TRADUCTION      




Mécanique quantique : où l'on s'efforce de traduire en termes concrets ce qui apparaît comme un fatras théorique


Christian Magnan
Collège de France, Paris
Université de Montpellier II


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Avant l'invention de la mécanique quantique on pouvait penser que la science observait des phénomènes bien caractérisés. Des faits précis se produisaient (dans le cas de phénomènes de laboratoires, ils étaient provoqués). L'enregistrement de tels événements à l'état « brut » était censé nous livrer le réel à l'état « pur ».

Dans l'esprit du scientifique, on cernait un réel bien défini et sans ambiguïté.

De même si on se servait d'un télescope, d'un microscope ou d'un appareil plus compliqué, on pensait toujours atteindre le réel lui-même, agrandi ou réduit selon le cas mais, en tout cas, n'ayant subi aucune déformation profonde. La vision du réel conservait les proportions d'un original peut-être hypothétique mais dont on ne remettait pas en cause l'existence.

Bref on feignait d'observer le réel comme directement. De la sorte on confondait expérience réelle et expérience du réel : l'expérience apparaissait comme le discours de la nature parlant d'elle-même dans son langage et le rôle du scientifique se bornait à décrypter l'observation, ce décryptage étant censé nous révéler un réel ainsi offert à nos yeux.

À l'heure actuelle il est difficile de soutenir une telle position.

Si la nature parle son langage propre, l'expérience implique, du fait même qu'elle pose une question, une certaine interaction avec le monde et par conséquent une modification du discours « brut » de la nature - c'est-à-dire celui qui existe en l'absence de l'Homme. On ne peut plus dire que nous écoutons ou entendons parler le réel mais plutôt que nous le faisons parler, ce qui est notablement différent.

Par voie de conséquence, le réel semble se dérober à notre approche au point qu'il ne se présente plus comme un « objet » passif soumis à notre pouvoir d'observation mais plutôt comme la composante d'un ensemble opérationnel indissociable plus complexe.

L'origine la plus précise et en même temps la plus profonde des difficultés de traduction entre le discours théorique et le « discours » naturel vient de ce que les deux mondes en présence ne sont pas équivalents, au sens strict et mathématique de ce terme. C'est-à-dire qu'il est impossible d'établir entre eux une relation dite biunivoque susceptible d'associer à un objet de la théorie un seul objet du réel et réciproquement. (Cette non-équivalence entre théorie et réel est présentée ailleurs dans un contexte général.)

Exemple : la fonction d'onde de la mécanique quantique, fondement de la théorie, est une entité sans équivalent dans le domaine de la réalité et ne constitue pas un objet détectable et accessible en soi. Les physiciens n'ont en effet jamais réalisé d'expérience dans laquelle se manifesterait une structure aux propriétés identifiables à celles d'une fonction d'onde. Nous savons qu'une fonction d'onde peut se définir formellement comme un nombre double variant dans le temps et dans l'espace. Or, aucune « manip » ne nous donne accès à une quantité susceptible d'être rapprochée d'un nombre double, dont chaque composante présenterait des variations en fonction du temps et de l'espace, variations qui pourraient être mises en évidence par des séries convenables de mesure et visualisées sur des courbes.

Nous pouvons, à juste titre je pense, énoncer qu'une fonction d'onde, ça n'existe pas, ça n'existe pas, au sens où « exister », dans le contexte présent, signifierait « avoir un équivalent dans le monde réel au niveau expérimental ».

La fonction d'onde reste ainsi une abstraction pure, impossible à concrétiser dans la nature.

Dans ces conditions, puisque la théorie n'est pas en correspondance étroite et biunivoque avec le réel, puisqu'aux mots de la théorie ne s'associent pas, un à un, d'autres phénomènes équivalents de la nature, la traduction que la science opère de la réalité suppose un processus bien plus complexe que l'établissement automatique d'une simple relation terme à terme.

Comment passer de cette structure formelle que représente la fonction d'onde à la mesure expérimentale qui sera, elle, réalisée à l'aide de tout autres objets ?

Une expérience comporte schématiquement deux mouvements. Dans un premier temps, c'est la théorie qui prévoit le résultat à obtenir lorsqu'on effectuera l'opération expérimentale. Dans un deuxième temps, la mesure enregistrée (représentant un ou plusieurs nombres) constituera ce que l'on peut appeler grosso modo la « réponse de la nature » : « oui », si l'observation confirme la prévision, « non », dans le cas contraire.

Dans ce double mouvement qui anime et caractérise l'expérience, la théorie apparaît comme point de départ incontournable : c'est elle qui pose la question, c'est elle qui prédit. L'observation est donc définie en premier lieu à ce niveau théorique, sans doute par une certaine « opération », ce mot étant pris dans son sens mathématique. Celle-ci sera confrontée par la suite à l'« opération-de-mesure ».

Dans le cas de la mécanique quantique l'opération mathématique de base consiste à effectuer les moyennes de certaines grandeurs dans lesquelles la fonction d'onde - l'objet théorique dont nous disposons - joue le rôle de pondération.

Si on considère par exemple une mesure de position il s'agira pour prévoir le résultat d'une expérience concrète d'effectuer un calcul de moyenne sur toutes les positions possibles. À chaque position, c'est-à-dire à chaque point de l'espace et du temps, sera associée la valeur de la fonction d'onde correspondante (ou, plus exactement, une opération simple convenable de cette fonction, équivalant en gros à prendre la longueur du vecteur d'onde) ; puis la moyenne de tous ces résultats fournira le nombre attendu.

Dans ce cadre théorique s'est peu à peu dessinée une certaine interprétation de la fonction d'onde à l'aide de concepts plus ordinaires et plus classiques. On abandonnait certes en amont la description du monde atomique en termes de particules quasi ponctuelles localisables (c'est-à-dire se trouvant à tel endroit à tel moment) mais on n'abandonnait pas non plus complètement cette notion en aval au moment du retour au concret.

On abandonnait d'abord la description « particulaire » par la force des choses puisque la prise en compte d'une fonction d'onde remplissant tout l'espace était incompatible avec la notion ordinaire de trajectoire, trajectoire sur laquelle la particule se déplacerait. Mais pour ne pas l'abandonner tout à fait au moment d'établir le contact avec le monde réel, on décida que l'on se contenterait de connaître seulement la probabilité de présence de la particule, c'est-à-dire la probabilité que la particule - puisqu'on désirait revenir à la notion de particule - avait de se trouver en un point.

C'est à la fonction d'onde que fut dévolu le rôle d'attribuer une probabilité de présence à la particule.

Plus précisément et plus concrètement l'interprétation physique de la fonction d'onde de la mécanique quantique réside essentiellement en cette hypothèse-ci : la chance de détecter une particule en un point donné est d'autant plus grande que l'intensité de la fonction (plus exactement la longueur du vecteur d'onde) est grande en ce même point. C'est sur ce principe interprétatif que repose le bien-fondé de la construction des moyennes opérationnelles citées plus haut, où la fonction d'onde jouait son rôle de pondération. En effet, dans la moyenne, les termes qui comptent le plus sont bien ceux dans lesquels la longueur du vecteur d'onde est la plus forte.

Mais dans ces conditions, s'il est question de « probabilité de présence » et non pas de « position », est-il encore possible de prévoir avec certitude où va se trouver la particule quand on la détectera (ce qui était l'objet de la physique classique) ?


Version revue, corrigée et enrichie
du livre de Christian Magnan
La nature sans foi ni loi,
Éditions Belfond/Sciences (1988)
Dernière modification : 10 mai 2005


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