Le prix Nobel de physique de cette année a été décerné "pour des expériences avec des photons intriqués, établissant la violation des inégalités de Bell et pionnière de la science de l'information quantique".

Pour comprendre ce que cela signifie et pourquoi ce travail est important, nous devons comprendre comment ces expériences ont réglé un débat de longue date entre physiciens. Et un acteur clé de ce débat était un physicien irlandais du nom de John Bell.

Dans les années 1960, Bell a découvert comment traduire une question philosophique sur la nature de la réalité en une question physique à laquelle la science pouvait répondre - et en cours de route a brisé la distinction entre ce que nous savons sur le monde et comment le monde est vraiment .

Intrication quantique

Nous savons que les objets quantiques ont des propriétés que nous n'attribuons généralement pas aux objets de notre vie ordinaire. Parfois la lumière est une onde, parfois c'est une particule. Notre réfrigérateur ne fait jamais cela.

Lorsque nous tentons d'expliquer ce type de comportement inhabituel, nous pouvons imaginer deux grands types d'explications. Une possibilité est que nous percevions clairement le monde quantique, tel qu'il est, et il se trouve qu'il est inhabituel. Une autre possibilité est que le monde quantique ressemble au monde ordinaire que nous connaissons et aimons, mais que notre vision de celui-ci est déformée, de sorte que nous ne pouvons pas voir clairement la réalité quantique telle qu'elle est.

Dans les premières décennies du 20e siècle, les physiciens étaient divisés sur la question de savoir quelle explication était la bonne. Parmi ceux qui pensaient que le monde quantique était tout simplement inhabituel, il y avait des personnalités telles que Werner Heisenberg et Niels Bohr. Albert Einstein et Erwin Schrödinger étaient parmi ceux qui pensaient que le monde quantique devait être comme le monde ordinaire, et que notre vision de celui-ci était tout simplement floue.

Au cœur de cette division se trouve une prédiction inhabituelle de la théorie quantique. Selon la théorie, les propriétés de certains systèmes quantiques qui interagissent restent dépendantes les unes des autres, même lorsque les systèmes ont été éloignés l'un de l'autre.

En 1935, la même année où il a conçu sa célèbre expérience de pensée impliquant un chat piégé dans une boîte, Schrödinger a inventé le terme « enchevêtrement » pour ce phénomène. Il a soutenu qu'il est absurde de croire que le monde fonctionne de cette façon.

Le problème de l'enchevêtrement

Si les systèmes quantiques intriqués restent vraiment connectés même lorsqu'ils sont séparés par de grandes distances, il semblerait qu'ils communiquent instantanément entre eux. Mais ce type de connexion n'est pas autorisé, selon la théorie de la relativité d'Einstein. Einstein a qualifié cette idée d'"action effrayante à distance".

Encore une fois en 1935, Einstein, avec deux collègues, a conçu une expérience de pensée qui a montré que la mécanique quantique ne peut pas nous donner toute l'histoire sur l'intrication. Ils pensaient qu'il devait y avoir quelque chose de plus dans le monde que nous ne pouvons pas encore voir.

Mais au fil du temps, la question de savoir comment interpréter la théorie quantique est devenue une note de bas de page académique. La question semblait trop philosophique, et dans les années 1940, bon nombre des esprits les plus brillants de la physique quantique étaient occupés à utiliser la théorie pour un projet très pratique :la construction de la bombe atomique.

Ce n'est que dans les années 1960, lorsque le physicien irlandais John Bell s'est penché sur le problème de l'intrication, que la communauté scientifique a réalisé que cette question apparemment philosophique pouvait avoir une réponse tangible.

Théorème de Bell

À l'aide d'un simple système intriqué, Bell a étendu l'expérience de pensée d'Einstein en 1935. Il a montré qu'il était impossible que la description quantique soit incomplète tout en interdisant "l'action fantasmagorique à distance" et en correspondant toujours aux prédictions de la théorie quantique.

Pas de bonnes nouvelles pour Einstein, semble-t-il. Mais ce n'était pas une victoire instantanée pour ses adversaires.

C'est parce qu'il n'était pas évident dans les années 1960 si les prédictions de la théorie quantique étaient effectivement correctes. Pour vraiment prouver le point de vue de Bell, quelqu'un devait soumettre cet argument philosophique sur la réalité, transformé en un véritable système physique, à un test expérimental.

Et c'est là, bien sûr, que deux des lauréats du prix Nobel de cette année entrent dans l'histoire. D'abord John Clauser, puis Alain Aspect, ont réalisé les expériences sur le système proposé par Bell qui ont finalement montré que les prédictions de la mécanique quantique étaient exactes. Par conséquent, à moins que nous n'acceptions "l'action fantasmagorique à distance", il n'existe aucun autre compte rendu de systèmes quantiques intriqués pouvant décrire le monde quantique observé.

Alors, Einstein avait tort ?

C'est peut-être une surprise, mais ces avancées de la théorie quantique semblent avoir montré qu'Einstein se trompait sur ce point. Autrement dit, il semble que nous n'ayons pas une vision floue d'un monde quantique qui ressemble à notre monde ordinaire.

Mais l'idée que nous percevons clairement un monde quantique intrinsèquement inhabituel est également trop simpliste. Et cela fournit l'une des principales leçons philosophiques de cet épisode de la physique quantique.

Il n'est plus clair que nous puissions raisonnablement parler du monde quantique au-delà de notre description scientifique de celui-ci, c'est-à-dire au-delà de l'information nous avons à ce sujet.

Comme l'a dit le troisième lauréat du prix Nobel de cette année, Anton Zeilinger :« La distinction entre la réalité et notre connaissance de la réalité, entre la réalité et l'information, ne peut être faite. Il n'y a aucun moyen de se référer à la réalité sans utiliser les informations dont nous disposons à son sujet. "

Cette distinction, dont nous supposons généralement qu'elle sous-tend notre image ordinaire du monde, est désormais irrémédiablement floue. Et nous devons remercier John Bell.

Écoutons-le pour John Bell cependant. Je veux dire Christ, vraiment. C'est grâce à lui que les fondements quantiques sont devenus la physique expérimentale et non la philosophie. (Rien contre la philosophie, mais c'est bien d'avoir des réponses parfois.)

– Philip Ball (@philipcball) 4 octobre 2022