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Manjit Kumar

LE GRAND ROMAN DE

lA PHYSIQUE QUANTIQUE

Einstein, Bohr ...

et le débat sur la nature de la réalité

Traduit de l'anglais par Bernard Sigaud

JCLattès

Titre de l'édition originale :

QUANTIJM

publiée par leon Books

Maquette de couverture : Atelier Didier Thimonier

Image de fond© Gary S. & Vivian Chapman/Getty Images. Photo du cinquième congrès Solvay, © Benjamin Croupie, reproduite avec l'aimable autorisation des Archives visuelles Emilio Segrè de l'AIP. Photo Einstein et Bohr © Paul Ehrenfest, reproduite avec l'aimable autorisation des Archives visuelles Emilio Segrè de l'AIP, collection Ehrenfest.

Dessins

de Nicholas Halliday

ISBN: 978-2-7096-2465-7

© 2008,

Manjit Kumar. Tous droits réservés.

© 2011, éditions Jean-Claude Lattès pour la traduction française.

Première édition avril2011.

Pour Lahmber Ram et Gurmit Kaur,

Pandora, Ravinder

et Jasvinder.

Sommaire

Prologue ................ .......... ......... ........... ...... .......... ..... .......... ........ 11

1. LE QUANTUM

1. Révolutionnaire malgré lui................................................... 21

2. Le forçat des brevets............................................................. 53

3. Le Danois en or.....................................................................

95

4. L'atome quantique...............................................................

. 124

5. Lorsque Einstein rencontra Bohr ........................................ 151

6. Le prince de la dualité.......................................................... 182

ll. LA PHYSIQUE DES PETITS JEUNES

7. Les docteurs du spin ............................................................. 197

8. Le magicien du quantum..................................................... 221

9. " Un sursaut érotique tardif,, .............................................. 248

10. Incertitude à Copenhague .................................................. 276

m. LES TITANS S'AFFRONTENT AUTOUR DE LA RÉALITÉ

11. Solvay 1927 ... . . . .......... ..... .... .... .................. ............. .... ........... 309

12. Einstein oublie la relativité................................................. 340

13. La réalité quantique ............................................................ 361

10 LE GRAND ROMAN DE lA PHYSIQUE QUANTIQUE

IV. DIEU JOUE-T-ll.. AUX Dts?

14. Le théorème de Bell sonne le glas .. .......... .... .. ............ ...... 395

15. Le démon quantique........................................................... 418

Chronologie .. . . ........... .......... ........... ....... ..... . . . ........ .... . . . .. . . .... ..... 429

Glossaire ........................................................................ ............. 441 Notes ........................................................................ ................... 457

Références . . .

... .... ...... ... ... ... . ....................... ..... ......... .......... ....... .. 495 Remerciements ........................................................................ .. 511 Index ............................................................................ ............... 513

Prologue

Au rendez-vous des cerveaux

Paul Ehrenfest était en larmes. Sa décision était prise. Il allait bientôt assister à une réunion qui durerait une semaine et où bon nombre des physiciens responsables de la révolu tion quantique essaieraient de comprendre la signification de ce qu'ils avaient créé. Il serait alors obligé d'informer son vieil ami Albert Einstein qu'il avait pris le parti de Niels Bohr. L'Autrichien Ehrenfest, trente-quatre ans, professeur de physique théorique à l'université de Leyde, aux Pays-Bas, était convaincu que l'univers atomique était aussi étrange et éthéré que Bohr l'affirmait

1•

Dans une note adressée à Einstein tandis qu'ils étaient assis la table de conférences, Ehrenfest griffonna: "Ne riez pas! Il y a au purgatoire une section réservée aux professeurs de physique quantique, où ils seront obligés d'écouter des cours de physique classique dix heures par jour

2•

» "Je ne ris que

de leur naïveté, répondit Einstein. Qui sait qui rira [le dernier] dans quelques années 3 ? »Pour lui, il n'y avait pas là de quoi rire, car c'était la nature même de la réalité et l'âme de la physique qui étaient en jeu. La photographie des participants du cinquième congrès Solvay qui se tint à Bruxelles du 24 au 29 octobre 1927, sur le thème "Électrons et photons», résume la période la plus spectaculaire de l'histoire de la physique. Avec la présence de dix-sept titulaires ou futurs lauréats du prix Nobel sur les

12 LE GRAND ROMAN DE LA PHYSIQUE QUANTIQUE

vingt-neuf participants, ce congrès fut l'une des plus remar quables rencontres de cerveaux qui se soientjamais tenues

4•

Il marqua aussi la fin d'une ère de créativité en physique seule ment comparable à la révolution scientifique du XVI( siècle menée par Galilée et Newton. Paul Ehrenfest est debout, légèrement penché en avant, au dernier rang, troisième à partir de la gauche. Il y a neuf personnes au premier rang. Huit hommes et une femme, dont six titulaires d'un prix Nobel soit de physique, soit de chimie. La femme a reçu les deux : celui de physique en

1903, celui de chimie en 1911. Son nom: Marie Curie. Au

centre, à la place d'honneur, un autre Prix Nobel : Albert

Einstein.

Regardant droit devant lui, agrippant sa chaise de la main droite, il semble ici le plus mal à l'aise. Est-ce le col cassé et la cravate qui lui causent cette gêne, ou ce qu'il a entendu la semaine précédente? Au bout de la deuxième rangée, sur la droite, se trouve Niels Bohr, l'air détendu, avec un sourire à demi malicieux. Pour lui, ce congrès a été une réussite. Il rentrerait néanmoins au Danemark déçu de n'avoir pu convaincre Einstein d'adopter son "interprétation de Copenhague » de ce que la mécanique quantique révélait sur la nature de la réalité. Au lieu de céder à ses arguments, Einstein avait passé la semaine à tenter de prouver que la mécanique quantique était incohérente, que l'interprétation de Copenhague qu'en donnait Bohr était erronée. Einstein dirait plus tard que "cette théorie me rappelle un peu le système d'illusions d'un paranoïaque excessivement intelligent, concocté à partir d'éléments de pensées incohérents 5 Ce fut Max Planck, assis à la droite de Marie Curie, tenant son chapeau d'une main et un cigare de l'autre, qui découvrit le quantum. En 1900, il fut forcé d'admettre que l'énergie de la lumière et de toutes les autres formes de rayonnement élec tromagnétique ne pouvait être émise ou absorbée par la matière que sous forme d'éléments individuels discrets. Planck baptisa " quantum » (pluriel latin quanta) un paquet individuel d'énergie. Le quantum d'énergie était une rupture radicale avec l'idée, établie depuis longtemps, que l'énergie était émise ou absorbée en continu, comme l'eau coulant du

PROLOGUE 13

robinet. Dans l'univers quotidien du macroscopique, où régnait en maîtresse absolue la physique de Newton, l'eau pouvait bien tomber goutte à goutte d'un robinet, mais l'énergie ne s'échangeait pas sous forme de gouttelettes de taille variable. Or l'univers atomique et subatomique de la réalité était le domaine du quantum. Avec le temps, on découvrit que l'énergie d'un électron à l'intérieur d'un atome était " quantifiée » ; il ne pouvait posséder que certaines quantités d'énergie et non d'autres. Il en était de même d'autres propriétés physiques, et on s'aperçut que l'univers microscopique était grumeleux et discontinu et non un modèle réduit du monde à grande échelle habité par les humains, où les propriétés physiques varient sans heurts ni solutions de continuité, où aller de A en C implique de passer par B. Or la physique quantique révéla qu'un électron dans un atome peut être en un endroit et puis, comme par magie, réapparaître en un autre endroit, sans avoir été nulle part entre les deux, en émettant ou en absorbant un quantum d'énergie. C'était un phénomène qui échappait aux compétences de la physique classique non quantique. C'était aussi bizarre que si un objet disparaissait mystérieusement

à Londres et réapparaissait un instant plus

tard à Paris, New York ou Moscou. Au début des années 1920, il était depuis longtemps mani feste que la progression de la physique quantique sur une base ad hoc fragmentaire ne lui avait conféré ni fondement solide ni structure logique. De cet état de confusion et de crise émergea une audacieuse nouvelle théorie appelée méca nique quantique. L'image de l'atome comme système solaire miniature où les électrons gravitent autour du noyau, encore enseignée aujourd'hui dans les écoles, fut abandonnée et remplacée par un atome qu'il était impossible de se repré senter. Puis, en 1927, Werner Heisenberg fit une découverte qui heurtait tellement le bon sens que même lui, le Wunder kind, l'enfant prodige de la mécanique quantique, eut du mal au début à en saisir la signification. Le principe d'incertitude énonçait que, si l'on voulait connaître la vélocité exacte d'une particule, alors on ne pouvait en connaître la position exacte, et vice versa.

14 LE GRAND ROMAN DE LA PHYSIQUE QUANTIQUE

Personne ne savait comment interpréter les équations de la mécanique quantique ni ce que disait cette théorie sur la nature de la réalité au niveau quantique. Les problèmes de la cause et de l'effet, ou la question de savoir si la Lune existe quand personne ne la regarde étaient le domaine réservé des philosophes depuis l'époque de Platon et d'Aristote, mais après l'émergence de la mécanique quantique ce furent les plus grands physiciens du xxe siècle qui se mirent à en débattre. Avec toutes les composantes fondamentales de la physique quantique déjà en place, le cinquième congrès Solvay ouvrit un nouveau chapitre dans l'histoire du quantum. Car le débat suscité par le congrès entre Einstein et Bohr soulevait des questions qui continuent de préoccuper maints scientifiques et philosophes éminents jusqu'à ce jour: quelle est la nature de la réalité et quel type de description de la réalité devrait être considéré comme significatif? " Il n'y eut jamais débat intellectuel plus profond, soutenait le scientifique et roman cier C. P. Snow. Il est regrettable que ce débat, de par sa nature, ne puisse être monnaie courante

6•

Des deux principaux protagonistes, Einstein est une icône du xxe siècle. On lui demanda une fois de présenter son propre show de trois semaines sur la scène du London Palla dium. Les femmes s'évanouissaient en sa présence. À Genève, il fut assiégé par une cohorte de jeunes admiratrices. De nos jours, cette sorte d'adulation est réservée aux idoles de la pop music ou aux stars de cinéma. Mais, dans le sillage de la Première Guerre mondiale, Einstein devint la première super-star de la science lorsqu'en 1919 fut confirmée la déviation de la lumière prédite par sa théorie de la relativité générale. Les choses n'avaient guère changé lorsq,.u'en janvier 1931, pendant une tournée de conférences aux Etats Unis, Einstein assista à la première du film de Charlie Chaplin, Les Lumières de la ville, à Los Angeles. Ils furent accueillis par les acclamations délirantes d'une foule impor tante. "On m'acclame parce que tout le monde me comprend, dit Chaplin à Einstein. On vous acclame parce que personne ne vous comprend 7,

PROLOGUE 15

Alors que le nom d'Einstein est synonyme de génie scienti fique, celui de Niels Bohr était moins connu, et le demeure. Or, pour ses contemporains, c'était sans conteste un géant de la science. En 1923, Max Born, qui joua un rôle décisif dans le développement de la mécanique quantique, écrivit que l'influence [de Bohr] sur la recherche théorique et expéri mentale de notre époque est plus grande que celle de tout autre physicien 8

», Quarante ans plus tard, en 1963, Werner

Heisenberg soutenait que " l'influence de Bohr sur la physique et les physiciens de notre siècle a été plus forte que celle de quiconque, même celle d'Albert Einstein 9 Lorsque Einstein et Bohr se rencontrèrent pour la première fois à Berlin en 1920, chacun trouva un sparring partner intellectuel qui, sans amertume ni rancoeur, aiguillon nerait l'autre pour le forcer à affiner et à préciser ses pensées sur le quantum. C'est à travers eux et certains de leurs collè gues réunis au congrès Solvay 1927 que nous saisissons l'esprit pionnier des débuts de la physique quantique." C'était l'époque héroïque», se rappela le physicien américain Robert Oppen heimer, qui était étudiant dans les années 1920 10 • "C'était le temps des recherches patientes en laboratoire, des expériences cruciales et des initiatives audacieuses, des faux départs à répétition et des nombreuses hypothèses intenables. C'était le temps des échanges de lettres sérieux et des congrès préci pités, des débats, des critiques et des brillantes improvisations mathématiques. Pour ceux qui l'ont vécue, ce fut une époque créative.» Mais pour Oppenheimer, père de la bombe atomique, y avait de la terreur autant que de l'exaltation dans leur nouvelle intuition», Sans le quantum, le monde dans lequel nous vivons serait très différent. Or, pendant la majeure partie du xxe siècle, les physiciens acceptèrent que la mécanique quantique nie l'existence de la réalité au-delà de ce que mesuraient leurs expériences. Cette situation conduisit le Prix Nobel de physique américain Murray Gell-Mann à décrire la mécanique quantique comme " cette discipline mystérieuse et troublantequotesdbs_dbs16.pdfusesText_22

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