Terminales 2/4/5/6: Expérimentation, réalité et perspectivisme - Rapport entre la dualité onde/corpuscule et l'hypothèse des univers multiples

                Il convient ici de revenir sur un passage à la fois difficile et déterminant du cours, à savoir le lien entre la superposition de deux états onde/corpuscule, le rapport que cela induit avec l’observation ou la mesure scientifique et la possibilité des univers multiples qui ne constitue en fait que l’une des interprétations possibles des conséquences de ce que manifestent plusieurs expériences: un photon (ou un électron) détecté se comporte comme un corpuscule, non détecté comme une onde (de probabilité). C’est vraiment un atout que d’être capable d’évoquer cette dualité dans tout travail philosophique portant sur la vérité. On peut, sans doute aucun, soutenir que quelque chose de ces expériences de physique quantique donne raison à Nietzsche quand il affirme: « il n’y a pas de faits, il n’y a que des interprétations. »  Le poids de l’interprétation dans la physique et la thèse selon laquelle il est plus question en science d’interprétation que d’explication sont ici clairement posés.

Les développements présentés par David Louapre, Docteur en Physique, sont vraiment clairs et décisifs dans cette compréhension. Nous nous contenterons donc ici de reprendre sa vidéo et d’essayer de la rendre accessible (plus encore qu’elle ne l’est par elle-même) à chacune et à chacun.

Quelle est exactement la nature de la lumière? Est-elle faite de corpuscules, c’est-à-dire de petits points lumineux, les photons, ou bien d’ondes, comme des vagues? Newton pensait qu’elle était corpusculaire. Huygens d’ondes. L’expérience de Young faite en 1801 prouve qu’elle est constituée d’ondes et par conséquent que Huygens a raison. Mais Einstein plus tard prouvera qu’en certaines occasions la lumière se comporte comme si elle était composée de photons. L’expérience des fentes de Young finalement n’a pas tranché cette question dont il faut souligner qu’elle porte sur la nature d’une force, la lumière, sur sa matière, sur ce dont elle est faite. C’est quand même cela le fond de cette histoire, la question de ce que l’on appelle  la quiddité, en philosophie: qu’est-ce que c’est: de la lumière?  Avoir à répondre que ça dépend de la façon dont on la détecte est quand même assez surprenant, comme si une réalité n’était pas indépendante de la façon dont on essaie de la faire surgir, apparaître. Pour rendre compte de l’anomalie de ce que l’on est en train de mettre à jour, on pourrait imaginer un chasseur qui saurait qu’il y a en tel endroit UN animal, un seul et qui disposerait un piège pour attraper ce seul animal. Envisagez la possibilité qu’on lui dise que s’il met un piège à lapin il attrapera un lapin et s’il met un piège à sangliers il attrapera un sanglier. Il répondra qu’un lapin n’est pas un sanglier et que le gibier ne change pas de nature en fonction du piège. Eh bien là si!

L’exemple choisi par David Louapre de la maïzena et l’eau est évidement très intéressant. Un certain dosage permet d’obtenir une substance liquide mais aussi modelable comme de la pâte. Qu’est-ce la maïzena? Ce qu’on en fait. La relativité de la nature d’une matière aux modalités de sa captation, ou de la façon dont la fait venir activement à la réalité: c’est ça que la physique quantique, entre autres choses, bouleverse. Le physicien Niels Bohr a appelé cette caractéristique très déstabilisante la complémentarité, à savoir que les propriétés des objets quantiques ne se manifeste qu’au gré des expériences, selon les modalités de ces expériences.

La maïzena est-elle liquide? Oui si vous l’utilisez comme liquide. Est-celle solide? Oui si vous la voyez et manipulez comme un solide. 

Ce que l’expérience de fentes de Young a clairement mis à jour, c’est qu’une réalité ondulatoire donne lieu à des interférences. Lorsque deux personnes touchent en même temps la surface d’une eau plane et provoquent ainsi deux ondes, se produisent des interférences. Lorsque le sommet de l’onde du bas touche le creux de l’onde du haut, l’effet de vague se compense et s’annule, de telle sorte qu’il n’y a pas de vagues et si l’on installe un enregistreur de vagues plus loin, à cet endroit il n’y aura aucun signal. Ce que l’on appelle un modèle ou un patron d’interférences, c’est un écran capteur sur lequel apparaissent des raies, des signaux, puisqu’ici il y aura une vague, ici non, ici oui, ici non, etc. Young avait prouvé qu’on obtenait un tel diagramme quand on faisait passer un rayon de lumière au travers de deux fentes. Donc on possède un moyen d’analyser la nature d’une force: si on projette des photons ou des électrons contre une plaque trouée en deux endroits et qu’on voit apparaître des raies, alors la nature ondulatoire ne fait aucun doute parce que cela prouve que le rayon est passé par la fente A ET par la fente B et que les trains d’ondes provoqués par cette double entrée a crée le phénomène d’interférences.

Mais il faut approfondir ce phénomène: on envoie un faisceau de lumière contre une plaque avec deux trous: le faisceau se divise. Mais de quoi est fait ce faisceau divisé?  Si les deux rayons sont de distance égale, alors les ondes s’ajoutent de telle sorte que le choc sera plus intense avec la plaque. On aura un signal. Si les deux faisceaux sont décalés, alors le haut d’une onde interférera avec le bas de l’autre et il n’y aura rien. Apparaîtront alors des raies sur l’écran capteur (modèle d'interférences).  C’est ce que l’on appelle des franges d’interférence. Pour bien comprendre à quel point l’expérience des fentes de Young prouve la nature ondulatoire de la lumière, on peut boucher l’un des fentes. Il n’y a plus qu’un seul train d’ondes et la tâche est uniforme. Il n’y a pas de franges.  Si la lumière était corpusculaire, l’écran serait touché en un seul endroit. 

David Louapre cite alors une autre expérience qui finalement reprend exactement les éléments mis à jour par l’expérience des fentes de Young mais avec un appareillage qui semble plus complexe. En réalité cette complexification va au  contraire rendre possibles des observations plus nettes encore (et encore plus déstabilisantes). On envoie un faisceau laser contre une plaque semi-réfléchissante. Le rayon traversera à 50% la plaque et sera renvoyé par elle à 50%. Il se diffractera donc en deux rayons. Si l’on place deux miroirs (entièrement réfléchissants, contrairement à la première plaque) on peut les amener à se recroiser par la position d’une seconde plaque semi-réfléchissante. Si l’on installe des détecteurs juste après cette seconde plaque, on captera des signaux lumineux. Pourquoi? Parce que la lumière étant ondulatoire, et le trajet parcouru par le rayon égal, les interférences sont constructives. C’est la même chose que les endroits du capteur dans lesquels il y a une tâche sombre. Si par contre on rallonge l’un des trajets diffractés, c’est exactement comme les endroits où le sommet de l’onde touche le bas de l’autre onde et l’onde s’annule. Il n’y aura donc pas de signal.

 

L’interféromètre de Mach-Zehnder permet donc de faire les mêmes observations que l’expérience des fentes de Young. En fait, elle complexifie l’expérience de Young en travaillant davantage la notion d’interférences et en rallongeant ou en raccourcissant le trajet mais cela permet aussi de faire varier plus précisément les données de l’expérience observable. Nous nous souvenons que si l’on bouche l’une des fentes, une tâche uniforme apparaît pour Young. De la même façon ici si l’on obstrue l’un des rayons diffractés, avant la seconde lame semi-réfléchissante, l’autre arrive à bon port et la détecteur s’allume, et cela plus intensément qu’avec l’autre rayon. Donc cela prouve bien que l’on a affaire à une nature ondulatoire des photons.

En 1980, cette expérience est relancée parce qu’on est capable d’envoyer des photons uniques. La notion même de photon présuppose une nature corpusculaire. Un photon est un point lumineux que l’on peut envoyer séparément.  Lorsque un photon est projeté contre une plaque semi réfléchissante, on passe à un autre régime d’enregistrement, ou d'effectuation qui est celui de l’alternative. Le photon ne passe pas à 50% à travers la lame ET à 50% diffracté, il est l’un OU l’autre. Le 50/50 se manifeste par l'alternative et non par la superposition. Ce point est crucial. Si la lumière est corpusculaire et donc composée de photosn, elle passe par A OU par B. Si elle est ondulatoire elle passe par les deux. La lame semi réfléchissante joue le même rôle que les fentes de Young. 

Il ne peut absolument pas se produire d’interférences si la lumière est composée de photons corpusculaires, puisque la lumière passera soit à travers la plaque, soit sera réfléchie.  Avec la source de photons uniques, nous n’avons pas affaire à des ondes, du moins tant que l’on se contente de les envoyer contre une plaque semi réfléchissante. Par contre, si l’on fait parcourir aux photons envoyés un par un tout le trajet de l’interféromètre de Mach-Zehnder avec les boucles plus ou moins grandes de façon à créer le même décalage créant des ondes destructives et constructives, on va se rendre compte que le schéma d’interférences se dessine à nouveau, ce qui est surprenant puisqu’on a envoyé des photons et qu’on les a envoyés un à un. C’est comme si le photon dont a vu qu’il passait soit à travers la plaque soit était diffracté par elle passait en réalité par les deux, comme une onde. L’interféromètre fait, comme son nom l’indique pour détecter des interférences les perçoit effectivement alors même que ce que l’on a envoyé est un corpuscule, un photon. Le photon se « plie » aux conditions d’apparition et de mesure qu’on lui impose, comme si sa nature dépendait de ce qu’on attend qu’elle soit. 

 

Comment UN photon peut il interférer avec lui-même, à moins de devenir une onde en cours de route? Il faudrait convenir de la capacité du photon à réaliser qu’il y a deux chemins praticables et à les emprunter, à se diviser, à se diffracter alors même qu’il est un photon régi pourtant par un principe d’alternative A ou B. C’est la deuxième plaque qui crée donc le trouble parce qu’au sortir de la première, le photon se comporte comme un corpuscule. Il emprunte soit la voie du chemin diffracté soit celle du chemin qui traverse la plaque. C’est cela qu’il convient de ne pas perdre de vue: la lumière corpusculaire obéit à une logique alternative. La lumière ondulatoire connative (l’un et l’autre), d’où les interférences. Le trouble c’est que projetée dans un interféromètre, une lumière composée de photons envoyés un à un se comporte finalement comme de la lumière ondulatoire. On a sans contestation possible la preuve qu’elle produit des interférences avec le même schéma, le même patron que celui de l’expérience des fentes de Young. On rallonge la boucle pour créer des ondes constructives et destructives et ça fonctionne. 

Résumons: les photons envoyés un à un passent la première plaque, comme des corpuscules en étant soit diffractés, soit en se prolongeant à travers la première plaque. Mais après, on crée la boucle sur l’un des trajets, ce qui ne devrait en rien impacter l’autre trajet puisque il ne devrait y en avoir qu’un seul et pourtant le même phénomène d’interférence se produit, manifestant clairement qu’ « il », le photon s’est divisé…alors que non.  Comment ce qui a été envoyé en tant que corpuscule peut-il réagir comme une onde à un instrument de mesure formaté pour détecter en lui l’onde??? On envoie une certain réalité dans un instrument de capture  conçu pour une autre nature que celle qu’il est, et voilà qu’il se comporte comme s’il était aussi cette réalité « attendue ». 

La notion de « perspectivisme Nietzschéen » est parfaitement illustrée par une telle observation. C’est comme si la réalité n’était que les conditions d’apparition, de manifestation qu’on lui impose.  Alors que la plupart des expérimentateurs partent du principe que l’expérience teste une réalité qui préexiste à l’expérience, l’interféromètre de Mach Zehnder fait apparaître une nature de la lumière qui se module entièrement selon ce que l’on attend qu’elle soit. C’est bien la notion de complémentarité des objets quantiques (infiniment petits) que l’on retrouve ici, telle qu’elle fut formulé par Niels Bohr. C’est comme la maïzena qui finalement nous « dit »: je suis liquide si tu me vois comme liquide et solide si tu me touches comme un solide.  Je ne suis rien avant de me manifester et je me manifeste au gré des propriétés que tu m’affectes.

 

Mais l’expérience à choix retardé de John Wheeler va essayer de tester la complémentarité. Tout se joue en effet dans le trajet qui s’effectue entre les deux lames semi-réfléchissantes. Il y a deux expériences: celle qui ne met en position qu’une seule lame et le photon se comporte comme un corpuscule (il traverse ou se diffracte mais pas les deux), et celle qui met en place la deuxième et les détecteurs et là, il se comporte comme une onde (il se diffracte ET traverse la première lame). Par conséquent si on rallonge le trajet entre les deux lames de telle sorte que l’on se réserve le temps d’installer ou pas la seconde lame réfléchissante, on met le photon en situation de ne pas savoir dans quoi il s’embarque. On a l’impression que le photon s’adapte à une situation donnée de l’expérience, mais que se passe t-il si au moment où il est envoyé dans le processus expérimental , il n’est pas encore établi que ce processus de mesure, cet appareil de détection est conçu pour capter des ondes ou des corpuscules? Il suffit en fait d’installer ou pas la deuxième lame. 

 

Peut-être pourrions nous espérer que le photon soit ainsi forcé à se révéler tel qu’il est et non tel que nous lui imposons de se manifester, comme si dans cette indécision de l’instrument de détection quelque chose de ce qu’il est vraiment pouvait enfin  « pointer ». Si il s’avère que finalement la seconde plaque est installée au tout dernier moment et qu’on ne relève pas d’interférences, alors on aurait la preuve qu’il est plutôt un corpuscule, et inversement. C’est comme si l’expérimentateur essayait vraiment de prendre au dépourvu la réalité expérimentée pour se manifester purement, comme une réalité brute, « découverte ».  Le photon ne peut pas s’adapter à un protocole expérimental qui n’a pas encore fixé. Que va-t-il être si on lui impose une situation dans laquelle on ne s‘attend pas davantage  à ce qu’il soit une onde ou un corpuscule? Le résultat est déstabilisant puisque de fait, le photon se comporte conformément à ce qui va s’opérer au tout dernier moment. C’est un générateur quantique de nombre aléatoire qui décide de l’installation de la seconde lame…ou pas. Cela signifie que personne au monde (pas même Dieu) ne peut prédire qu’elle sera positionnée ou pas. C’est vraiment du hasard absolu (c’est d’ailleurs la seule chose absolue dans cette expérience). Pourtant le photon crée un schéma d’interférences si la lame est installée et pas un schéma d’interférences si elle n’est pas installée.  On a l’impression que le photon a fait un bond dans le temps, qu’il s’est projeté dans le temps autant que dans l’espace et a deviné que le protocole expérimental serait ondulatoire ou corpusculaire et qu’il a adapté son trajet à une réalité qui pourtant n’était pas encore. La vraie question posée par cette expérience est finalement celle-ci: dans quel temps vit le photon? Se pourrait-il que l’expérimentateur et le protocole expérimental ne soient pas dans le même temps que le photon? Que celui-ci soit dans une sorte de « fatalité accidentelle » ou de pressentiment infaillible  où ce qui arrive, aussi imprévisible soit il ne peut pas ne pas arriver? Il y a ici une sorte de stoïcisme sidérant du photon: ce qui est, en tant qu’il est, est tout ce qui doit être et je conforme mon attitude à cela.  Qui aurait pu croire qu’un photon m’en apprenne peut-être plus sur le stoïcisme que marc-Aurèle ou Epictète?

Mais quel rapport peut-on établir entre ces expériences et les univers multiples? Celui:ci: il y a superposition des deux états: corpusculaire et ondulatoire. La détermination des modalités de capture de l’un ou de l’autre détermine la réalité de l’un ou de l’autre. Si l’on s’attend à ce qu’une réalité soit corpusculaire, elle l’est, ou le devient et inversement. Le chat de schrodinger ne fait que modéliser autrement cette vérité là, parce que c’en est une. Lorsque le photon a franchi la première plaque (Trajet A ou Trajet B) et que la seconde plaque est finalement installée, le photon va se comporter comme une onde et donner lieu à des interférences. Mais supposons que la seconde plaque ne soit pas installée, alors l’instrument de capture nous donnera à interpréter le photon comme se comportant ainsi qu’un corpuscule. Il aura donc choisi un trajet (A ou B) mais que comment éviter de penser qu’il existe quand même ici une réalité ondulatoire non mesurable ici puisque ce qui sera mesuré c’est le photon corpusculaire imposant donc de penser qu’il est une réalité alternative où le photon a suivi l’autre trajet? Le photon se comporte comme un corpuscule si l'on s’attend à ce qu’il en soit un, comme une one si l’on s’attend à ce qu’il en soit une. C’est la modalité de perception qui semble en décider, y compris rétroactivement (miraculeusement), mais alors l’expérience à choix retardé de John Wheeler ne nous aurait-elle pas mis en présence de la ligne la plus affûtée qui puisse être de partage entre des mondes? Mais quand? Lorsque le générateur quantique de nombre aléatoire décide de ne pas installer la seconde plaque, alors le photon passe nécessairement par A ou par B. Mais comment peut-il le faire puisque ce choix au moment où il se produit n’a pas encore été arrêté par le générateur? C’est impossible et pourtant il a choisi la voie B. L’idée d’un univers multiple consiste ici à expliquer l’impossibilité dans une temporalité de succession que le photon ait pu choisir B dans une situation où pourtant ce choix ne s’impose pas encore en tant que choix par le décalage avec une réalité alternative dans laquelle il suit la voie A. Il faut bien qu’il soit une onde avant d’être interpellé à choisir en tant que corpuscule. Il faut bien qu’il suive un trajet possible en tant qu’onde avant d’être sommé d’en choisir un en tant que corpuscule. Cela veut dire que le mécanisme de détection qui le force à être un corpuscule impose aussi la distinction, de partage avec un autre univers dans lequel le corpuscule qu’on l’a sommé d’être dans ce monde va choisir « dans un autre », l’autre trajet.

            Evidement, ce sont des spéculations, non scientifiques mais typiques de ces possibilités au seuil desquels nous place la physique quantique. Ces expériences: celle de Young, de l’interféromètre et de John Wheeler excèdent notre capacité à les insérer dans une réalité « Une ». Nous y faisons l’expérience d’un instant T dans lequel advient une incidence: l’installation de la seconde lame dans l’expérience de Wheeler créant des phénomènes absolument exorbitant à un monde donnée dans laquelle se localiseraient des unités régi par le principe d’alternative.   La corrélation entre ce moment et la réalité qui la précède peut pointer vers la nécessité d’une décorrélation entre des univers dans lesquelles ce qui ne se produit pas ici s’effectue « là ». Une chose est néanmoins certaine, c’est que l’idée Nietzschéenne selon laquelle les faits ne se produisent qu’à la faveur de leur ligne interprétative et dans ce cadre là  sort incroyablement renforcée par la physique quantique.