BELGICATHO

Comme si cela ne suffisait pas, l'équation de Schrödinger est à la base de presque tout ce que l'on considère aujourd'hui comme de la « haute technologie ». Les dispositifs semi-conducteurs, tels que les diodes, les transistors et les circuits intégrés, reposent sur la compréhension quantique des électrons dans les solides, compréhension qui découle de l'équation de Schrödinger. Les méthodes de chimie quantique, qui permettent désormais la conception assistée par ordinateur de nouveaux matériaux, catalyseurs et agents pharmaceutiques, sont dérivées de l'équation de Schrödinger pour les atomes et les molécules. Sans cette équation, ni les ordinateurs et les téléphones portables, ni les lasers ou les appareils d'imagerie par résonance magnétique (IRM) ne seraient concevables. En d'autres termes, une part importante du produit intérieur brut mondial repose depuis longtemps sur la description mathématique précise des processus quantiques, que Schrödinger a exprimée dans l'équation qui porte son nom.

Cependant, l'équation de Schrödinger symbolise aussi le bouleversement radical de la compréhension scientifique de la nature, de la réalité et de la connaissance. Plus que toute autre, elle marque la transition d'une vision déterministe classique du monde à une vision où les probabilités, les incertitudes et les abstractions mathématiques déterminent la description de la réalité physique et permettent de tirer des conclusions que de nombreux physiciens, notamment Albert Einstein (1879-1955) et Schrödinger lui-même, ont eu énormément de mal à accepter.

La fin du déterminisme

En physique classique, depuis Isaac Newton (1643-1727), il était généralement admis que si les conditions initiales exactes d'un système étaient connues, son évolution future était déterminée sans ambiguïté. Pierre-Simon Laplace (1749-1827), dans la préface de son traité des probabilités de 1814, alla même jusqu'à affirmer : « Il faut donc considérer l'état actuel de l'univers comme la conséquence d'un état antérieur et comme la cause de l'état qui suit. Une intelligence qui, à tout instant, connaîtrait toutes les forces dont le monde est doté et la position actuelle des entités qui le composent, et qui serait en outre suffisamment étendue pour soumettre cette connaissance à l'analyse, engloberait dans la même formule les mouvements des plus grands corps célestes et ceux de l'atome le plus léger. Rien ne lui serait incertain ; le futur et le passé se trouveraient clairement devant ses yeux. »

Cependant, le principe d'incertitude formulé par Werner Heisenberg (1901-1976) en 1927 et l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique présentée par Niels Bohr (1885-1962) la même année ont mis fin au « démon de Laplace », nom donné à la vision strictement déterministe du monde qui n'admet aucun degré de liberté. Selon l'interprétation de Copenhague, fondée sur l'interprétation probabiliste de la fonction d'onde proposée par Max Born (1882-1970) l'année précédente, la fonction d'onde ne permet pas de prédictions déterministes concernant les résultats de mesures individuelles sur des systèmes quantiques individuels, mais seulement des énoncés statistiques exacts sur des ensembles de systèmes préparés de manière identique.

Schrödinger en souffrit toute sa vie. Il avait espéré que ses équations d'ondes décriraient des ondes physiquement réelles, en parfaite conformité avec la physique déterministe classique, dont l'évolution temporelle est entièrement déterminée par les équations elles-mêmes. Il trouvait très insatisfaisant de n'avoir introduit qu'une simple quantité mathématique dont le carré, selon l'interprétation de Born, ne permet que des énoncés probabilistes sur les résultats de mesure possibles.

En particulier, l'effondrement de la fonction d'onde lors de la mesure, postulé par l'interprétation de Copenhague, lui apparaissait comme une hypothèse ad hoc et – à l'instar d'Einstein – comme un signe d'incomplétude de la théorie. La célèbre expérience de pensée de Schrödinger, également connue sous le nom de « chat de Schrödinger », ne doit donc pas être comprise comme une acceptation, mais plutôt comme une critique fondamentale de cette interprétation.

Dieu joue-t-il aux dés ?

Einstein, lui aussi, refusa d'accepter le bouleversement de la vision déterministe du monde engendré par la mécanique quantique. Dans une lettre à Max Born en décembre 1926, il écrivait : « La mécanique quantique est très impressionnante. Mais une petite voix intérieure me dit qu'elle n'est pas la vérité. La théorie apporte beaucoup, certes, mais elle ne nous rapproche guère du mystère originel. En tout cas, je suis convaincu qu'elle ne joue pas aux dés. »

Bien que la mécanique quantique soit loin d'expliquer tous les phénomènes et soit fondamentalement incompatible avec la théorie de la relativité générale d'Einstein – raison pour laquelle les physiciens continuent de rechercher une « théorie du tout » –, elle est néanmoins considérée comme la théorie la mieux confirmée de l'histoire des sciences. Et ce, malgré son jeune âge (seulement 100 ans). Elle explique non seulement des phénomènes que la physique classique ne pouvait expliquer (le rayonnement du corps noir, l'effet photoélectrique, la stabilité des atomes, l'effet Compton, etc.), mais à ce jour, aucune expérience ne l'a réfutée.

Malgré tout cela, la mécanique quantique n'est pas seulement très abstraite ; elle exige aussi l'acceptation de phénomènes souvent incompréhensibles pour notre entendement quotidien. Parmi ceux-ci figurent, par exemple, la dualité onde-corpuscule démontrée par la célèbre expérience des fentes de Young, la superposition, selon laquelle une même particule peut occuper simultanément plusieurs positions, l'effet tunnel, selon lequel des particules peuvent franchir des barrières d'énergie même si elles ne possèdent pas suffisamment d'énergie pour le faire – selon la conception classique – ou encore l'intrication.

« Propriétés inexpliquées »

Cette théorie stipule que les particules peuvent partager un état commun, de sorte que les mesures effectuées sur l'une d'elles sont instantanément corrélées avec celles effectuées sur une autre, sans aucun délai, même à de très grandes distances. L'existence de telles corrélations non locales, qu'Einstein appelait « action fantôme à distance » et considérait comme une preuve de l'inexactitude de la mécanique quantique, a été démontrée depuis longtemps par les physiciens expérimentaux au travers d'innombrables expériences. En 2022, l'Autrichien Anton Zeilinger, ainsi que le Français Alain Aspect et l'Américain John Clauser, ont reçu le prix Nobel de physique pour leurs travaux pionniers dans ce domaine.

Bien que la physique n'ait pas pour tâche de poser des questions sur la possibilité de l'existence de Dieu et d'y répondre, l'image que la mécanique quantique donne de la nature correspond remarquablement bien, à bien des égards, aux concepts philosophiques et théologiques qui considèrent l'univers comme une création divine.

Contrairement à la physique classique, la mécanique quantique révèle que la nature microphysique est déterminée par des événements discontinus et abrupts (sauts quantiques) et présente des propriétés inexplicables. « Par exemple, le statut de réalité des objets quantiques non mesurés », selon l'interprétation de Copenhague, « est fondamentalement indéterminable. Même pour les objets mesurés, leurs propriétés globales, telles que la simultanéité de la particule et de l'onde, demeurent fondamentalement indéterminées. Il existe toujours une interaction entre l'expérience et l'objet observé. L'observateur ne peut plus être considéré comme une entité indépendante, mais est impliqué dans l'interaction de multiples façons », explique le théologien protestant Matthias Haudel dans son œuvre majeure, « Théologie et sciences naturelles ». 

Un attribut divin

Grâce à sa « nouvelle capacité à comprendre la réalité », la mécanique quantique atteint « les limites des royaumes transcendants de la réalité ». De plus, contrairement au « déterminisme figé de la physique classique », « l’interaction entre régularité et spontanéité », ainsi qu’entre événements énergétiques et informations imprévisibles, offre « une base solide pour son alignement harmonieux avec la vision théologique du monde ».

Le physicien et théologien américain Ian Barbour (1923-2013) en était même convaincu : « Si l’on considère Dieu comme celui qui détermine les incertitudes au niveau quantique, on peut adhérer à la conception conventionnelle de l’omnipotence divine sans enfreindre les lois physiques. » De même, pour le physicien et philosophe américain Henry Pierce Stapp, la mécanique quantique est « compatible avec l’idée d’un Dieu tout-puissant qui crée l’univers et ses lois pour mettre les choses en mouvement, mais qui transmet ensuite une partie de ce pouvoir à des êtres créés à son image, du moins en ce qui concerne leur capacité à prendre des décisions physiquement efficaces fondées sur la raison et l’évaluation. » Stapp, qui a développé une théorie de la conscience selon laquelle les pensées ont une base quantique, est convaincu que la « science actuelle » est incapable de « réfuter, voire même de rendre hautement improbable, cette extension religieuse de la théorie quantique. »

Faut-il donc imaginer Dieu comme un mathématicien ayant écrit le « livre de la nature » dans le langage des mathématiques ? La question est troublante. La mécanique quantique suggère que le monde, même dans sa structure la plus profonde, peut être décrit mathématiquement – ​​non seulement par ses lois, mais aussi par son champ des possibles. Pour le physicien et philosophe quantique espagnol Antoine Suarez, « les constructions mathématiques des théories physiques actuelles ressemblent même à des idées platoniciennes, mais elles opèrent selon des causes aristotéliciennes ». Puisque la « causalité non locale » qui permet l’intrication de systèmes quantiques même distants « peut difficilement être le produit de la conscience humaine », nous avons probablement « en présence d’un esprit omniprésent dans lequel les mathématiques qui façonnent l’univers acquièrent une réalité ». « Le principe responsable de la non-localité » agit « directement et simultanément sur tous les corps qui existent dans l’univers » et peut « établir une connexion entre deux régions distinctes sans affecter l’espace qui les sépare. Ceci a toujours été considéré, d’un point de vue philosophique, comme un attribut divin. »

GLOSSAIRE
Interprétation de Copenhague
: Interprétation de la mécanique quantique selon laquelle les systèmes physiques n'adoptent un état défini que lors de la mesure.

La mécanique quantique est
une théorie physique utilisée pour décrire les processus à l'échelle microscopique, comme celle des atomes et des particules élémentaires.

Équation de Schrödinger :
Équation centrale de la mécanique quantique, qui décrit comment l’état d’un système quantique évolue au fil du temps.

La superposition
est une propriété des systèmes quantiques qui leur permet d'adopter simultanément plusieurs états possibles jusqu'à ce qu'une mesure soit effectuée.

Phénomène d'effet tunnel
dans lequel des particules peuvent franchir des barrières qu'elles ne devraient pas pouvoir traverser selon la physique classique.

Intrication :
Connexion étroite entre systèmes quantiques, dans laquelle l'état d'un système est directement lié à celui d'un autre, même sur de grandes distances.

Interaction :
Influence mutuelle de particules ou de champs, qui déclenche des processus physiques.

Le concept de dualité onde-corpuscule
, selon lequel les objets quantiques peuvent présenter à la fois des propriétés ondulatoires et corpusculaires.

Le principe d'incertitude est
un principe fondamental de la mécanique quantique, qui stipule que certaines propriétés physiques ne peuvent être déterminées simultanément avec une précision arbitraire.