desquelles penche la mécanique quantique, sans arriver à formuler une véritable théorie de l’observation et de la mesure, dans un cadre tenant compte de la perturbation du système liée à son observation.

Philip Pearle (USA) et Yuri Vorontsov (Russie) ont exposé certaines des vues les plus avancées sur la théorie de la mesure en mécanique quantique.

La problématique de la théorie de la mesure porte en elle les enjeux les plus fondamentaux de la théorie quantique et sans doute de toute théorie physique. Elle pose la question essentielle de la nature de la réalité. Toute physique renvoie sans cesse à la métaphysique.

La mécanique quantique, comme la théorie des probabilités, est une théorie de la puissance, au sens de la potentia aristotélicienne. Elle appartient à la physique de la puissance où règnent les mathématiques et certains de leurs paradigmes dominants, comme le calcul vectoriel (algèbre linéaire), le calcul intégral et la théorie de la mesure mathématique, le calcul variationnel. Toutes doctrines où les ensembles d’objets et les combinaisons d’objets jouent un rôle fondamental.

Les problèmes que rencontre la mécanique quantique proviennent de ce que l’on voudrait lui faire rendre compte d’une physique de l’acte, physique de l’irréversibilité, concrétisée par l’existence de l’objet individuel.

L’interprétation dite de “Copenhague” de la mécanique quantique, due à Bohr et Heisenberg, voulait effectivement y voir un discours sur l’objet individuel.

A cette interprétation s’oppose celle d’Einstein, Popper et Blokhintsev dont Leslie E. Ballentine s’est fait depuis 1970 le champion incontesté. Interprétation statistique qui déclare que les énoncés de la mécanique quantique concernent des ensembles d’objets préparés dans des conditions identiques, mais dont les comportements sont différents par suite du hasard inhérent à la microphysique. Dans son exposé aux Treilles, comme dans les discussions, Leslie E. Ballentine a souligné les points forts de cette interprétation, qui élimine bien des “paradoxes”.

Mais cette problématique a évolué au cours de la dernière décennie. La théorie de la mesure est en effet passée du stade philosophico-mathématique au stade de l’expérimentation physique et de là au stade technologique.

Cela est essentiellement dû aux prouesses technologiques qui permettent maintenant de manipuler et d’observer un seul “photon”, un seul électron, un seul atome, l’objet unique dans toute sa splendeur.

On accède ainsi à des domaines où la théorie quantique de la mesure peut être testée expérimentalement et où le problème de la mesure quantique prend une réelle valeur physique et technologique.

L’optique quantique et ses expériences élaborées d’interférométrie, l’interférométrie électronique (exposé de Hannes Lichte – Allemagne), l’interférométrie atomique (exposé de Jacques Robert, jeune participant français), l’interférométrie neutronique dont Anton Zeilinger est un des pionniers, les états comprimés de la lumière, les pièges atomiques, la détection des ondes gravitationnelles (motivation des travaux de l’école de Moscou de V. Braginski à laquelle appartient Y. Vorontsov) et les effets quantiques mésoscopiques et macroscopiques (exposés de Anthony J. Leggett – USA et Hans Dekker – Pays-Bas), voilà autant de domaines ultra-récents où la théorie quantique s’éprouve et est mise au défi.

La mécanique quantique est un peu comme une grande maison qui nous aurait été léguée par nos grands-parents. Toute notre activité tend à l’aménager au mieux pour y loger de nouveaux venus (nouveaux faits expérimentaux) et de tenter de comprendre l’esprit qui y règne. Les physiciens en général sortent peu de la maison pour essayer d’apercevoir sa situation, pour tenter de voir les maisons avoisinantes. Certains, cependant, se risquent à vouloir bâtir dans le parc une autre maison si ce ne sont des dépendances.

C’est ce que l’on nomme des “théories alternatives à la mécanique quantique”. Mais ce sont là pour le moment des constructions sommaires et peu convaincantes. Cet aspect du paysage, auquel Louis de Broglie était attaché, n’a pas été beaucoup évoqué au cours de ce colloque, quoique son existence ait été parfaitement signalée dans le très beau document spécialement préparé pour cette réunion par l’un des jeunes participants — Sebastiano Sonego — Italien travaillant à Bruxelles. Il a dressé une véritable carte des problèmes conceptuels de la théorie quantique, balisant près de 500 “villages, hameaux, cloîtres et chapelles”. Un tel survol critique et classificatoire du paysage quantique le plus récent n’existe pas dans les publications des dernières années. Ce document, distribué aux participants, a servi de base aux discussions et est publié dans les Annales de la Fondation Louis de Broglie (1992, n° 4) sous le titre : “Conceptual foundations of quantum theory: a map of the land”.

Le succès de la réunion des Treilles vient de ce que le choix des participants et le mot d’ordre “Pour raison garder” ont permis d’éviter les discussions philosophiques stériles et de laisser se consolider des convictions communes dans un domaine où les partis pris et les polémiques scientifiques abondent.

Simon Diner

Communications

• Luigi Accardi – Applications of quantum probability to physics
• Ian Johnston Rhind Aitchison – Anyons
• Sergio Albeverio – Recent developments in stochastic processes and quantum theory
• Leslie E. Ballentine – How do classical propertîes émergé from quantum mechanics?
• Asim Orhan Barut – Particle-like configurations of the electromagnetic field. An extension of the de Broglie’s ideas
• Hans Dekker – Mesoscopic Physics – From dissipative quantum mechanics to non-equilibrium thermodynamics
• Anthony J. Leggett – Quantum mechanics and macroscopic realism
• Hannes Lichte – Electron wave interferometry – Basic experiments and novel applications
• Pierre Lochak – Considérations générales sur les systèmes dynamiques
• Vladimir I. Man’ko – Time-dependent integrals of motion in quantum mechanics
• Philip Pearle – In the equations and not just the talk
• Antonio F. Ranada – A topological quantization of the electromagnetic field
• Jacques Robert – Interférométrie atomique de polarisation
• Yuri I. Vorontsov – Standard and non-standard quantum limits for measurement errors
• Anton Zeilinger – Quantum entanglement and its lesson for the reality quest

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