Nouveau paradigme

Vivre dans un monde quantique

La mécanique quantique ne concerne pas seulement les minuscules particules. Cela s'applique à des choses de toutes tailles : oiseaux, plantes, peut-être même des personnes

  1. On dit communément que la mécanique quantique est une théorie des choses microscopiques : molécules, atomes, particules subatomiques.
  2. Presque tous les physiciens, cependant, pensent que cela s’applique à tout, quelle que soit la taille. La raison pour laquelle ses caractéristiques distinctives ont tendance à être cachées n’est pas une simple question d’échelle.
  3. Au cours des dernières années , les expérimentateurs ont observé des effets quantiques dans un nombre croissant de systèmes macroscopiques.
  4. L’effet quantique par excellence, l’enchevêtrement, peut se produire dans les grands systèmes ainsi que dans les systèmes chauds – y compris les organismes vivants – même si l’on peut s’attendre à ce que l’agitation moléculaire perturbe l’enchevêtrement.

Selon les manuels de physique standard, la mécanique quantique est la théorie du monde microscopique. Elle décrit les particules, les atomes et les molécules mais cède la place à la physique classique ordinaire à l’échelle macroscopique des choses, des personnes et des planètes. Quelque part entre les molécules et les choses se trouve une frontière où l’étrangeté du comportement quantique se termine et la familiarité de la physique classique commence.

L’impression que la mécanique quantique est limitée au micromonde imprègne la compréhension publique de la science. Par exemple, le physicien Brian Greene, de l’université Columbia, écrit à la première page de son livre The Elegant Universe, qui connaît un énorme succès (et qui est par ailleurs excellent), que la mécanique quantique « fournit un cadre théorique pour comprendre l’univers à la plus petite des échelles ». La physique classique, qui comprend toute théorie qui n’est pas quantique, y compris les théories de la relativité d’Albert Einstein, traite de la plus grande des échelles.

Pourtant, ce cloisonnement commode du monde est un mythe. Peu de physiciens modernes pensent que la physique classique a le même statut que la mécanique quantique ; ce n’est qu’une approximation utile d’un monde quantique à toutes les échelles. Bien que les effets quantiques puissent être plus difficiles à voir dans le macromonde, la raison n’a rien à voir avec la taille en soi mais avec la façon dont les systèmes quantiques interagissent les uns avec les autres.


Jusqu’à la dernière décennie, les expérimentateurs n’avaient pas confirmé que le comportement quantique persiste à l’échelle macroscopique. Aujourd’hui, cependant, ils le font régulièrement. Ces effets sont plus envahissants que quiconque ne le soupçonnait. Ils peuvent opérer dans les cellules de notre corps.

Même ceux d’entre nous qui font carrière dans l’étude de ces effets n’ont pas encore assimilé ce qu’ils nous disent sur le fonctionnement de la nature. Le comportement quantique échappe à la visualisation et au bon sens. Cela nous oblige à repenser notre regard sur l’univers et à accepter une image nouvelle et inconnue de notre monde.

Une histoire enchevêtrée

Pour un physicien quantique, la physique classique est une image en noir et blanc d’un monde en Technicolor. Nos catégories classiques ne parviennent pas à saisir ce monde dans toute sa richesse. Dans l’ancienne vue des manuels, les teintes riches sont délavées à mesure que la taille augmente. Les particules individuelles sont quantiques ; en masse ils sont classiques. Mais les premiers indices que la taille n’est pas le facteur déterminant remontent à l’une des expériences de pensée les plus célèbres de la physique, le chat de Schrödinger.


Erwin Schrödinger a proposé son scénario morbide en 1935 pour illustrer comment le micromonde et le macromonde se couplent, empêchant que des lignes arbitraires ne soient tracées entre elles. La mécanique quantique dit qu’un atome radioactif peut être à la fois désintégré et non désintégré en même temps. Si l’atome est lié à une bouteille de poison pour chat, de sorte que le chat meurt si l’atome se désintègre, alors l’animal se retrouve dans les mêmes limbes quantiques que l’atome. L’étrangeté de l’un infecte l’autre. La taille n’a pas d’importance. Le casse-tête était pourquoi les propriétaires de chats ne voient jamais leurs animaux de compagnie que vivants ou morts.

Du point de vue moderne, le monde semble classique parce que les interactions complexes qu’un objet a avec son environnement concourent à dissimuler les effets quantiques à notre vue. Les informations sur l’état de santé d’un chat, par exemple, s’infiltrent rapidement dans son environnement sous forme de photons et d’échange de chaleur. Les phénomènes quantiques distinctifs impliquent des combinaisons de différents états classiques (tels que morts et vivants), et ces combinaisons ont tendance à se dissiper.

La fuite d’informations est l’essence d’un processus connu sous le nom de décohérence.

Les choses plus grandes ont tendance à être plus sensibles à la décohérence que les plus petites, ce qui justifie pourquoi les physiciens peuvent généralement s’en tirer en considérant la mécanique quantique comme une théorie du micro-monde. Mais dans de nombreux cas, la fuite d’informations peut être ralentie ou arrêtée, puis le monde quantique se révèle à nous dans toute sa splendeur.


L’effet quantique par excellence est l’intrication, un terme que Schrödinger a inventé dans le même article de 1935 qui a présenté son chat au monde. L’enchevêtrement lie les particules individuelles en un tout indivisible. Un système classique est toujours divisible, au moins en principe ; quelles que soient ses propriétés collectives, elles proviennent de composants qui ont eux-mêmes certaines propriétés. Mais un système intriqué ne peut pas être décomposé de cette manière.

L’enchevêtrement a des conséquences étranges. Même lorsque les particules intriquées sont éloignées les unes des autres,

Habituellement, les physiciens parlent d’intrication de paires de particules élémentaires telles que les électrons. De telles particules peuvent être considérées, grosso modo, comme de petites toupies qui tournent dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, leurs axes pointant dans n’importe quelle direction donnée : horizontalement, verticalement, à 45 degrés, etc. Pour mesurer le spin d’une particule, vous devez choisir une direction, puis voir si la particule tourne dans cette direction.

Supposons, pour les besoins de la discussion, que les électrons se comportent de manière classique. Vous pouvez configurer un électron pour qu’il tourne dans le sens horizontal des aiguilles d’une montre et l’autre dans le sens horizontal des aiguilles d’une montre ; de cette façon, leur spin total est nul. Leurs axes restent fixes dans l’espace, et lorsque vous effectuez une mesure, le résultat dépend de l’alignement de la direction que vous choisissez avec l’axe de la particule. Si vous les mesurez tous les deux horizontalement, vous les voyez tous les deux tourner dans des directions opposées ; si vous les mesurez verticalement, vous ne détectez aucune rotation pour l’un ou l’autre.

Pour les électrons quantiques, cependant, la situation est étonnamment différente. Vous pouvez configurer les particules pour qu’elles aient un spin total de zéro même si vous n’avez pas spécifié quels sont leurs spins individuels. Lorsque vous mesurez l’une des particules, vous la verrez tourner dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d’une montre au hasard. C’est comme si la particule décidait elle-même dans quel sens tourner. Néanmoins, quelle que soit la direction que vous choisissez pour mesurer les électrons, à condition qu’elle soit la même pour les deux, ils tourneront toujours dans des sens opposés, l’un dans le sens des aiguilles d’une montre et l’autre dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Comment savent-ils le faire ? Cela reste tout à fait mystérieux. De plus, si vous mesurez une particule horizontalement et l’autre verticalement, vous détecterez toujours un certain spin pour chacune ; il apparaît que les particules n’ont pas d’axes de rotation fixes. Ainsi,

Agir comme un tout (UN)

La plupart des démonstrations d’enchevêtrement impliquent au plus une poignée de particules. Les lots plus importants sont plus difficiles à isoler de leur environnement. Les particules qu’ils contiennent sont plus susceptibles de s’emmêler avec des particules parasites, obscurcissant leurs interconnexions d’origine. Conformément au langage de la décohérence, trop d’informations fuient vers l’environnement, provoquant un comportement classique du système.

La difficulté de préserver l’intrication est un défi majeur pour ceux d’entre nous qui cherchent à exploiter ces nouveaux effets pour une utilisation pratique, comme les ordinateurs quantiques.

Une expérience soignée en 2003 a prouvé que des systèmes plus grands peuvent également rester enchevêtrés lorsque les fuites sont réduites ou contrecarrées d’une manière ou d’une autre.

Gabriel Aeppli de l’University College de Londres et ses collègues ont pris un morceau de sel de fluorure de lithium et l’ont placé dans un champ magnétique externe. Vous pouvez considérer les atomes dans le sel comme de petits aimants en rotation qui tentent de s’aligner avec le champ externe, une réponse connue sous le nom de susceptibilité magnétique. Les forces que les atomes exercent les uns sur les autres agissent comme une sorte de pression des pairs pour les aligner plus rapidement. Au fur et à mesure que les chercheurs faisaient varier la force du champ magnétique, ils ont mesuré la rapidité avec laquelle les atomes s’alignaient. Ils ont découvert que les atomes répondaient beaucoup plus rapidement que la force de leurs interactions mutuelles ne le suggérerait.

De toute évidence, un effet supplémentaire aidait les atomes à agir à l’unisson, et les chercheurs ont fait valoir que l’enchevêtrement était le coupable. Si c’est le cas, les 1020 atomes du sel formaient un état extrêmement intriqué.

Pour éviter les effets déconcertants des mouvements aléatoires associés à l’énergie thermique, l’équipe d’Aeppli a mené ses expériences à des températures extrêmement basses – quelques millikelvins. Depuis lors, cependant, Alexandre Martins de Souza du Centre brésilien de recherche en physique de Rio de Janeiro et ses collègues ont découvert un enchevêtrement macroscopique dans des matériaux tels que le carboxylate de cuivre à température ambiante et plus. Dans ces systèmes, l’interaction entre les spins des particules est suffisamment forte pour résister au chaos thermique. Dans d’autres cas, une force extérieure éloigne les effets thermiques [voir « Easy Go, Easy Come », de George Musser ; Analyse des actualités, Scientifique américain, novembre 2009]. Les physiciens ont observé l’enchevêtrement dans des systèmes de taille et de température croissantes, des ions piégés par les champs électromagnétiques aux atomes ultrafroids dans les réseaux en passant par les bits quantiques supraconducteurs.

Ces systèmes sont analogues au chat de Schrödinger. Prenons un atome ou un ion. Ses électrons peuvent exister près du noyau ou plus loin, ou les deux en même temps. Un tel électron agit comme l’atome radioactif qui s’est désintégré ou non dans l’expérience de pensée de Schrödinger. Indépendamment de ce que fait l’électron, l’atome entier peut se déplacer, disons, vers la gauche ou vers la droite. Ce mouvement joue le rôle du chat mort ou vivant. En utilisant des lasers pour manipuler l’atome, les physiciens peuvent coupler les deux propriétés. Si l’électron est proche du noyau, on peut faire bouger l’atome vers la gauche, alors que si l’électron est plus loin, l’atome se déplace vers la droite. Ainsi, l’état de l’électron est intriqué avec le mouvement de l’atome, de la même manière que la désintégration radioactive est intriquée avec l’état du chat.

D’autres expériences élargissent cette idée de base, de sorte qu’un grand nombre d’atomes s’enchevêtrent et entrent dans des états que la physique classique jugerait impossibles. Et si les solides peuvent être enchevêtrés même lorsqu’ils sont grands et chauds, il suffit d’un petit effort d’imagination pour se demander s’il en va de même pour un type très particulier de grand système chaud : la vie.

Les oiseaux de Schrödinger

Les rouges-gorges sont de petits oiseaux astucieux. Chaque année, ils migrent de la Scandinavie vers les plaines chaudes de l’Afrique équatoriale et reviennent au printemps, lorsque le temps dans le nord devient plus tolérable. Les rouges-gorges naviguent avec une aisance naturelle dans cet aller-retour de quelque 13 000 kilomètres.

Les gens se demandent depuis longtemps si les oiseaux et autres animaux pourraient avoir une boussole intégrée. Dans les années 1970, l’équipe mari-femme de Wolfgang et Roswitha Wiltschko de l’Université de Francfort en Allemagne a attrapé des merles qui avaient migré vers l’Afrique et les a placés dans des champs magnétiques artificiels. Curieusement, les rouges-gorges, ont-ils découvert, étaient inconscients d’une inversion de la direction du champ magnétique, indiquant qu’ils ne pouvaient pas distinguer le nord du sud. Les oiseaux ont cependant réagi à l’inclinaison du champ magnétique terrestre, c’est-à-dire à l’angle que font les lignes de champ avec la surface. C’est tout ce dont ils ont besoin pour naviguer. Fait intéressant, les rouges-gorges aux yeux bandés n’ont pas du tout répondu à un champ magnétique, ce qui indique qu’ils sentent d’une manière ou d’une autre le champ avec leurs yeux.

En 2000, Thorsten Ritz, un physicien alors à l’Université de Floride du Sud qui se passionne pour les oiseaux migrateurs, et ses collègues ont proposé que l’enchevêtrement soit la clé. Dans leur scénario, qui s’appuie sur les travaux antérieurs de Klaus Schulten de l’Université de l’Illinois, un œil d’oiseau a un type de molécule dans laquelle deux électrons forment une paire intriquée avec un spin total nul. Une telle situation ne peut tout simplement pas être imitée avec la physique classique. Lorsque cette molécule absorbe la lumière visible, les électrons obtiennent suffisamment d’énergie pour se séparer et deviennent sensibles aux influences extérieures, y compris le champ magnétique terrestre. Si le champ magnétique est incliné, il affecte différemment les deux électrons, créant un déséquilibre qui modifie la réaction chimique que subit la molécule.

Bien que la preuve du mécanisme de Ritz soit circonstancielle, Christopher T. Rogers et Kiminori Maeda de l’Université d’Oxford ont étudié des molécules similaires à celles de Ritz en laboratoire (par opposition à l’intérieur d’animaux vivants) et ont montré que ces molécules sont en effet sensibles aux champs magnétiques car d’enchevêtrement d’électrons. D’après les calculs que mes collègues et moi avons effectués, les effets quantiques persistent dans l’œil d’un oiseau pendant environ 100 microsecondes, ce qui, dans ce contexte, est long. Le record d’un système de spin électronique artificiellement conçu est d’environ 50 microsecondes. Nous ne savons pas encore comment un système naturel pourrait conserver les effets quantiques aussi longtemps, mais la réponse pourrait nous donner des idées sur la manière de protéger les ordinateurs quantiques de la décohérence.

Un autre processus biologique où l’enchevêtrement peut opérer est la photosynthèse, le processus par lequel les plantes convertissent la lumière du soleil en énergie chimique. La lumière incidente éjecte des électrons à l’intérieur des cellules végétales, et ces électrons doivent tous trouver leur chemin vers le même endroit : le centre de réaction chimique où ils peuvent déposer leur énergie et déclencher les réactions qui alimentent les cellules végétales. La physique classique ne parvient pas à expliquer l’efficacité quasi parfaite avec laquelle ils le font.

Les expériences de plusieurs groupes, tels que Graham R. Fleming, Mohan Sarovar et leurs collègues de l’Université de Californie à Berkeley et Gregory D. Scholes de l’Université de Toronto, suggèrent que la mécanique quantique explique la grande efficacité du processus.

Dans un monde quantique, une particule ne doit pas simplement emprunter un chemin à la fois ; il peut les prendre tous simultanément.

Les champs électromagnétiques à l’intérieur des cellules végétales peuvent amener certains de ces chemins à s’annuler et à se renforcer mutuellement, réduisant ainsi le risque que l’électron fasse un détour inutile et augmente le risque qu’il soit dirigé directement vers le centre de réaction.

L’enchevêtrement ne durerait qu’une fraction de seconde et impliquerait des molécules qui n’ont pas plus d’environ 100 000 atomes. Existe-t-il des cas d’enchevêtrement plus important et plus persistant dans la nature ? On ne sait pas, mais la question est suffisamment passionnante pour stimuler une discipline émergente : la biologie quantique.

Le sens de tout cela

Pour Schrödinger, la perspective de chats vivants et morts était une absurdité ; toute théorie qui a fait une telle prédiction doit sûrement être erronée. Des générations de physiciens ont partagé ce malaise et ont pensé que la mécanique quantique cesserait de s’appliquer à une échelle encore plus grande.

Dans les années 1980, Roger Penrose d’Oxford a suggéré que la gravité pourrait faire céder la place de la mécanique quantique à la physique classique pour les objets plus massifs que 20 microgrammes, et un trio de physiciens italiens – GianCarlo Ghirardi et Tomaso Weber de l’Université de Trieste et Alberto Rimini de la Université de Pavie – a proposé qu’un grand nombre de particules se comportent spontanément de manière classique. Mais les expérimentations laissent désormais très peu de place à de tels processus pour fonctionner. La division entre les mondes quantique et classique ne semble pas fondamentale. Ce n’est qu’une question d’ingéniosité expérimentale, et peu de physiciens pensent aujourd’hui que la physique classique fera un jour son grand retour à n’importe quelle échelle.

Au contraire, la croyance générale est que si jamais une théorie plus profonde remplace la physique quantique, elle montrera que le monde est encore plus contre-intuitif que tout ce que nous avons vu jusqu’à présent.

Ainsi, le fait que la mécanique quantique s’applique à toutes les échelles nous oblige à affronter les mystères les plus profonds de la théorie. Nous ne pouvons pas simplement les considérer comme de simples détails qui n’ont d’importance qu’à de très petites échelles.

Par exemple, l’espace et le temps sont deux des concepts classiques les plus fondamentaux, mais selon la mécanique quantique, ils sont secondaires.

Les enchevêtrements sont primaires. Ils interconnectent des systèmes quantiques sans référence à l’espace et au temps.

S’il y avait une ligne de démarcation entre le monde quantique et le monde classique, nous pourrions utiliser l’espace et le temps du monde classique pour fournir un cadre de description des processus quantiques. Mais sans une telle ligne de démarcation — et, en fait, sans un monde vraiment classique — nous perdons ce cadre.

Nous devons expliquer l’espace et le temps comme émergeant d’une manière ou d’une autre d’une physique fondamentalement sans espace et sans temps.

Cette idée, à son tour, peut nous aider à réconcilier la physique quantique avec cet autre grand pilier de la physique, la théorie générale de la relativité d’Einstein, qui décrit la force de gravité en termes de géométrie de l’espace-temps.

La relativité générale suppose que les objets ont des positions bien définies et ne résident jamais à plus d’un endroit en même temps, en contradiction directe avec la physique quantique. De nombreux physiciens, comme Stephen Hawking de l’Université de Cambridge, pensent que la théorie de la relativité doit céder la place à une théorie plus profonde dans laquelle l’espace et le temps n’existent pas.

L’espace-temps classique émerge des enchevêtrements quantiques par le processus de décohérence.

Une possibilité encore plus intéressante est que la gravité n’est pas une force à part entière mais le bruit résiduel émergeant du flou quantique des autres forces de l’univers.

Cette idée de « gravité induite » remonte au physicien nucléaire et dissident soviétique Andrei Sakharov dans les années 1960. Si cela est vrai, non seulement cela éloignerait la gravité du statut de force fondamentale, mais cela suggérerait également que les efforts pour « quantifier » la gravité sont erronés. La gravité peut même ne pas exister au niveau quantique.

Les implications d’objets macroscopiques tels que nous étant dans les limbes quantiques sont suffisamment époustouflantes pour que nous, physiciens, soyons toujours dans un état de confusion et d’émerveillement.

A propos de l’auteur :
Vlatko Vedral s’est fait un nom en développant une nouvelle façon de quantifier l’intrication et de l’appliquer aux systèmes physiques macroscopiques. Il a fait ses études de premier cycle et des cycles supérieurs à l’Imperial College de Londres. Depuis juin 2009, il est professeur à l’université d’Oxford et à l’université nationale de Singapour. Outre la physique, Vedral aime passer du temps avec ses trois enfants et jouer de sa guitare électrique Yamaha avec l’ampli Marshall monté à 11.

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ELISHEAN 777 Communauté pour un Nouveau Monde

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