Précisions sur les structures quantiques

La théorie quantique fut développée au début du siècle dernier grâce à l'étude du comportement de petits éléments tels que les atomes et les photons (particules de lumière). Le mot « quantique » découle du fait que la lumière semble être libérée et absorbée par blocs ou quanta. Mais il ne s'agit pas là de la raison d'être principale de la théorie quantique. D'autres caractéristiques de la théorie font qu'elle se démarque radicalement des théories classiques (les théories antérieures à la théorie quantique sont souvent nommées « classiques ») et nous forcent à revoir notre conception de la réalité. Dans les théories classiques, les symboles mathématiques de la théorie correspondent de manière simple à une image de l'univers se rapprochant de notre expérience quotidienne. Par exemple, la mécanique newtonienne décrirait une balle se déplaçant dans l'espace à l'aide de symboles mathématiques représentant sa vitesse, sa position, la direction de sa trajectoire, et la vitesse et sens de sa rotation. Ces valeurs se rapportent directement à l'image (que nous pouvons facilement imaginer) d'une balle en rotation se déplaçant de l'espace. Avant l'avènement de la théorie quantique, nous acceptions le fait que les valeurs utilisées en physique se rapportaient de manière simple à une telle image de l'univers, et nous avons constaté avec une certaine surprise que la théorie quantique est évidemment toute autre. La théorie quantique nous offre un formalisme mathématique ordonné et simple pour le calcul des probabilités se rapportant aux mesures que nous pourrions effectuer sur des systèmes quantiques.

En réalité, lorsque libérée de toute sa structure non essentielle, la théorie quantique peut être envisagée à titre de généralisation de la théorie de probabilité classique — la théorie que nous utilisons pour le calcul des probabilités lorsque nous lançons des dés. Le formalisme quantique se compose de divers symboles mathématiques. Ce qui est formidable à propos de la théorie quantique c'est qu'elle fonctionne! À ce jour, on n'a constaté aucune déviation des règles de la théorie quantique. Toutefois, contrairement au cas classique (comme celui de la balle pivotante), les symboles contenus dans la théorie ne s'apparentent d'aucune manière évidente à aucune image simple et intuitive de la réalité. Savoir utiliser la théorie quantique est un peu comme savoir faire de la magie sans comprendre pourquoi la magie fonctionne. Cela nous amène à poser trois genres de question :

• Qu'y a-t-il de si bizarre à propos de la théorie quantique — où contredit-elle notre conception habituelle de la réalité?
• Comment devrions-nous interpréter la théorie quantique — quel genre d'image de la réalité, s'il y a, nous offre-t-elle?
• Pourquoi la nature est-elle décrite par la théorie quantique (plutôt que par une autre théorie possiblement plus logique)?

Les tentatives de répondre à ces questions représentent les principaux efforts de recherche sur les fondements de la théorie quantique.

Qu'y a-t-il de bizarre à propos de la théorie quantique?

Commençons par imaginer une balle (une balle de baseball par exemple) pouvant occuper une de deux cases — case A ou case B. Imaginez que nous ne savons pas quelle case elle occupe. Dans ce cas, nous demeurons portés à croire qu'elle occupe réellement une des deux cases alors que l'autre case est vide. Le fait que nous ne sachions pas laquelle est interprétée comme ignorance de notre part, n'ayant aucun rapport avec le monde réel. Toutefois, imaginez maintenant qu'il s'agisse d'un élément quantique, tel qu'un atome, plutôt qu'une balle. Dans ce cas, il serait généralement erroné de croire que l'atome occupait une case plutôt que l'autre. Dans la théorie quantique, l'atome peut se comporter comme si, d'une certaine manière, il occupait simultanément les deux cases. Bien sûr, si nous examinons les cases pour savoir où se trouve l'atome (en éclairant les cases à l'aide d'une lumière laser intense et en observant où la lumière est dispersée par l'atome) nous constaterons alors qu'il occupe uniquement une des cases, puisqu'il n'existe qu'un seul atome. Alors, pourquoi dire qu'il peut se comporter comme s'il occupait simultanément les deux cases? La physique est une discipline se rapportant ultimement à des expériences, donc pour répondre à cette question, prenons une expérience qui, comme nous le verrons, nous entraîne vers la conclusion bizarre que quelque chose peut exister simultanément à deux endroits.