Matière et Révolution

What is an atom ? What is a particle ? What is an electron ?

Robert Paris — 2025-09-10T08:09:00Z

What is an atom ? What is a particle ? What is an electron ?

"The electron is unthinkable without its procession of potential photons."

Gilles Cohen-Tannoudji in "Matter-Space-Time"
We have long sought the "atom," that is, the indivisible, fundamental object, the elementary brick of an entire edifice of the construction of the universe. Quantum physics has shown that there is no elementary object in the absolute and not even any fixed objects, because the atom (or the particle like the electron or the proton) is not conceivable without the exchanges of photons that allow electrons to change atomic layer, for example. Or that allow the various particles to interact. Matter has no direct relationship with matter without passing through so-called interaction particles. It absorbs them and emits them. And it does so because, potentially, they are part of its environment called a cloud. The proton, the neutron, or the quarks are no more individual particles that exist without a cloud that is a procession of gluons, for example. This property is fundamental in the quantum interpretation of the atom and its jumps from one state to another. It is the basis for the study of the atom through that of light emissions, or emission spectrum. It is also the basis of a new understanding of the stability of matter, which is not based on fixity as individual objects but on dynamic phenomena that allow the conservation of certain properties thanks to high-speed changes called virtual because the world on our scale does not see them directly. They appear and disappear in a time shorter than the times characteristic of the interactions of matter and light.

Even if the virtual is not directly "visible" or "sensible" to us and our observation devices, experiments of all kinds on particles impose its existence which alone can allow them to be explained.

The particle is "dressed" by its virtual cloud formed by the transformation of the quantum vacuum surrounding it near the particle. This means that all the characteristics of the particle, such as mass or charge, and all the experiments of interaction of the particle cannot be interpreted if we consider the "naked" corpuscle without a virtual cloud around it.

Virtual means fleeting but also means potential because the particle can jump from one point in its cloud to another.

When the particle interferes with itself as in Young's slit experiment, the only possible interpretation is that it has passed through both slits. It is not the corpuscle but the cloud which passes through both and which interferes with itself, thus modifying the probabilities of presence.

When the particle is both a wave and a corpuscle, that is to say before measurement or observation, it is because it is a dressed corpuscle.

When there is a "reduction of the wave packet", this means that the disappearance of the corpuscle instantly leads to that of the cloud.

When a charge "feels" the charge e of the electron, it is the product of the action of all the virtual charges of the cloud because there are in the cloud electrically charged virtual particles and antiparticles which position themselves in layers around the particle and "screen" it.

When two oppositely charged particles do not fall on each other, this again comes from the dynamics represented by the corpuscle and its cloud.

When a particle passes through a sufficiently small hole, it momentarily loses its cloud and therefore its orientation. This is diffraction.

When the particle passes through a "tunnel", it moves almost instantly because it momentarily loses its cloud.

It is its cloud that slows down the particle, thus defining its mass and speed.

and, etc....
What matter and light are for us today :

Matter and light are two dialectically opposed phenomena, that is to say, inseparable inverses. No communication between matters without the exchange of light (physicists say photons or bosons for "light" or even interaction particles). No matter without an entourage of so-called virtual photons. No perception of these photons without matter. Matter and light also manifest an impressive unity. They are both made of quanta of action. Matter emits and absorbs light. They obey quantum laws identically, notably with this astonishing property of wave/corpuscle duality, this no less astonishing property of plurality of states and finally that of quantum jumps. However, matter and light oppose each other. Some obey an attractive logic (bosons) and others a repulsive logic called the Pauli principle (material particles). This means that light particles tend to group together between photons that are in phase and the particles cannot exist in the same state.

Both are structures and rhythms resulting from the constant, all-round interactions of a large number of coupled dipolar oscillators, which are pairs of particles and their virtual antiparticles of the quantum vacuum.

Neither light nor matter, even in their so-called elementary manifestations (a single corpuscle), are objects. They are phenomena of emergence of structure and rhythm. They are based on a large number of virtual particles and virtual photons.

For a long time, it was believed that reality was described by objects, atoms, or particles. These were "things," that is, fixed elements characterized by constant parameters. We talked about the charge of an electron, the mass of an atom, or the trajectory (speed and position) of a particle. All of this had to be abandoned in the face of the discoveries of quantum physics. What image ultimately emerges from this great upheaval ? None, some will say. For the "Matter and Revolution" website, this is not the case.

It turns out that the parameters and structures that appear owe their durability to an extraordinarily lively dynamic based on shocks. The attributes that seemed attached to each corpuscle are not properties that belong to it in a fixed way. Any corpuscle can change its nature abruptly and does so constantly. If a certain type of corpuscle is preserved in a given area, this is not due to an individual conservation of each corpuscle. The number of a certain type of corpuscle can even change.

The property of mass, far from being attached to a particle, constantly jumps from one particle to another, from a material electron to a virtual electron which will thus be materialized. The property of "matter" therefore jumps from one virtual particle of the void to another. Every virtual electron is destined to eventually become real and vice versa. The reality in question is only an existence at a certain level, the virtual an existence no less real but on a much shorter scale. Every virtual proton can also become real and vice versa. On the other hand, a proton can change into a neutron within the nucleus of the atom, and vice versa. Here again, the oppositions can change into their opposite. Proton into neutron as previously matter into void and void into matter. Similarly, the interaction quanta is not fixed. Every photon can also change into a matter and antimatter pair, for example virtual electrons and positrons. As a result, the photon can "mix" with matter to produce new matter and new photons by exchanging virtual particles. Particles can also exchange photons. All these interactions change matter and light and occur through collisions, interactions on a scale much faster than the characteristic times of the phenomena on which they act. Similarly, one quark can change into another. Color is not a parameter attached to the quark but a property that can jump from one quark to another. A neutrino can also spontaneously change into another. An atomic nucleus can change into one or more others, just as spontaneously.

So all the characteristics that were previously attributed to the object jump and all the dynamics are the product of these jumps.

The appearance of structures and "constants" is only the product of these exchanges of properties or averages over a large number of particles.

The electron property can be maintained, but only by jumping from one corpuscle to another. If we try to follow an electron individually, we see that it disappears and reappears further away. And, more surprisingly, a corpuscle can reappear before disappearing. There has been a distortion of time. In these jumps, time no longer resembles its old, tranquil image, moving as if on a continuous line traveled regularly. In dynamics, time does not travel a linear succession of successive instants resembling points aligned like instants.

Here again, time, but also space, do not resemble the world in which we believe we live on our scale : that of macroscopic objects which do not seem to undergo sudden appearances and disappearances.

Maurice Jacob in "At the Heart of Matter" :

"At the heart of matter and on the scale of the cosmos

Nature is richer than our imagination. We can dismantle molecules into atoms. We can tear the electrons from an atom and separate the protons and neutrons that make up its nucleus. We discover the different levels of matter that bring into play increasingly elementary constituents. (...) Mass, this property that we thought was intrinsically associated with an object and which resulted from the addition of the masses of its constituents, a mass that we associated with each particle before considering the forces to which they could be subjected, this mass becomes a dynamic effect of the actions to which the fundamental constituents are subjected. (...) The elementary particles are quarks (which notably form protons and neutrons) and leptons (like the electron). (...) The forces that allow them to interact with each other are all of the same type : they take the particular form of an exchange of bosons. (...) One of these bosons is the "grain of light", the photon. (...) Two charged particles attract or repel each other by exchanging photons. During a collision, or simply when accelerated, a charged particle can emit a photon (...) whose frequency is proportional to its energy. (...) The atom is formed of a very small nucleus surrounded by a "cloud" of electrons. The radius of the nucleus is a hundred thousand times smaller than that of the atom, but it contains practically all the mass. The atom is therefore practically empty, but its volume, extremely vast compared to that of the nucleus, is filled by the incessant movement of electrons which are concentrated on successive layers. The nucleus has a positive charge and the electrons have a negative charge. They are all attracted by the nucleus but rotate at a respectable distance. The atom is globally neutral, the total charge of the electrons being compensated by that of the protons which are found in its nucleus. (....) In quantum physics, we must give up considering a particle as perfectly localizable. (...) This quantum blur can clash with natural intuition (...) can we not consider the observation of an electron for a very short time during which it could only travel a small part of the distance associated with this quantum blur ? It is possible but in this case we can no longer distinguish the electron from the multiple other particles (pairs of electrons and fugitive positrons from the vacuum) which can be freely emitted and reabsorbed during this very short time. (...) The vacuum is animated by the continual creation and rapid disappearance of electron-positron pairs (the positron is the antiparticle of the electron). These are virtual pairs (...) The negatively charged electron will attract the positrons of these virtual pairs by repelling their electrons. As it approaches the electron, the photon will find itself surrounded by a "cloud" of positive charge due to the attracted virtual positrons.He will have the impression that the charge of the electron is weaker than that announced. (...) the mass of the particles comes from the structure of the vacuum which froze at the beginning of the evolution of the Universe (...) The diversity of matter comes out of the structure of the vacuum. (...) the vacuum is bubbling with activity, it can even exist in several forms and manifest a structure. (...) This bubbling of activity is of a quantum nature."

The atom is not an object that can be apprehended like a marble or another "thing" that is to say a matter to catch or follow in a regular movement in space. This was a disappointment for many physicists but it must be admitted that nature cannot be reduced to this type of notion like the one that was called "the elementary particle". This reductionism is no longer current in physics. We will try to show that it has been replaced by a much more fascinating and dynamic notion that combines the existence of matter but as the emergence of a lasting structure, of an order, within an extraordinarily agitated universe. And this order is fractal, coexists at several hierarchical levels having between them astonishing feedbacks.

Here we have the last "classical image" of the quantum world of the atom : a nucleus around which electrons revolve. But this image has long since shown its limitations. And first, if such a set existed, it would not last long enough to tell ! It would have no stability. How can we replace this image ? This requires several conceptual revolutions. The problems stem from a macroscopic vision of the world, but this is not the only problem. There are also false images of stability, of space-time, reductionist, continuist, linear images of the world. Because the conception of the world has not advanced as quickly as our knowledge and our techniques.

Louis de Broglie writes in "La physique nouvelle et les quanta" :
"If the electromagnetic theory in the form of Lorentz were really applicable to the elementary particles of electricity, it would allow the calculation without any ambiguity of the radiation emitted by an atom of the Rutherford-Bohr planetary model. (...) the atom constantly losing energy in the form of radiation, its electrons would all very quickly fall on the nucleus and the frequency of the emitted radiation would constantly vary in a continuous way. The atom would be unstable and there could not exist spectral lines with well-defined frequencies, absurd conclusions. To avoid this essential difficulty, Mr. Bohr admitted that the atom in its stationary states does not radiate, which amounts to denying the possibility of applying the electromagnetic theory of radiation to the orbital motion of electrons on their stable trajectories. (...) Bohr resolved the question of the frequencies of the spectral lines thanks to the hypothesis that each transition between quantized states is accompanied by the emission of a quantum of radiant energy. (...) In other words, according to quantum theory, the emission of spectral lines from a simple body is discontinuous and proceeds by isolated individual acts."

Elementarity is a concept that must be overturned. The "objectification" of the world must also be questioned. There are no longer any fixed objects in microscopic physics. Finally, the place of the void must be reviewed.

Continuous trajectories of the electron around the nucleus do not exist.

The "objects" electron, neutron or proton do not exist as things independent of the space in which they move.

Shakespeare in "Hamlet" Act I :

"It only takes one atom to disturb the mind's eye."

Physicist Erwin Schrödinger :

"Particles are not identifiable objects. (...) they could be considered as events of an explosive nature (...) We cannot arrive - neither in the case of light nor in that of cathode rays - at understanding these phenomena by means of the concept of an isolated, individual corpuscle endowed with a permanent existence."

Physicist Léon Léderman :

"If the electron is a point, where is the mass, where is the charge ? How do we know the electron is a point ? Can I get my money back ?"

Physicist Manfred Mac Gregor in "The Enigmatic Electron" :

"There is a world in the electron"

Michel Paty in “New Journeys to the Land of Quanta” :

"The electron interacts with the "virtual pairs" of its own electromagnetic field. (…) The quantum vacuum contains such virtual pairs and this effect has been observed under the name of "vacuum polarization". The electron is found to interact with the charge of one of the elements of the virtual pair, so that a quantum electron is never "naked" but "dressed" in a swarm or cloud of virtual pairs which polarize its immediate environment and consequently modify its energy levels. (…) The so-called renormalization procedure considers that the mass and physical charge of the electron are those of the "dressed" electron and not those of the "naked" electron. The latter does not really exist, since it is always unthinkable without its field."

The electron does not have a fixed position : its charge quivers, its mass jumps from one point to another, its polarization cloud interacts with its neighbors... This defines various "dimensions" of the electron. If it is captured, it is point-like. Its mass is point-like. Its charge is point-like. If it interacts, it is considered by the other object as a non-zero-dimensional zone. The various dimensions have a ratio between them equal to the fine structure constant alpha. These are the results of quantum physics on the "elementary particle".

What is the atom, the elementary, the "unbreakable" ? A cloud of points at many scales ! These points are the electrified particles, called virtual, which make up the void. The mass property of the electron jumps from one virtual particle in the cloud to another.

Light is made up of two (or an even number) opposing virtual particles of electricity.

The void, with its various hierarchical levels, is therefore the basic constituent of the matter/light universe.

The probabilistic nature of the electron comes from the fact that it is not a single object but a set of nested levels based on the agitation of the vacuum.

The duality property of the elementary particle (behaving as both a corpuscle and a wave) has been one of the most difficult questions in quantum physics. Wave and corpuscle are two very opposite descriptions of reality, and yet matter, like light, have been shown to be both corpuscular and wave-like. Both does not mean that one can perform an experiment that gives both results at the same time. On the other hand, as soon as one performs an experiment that gives a wave-like result, one obtains a wave. And, each time one performs an experiment of the corpuscle type, one obtains a corpuscle. From this arose an interpretation according to which it was human observation that decided the nature of reality…

In fact, duality stems from the fractal nature of the particle. It exists at multiple scales. If you measure at one scale, you get a result at that scale. As a result, you lose the result found at another scale.

If the experiment performs a measurement on the polarization cloud, we obtain a wave-like result. If we interact with the material point, we obtain a corpuscular result which proves that the electron is indeed a point and is indeed a single being. But this being exists simultaneously at different levels. On the other hand, as soon as the corpuscle is captured, in an extremely short time, the cloud disappears. Indeed, at the level where the virtual particles are located, the speed limit of light no longer applies. It is the "reduction of the wave packet" which has so complicated the lives of quantum physicists.

This is how we can interpret all the properties, often seemingly strange, of the so-called elementary particle, the electron.
Physicists had long noticed that there was a problem in understanding its nature. As Abraham Pais points out in "Subtle is the Lord," probably the best biography of Einstein, "All that remains of this (the work of Abraham, Lorentz, Poincaré, Einstein, ... on the self-energy of the electron) is that we still do not understand this problem." Some physicists even theorize the impossibility of representing it Margenau (1961) : "Electrons are neither particles nor waves (...) An electron is an abstraction, which can no longer be described by an intuitive image corresponding to our everyday hope but determined through mathematical formulas." But, as Einstein said to Wheeler : "If I cannot imagine it, I cannot understand it." » And Einstein said : "You know, it would be enough to really understand the electron." In 1991, the International Electron Conference in Antigonish still wrote : "We are gathered here to discuss our current knowledge of the electron. (…) It is strange to see what an enormous mass of technology is based on the electron without us being able to understand this particle." This pessimism of physicists in the face of the contradictions of the electron has a real basis : it is impossible to give a single coherent picture of its functioning if we consider the electron to be a single object on a single scale.

These remarks actually stemmed from numerous theoretical difficulties in interpreting the observed phenomena. The interpretation given here is that of the fractal character of the electron. It explains in particular the quantum jumps of the particle and the atom. There is a jump at each interaction between levels of reality of the particle. The jump in scale explains the jump of the phenomenon. For example, the electron does not follow a trajectory, but jumps from one position to another. This discontinuity comes from the fact that the electron does not move in a continuous space, but interacts with the virtual particles of the vacuum. The "simple" displacement is already the product of this fractal character. The same is true for the interactions between particles of matter, between matter and light, and, more generally, between matter and vacuum.
As for the probabilistic character of the particle, so strange that its discoverer Einstein could not accept it, it would not exist if we were able to study reality simultaneously at all scales.
Much has been said about the "uncertainty" inherent in quantum physics, the supposed limit of human capacity to understand the world or even, some say, proof that materialist realism should be abandoned. In fact, it is the fractal nature of reality that causes this indeterminacy when measuring at a scale.
What physicists have noticed is that when measuring or reasoning at a scale, we must not seek to exceed a certain precision. Otherwise, we do not improve our image, we deteriorate it, but they wondered why. It has often been said that this is contrary to our daily experience and common sense. I do not believe so. When we read a text, we get a little closer to read correctly, but if we get too close, we see less well. There is a favorable scale for reading and we cannot read at all scales at the same time. Similarly, you can't have a map at a scale that can simultaneously show several distant cities and the streets within those cities. You have to choose. Does this mean the map chooses what reality will be ? No, it just means that reality exists at several scales that are different enough that they can't be examined simultaneously.
The polarization cloud surrounding the electron is made up of elements from a lower world, the world of virtual particles characterized by two interrelated properties : no mass and no space-time as we know it at our macroscopic scale nor as it exists (locally) in the environment of a mass. These particles are electrified positively or negatively and dynamically arrange themselves around the electron in alternating positive and negative layers, thus screening the field of the electric charge near the electron. This explains why no electric charge can approach to the point of touching the electron. There are always layers of virtual particles between two "real" particles. Let us recall once again that the so-called virtual particles are just as real as those called real but are located at another level of reality. They are not the only ones since they exist at an even lower level, the "virtual of virtual". Thus, two virtual particles are themselves surrounded, at a lower hierarchical level, by electrified particles. These worlds are not only nested. The levels are interactive. And even more so, since each level emerges from the lower level. The "real" particles are structures carried by virtual particles that receive a Higgs boson. When the virtual particle becomes a mass carrier, it builds a space-time field around itself ; it structures the disordered space-time of the virtual level.
The polarization cloud rotates due to magnetism through the action of the electron's movement. This is called the electron's spin. But the positive and negative layers do not rotate in the same way because the electron is negatively charged. This explains why it takes a turn to return to the initial situation, which is called spin ½.
The electron's charge is point-like. Its mass is point-like. Yet experiments also show that they are never exactly in the same place, hence the internal rotational properties of the electron structure. This difference arises from the fact that the electron's jump does not produce the same reaction at the various space-time scales. Mass moves more slowly than bosons. It takes longer to move. It therefore travels less far. This produces several different motions. The cloud of charge positions is much larger than that of mass : the ratio called the "fine structure constant" is the scaling ratio of the different nested hierarchical worlds and is therefore also the ratio between times or distances. It is therefore also the ratio between the different "electron radii". While mass wobbles around its position (a property called "zitterbezegung"), charge spreads over an entire area.

One of the oddities of electron physics is quantum : it is the superposition of states. Two interacting particles share their states. This would make no sense if we kept the image of the particle, an independent object. The "superposition of states" cannot be interpreted as a physical wave, which is why the first quantum physicists spoke only of a "presence probability wave." But what is the physical reality of the phenomenon leading to this presence probability ? How does the electron "know" that it must take this or that position within its presence probability cloud ? Quantum physics has long answered that there was no answer, and some even ventured to say that there never would be. This was logical for quantum physics : within its formalism, the question could not be asked. However, the study of the vacuum has changed the data of the problem. It taught us the existence of an entire vacuum medium, a restless medium full of energy : positive and negative quanta that appear and disappear in a very short time. "Virtual particles" were first used as a basis for calculations before their reality was recognized. Today, the existence of several levels of the vacuum is accepted. There is thus a virtual of the virtual. Particles do not interact at a distance but through the vacuum. However, the quantum vacuum is a medium with very different properties from those we know at the level of matter we know. First of all, there are as many antiparticles as particles. Then, space and time are agitated in all directions, constantly jumping, preventing any notion of trajectory or force. Virtual particles have no mass. Energy and momentum are concepts that are current, but they are used differently. There is no conservation of energy at all times. In matter on our scale, energy cannot suddenly appear where it did not exist. Within the quantum vacuum, energy is only globally conserved. Any energy that appears within the vacuum must disappear within a short time, the shorter the time the energy is significant. This is what establishes the notion of quanta : the product of time and energy.
There is a link between the vacuum and matter/light. The vacuum is not only the media of matter-matter or matter-light interactions, it is the foundation of matter and light. It is the vacuum that constantly produces the phenomena of "matter" and "light." The vacuum is not only the space in which photons and particles move. This movement is nothing other than an interaction with the vacuum. Moreover, the vacuum is the constituent of matter and light.
The result is a new understanding of matter and light. Particles and photons have in common... the vacuum that composes them ! Particles do not interact through mechanical collisions but through interactions between elements at a lower level : that of the vacuum. As a result, particles can exchange their virtual components : interact. They can thus constitute superpositions of states, correlated states.

Henri Poincaré writes in "Lectures on Thermal Radiation" :
"The hypothesis of quanta of action consists of assuming that these domains, all equal to each other, are no longer infinitely small, but finite and equal to h, h being a constant."

Joseph Liouville's theorem, reported by Jean-Paul Auffray in "L'atom" :

"The density of points in the neighborhood of a given point in the phase extension is constant over time."

Poincaré's statement in "The Quantum Hypothesis" :

“Energy is equal to the product of frequency and the element of action. (...) The quantum of action is a universal constant, a true atom. (...) A physical system is capable of only a finite number of distinct states ; and it jumps from one of these states to another without passing through a continuous series of intermediate states. (...) the set of points representative of the state of the system is a region (...) in which the points are so tightly packed that they give us the illusion of continuity. (...) these isolated representative points must not be distributed in space in any way (...) but in such a way that the volume of any portion of matter remains constant. (...) The state of ponderable matter could vary in a discontinuous manner, with only a finite number of possible states. (...) The universe would therefore jump abruptly from one state to another ; but in the meantime it would remain motionless, the various instants during which it remained in the same state could no longer be distinguished from one another : we would thus arrive at the discontinuous variation of time, at the atom of time. (...) If several representative points constitute an indivisible elementary domain in the phase extension, then the states of the system that these points represent necessarily also constitute one and the same state.

Jean-Paul Auffray in “The Atom” :

"Richard Feynman asked his son : 'When an atom makes a transition from one state to another, it emits a photon. Where does the photon come from ?' (...) In Feynman's terminology, the quantum is a virtual photon."

Excerpts from "Between Time and Eternity" by Prigogine and Stengers :

"The reason for quantum chaos is the appearance of resonances. (...) These resonances, which characterize all the fundamental situations of quantum mechanics, correspond to interactions between fields (that is to say also to matter-light interactions). We can affirm that our access to the quantum world is conditional on the existence of quantum chaotic systems. (...)
We have above all emphasized the negative dimensions of dynamic chaos, the necessity it implies of abandoning the notions of trajectory and determinism. But the study of chaotic systems is also an opening ; it creates the need to construct new concepts, new theoretical languages. The classical language of dynamics implies the notions of points and trajectories, and, until now, we ourselves have had recourse to them even while we were showing the idealization – in this case illegitimate – from which they proceed. The problem now is to transform this language, so that it integrates in a rigorous and coherent manner the constraints we have just recognized.
It is not enough, in fact, to express the finite nature of the definition of a dynamical system by describing the initial state of this system by a region of phase space, and not by a point. Because such a region, subject to the evolution defined by classical dynamics, may well fragment over time, it will retain its volume in phase space. This is expressed by a general theorem of dynamics, Liouville's theorem. All attempts to construct an entropy function, describing the evolution of a set of trajectories in phase space, have come up against Liouville's theorem, the fact that the evolution of such a set cannot be described by a function that would increase over time.
Now, a simple argument makes it possible to show the incompatibility, in the case of a chaotic system, between Liouville's theorem and the constraint according to which any description defines the "resolving power" of our descriptions ; there will always be a distance r such that we will not be able to differentiate between points closer to each other on the other (…) The new description of chaotic dynamical systems substitutes for the point a set corresponding to a fragment of contracting fiber. This is a non-local description, which takes into account the indistinguishability constraint that we have defined. But this description is not relative to our ignorance. It gives an intrinsic meaning to the finite character of our descriptions : in the case where the system is not chaotic, where the Lyapunov exponent is of zero value, we find the classical, point-like representation, and the limits placed on the precision of our measurements no longer affect the representation of the dynamical system.
This new representation also breaks the temporal symmetry. (…) Where a single evolution equation allowed us to calculate the evolution towards the past or towards the future of points themselves indifferent to this distinction, we now have two different evolution equations. One would describe the evolution of a system towards an equilibrium located in the future, the other would describe the evolution of a system towards an equilibrium located in the past.
One of the major problems with the probabilistic interpretation of the evolution towards equilibrium was that the probabilistic representation does not give meaning to the distinction between past and future. (…) The new dynamic description that we have constructed, on the other hand, incorporates the arrow of time (…) Chaotic dynamic behaviors make it possible to build this bridge, which Boltzmann had not been able to create, between dynamics and the world of irreversible processes. The new representation of the dynamic object, non-local and with broken temporal symmetry, is not an approximate description, poorer than the classical representation. On the contrary, it defines this classical representation as relative to a particular case. (…) We know today that the latter (non-chaotic systems), which dominated the imagination of physicists for so long, in fact form a very particular class. (…) It was in 1892, with the discovery of a fundamental theorem by Poincaré (the three-body law), that the homogeneous image of dynamic behavior was shattered : most dynamic systems, starting with the simple "three-body" system, are not integrable.
How can we understand this statement ? Since Hamilton's work, we know that the same dynamic system can be represented in different equivalent ways by a so-called canonical (or unitary) transformation (…) The Hamiltonian of the system is the quantity that determines its temporal evolution.
Among all the unitary transformations, there is one that allows us to arrive at a privileged representation of the system. This is the one that makes energy, that is to say the Hamiltonian, a function of only the moments, and no longer of the positions. In such a representation, the movements of the different particles of the system are described as if they no longer depended on the relative positions of the particles, that is to say as if they were no longer interacting. (…)
The possible movements of such systems therefore have the simplicity of free movements. (…) Now, in 1892, Poincaré showed that in general it is impossible to define the unitary transformation that would make “actions” invariants of the system. Most dynamical systems do not admit invariants outside of energy and momentum, and therefore are not integrable.
The reason for the impossibility of defining the invariants of motion that correspond to the representation of an integrable dynamic system is due to a resonance mechanism. (…) The resonance mechanism can be characterized as a transfer of energy between two coupled periodic motions whose frequencies are in a simple relationship to each other.
It is these resonance phenomena – but, this time, between the different degrees of freedom that characterize the same dynamic system – that prevent this system from being put into an integrable form. The simplest resonance between frequencies occurs when these frequencies are equal, but it also occurs whenever the frequencies are commensurable, that is, whenever they have a rational relationship to each other. The problem is complicated by the fact that, in general, the frequencies are not constant. (…) This means that, in the phase space of a dynamic system, there will be points characterized by a resonance, while others will not. The existence of resonance points generally prohibits representation in terms of cyclic variables, that is, a decomposition of the motion into independent periodic motions.
Resonance points, that is, points at which frequencies have a rational relationship to each other, are rare, just as rational numbers are rare compared to irrational numbers. Therefore, almost everywhere in phase space, we will have periodic behavior of the usual type. Nevertheless, resonance points exist throughout the finite volume of phase space. Hence the frighteningly complicated nature of the image of dynamical systems as revealed to us by modern dynamics initiated by Poincaré and continued by the work of Kolmogoroff, Arnold, and Moser.
If dynamical systems were integrable, dynamics could only provide us with a static image of the world, an image of which the motion of the pendulum or the planet on its Keplerian trajectory would constitute the prototype. However, the existence of resonances in dynamic systems with more than two bodies is not enough to transform this image and make it consistent with the evolutionary processes studied previously. When the volume remains small, periodic behaviors always dominate. (…)
However, for large systems, the situation is reversed. Resonances accumulate in the phase space ; they now occur not at every rational point, but at every real point. (…) From then on, non-periodic behaviors dominate, as is the case in chaotic systems. (…)
In the case of a system of hard spheres in collision, Sinai was able to demonstrate the identity between kinetic and chaotic behavior, and define the relationship between a kinetic quantity such as the relaxation time (mean time between two collisions) and the Lyapunov time which characterizes the time horizon of chaotic systems. (…)
Now, the atom in interaction with its field constitutes a “large quantum system” to which, as we have demonstrated, Poincaré's theorem can be extended. (…) Poincaré's “catastrophe” is repeated in this case : contrary to what the usual quantum representation presupposed, systems characterized by the existence of such resonances cannot be described in terms of superposition of eigenfunctions of the Hamiltonian operator, that is to say, invariants of the motion. Quantum systems characterized by average lifetimes, or by behaviors corresponding to "collisions," therefore constitute the quantum form of dynamic systems with chaotic behavior (…)
The abandonment of the model of integrable systems has consequences as radical in quantum mechanics as in classical mechanics. In the latter case, it implied the abandonment of the notion of point and of the law of reversible evolution that corresponds to it. In the latter, it implies the abandonment of the wave function and its reversible evolution in Hilbert space. In both cases, this abandonment has the same meaning : it allows us to decipher the message of entropy. (…)
The collision, transfer of momentum and kinetic energy between two particles, constitutes, from the dynamic point of view, an example of resonance. However, it is the existence of resonance points which, as we have known since Poincaré, prevents us from defining most dynamic systems as integrable. Kinetic theory, which corresponds to the case of a large dynamic system having resonance points "almost everywhere" in phase space, therefore marks the transformation of the notion of resonance : it ceases to be an obstacle to description in terms of deterministic and predictable trajectories, to become a new principle of description, intrinsically irreversible and probabilistic.
It is this notion of resonance that we have found at the heart of quantum mechanics, since it is this that Dirac used to explain the events that open experimental access to the atom, the emission and absorption of photons of specific energy, whose spectrum constitutes the true signature of each type of atom. (…) The lifetime, which intrinsically characterizes an excited level, depends, in the current formalism of quantum mechanics, on an approximation and loses its meaning if the calculation is pushed further. From then on, quantum mechanics had to recognize the event without being able to give it an objective meaning. This is why it could appear to call into question the very reality of the observable world that it was supposed to make intelligible. (…)
To explain the spontaneous electronic transitions that give any excited state a finite lifetime, Dirac had to make the hypothesis of a field induced by the atom and entering into resonance with it. The finite system represented by the isolated atom is therefore only an abstraction. The atom interacting with its field is itself a "large quantum system," and it is at this level that the "Poincaré catastrophe" occurs.
The atom interacting with the field it induces does not, in fact, constitute an integrable system and can therefore no more be represented by the evolution of the wave function than a classical system characterized by resonance points can be characterized by a trajectory. This is the flaw that concealed the impressive edifice of quantum mechanics. (…) It is significant that, everywhere, we encountered the notion of "symmetry breaking." This notion implies a seemingly insurmountable reference to the symmetry affirmed by the fundamental laws that constitute the heritage of physics. And, indeed, initially, it was these laws that guided our research. (…) The description with broken time symmetry allows us to understand the symmetry itself as relative to the particularity of objects formerly favored by physics, that is to say to situate their particularity within a more general theory.

Michel Bitbol in "The material body and the object of quantum physics" :

"E. Schrödinger was undoubtedly the creator of quantum theory who most insisted on this lack of identity criteria in ordinary space, and who drew the most radical conclusions from it. According to him, in the absence of criteria of identity or strict genidentity, we must go so far as to refuse to refer to the slightest particle. "In my opinion," he wrote, "abandoning the trajectory is equivalent to abandoning the particle." The principled unavailability of any trajectory (principled because it has legal value in quantum theory through the relations of indeterminacy) even leads to the admission that "(...) particles, in the naive sense of the past, do not exist." The physicist's discourse is completely reversed. Instead of admitting that at short distances, individual particles have a non-zero "probability of exchange," we then risk taking one for the other and lose the statistical consequences of their individuality, Schrödinger does not hesitate to affirm that "(...) there are no individuals who could be confused or taken for one another. Such statements are meaningless." Rather than using a formalism involving symmetry and antisymmetry operators, with its states labeled by particle names and its permutations of labels, he therefore advocates implementing the formalism of quantum field theory, in which it is no longer a question of n particles in a state at all, but of a state in its n-th quantum level. Moreover, instead of considering that particles have an approximate trajectory, Schrödinger points out that all that is available, and all that quantum mechanics governs, are "(...) long strings of successively occupied states (...)". The only thing that leads many physicists to speak of particle trajectories in this case is that "(...) such strings give the impression of an identifiable individual (...)". This is only an impression, or worse, an illusion, Schrödinger adds : "Sometimes these events form chains that give the illusion of permanent entities."

The atom was considered the indivisible element, that is, it cannot be divided. Atomism, like Zeno, considers that reality cannot be divided infinitely and that we come up against a limit.

It was assumed that the atom must be a small ball. Then it was realized that most of the space it occupied was empty space. The rest was other, smaller particles, occupying a very small part of the atom's space. We thought we had found the indivisible. But the design of a ball for the electron or the proton posed a problem. They would have lost energy and ended up falling on top of each other within the atom since they were rotating around each other. It was realized that they also had internal rotational properties that could not be described in mechanical terms.

Quantum physics had to abandon this type of description. The rotation in question was quantum, that is, discontinuous : in multiples of an integer.

These were no longer balls of matter but particles considered as material points. However, there was a contradiction raised in particular by Manfred Mac Gregor : the electron, however, occupied a space that was highlighted in certain experiments.

So the particle is not a simple point.

On the other hand, this particle does not follow trajectories. It jumps from one position to another. This explains why it is only probabilistic. We cannot know where it will be present, but only know a probability of presence in an area around the particle.

Finally, we realized that the problems of quantum physics : the infinities in physics (like the interaction of the electron with itself) or Young's slits posed the problem of the interaction between the electron and the vacuum around the electron : the polarization cloud.

Ultimately, the electron is not naked. It is surrounded by its cloud. It jumps from one point to another in this cloud.

Quantum physics also emphasized that the fundamental elements are not mass or energy, but rather the quanta h and the electric charge e. These are constants. There are quanta that are made up of matter or so-called "real" quanta, and the others are called "virtual," such as those that constitute light or the vacuum.

Everyone knows that physics has discovered that matter, like light, is made up of "grains" called particles. Matter would be called fermions, that is, particles obeying Fermi's rule, which prevents particles of the same state from agglomerating due to the "Pauli principle." Fermions are of two types : leptons (like the electron) or quarks (constituting neutrons and protons). Light—an expression used here to group together all so-called interacting particles—would be made up of bosons, that is, particles that obey Bose's rule, which concerns particles that tend to agglomerate in a common state.

The whole thing initially seemed to work like a construction set : particles are added together to form larger groups like atoms, molecules, and macromolecules. Neutrons and protons are added together to form the nuclei of atoms, and electrons are added together to form the atomic environment that allows the atom to be electrically neutral overall.

This additive logic is not entirely false, but it has reached its explanatory limits and has long been abandoned by physicists to explain the functioning of matter/light. The first reason stems from the fact that this additive image assumed that particles were static, individual objects, existing permanently or at least for long periods of time. Each individual particle was assigned a mass that was considered attached to the material thing. Current physics is very different. The individuality of the particle is no longer accepted. Mass is a property that moves and jumps from one point to another, without being fixed to an object. The object itself is no longer a recognized image. In fact, matter is no longer explained by fixity but, on the contrary, by an extraordinarily agitated dynamic : that of the void, which is no longer synonymous with absence. The basis of the apparently conservative character of the globally conserved structure that is matter is the permanent agitation of the void !

The void is full of virtual quanta. These quanta appear and disappear as pairs of virtual matter and virtual antimatter. The virtual characteristic comes from the rapid appearance and disappearance. This makes the virtual a fundamental universe that founds the material universe. Similarly, the virtual of the virtual founds the virtual, etc.

Light is made up of a virtual pair of matter and antimatter.

Matter is a structure formed by a large number of quanta and the emergent interactions they create. The main interaction is the one that exchanges the property of matter, currently called the Higgs boson. This is how the particle "jumps" from one point to another. In fact, it is only the boson that jumps from one virtual particle to another and makes it "real."

Nature has long been considered a collection of fixed objects that can be set in motion, modified, or broken by an external force. This static, stable image, without internal dynamics, is dead. In all fields, it is giving way to a dynamic image. Instead of fixed "things," we call upon structures arising from the underlying agitation. Structure is only a mode in which the whole is globally stable although in continual change. The molecules of the cloud change, move, exchange energy, even when the external appearance of the cloud remains unchanged. Temperature stability is not based on the absence of agitation but on average agitation. The component elements themselves change constantly, as is the case with the cells of a living being, or even with its molecules forming its biochemical components. Not so long ago, we still saw matter as a construction based on fixed objects. With atoms, we made molecules. With electrons and nuclei, atoms were made. With neutrons and protons, atomic nuclei were made. Elementary particles seemed to be fixed objects, capable only of moving, attracting, repelling, approaching or colliding with each other. The electron was an individual to whom encounters happened like any other individual, encounters through which it remained itself. The only question was whether the electron was elementary or composite. The characteristics of the electron (mass, charge, speed, energy, etc.) seemed to be proof of the conservation of the same object over time.

Today, things are quite different. The electron is no longer seen as an individual object, existing stably at a single scale, but as a phenomenon, a property that moves, that jumps from one particle to another within a cloud of points. It is the agitation of the vacuum that allows the existence of the electron as of other particles, an agitation that is manifested by the appearances and disappearances of particle/antiparticle pairs. The nucleus of the atom itself exists only because of an incredible agitation formed not only by the vacuum but by myriads of ephemeral particles and by multiple exchanges between protons and neutrons and not by a fixity of neutrons and protons.

It therefore appears today that nature, at all scales, is formed of structures and not of objects, dissipative structures therefore based on agitation and drawing their energy from the underlying disorder, these structures, a kind of membrane surrounding domains, being the thresholds between disorders at several levels. The disorders are themselves the product of the permanent combat of contradictory forces, of opposing tendencies which prevail or inhibit each other alternately. The constants are nothing other than the thresholds between two disorders.

The cloud, the city, man, the atomic nucleus, the electron, the plant, the bacterium are such dissipative structures that can in no way be described as independent, individual, and fixed objects but, on the contrary, as products of a permanent external agitation. Without the agitation of the void, there is no matter. Without the agitation of molecules, there are no crystal structures. Without the agitation of trade and production, there are no cities.

Here is what James Trefil of George Mason University in Virginia writes : "Although we usually think of the nucleus as a static collection of protons and neutrons, it is in reality an essentially dynamic place. Particles of all kinds move in all directions and at high speeds, colliding with each other, undergoing creation and destruction as their energies are converted into mass or their masses into energy. (...) Since the 1950s, more than 200 of these particles have been discovered inside the nucleus."

In this dynamic, the notion of an isolated individual or static equilibrium has no meaning. There is no fixed nucleus or fixed proton, any more than there is a fixed electron, conceivable as an individual equal to itself. The individual particle does not exist any more than the isolated star, without galaxies and galaxy clusters. No more than man isolated from his human, social, cultural and material universe.

Dix raisons qui font que les quanta ne sont pas des objets classiques

Robert Paris — 2024-12-17T23:58:00Z

Dix raisons qui font que les quanta, particules réelles et virtuelles, noyaux atomiques, atomes et molécules ne sont pas des objets au sens de ceux du monde de notre vie quotidienne

Les raisons de distinguer nettement entre, d'un côté, des rochers, des tapis, des meubles, des livres, des êtres vivants, des bouteilles et, de l'autre, des molécules, des atomes, des noyaux atomiques, des particules, des quanta, c'est que….

1°) Les premiers sont tous des différents, ce sont des individus et il n'en existe pas deux qu'on ne puisse pas distinguer, même s'ils sont très ressemblants. L'identique n'existe pas parmi les objets qui nous entourent, qu'ils soient inertes ou vivants. Il n'y a pas davantage deux billes absolument identiques que deux êtres humains identiques ou que deux fils identiques ou des étoiles identiques. Par contre, deux quanta de même type dans le même état sont identiques. S'ils se rapprochent, on ne peut plus les distinguer. Il en va de même de deux électrons ou encore de deux protons, deux noyaux, deux atomes ou deux molécules de même type dans le même état. Ils ne peuvent pas être distingués non seulement par l'observation mais aussi par la théorie. Cela signifie que la nature elle-même ne distingue pas les deux quanta. C'est donc exactement l'inverse de la situation de deux objets à notre échelle qui, eux, ne sont jamais absolument identiques.

2°) Les objets à notre échelle, non quantiques si l'on peut dire car nous verrons qu'en fait toute la réalité a un fondement quantique, ont une autre particularité qui les distingue des objets quantiques : les premiers suivent des trajectoires, les seconds non. Les premiers semblent passer continument d'un point à un autre sans rupture alors que les seconds sautent toujours d'une position à une autre, sans continuité. Le saut n'existe pas apparemment dans la réalité à notre échelle et elle est la règle pour les quanta. On peut suivre la trajectoire d'un boulet ou d'un avion comme s'ils suivaient des parcours continus sans aucun saut, de manière complètement opposée au mouvement des quanta. Pire même, quand on suit le parcours d'un quanta, on ne peut même pas être sûrs que c'est toujours le même ! Là aussi, ce n'est pas notre observation qui ne permet pas d'être sûrs, la théorie aussi ne le permet pas ce qui signifie que la nature ne peut pas discriminer entre une particule et une autre passant à proximité. Elles peuvent s'échanger sans que cela change rien à la dynamique…

3°) En fait, les quanta ne peuvent pas passer d'une position à une autre continument parce qu'ils n'ont pas une position mais une probabilité de présence concentrée dans une zone qui est déterminée et ils sautent d'une probabilité de présence dans une zone à une autre… probabilité de présence (et pas une position) ! Ce n'est absolument pas le cas pour la matière à notre échelle. Les quanta sont marqués de manière obligatoire et permanente par les inégalités d'Heisenberg qui ne peuvent pas être violées alors qu'elles n'existent absolument pas pour la matière à notre échelle. Ces imégalités relient des paramètres décrivant l'objet, paramètres dont les précisions sont reliées de la manière suivante : plus l'une est précise, plus l'autre… ne l'est pas ! Par exemple, la position d'un quanta et sa vitesse ne peuvent pas être précises en même temps. Cette propriété n'existe absolument pas pour la matière à notre échelle. Des précisions sur des paramètres du même objet qui diminuent quand d'autres augmentent, on ne trouve pas cela ni pour des boulets de canon, ni pour des avions, ni pour des véhicules, ni pour des planètes, ni pour aucun objet de notre monde quotidien.

4°) A notre échelle, les objets peuvent être mesurés, éclairés, captés, ou observés sans modifier ni interrompre la dynamique et ce n'est pas du tout le cas à l'échelle des quanta (de la particule à la molécule). Pire même, pour les quanta, il suffit de mesurer ou de capter un élément du quanta pour que les autres disparaissent !

5°) Les quanta sont à la fois ondes et corpuscules alors que les objets de notre monde sont ou l'un ou l'autre exclusivement. Du coup, capter le corpuscule quantique supprime immédiatement l'onde ! Comme si on supprimait un canard ou un bateau en supprimant l'onde qu'il produit sur une surface d'eau !

6°) La rotation est encore une source de discorde entre quantique et classique (comme on appelle le niveau macroscopique où ne se manifestent pas les effets quantiques). En effet, un objet quantique est ramené à son état de départ par une rotation de deux tours alors qu'un objet classique l'est par une rotation d'un seul tour. Et il n'existe aucun objet classique qui ait besoin de deux tours pour revenir à son état de départ !

7°) Encore une discorde : quand on compte le nombre d'objets. A notre échelle, on trouve un nombre fixe qui ne peut pas changer si on ne fait pas venir un objet de l'extérieur. Ceux qui prétendent le contraire sont des magiciens, des mystiques, des sorciers et autres diseurs de balivernes. A l'échelle quantique, le nombre d'objet n'est pas fixe. Des objets quantiques peuvent parfaitement apparaitre et disparaitre sans que cela n'ait rien de mystérieux ou de magique. On en comprend tout à fait le fonctionnement : il suffit qu'une particule du vide, dite virtuelle, reçoive suffisamment d'énergie (par exemple en recevant un boson de Higgs) pour qu'elle devienne brutalement réelle (elle a doublé son énergie interne).

8°) La loi de la conservation de l'énergie totale d'un système isolé, toujours vérifiée à notre échelle, ne peut pas fonctionner au niveau quantique pour la simple raison qu'il n'y existe pas de système isolé et que l'énergie du vide peut sans cesse en fournir aux quanta.

9°) La causalité suivant la flèche du temps est une règle à notre échelle et pas du tout à l'échelle quantique. Il est très possible que des actions se déroulent en termes quantiques en sens contraire de la flèche du temps. Les quanta ne suivent pas une seule suite d'événements ponctuels mais ils obéissent au passage d'un ensemble de possibles avec diverses probabilités à un autre ensemble de possibles avec diverses probabilités.

10°) De multiples notions, comme le spin, les orbitales, la réduction du paquet d'ondes, l'onde de probabilité de présence, l'effet tunnel, le nuage virtuel, les particules et antiparticules virtuelles et leur formation en nuage permettant notamment l'écrantage de la particule et le phénomène des fentes de Young, les créations-annihilations, les nombres quantiques, les transitions quantiques et bien d'autres encore n'ont absolument pas cours à notre échelle (physique classique) et sont incontiurnables au niveau quantique.

Que faut-il en déduire ? Que la physique classique a tout faux et qu'on est trompés par nos visions du monde de tous les jours ? Pas vraiment ! Que la physique quantique dit n'importe quoi ? Pas du tout ! Elle fonde toute la réalité aussi bien quantique que classique et explique les deux et aussi le passage de l'un à l'autre (appelé « décohérence »).

En fait, c'est la réalité quantique qui est à la base du monde, et aux fondements de cette réalité quantique, il y a les différents niveaux du vide quantique, appelé du virtuel. Cette physique est la physique quantique des champs dscrète au sens où elle est fondée sur des quanta virtuels (particules et antiparticules d'une énergie moitié de celle des particule dites réelles). Et à ce propos rappelons une onzième opposition entre le monde quantique et classique : dans le premier le vide ne s'oppose pas diamétralement à la matière, alors que dans le second la matière, c'est du vide !

Lire ensuite :

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6388

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5032

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3835

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article2265

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4519

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article7439

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1698

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article568

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1710

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1324

Les particules du vide quantique, dites virtuelles, sont matérielles et bien réelles

Robert Paris — 2024-11-30T23:04:00Z

Les particules dites virtuelles, celles, éphémères, du vide quantique qui sont mariées à des antiparticules, sont matérielles et bien réelles

Avertissement : la physique quantique n'est pas du tout de l'informatique, de la simulation, des robots, de l'intelligence artificielle, ni des ordinateurs… Cela n'a rien à voir ! L'emploi du terme « virtuel » pour les particules du vide est trompeur. Il s'agit bel et bien de matière et pas d'information. Comme la matière habituelle dite « réelle », la matière du vide, dite virtuelle ce sont des quanta d'action. Il suffit de capter ou d'émettre un boson de Higgs pour passer de particule virtuelle à particule réelle. Tout comme il y a des électrons, des protons, des neutrons, des neutrinos réels, il y en a de virtuels. Toute particule réelle a son équivalent virtuel.

Quand on parle de « virtuel », il ne s'agit pas de créations pures de la pensée humaine qui n'ont pas d'existence réelle

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5023

La matière est virtuelle et le virtuel est matière

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1324

Certains limitent le virtuel à une fluctuation de la mer du vide

https://cea.hal.science/cea-03518323/document

Le virtuel du vide quantique est une réalité perceptible par l'expérience

https://lejournal.cnrs.fr/articles/toucher-lenergie-du-vide

Ce sont des sujets qui suscitent des débats animés

https://fr.quora.com/Virtuel-versus-R%C3%A9el-Pouvez-vous-d%C3%A9finir-le-lien-qui-les-relie-Comment-le-d%C3%A9finissez-vous-conceptuellement-En-quoi-leur-compr%C3%A9hension-vous-parait-elle-essentielle

https://fr.quora.com/Qui-pourrait-mexpliquer-ce-que-cest-une-particule-virtuelle-Jarrive-pas-%C3%A0-comprendre-le-mot-virtuelle-dans-tout-%C3%A7a

https://fr.quora.com/Comment-les-particules-virtuelles-et-et-les-photons-virtuels-du-vide-quantique-%C3%A9mergent-dans-la-r%C3%A9alit%C3%A9-physique-structur%C3%A9e

En réalité… qu'est-ce que le virtuel (celui qui n'est nullement créé par l'homme) ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1469

Le vide quantique et ses liens avec la matière durable dite réelle, par opposition avec la matière éphémère dite virtuelle

https://www.matierevolution.fr/spip.php?page=recherche&recherche=vide+quantique

Le vide quantique est partout en Physique

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4372

Le virtuel du vide quantique n'a rien d'une simulation informatique, fabriquée par l'homme, par une machine ou un robot

https://www.vice.com/fr/article/elon-musk-a-tort-nous-ne-vivons-pas-dans-une-simulation/

Des structures émergentes au lieu d'objets fixes

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article26

Vide et matière

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6557

https://www.matierevolution.fr/spip.php?breve88

https://www.matierevolution.fr/spip.php?breve95

https://www.matierevolution.fr/spip.php?breve825

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article923

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article43

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article441

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3835

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1688

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6728

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6721

Et les photons virtuels ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6251

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5233

Lumière et matière sont issus du vide quantique

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article38

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article46

Lire encore sur le vide quantique

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article7515

Qu'est-ce que la physique quantique ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article568

Actualité scientifique du vide quantique

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6065

Le vide, … pas si vide

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article39

La matière, émergence de structure au sein du vide

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article37

Comment électricité et magnétisme s'entremêlent dialectiquement dans le vide quantique ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3573

Conférences sur le vide quantique

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6043

Feynman et le vide quantique

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5234

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4097

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4893

Comprendre les bases de la Physique Quantique sans connaissances mathématiques préalables

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5361

La relation matière/lumière/vide

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article44

Tous quantiques

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4900

Quelle solution face à l'énigme quantique dite de la « réduction du paquet d'ondes » ?

Robert Paris — 2024-11-15T23:20:00Z

Quelle solution face à l'énigme quantique dite de la « réduction du paquet d'ondes » ?

Il s'agit d'ondes qui se réduisent à… rien dès que l'on effectue une mesure dans une expérience quantique…

C'est bien sûr un phénomène étonnant si on raisonne de manière classique, ou encore de manière quantique mais sans envisager le caractère discontinu du vide quantique, peuplé de quanta dits « virtuels » parce qu'ils apparaissent et disparaissent en un temps bref et qui n'en sont pas moins réels.

Il ne s'agit pas d'ondes au sens de la physique classique mais d'ondes quantiques qui disparaissent dès que l'on capte le corpuscule correspondant de manière instantanée, ce qui est particulièrement étrange… La mesure est un saut discontinu, une disparition.

L'explication réside dans le caractère de la complémentarité onde/corpuscule qui explique que l'onde disparaisse dès qu'on capte le corpuscule.

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article882

Comment se peut-il que la complémentarité onde/corpsucule se traduise par la disparition instantanée de l'onde dès qu'on capte le corpuscule par une observation. Certains auteurs répondent que c'est mystérieux et qu'on ne le saura jamais, d'autres que c'est un artefact théorique et mathématique et que cela ne doit pas provenir d'une explication physique, d'autres encore que c'est un effet de la conscience humaine, celle de l'observateur, ou encore l'affirmation que cela se produit parce que la matière n'existe que quand elle est observée et enfin les derniers disent que la Physique n'a pas à se poser de telles questions qui relèveraient seulement de la métaphysique car elles posent des questions sur l'existence des choses et pas sur leur fonctionnement. Aucune de ces réponses ne nous satisfait et nous donnons la nôtre : celle des quanta éphémères du vide dits virtuels (particules et antiparticules couplés).

Toutes ces manières de contourner le problème ne sont nullement des façons de le résoudre en se fondant sur une véritable interprétation qui soit en même temps celle de tous les autres phénomènes considérés comme « mystérieux » en physique quantique, à commencer par tous ceux liés à la dualité onde/corpuscule et au principe d'incertitude quantique.

Non seulement la réduction du paquet d'ondes ne déstabilise pas la physique quantique mais celle qui inclut l'étude du vide quantique est confirmée par elle. Il faut pour cela comprendre que ce n'est pas la particule durable qui détient une véritable réalité car cette propriété ne fait que sauter (avec le boson de Higgs) d'une particule virtuelle à une autre. Rappelons qu'une particule réelle n'est rien d'autre que la particule virtuelle dont l'énergie interne a été doublée par la réception du Higgs et que ce boson saute sans cesse d'une particule virtuelle à une autre proche, appartenant au nuage qui entoure la particule. Rappelons aussi ce nuage est formé de couples particule/antiparticule éphémères qui constituent des couches autour de la particule, couches successivement d'électricité positive et négative (ce qui explique l'écrantage de la charge de la particule).

L'incertitude quantique (dite d'Heisenberg) est un mystère lié à celui de la réduction du paquet d'ondes et aussi aux autres « mystères » quantiques comme la « dualité » onde/corpuscule , à la « probabilité de présence » de la particule, à la superposition d'états, à la non-localité et autres phénomènes purement quantiques inexplicables de manière classique mais parfaitement explicables par l'interprétation selon laquelle la particule réelle n'est rien d'autre qu'un nuage de particules virtuelles (et antiparticules) où circule un boson de Higgs qui saute d'une particule virtuelle à une autre, virtuelle ne voulant absolument pas dire imaginaire ou inexistante réellement.

Et il est vrai que ce phénomène d' « incertitude » est particulièrement étonnant. En physique classique, il n'y a pas de limite fondamentale à la précision d'une mesure et il n'y a pas contradiction entre préciser la vitesse et préciser la position, comme c'est le cas sans cesse en Physique quantique. Quand on considère que tout objet se déplace continument sur une trajectoire, il est impensable que la précision sur la vitesse soit contraire à celle sur la position. Par contre, dès lors que l'on considère la particule non comme un seul objet mais comme un nuage de particules, la propriété de particules dite réelle sautant d'un point du nuage à un autre, il est très simple de comprendre que l'observation ne peut à la fois être précise pour la vitesse (qui nécessite une observation sur un temps pas trop court) et pour la position (qui, pour être précise nésessite une observation sur un temps pas trop long puisque la propriété de particule réelle saute…).

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1710

Qu'est-ce que la « réduction du paquet d'ondes » en physique quantique ?

La réduction du paquet d'ondes est la cassure de la dynamique quantique réalisée par l'opération de mesure par un appareillage macroscopique. Cette interaction entre une particule quantique et un appareil macroscopique (donc classique) casse la dualité onde/corpuscule et donc la fonction d'onde (de Schrödinger) de la particule immédiatement après que le corpuscule soit capté. Ce phénomène a contraint les physiciens quantiques à se poser la « question de la mesure », en se demandant quelle transformation cette action de l'observateur réalisait sur la dynamique matérielle observée.

Tout d'abord remarquons qu'en physique quantique, étude de la matière/lumière au niveau microscopique, on n'a pas « un » état ou « une » onde mais une « superposition d'états » et un « paquet d'ondes ». Cela signifie que, tant qu'aucune observation ou interaction n'est réalisée, il n'y a pas une valeur de l'énergie, un état, une onde mais une dispersion, un relatif désordre. La particule, qui est à la fois onde et corpuscule, est décrite alors par l'équation de Schrödinger qui comprend différents états et différentes ondes, en superposition, sans qu'on puisse trancher sur « quel est l'état de la particule » mais seulement sur « quelle est la probabilité d'un tel état ».

Selon l'interprétation de Max Born retenue par la physique quantique, ce qui va trancher, c'est le fait d'effectuer une mesure. C'est cela « la réduction du paquet d'ondes » car, du moment que l'on aura mesuré d'une manière ou d'une autre la particule, l'équation de Schrödinger (qui décrit la fonction d'onde de la particule) sera interrompue, cassé, supprimée et une nouvelle fonction d'onde sera éventuellement créée…

La détection de la particule est donc une rupture, une discontinuité, un choc réel mais aussi un choc logique.

On montrera que ce n'est pas une limite de la connaissance humaine qui est pointée ici mais un mécanisme de fonctionnement de la matière/lumière et du vide quantique.
En effet, le caractère imprécis ou « indéterminé » de la particule, marqué par la fonction d'onde qui indique seulement une probabilité de présence de la particule, étalée dans un espace assez large ne provient pas de l'observation mais du fonctionnement quantique. L'observation et la captation de la particule a, au contraire, un caractère plus précis et même ponctuel. C'est avant détection que la particule s'étale dans l'espace…

Ce qui impressionne dans « la réduction du paquet d'ondes », c'est la rupture de continuité de la description, c'est aussi le changement brutal, instantané, et le passage d'une réalité étalée dans l'espace à une réalité ponctuelle. Cela a un petit caractère de mystère, de miracle, une odeur de soufre en somme…

Bien sûr, ceux qui veulent minimiser la difficulté feront comme si on détectait un objet que l'on pourchassait, et qui, rapidement, disparaissait à notre vue, puis était à nouveau capté, et ainsi de suite jusqu'à être définitivement attrapé, n'étant plus dès lors cet objet inattrappable et insaisissable autrement que par une « probabilité de présence ».

Cette image est rassurante mais elle ne convient nullement. Tout d'abord parce que ce que nous avons cherché à capter n'est pas un objet « corpuscule » mais réellement un mixte de corpuscule et d'une espèce d'onde, le corpuscule et l'onde n'étant pas tout à fait ce qu'on imaginait d'un corpuscule ni d'une onde.

On voit bien, notamment dans l'expérience des fentes de Young, que la réalité qui passe dans les deux fentes proches puis parvient à l'écran est un mixage d'onde et de corpuscule. Il y a les interférences (ondulatoires) et les impacts sur l'écran (corpusculaires).

On remarque également que la « réalité quantique » a des particularités qu'aucun objet, que l'on aurait seulement du mal à détecter, ne pourrait avoir. Par exemple, l'effet tunnel montre que la fonction d'onde peut traverser des obstacles, des barrières, infranchissables pour un objet.

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4690

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5606

L'expérience des fentes de Young peut être interprétée correctement par le vide quantique qui entoure la particule dite réelle d'un nuage de particules et d'antiparticules dits virtuels.

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4271

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4287

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4339

En mécanique quantique, la dualité onde-particule est expliquée comme ceci : tout système quantique et donc toute particule sont décrits par une fonction d'onde qui code la densité de probabilité de toute variable mesurable (nommées aussi observable). La position d'une particule est un exemple d'une de ces variables. Donc, avant qu'une observation soit faite, la position de la particule est décrite en termes d'ondes de probabilité.

Les deux fentes de Young peuvent être considérées comme deux sources secondaires pour ces ondes de probabilité : les deux ondes se propagent à partir de celles-ci et interfèrent.
Sur la plaque photographique, il se produit ce que l'on appelle une réduction du paquet d'onde, ou une décohérence de la fonction d'onde : le photon se matérialise, avec une probabilité donnée par la fonction d'onde : élevée à certains endroits (frange brillante), faible ou nulle à d'autres (franges sombres).

Cette expérience illustre également une caractéristique essentielle de la mécanique quantique. Jusqu'à ce qu'une observation soit faite, la position d'une particule est décrite en termes d'ondes de probabilité, mais après que la particule est observée (ou mesurée), elle est décrite par une valeur fixe.

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article882

Comment se fait-il qu'au lieu de donner une présence des particules de matière et de lumière, la physique donne seulement leur « probabilité de présence » ?

Tout d'abord, il faut voir que les quanta qui fondent la matière comme la lumière sont éphémères, se présentent sous la forme de couples particule-antiparticule qui se désintègrent rapidement. Ceux-là, l'observation est incapable de les détecter directement du fait de ce caractère éphémère. Par contre, ces particules éphémères sont celles qui, lorsqu'elles vont recevoir le boson de Higgs, vont devenir, de manière elle aussi fugitive, des particules dites « élémentaires » ou « réelles ». La présence des particules virtuelles est donc synonyme de la probabilité de présence des particules réelles…
On ne détecte donc pas les particules virtuelles mais seulement leur mouvement d'ensemble, improprement appelé « onde de probabilité de présence »

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1688

La fonction d'onde, notée psy, est un nombre complexe fonction de la position et du temps. Son interprétation ne peut pas être "réaliste" mais seulement d'une probabilité de matérialisation, comme Max Born l'a montré, puisque c'est la mesure qui crée l'interaction (constituant "l'effondrement de la fonction d'onde" ou une "réduction du paquet d'onde", passage de la probabilité au fait). On additionne des "amplitudes" dont le carré (|Y|2) donnera la probabilité de mesure. "Une amplitude de probabilité est un nombre complexe, défini par une partie réelle et une partie imaginaire, ou par un module et une phase, dont le carré du module est une probabilité, c'est-à-dire un nombre réel compris entre zéro et un qui donne la probabilité de position" Gilles Cohen-Tannoudji). La fonction d'onde pourrait se déduire du principe de moindre action….

En l'absence de tout observateur, un vecteur d'état est soumis à une loi d'évolution définie par l'équation de Schrödinger. Cette dernière permet de tenir compte de l'influence que peut subir une particule ou un système, de prévoir les effets d'interactions entre entités microscopiques, etc. Malgré la forme mathématique très particulière qu'elle revêt, cette partie du formalisme quantique est presque aussi bien maîtrisée que toute autre loi d'évolution en physique. Le problème apparaît avec le principe de réduction du paquet d'ondes. Comme nous l'avons vu, un vecteur d'état, sauf cas particuliers, est un état superposé qui définit des probabilités d'observation, c'est-à-dire que pour une observable, chacune de ses valeurs propres est associée à une probabilité comprise entre 0 et 1. Cependant, lorsque le système sera effectivement mesuré, une seule valeur précise pour cette observable sera obtenue. Outre l'aléatoire qui caractérise cette détermination et sur lequel nous reviendrons, nous avons vu que l'impossibilité de la contrafactualité en physique quantique nous interdit d'en conclure que l'observable avait bien cette valeur avant qu'un instrument de mesure rentre en interaction avec lui. Au contraire, la théorie quantique conventionnelle, qui ne définit un système que par le formalisme du vecteur d'état car seul celui-ci s'avère efficace, ne peut tenir compte d'une opération de mesure que par une modification soudaine du vecteur d'état, qui cesse d'être dans un état superposé, et au cours de laquelle toutes les valeurs propres de l'observable tombent à 0, sauf une qui prend la valeur 1. Tout le problème réside dans le fait qu'une telle modification du vecteur d'état ne semble pas du tout être prévisible au moyen de l'équation de Schrödinger….

Non seulement il est particulièrement gênant en physique que deux principes d'évolution soient nécessaires pour rendre compte de l'influence que peut subir un système, mais cela pose un grave problème épistémologique que la séparation entre les champs d'application de ces deux principes soit aussi floue. En effet le premier principe définit l'évolution 'normale'' du système tandis que le second s'applique spécifiquement à toute opération de mesure. Celle-ci se trouve alors dans en position d'exception et il est nécessaire d'établir une définition précise de ce qu'est une opération de mesure, un instrument de mesure et un observateur. C'est un problème qui a fait couler beaucoup d'encre et il semble impossible d'obtenir une solution qui ne soit pas fortement dualiste ou complètement anthropocentrique. Si les plus positivistes des physiciens peuvent être prêts à faire ce type de concessions, les scientifiques qui ont foi en une réalité indépendante de nous ne peuvent que difficilement s'y résigner. Il y a cependant un moyen de réunifier ces deux principes d'évolution pour ne garder que celui de l'équation de Schrödinger. Comme, après tout, l'instrument de mesure comme l'observateur lui-même sont effectivement composés de molécules, d'atomes et donc de particules, il est complètement envisageable de faire intervenir dans les calculs ces entités macroscopiques comme des systèmes quantiques composés d'un grand nombre de particules. L'observateur et son instrument de mesure peuvent donc en théorie être définis comme un système S ayant un vecteur d'état qui est un état enchevêtré de toutes leurs particules. Aussi, lors d'une opération de mesure effectuée sur le système étudié E, les système S et E entrant en interaction doivent par la suite composer un grand système G décrit par un seul vecteur d'état qui est l'enchevêtrement de toutes les particules de l'observateur, de l'instrument de mesure et de la préparation expérimentale. Le premier problème qui se pose alors est que dans ce grand système G, puisqu'il est dans un état enchevêtré inséparable, il n'est plus possible d'établir une distinction rigoureuse entre l'observateur, l'instrument de mesure et le système étudié et cela nous interdit de déterminer ce qui, des résultats de l'expérience, revient en propre à chaque élément. Ce point est l'autre fondement de la contextualité de la physique quantique et explique que celle-ci ait le plus grand mal à fournir un discours sur la nature des choses indépendamment de nous. Le second problème est qu'un tel état enchevêtré est également à coup sûr un état superposé. Comme seule la réduction du paquet d'ondes pouvait rendre compte du fait qu'un tel état doit soudainement changer pour prendre une valeur définie, avoir expulsé ce principe nous ferme cette possibilité. Nous devons donc par exemple considérer que, pas plus que la particule, ni l'observateur ni l'instrument de mesure n'ont de position bien définie. Apparaît un problème récurrent de la physique quantique et que nous avons déjà évoqué : comment faire le lien entre les lois du monde macroscopique et celles radicalement hétérogènes du monde microscopique sachant que les deux théories sont confirmées expérimentalement mais que la seconde est censée décrire le détail des éléments de la première ? Pour illustrer ce point Schrödinger avait fourni un célèbre paradoxe qu'il est intéressant de résumer ici. Il suffit d'imaginer une particule qui est dans l'état superposé des deux états possibles A et B. Un dispositif qu'il n'est pas nécessaire de décrire a pour conséquence d'émettre un gaz mortel si la particule est dans l'état A. Accompagné d'un chat, tout cela est placé dans une boîte fermée afin d'éviter toute observation pour que l'état en question reste superposé. Un raisonnement identique à celui du paragraphe précédent doit nous faire conclure que puisque la particule est à la fois en A et en B le chat doit à la fois être mort et vivant. Il ne devrait connaître un état défini que lorsque nous ouvrirons la boîte et réduirons le paquet d'ondes. La question se pose alors de savoir d'un côté, si les lois quantiques sont ainsi transposables aux entités macroscopiques, et de l'autre, puisque la conscience semble jouer un rôle clé dans la réduction du paquet d'ondes, si l'observation que le chat effectue spontanément de son propre état peut suffire. Dans tous les cas le principe de réduction du paquet d'ondes semble difficile à mettre de côté. Une célèbre théorie, communément admise dans la communauté des physiciens, a souvent été proposée comme solution au problème de la mesure, il s'agit de la décohérence. Celle-ci montre que l'état de superposition d'un système quantique est lié à sa cohérence interne. Là encore nous ne rentrons pas dans les détails mathématiques d'une telle théorie mais il faut juste noter qu'elle consiste à prendre en compte, outre celle de l'instrument de mesure, l'influence de l'environnement. Si dans un dispositif expérimental de quelques particules il est possible d'isoler le système de l'environnement extérieur, pour des raisons physiques liées à leur niveau d'énergie et à la constante de Planck, il est impossible d'isoler les systèmes macroscopiques de la sorte. Seul un système isolé peut être dit cohérent tandis que l'effet qui se manifeste quand on augmente d'échelle est justement la décohérence. Celle-ci a pour conséquence d'approcher toutes les valeurs propres d'une observable aussi proche de 0 qu'on le veut, sauf une qui par conséquent s'approche de 1 de la même manière. Ainsi, pour les systèmes macroscopiques, l'influence de l'environnement a pour conséquence de limiter les états de superposition car en pratique la valeur propre majorée peut être considérée comme égale à 1 et les autres à 0. Ainsi on tend à expliquer pourquoi les objets macroscopiques nous apparaissent comme ayant une position et une trajectoire bien définies. Mais, en toute rigueur, l'état de l'objet reste superposé et aucune de ses valeurs propres n'a une probabilité d'être observée de 1. Donc, pour expliquer qu'au moment d'une mesure c'est bien telle ou telle valeur qui est observée, il est nécessaire de réintroduire le principe de réduction du paquet d'ondes. La décohérence est une théorie confirmée par l'expérience qui a le grand mérite de nous aider à mieux comprendre le comportement quantique des entités macroscopiques, mais rigoureusement elle ne résout pas cet épineux problème que pose l'opération de mesure en physique quantique.

Incertitude et indétermination Si nous avons attribué à Dirac la reformulation en termes probabilistes de l'équation de Schrödinger, pour être juste il nous faut préciser que l'on doit à Max Born la première interprétation de cette équation comme définissant des probabilités d'observation. Cette interprétation eut le mérite de résoudre les problèmes que posait la représentation purement ondulatoire de Schrödinger mais introduisit une incertitude et une indétermination gênante dans la physique quantique. Une telle équation, déterministe concernant une onde, ne peut nous décrire une trajectoire et même très difficilement une position, seules des probabilités concernant les résultats de mesure peuvent être obtenues avec elle. Il faut noter qu'il ne s'agit pas là d'une simple incertitude comme on pourrait la constater dans d'autres domaines, où l'imperfection de nos instruments nous empêche de mesurer avec suffisamment de précision les grandeurs nécessaires à une prévision, comme Born l'affirmait, nous ne disposons pas de telles grandeurs dont la connaissance gommerait l'incertitude en question. Cette indétermination qui fait que seulement dans de rares cas il est possible de prédire réellement, c'est-à-dire avec une probabilité de 1, la valeur d'une variable est une conséquence directe de la structure mathématique du formalisme quantique. Nous avons déjà rapidement remarqué qu'en raison de cette originalité du formalisme de l'espace de Hilbert, certains observables, n'étant pas compatibles mathématiquement, ne le sont pas non plus expérimentalement. On doit à Werner Heisenberg d'avoir prouvé ce point grâce à ses relations d'incertitude (ou d'indétermination). Ainsi la position et la quantité de mouvement d'une particule ne peuvent être simultanément mesurées, pas plus que l'énergie d'un système et sa durée, du moins la précision de la mesure d'un des éléments entraîne inéluctablement l'imprécision du second. Plus généralement, s'il est possible, lors de préparations expérimentales ne prenant en compte qu'une seule variable, de déterminer, une fois une expérience effectuée, le résultat de tout autre expérience identique que l'on pourra tenter ultérieurement, dés qu'à un vecteur d'état sont associées plusieurs variables conjuguées (plusieurs observables sur une même particule ou plusieurs particules corrélées), seules des probabilités d'observation pourront être calculées. Si Born était plus circonspect, Heisenberg n'hésitait pas à affirmer que « la mécanique quantique établit l'échec final de la causalité ». Cette conclusion a cependant subi de nombreuses et pertinentes critiques, notamment il peut être remarqué que dans une formulation classique de la causalité : lorsque l'on connaît suffisamment les conditions, on peut en déterminer les conséquences, seule la prémisse est remise en cause par le formalisme quantique, pas la conclusion. En effet, définie ainsi sur la prévisibilité des phénomènes, le principe de causalité n'est pas proprement remis en cause par la microphysique, il est seulement rendu inapplicable. La question de savoir s'il est inapplicable pour des raisons contingentes liées aux limites de nos facultés cognitives et/ou à des attributs des choses en elles-mêmes reste encore de nos jours un sujet de controverse sur lequel nous aurons l'occasion de revenir. Toutefois, si l'on peut remarquer qu'un certain indéterminisme règne sur le fonctionnement des entités à l'échelle atomique, cela n'évacue par toute forme de déterminisme de la théorie quantique. Si en général elle n'est pas en mesure de prédire rigoureusement l'évolution d'un système particulier, concernant des ensembles statistiques, elle permet d'obtenir des prédictions ayant le même degré de précision que ce qu'il est possible d'obtenir concernant des systèmes physiques classiques. Alors que des variables conjuguées comme la vitesse et la position d'une particule ne semblent pas satisfaire aux conditions établies par le formalisme pour obtenir des prévisions au sens strict, les distributions statistiques de telles variables peuvent être prédites à l'aide d'un vecteur d'état avec le même degré de certitude que dans la plupart des expériences scientifiques. Le principe de succession selon une règle, essentielle à toute démarche scientifique, peut donc être conservé dans la mécanique quantique conventionnelle à condition que l'on ne recherche plus des règles déterministes concernant des corpuscules, mais concernant des ensembles statistiques. Cela pose de nouveau la question de savoir s'il est toujours nécessaire de conserver de telles notions corpusculaires ainsi qu'une nouvelle interrogation concernant la réalité qu'il faut attribuer à de tels ensembles statistiques. L'article EPR et les inégalités de Bell L'article fourni en 1935 par Einstein, Podolsky et Rosen, souvent qualifié de manière abusive de paradoxe EPR, est sûrement le texte le plus cité de toute la littérature scientifique. Il faut dire que sa formulation profondément réaliste mais d'une structure logique difficilement contestable eut l'audace de s'attaquer à une hypothèse généralement admise à ce moment là parmi les physiciens quantiques, l'hypothèse de complétude. Cette dernière affirme tout simplement que la théorie quantique, puisque n'ayant jamais (même de nos jours) été remise en cause par une quelconque expérience, doit constituer une description adéquate de la réalité. Cette hypothèse, d'inspiration fortement positiviste, n'est cependant absolument pas nécessaire à l'efficacité opératoire de la théorie quantique. Le texte EPR mérite davantage d'être appelé théorème EPR car il en a bien plus la structure logique et cette appellation correspond d'ailleurs mieux au réel dessein de ses auteurs. L'article est donc composé de prémisses et d'une conclusion et, s'il use d'un exemple particulier exprimé dans le formalisme quantique, le théorème EPR ressemble plus à un raisonnement philosophique et épistémologique qu'à un traité de physique. Ses prémisses sont d'une grande simplicité et d'une évidence certaine quoiqu'en partie appuyées sur le sens commun. Il est possible de les résumer en deux principes. Le premier, qui a été appelé localité ou séparabilité einsteinienne bien qu'il ait également été baptisé autrement en d'autres occasions, est fortement inspiré de la théorie de la Relativité et suppose juste que, si deux régions de l'espace sont suffisamment éloignées, puisque aucune influence plus rapide que la lumière n'est admise, les évènements qui se déroulent dans l'une sont complètement indépendants de ce qui se passe dans l'autre. Le second principe, dit critère de réalité, spécifie que si l'on peut prédire avec certitude la valeur d'une grandeur physique, c'est qu'un élément de réalité physique doit y correspondre. On peut d'ores et déjà constater comment ces deux principes ne sont guère difficiles à admettre et peuvent aisément faire l'unanimité sauf chez les plus idéalistes des épistémologues. L'exemple utilisé dans l'article EPR pour son raisonnement peut être remplacé par l'exemple standard que David Bohm proposa dans la même lignée et qui est d'une bien plus grande généralité. Il consiste à mettre en jeu une paire de particules corrélées, c'est-à-dire deux particules ayant un vecteur d'état commun et générées de sorte que l'une de leurs observables ait toujours une somme commune ; si l'une a une valeur de 1 l'autre doit avoir une valeur de -1. Ces deux particules sont ensuite projetées dans deux régions de l'espace assez éloignées pour que s'applique la séparabilité einsteinienne. Les règles de la mécanique quantique prévoient alors qu'en observant cette observable sur l'une de ces particules on connaisse sa valeur mais également celle de l'autre particule. Pour l'instant rien ne semble particulièrement problématique mais puisque l'on ne doit pas admettre la contrafactualité, cet exemple, avéré expérimentalement, signifie que observer l'une des deux particules réduit le paquet d'ondes, modifie le vecteur d'état commun et détermine les valeurs des deux particules. Si l'on admet à la fois l'hypothèse de complétude et le critère de réalité, il faut en déduire qu'un élément de réalité physique doit correspondre à chacune de ces deux valeurs, donc à chacune des deux particules, et que l'opération de mesure, non seulement influence la particule observée, mais également celle située dans une région de l'espace séparée. Autrement dit l'hypothèse de complétude, la localité et le critère de réalité ne peuvent tout trois être admis en même temps. C'est ainsi que EPR tenta de prouver l'incomplétude de la physique quantique et ouvrit la voie aux théories à variables supplémentaires que nous aborderons ultérieurement. Bien après que l'article EPR ait fait couler beaucoup d'encre, c'est John Bell qui démontra en 1964 une batterie de trois théorèmes qui fournit réellement de quoi progresser sur cette question. Ces trois théorèmes possèdent la même structure, ils posent chacun une série de prémisses à partir desquelles il est possible de déduire des inégalités dont on peut montrer qu'elles sont violées par des prédictions vérifiées de la mécanique quantique. Ainsi il est possible d'en apprendre beaucoup car ces prémisses ne peuvent alors pas être conservées ensembles. Le raisonnement de Bell se place dans la même lignée que le théorème EPR, philosophiquement en se fixant un but similaire -prouver l'incomplétude de la mécanique quantique- et méthodologiquement en adoptant une structure logique sensiblement similaire. Il a été perfectionné à plusieurs reprises et dans plusieurs sens par d'autres auteurs de sorte que désormais, si son interprétation est l'objet de discussion, sa validité logique fait l'unanimité. Les théorèmes de Bell posent les mêmes prémisses que celles d'Einstein, localité et réalité, ainsi que d'autres toutes aussi simples comme le libre choix de la mesure par l'expérimentateur et la validité du raisonnement par induction. Par des raisonnements par l'absurde du même type que celui de l'article EPR mais bien trop complexes pour être rapportés ici, les inégalités de Bell montrent essentiellement que la mécanique quantique, comme toute autre théorie visant à reproduire les mêmes prévisions, doit soit abandonner le critère de réalité soit la localité. En effet, puisque le formalisme quantique est non-local dans tous ses outils épistémiques, on peut considérer que celui-ci a une validité strictement opératoire et ne nous informe absolument en rien sur la nature d'une quelconque réalité fondamentale, dans ce cas on est encore en droit de supposer que cette dernière pourrait être purement locale. Sinon, si l'on veut affirmer que le formalisme quantique correspond, ne serait-ce que partiellement, à des éléments de réalité, il faut admettre que cette réalité doit être non-locale, c'est-à-dire que sont possibles des influences instantanées entre des éléments de deux régions séparées de l'espace-temps. Ce point est d'une importance capitale pour la compréhension de notre monde et/ou de la nature de notre connaissance des choses, et il sera d'un grand usage pour la suite de notre étude et notamment lors de l'analyse des diverses interprétations du formalisme quantique. Pour le moment il est déjà possible de constater comment le fait d'adopter une vision positiviste ou réaliste en physique quantique a une importance dans la structure logique de la théorie alors que, dans n'importe quel autre domaine scientifique, il ne s'agit que de points de vue philosophiques qu'il n'est pas nécessaire d'introduire dans les débats strictement scientifiques.

Les théories à variables supplémentaires Il est impossible de fournir ici la moindre description exhaustive de toutes les théories de ce type qui ont pu être proposées, c'est pourquoi nous nous contentons d'une rapide description structurelle et d'un bref et incomplet historique de l'apparition de ces théories. C'est à partir du résultat de l'article EPR que les partisans, comme Einstein, de l'incomplétude de la mécanique quantique tentèrent de construire une théorie qui devait dépasser, en l'intégrant, la théorie actuelle pour proposer les mêmes prédictions tout en rendant compte de manière plus cohérente du monde. Toutes ces tentatives sont classées comme théories à variables cachées, quoique beaucoup d'auteurs préfèrent parler de théories à variables supplémentaires car si la première formulation est consacrée par l'usage, la seconde est moins trompeuse et plus exhaustive. Bell étant de ces physiciens soucieux de retrouver une description du monde plus proche de ce que peut nous procurer notre intuition, c'est en travaillant à ce projet qu'il découvrit ses inégalités. Ces dernières posent d'ailleurs un cadre essentiel à toute entreprise de ce type, mais un cadre très restrictif comme nous l'avons vu car il y est établi qu'une théorie destinée à reproduire les prévisions de la mécanique quantique tout en revendiquant une description complète de la réalité doit contrevenir à la localité. C'est en effet en tentant de contourner ce point que ces théories furent considérées comme introduisant des variables cachées. Car la localité au sens de la Relativité n'interdit pas tout à fait toute forme d'influence plus rapide que la lumière mais seulement tous les transferts de signaux plus rapides que la lumière ; ce qui limite toutefois grandement le type d'influence non-locale permis. Le seul moyen alors de réconcilier une théorie ayant ce genre de visées ontologiques avec la théorie de la Relativité est de supposer que les influences à distance qui y sont possibles doivent correspondre à des variables qui nous sont complètement inaccessibles. Cependant nombre d'autres théories à variables supplémentaires introduisent pour d'autres raisons des variables qui n'ont rien de caché, ce qui explique le choix de la présente formulation. Si elles sont regroupées dans la même école de pensée, c'est que ces théories présentent un certains nombre de similitudes structurelles et conceptuelles. Elles ont toutes le même objectif : réinterpréter le formalisme quantique pour lui donner une signification ontologique. En d'autres termes, il s'agit de construire une théorie mathématiquement équivalente au formalisme conventionnel mais qui a prétention à décrire le réel tel qu'il est en soi, c'est-à-dire en définissant la nature des objets étudiés, le statut des particules et des opérateurs mathématiques, etc. En général d'une construction plus complexe que la théorie orthodoxe, ces alternatives réutilisent tout son bagage mathématique permettant la prédiction des phénomènes, substituent les termes du formalisme pour lui donner du sens et introduisent de nouveaux outils afin de gérer les variables ajoutées. Si l'engouement pour les théories à variables supplémentaires correspond plus ou moins à l'article EPR, on peut remarquer que la première construction de ce type fut la théorie de l'onde pilote que de Broglie proposa dans les années vingt, avant même que s'établisse le point de vue conventionnel en physique quantique que nous avons évoqué et que ces théories doivent remplacer. Bohm repris cette théorie à la suite de l'article EPR dans la perspective einsteinienne de compléter la physique quantique et Bell entreprit la synthèse et l'actualisation des travaux des deux physiciens dans une même optique. On peut sans trop de risque affirmer que la théorie de l'onde pilote, ainsi augmentée et raffinée, est l'archétype d'une théorie à variables cachées et nous permet d'en donner un bon exemple. Cette théorie consiste à supposer l'existence d'une fonction d'onde de l'Univers qui piloterait toutes les particules de l'Univers. Chacune d'entre elles possède alors position, vitesse et donc trajectoire, ce qui nous réconcilie avec des conceptions familières. Les particules sont alors des existences fondamentales qui possèdent une persistance ontologique, de même que cette fonction d'onde qui définit le potentiel quantique tout aussi réel de chaque particule. C'est ce potentiel, comparable à un champs de force et donc lui aussi susceptible d'une compréhension relativement intuitive, qui détermine les particules à parfois adopter un comportement si particulier, comme les franges d'interférence dans l'expérience de Davisson et Germer. Ce qui provoque alors les nombreux problèmes épistémologiques que nous avons remarqués, c'est le fait déjà constaté qu'une fonction d'onde ou un vecteur d'état décrivant plusieurs particules enchevêtrées n'est pas la somme ou le produit des vecteurs d'état de toutes ces particules. Comme nous ne pouvons connaître et quantifier en détail le vecteur d'état du système qu'est l'Univers, nous en sommes réduit à ne considérer que des sous-systèmes de celui-ci et leurs vecteurs d'état respectifs qui ne contiennent par conséquent pas toutes les informations permettant de décrire le comportement des particules qui y évoluent. De même l'influence de l'observateur que l'on peut considérer concernant le problème de la mesure se résout par le fait que nous aussi, observateurs, nous sommes composés de particules pilotées par la fonction d'onde de l'Univers et donc enchevêtrées avec toutes les autres. A l'instar de la théorie de l'onde pilote, on peut en général remarquer que les théories à variables supplémentaires, pour donner une interprétation ontologique à la physique quantique, réaménagent son formalisme pour réintroduire, sauvegarder ou renforcer des concepts classiques qui avaient étés plus ou moins abandonnés et notamment des conceptions corpusculaires. C'est par là même que de telles théories présentent un intérêt et un attrait certain, elles ont l'avantage d'offrir une description du monde quantique qui satisfasse à la grille de lecture classique avec laquelle nous avons tendance à raisonner. Nous allons maintenant voir qu'elles ont à faire face à un certain nombre de difficultés qui ne peuvent être négligées. Les difficultés Outre les théories à variables supplémentaires qui doivent être abandonnées car des erreurs mathématiques et logiques ont pu être décelées dans leur formulation, des difficultés très particulières d'ordre épistémologique et conceptuel sont communes à toutes les théories de ce type qui présentent pourtant une validité incontestée sur le plan logique. Premièrement il nous faut rappeler le commerce très spécial que doit entretenir toute théorie à variables supplémentaires avec la Relativité en raison des inégalités de Bell. Même s'il est possible de trouver des astuces structurelles qui permettent de réconcilier les deux par une légère modification du formalisme quantique ou de la Relativité, il demeure qu'en poursuivant son objectif de proposer une alternative à la mécanique quantique conventionnelle à l'aide de conceptions classiques, toute théorie à variables supplémentaire doit introduire une non-localité fortement contre intuitive. Aussi, si en effet une théorie à variables cachées permet une description plus intuitive des évènements du monde microscopique dans des cas simples ou des exemples types, l'équivalence avec le formalisme orthodoxe à laquelle ces théories doivent souscrire leur fait perdre toute cette simplicité dans des cas plus complexes, notamment lorsque augmente le nombre de dimensions de l'espace abstrait dans lequel évoluent les vecteurs d'état. On est donc en droit de penser que la cohérence que semble présenter ce type de théories pour rendre compte du monde quantique ne tient qu'à une efficacité pédagogique. La simplicité basée sur l'usage de termes classiques comme ceux de corps, position et vitesse dont ces théories peuvent faire preuve pour expliquer le comportement d'une particule se dissout progressivement lorsque le cas considéré se complexifie. De telles théories à variables supplémentaires présentent également une difficulté liée au fait même qu'elles aient pour but de fixer la nature fondamentale des existants du monde quantique, difficulté qu'elles partagent avec d'autres travaux théoriques à visée ontologique dans d'autres domaines scientifiques. En effet, une fois que la théorie a déterminé et décrit les éléments de réalités qui correspondent aux phénomènes quantiques, une rigidité a été introduite qui peut poser un certain nombre de problèmes conceptuels dés que de nouvelles données expérimentales sont apportées. De nouvelles avancées scientifiques peuvent alors sonner le glas d'une théorie à variables supplémentaires comme la théorie de Relativité remit en cause l'existence (mais pas l'efficacité) des champs de gravité newtoniens car le type d'existants fondamentaux qui avait été postulé se trouve impossible à conserver dans la nouvelle théorie. Ainsi, si la théorie conventionnelle, essentiellement opératoire, se garde de ce type de problèmes car elle s'abstient de se prononcer sur la nature des objets étudiés, une théorie qui a prétention à décrire la réalité fondamentale ne peut qu'avoir une postérité bien incertaine. Un problème bien plus radical et plus spécifique à la physique quantique caractérise toutes les théories à variables supplémentaires qui ont pu être construite. Si toutes ces théories, pourvu qu'elles soient correctement construites, reproduisent toutes les prédictions permises par la mécanique quantique, aucune n'a jamais fourni une prédiction vérifiée qui ne puisse être fournie par la théorie quantique conventionnelle. Autrement dit aucune n'a pu fournir la moindre preuve expérimentale de sa supériorité sur le modèle orthodoxe. D'autant plus que les théories à variables supplémentaires, puisque d'une construction mathématique plus complexe, ont toujours plus de mal à assimiler de nouvelles données fournies par l'expérience. Par conséquent ces théories ne peuvent avancer que leur clarté conceptuelle et leur efficacité pédagogique pour soutenir leur supériorité. Cela est particulièrement symptomatique si l'on considère que parmi les multiples modèles à variables supplémentaires qui ont pu être proposés et qui présentent chacun une parfaite cohérence interne, aucun n'a pu présenter d'argument décisif pour montrer sa supériorité sur les autres. Ainsi, même le physicien soucieux d'adhérer à une théorie décrivant le réel fondamentalement aurait bien du mal à discriminer parmi tous les modèles disponibles. Nous ne pouvons donc en toute rigueur, c'est-à-dire uniquement sur la base d'arguments rationnels, adhérer à aucune de ces théories à variables supplémentaires. Mais, à la suite de Bernard d'Espagnat, nous pouvons tout de même considérer ces modèles comme de bons « laboratoires théoriques » permettant de mieux analyser les enjeux ontologiques et épistémologiques que présente le formalisme quantique. Comme exemple ou contre-exemple, de telles constructions, visant à décrire avec un maximum d'objectivité le monde quantique, permettent d'éviter certaines conclusions et généralisations hâtives à partir de données expérimentales qui pourraient être interprétées de diverses manières.

Quel que soit l'objectif du physicien, qu'il ait une véritable volonté théorique visant à décrire les choses en soi ou qu'il se cantonne à un travail opératoire et à l'établissement de règles de prédiction efficaces, certaines questions d'ordre ontologique ne peuvent être ignorées car elles doivent inévitablement se poser au scientifique qu'il soit d'inspiration plutôt réaliste ou plutôt positiviste. Ainsi la question de savoir si le concept de corps matériel doit être conservé en physique quantique est inévitablement posée car quelle que soit l'obédience du discours, il fait invariablement référence à des objets précis dont la nature doit, à un moment ou à un autre, être traitée. Même si l'on estime que la nature des objets étudiés en physique quantique ne peut être fixée, on a d'ores et déjà admis que le concept de corps matériel n'y a plus l'évidence qu'il revêt dans la physique classique. Pour reprendre le propos de l'épistémologue Michel Bitbol, en toute rigueur il n'est pas possible de retrouver en physique quantique le type d'invariants dont l'on dispose en physique classique comme dans la vie courante et qui nous permettent de faire usage en toute légitimité du concept de corps matériel. Si l'on définit comme lui un corps matériel comme « un secteur d'espace tridimensionnel objectivé par la détermination d'effets locaux invariants sous un ensemble de changements réglés », ni une localisation précise ni aucun effet particulier ne nous sont disponibles pour justifier l'usage en mécanique quantique d'une telle notion corpusculaire. De même, quelle que soit la théorie de la référence utilisée, les conditions nécessaires à une objectivation ne sont pas réunis, que ce soit des procédures de suivi ou des modalités trans-temporelles de réidentification. Mais les pères fondateurs de la microphysique ne s'y sont pas trompés en faisant preuve d'une grande prudence, dés la naissance de la physique quantique, quand à la nature des entités étudiées. Ainsi Schrödinger abandonna très tôt le concept de corpuscules dés lors qu'il n'était plus possible d'avoir de position et de trajectoire clairement définies. Ce sera Bohr qui ira le plus loin en affirmant que l'on est réduit à décrire des dispositifs et des résultats expérimentaux et que les hypothétiques propriétés de corps existant indépendamment de toute observation nous sont inaccessibles et n'ont même aucun sens. Cependant, malgré son caractère particulièrement opératoire, la théorie quantique, dans sa formulation orthodoxe, n'est pas exempte de considérations corpusculaires. Il y est constamment fait référence à des particules mais dont on n'exige pas que leur description réunisse tous les éléments nécessaires à une objectivation rigoureuse du type de celle d'un corps matériel et dont on ne s'attend pas à ce qu'elles reproduisent tous les comportements généralement associés à une entité corpusculaire. Ainsi une particule possède une position et une vitesse bien définies, mais uniquement lors d'une mesure et jamais simultanément. Cet usage d'une notion très proche de l'idée d'un corps matériel mais qui n'en présente que peu de caractéristiques est symptomatique, non seulement du flou qui caractérise les objets étudiés dans la physique quantique conventionnelle, mais également de l'impossibilité d'y utiliser le concept intuitif de corps matériel dont nous disposons. En général les théories à variables supplémentaires s'attachent à restaurer pleinement toutes les conditions nécessaires à l'usage d'un tel concept. Cependant cela se paye d'un coût épistémologique très lourd car, outre la non-localité qui doit être admise, des variables inobservables empiriquement doivent être acceptées pour que l'on puisse continuer à parler des particules comme de petits corps matériels disposant en permanence d'une position, d'une vitesse, d'une trajectoire, etc. Cela se rajoute aux difficultés que nous avons traitées précédemment et nuit grandement à leur crédibilité car c'est par des invariants qui ne correspondent à aucune donnée observable, donc à aucune modalité référentielle, qu'une stabilité suffisante est trouvée pour redonner du sens au concept de corps matériel. Pourtant, dans nombre d'expériences, il est possible d'effectuer des observations enchaînées ou des détections coordonnées de sortes que l'on puisse constater des impressions de trajectoire concernant une particule, mais, en raison des relations d'incertitude d'Heisenberg, seule l'introduction de données supplémentaires non-empiriques permettent d'en conclure logiquement à la présence localisée, même en l'absence de mesure, de la particule en chacun des moments de la trajectoire. Cette survie artificielle de notions corpusculaires inutiles au formalisme, pour son efficacité prédictive, peut alors rapidement passer pour une simple astuce conceptuelle, voire un vulgaire réflexe défensif, de la part des ultimes partisans de la réalité fondamentale des corps matériels. Nous avons cependant déjà remarqué que même si l'on n'admet aucune théorie à variables supplémentaires, il est possible de leur trouver une grande utilité épistémologique. Quoiqu'il en soit, même un modèle à variables cachées est obligé d'admettre le comportement souvent fort contre intuitif des particules et la présence d'autres entités réelles et non corpusculaire comme des potentiels ou champs quantiques pour rendre compte de ces bizarreries. Il arrive que les interprétations de la théorie quantique dites statistiques ou stochastiques soient présentées comme résolvant la question de la nature des entités du monde microscopique. Une telle interprétation part du fait que le formalisme du vecteur d'état et de l'espace de Hilbert est une description complète et adéquate d'ensembles statistiques de systèmes physiques. La parfaite prédictibilité dont fait preuve le formalisme quantique au sujet de distributions statistiques suscite en effet l'unanimité, pourtant diverses interprétations basées sur cette certitude sont envisageables. Ainsi on ne peut considérer ni les vecteurs d'état ni les ensembles statistiques comme réels tout en leur restituant la complète validité opératoire qui leur est due, ou considérer le formalisme quantique comme une description complète et adéquate de la réalité à condition que ces ensembles statistiques constituent des entités réelles. Dans le cadre de la première hypothèse il est alors possible, dans une optique réaliste, de construire sur cette base une théorie à variables supplémentaires qui assigne à chaque système individuel toutes les propriétés d'un corps matériel en considérant qu'ils ne sont pas soumis individuellement aux étrangetés de ce formalisme. Mais il est également acceptable, sur la même base, de tenir un discours d'inspiration positiviste où cette seule efficacité opératoire est considérée comme suffisante et où le concept de corps matériel n'est plus alors nécessaire. La seconde hypothèse, si elle n'établit pas quelle est la nature des entités qui composent les ensembles statistiques, a cependant le mérite de sauvegarder le déterminisme, car s'il ne s'applique pas aux systèmes individuels, il reste complètement opérant au sujet de ces ensembles. Il faut tout de même remarquer qu'une interprétation positiviste qui ne se prononce pas sur la nature des entités individuelles, contrairement à une théorie stochastique à variables supplémentaires, reste condamnée à invoquer le principe de réduction du paquet d'ondes pour rendre compte qu'à chaque mesure on observe sur chaque système individuel des valeurs bien définies. Dans tout les cas, si les interprétations statistiques du formalisme quantique permettent de construire de cohérentes théories à variables supplémentaires et peuvent expliquer l'efficacité opératoire de la physique quantique concernant des distributions statistiques, elles n'apportent pas vraiment de réponse au problème ontologique posé quand au maintien ou non du concept de corps matériel pour le monde microscopique. Ainsi on peut voir clairement que pour expliquer la théorie quantique comme pour prouver son efficacité, celle-ci n'a absolument pas besoin de notions corpusculaires. Cependant, comme Bitbol le suggère, si de telles notions sont maintenues dans le langages de la plupart des physiciens c'est peut-être parce qu'elles sont nécessaires pour conserver un lien entre ce formalisme si particulier et l'expérience commune qui est la nôtre et dans laquelle nous pouvons en général toujours compter sur des entités spatialement bien localisées et dont le suivi ne pose guère de problème. Le statut de la conscience Il nous faut maintenant revenir au problème de la mesure que nous n'avons fait que poser précédemment et notamment sur le statut particulier que le principe de réduction du paquet d'ondes semble donner à l'observation et donc à la conscience. Dans une perspective réaliste ce problème du statut de la conscience est très grave car il devient alors très complexe de construire une description objective de la réalité indépendante. Mais le physicien positiviste doit également être gêné par ce statut très particulier et très important qui est donné à l'influence de l'observateur dans toute opération de mesure car il empêche à première vue de trouver une équation prédictive purement déterministe concernant les résultats de mesures possibles sur un système individuel. La question est donc de savoir si la théorie quantique donne vraiment un statut exceptionnel à la conscience ou s'il est possible de retrouver une description purement physicaliste du réel qui réutilise le même formalisme. Dans un premier temps il faut remarquer que la plupart des théories à variables supplémentaires, dans l'optique d'une description cohérente du réel, évacuent complètement le principe de réduction du paquet d'ondes, et donc toute intervention de la conscience. Pour cela elles supposent généralement que toutes les observables d'un système ont toujours des valeurs bien définies bien qu'elles ne soient pas données par son vecteur d'état. Dans ce cas l'opération de mesure, comme dans toutes les autres sciences, ne fait que dévoiler une donnée préexistante et le vecteur d'état, qui n'est pas plus une description complète du système, n'est actualisé que grâce à l'apport de cette nouvelle donnée comme dans tout fonctionnement probabilistique en physique classique. Cependant nous avons déjà assez précisé les problèmes épistémologiques que soulèvent les théories à variables cachées pour que nous ne nous suffisions pas des solutions qu'elles proposent et qui ne sont de toute manière pas admissibles dans une optique positiviste. Nous devons tenter d'éclaircir le problème posé par le statut de la conscience dans le strict cadre de la théorie quantique conventionnelle. Partons pour cela de la célèbre théorie des états relatifs proposée par Hugh Everett. Celle-ci évacue complètement le principe de réduction du paquet d'ondes mais d'une manière très particulière : il n'est pas question de supposer pour cela des valeurs prédéterminées aux observables du système, bien au contraire, même après la mesure, ces observables ne sont toujours pas considérées comme ayant des valeurs déterminées. Pour se passer ainsi de la réduction du paquet d'ondes et résoudre le problème de la mesure, la théorie des états relatifs se propose de traiter la conscience comme une propriété purement physique de l'observateur, lui-même conçu comme un automate de sorte qu'il n'y ait aucune différence entre lui et n'importe quel autre instrument de mesure. Ainsi, après l'interaction, entre un observateur et un système étudié, que nous appelons communément opération de mesure, le grand système composé de leur combinaison se trouve dans un état enchevêtré, et superposé car il n'y a pas eu réduction du paquet d'ondes. L'observateur, comme tout système quantique dans la théorie orthodoxe, est alors considéré comme étant dans plusieurs états en même temps. Mais comment expliquer alors l'unicité que nous observons perpétuellement à propos de la valeur d'une observable mesurée aussi bien qu'au sujet de notre propre conscience ? La théorie des états relatifs montre comment il découle directement des règles de la mécanique quantique que les différentes'branches'' du vecteur d'état du système total, qui correspondent chacune à un état précis, ne communiquent pas entre elles et sont individuellement cohérentes. En réalité, selon cette théorie, lors d'une mesure, nous observons toutes les valeurs possibles de l'observable considérée mais dans autant d'états de conscience qui ne communiquent pas entre eux. On comprend alors bien comment la théorie de Everett a pu être à la base de la tout aussi célèbre théorie des mondes multiples de Bryce De Witt. Toute opération de mesure crée plusieurs ramifications qui peuvent cohabiter sans encombre en raison du cloisonnement qui les caractérise. Etant donné le nombre de consciences et de mesures effectuées dans l'univers on peut imaginer un nombre astronomique et en augmentation constante pour ces ramifications. Le concept des mondes multiples vient tout simplement de l'idée, que l'on ne peut ni réfuter ni prouver, qu'à la création d'une ramification doit correspondre celle d'un univers correspondant de sorte que le nombre des univers parallèles doit lui aussi être dans une augmentation constante. Aussi étrange qu'elle puisse paraître, la théorie des états relatifs est logiquement très cohérente et permet d'expulser efficacement le principe de réduction du paquet d'ondes sans introduire de données inobservables. Que l'on considère son modèle comme valide ou non, le coup de génie d'Everett demeure qu'il ait songé à faire glisser le problème de la mesure de considérations physiques à une conception davantage psychologique, tout en admettant comme valide l'essentiel des règles de la mécanique quantique conventionnelle. Cependant, dans l'analyse que d'Espagnat a pu en proposer, il est possible de remarquer que la théorie des états relatifs peine quelque peu à donner un statut à la mémoire de l'observateur et qu'il est nécessaire pour régler ce point de retomber sur un certain dualisme car l'état de conscience de l'observateur est alors une propriété particulière soumise à un régime spécial. Dans ce dernier cas, si la théorie des états relatifs a le mérite de refuser à la conscience une quelconque influence lors de l'opération de mesure, elle ne parvient pas tout à fait à lui enlever son statut particulier.
Quelle que soit la tournure dans laquelle nous prenons le formalisme quantique orthodoxe, on doit inévitablement constater que les notions d'observation et d'observateur ne peuvent en être expulsées. Etant donné que toute forme d'observation suppose une conscience correspondante et que toute formulation de loi en physique quantique conventionnelle ne peut manquer de faire appel à ce concept d'observation, une vision matérialiste de la théorie quantique du type de celle habituellement adoptée en physique classique, c'est-à-dire éjectant complètement toute référence à l'esprit humain, n'est tout simplement pas envisageable. Et cela est tout à fait indépendant du problème posé par la réduction du paquet d'ondes car par exemple la règle de Born, qui sert à calculer la probabilité que telle valeur soit mesurée sur telle observable, ne peut être transformée en une règle nous permettant de déterminer la valeur que telle observable a avant la mesure que si l'on se place dans le cadre d'une théorie à variables supplémentaires. Donc soit on prend le formalisme dans sa mouture orthodoxe et on est alors dans l'incapacité de tenir l'habituel discours scientifique et physicaliste, soit on adhère à l'une des théories à variables cachées mais, en admettant ainsi des données non-empiriques, on s'expose à l'accusation scientiste, habituellement réservée aux théories les moins matérialistes, d'accepter des hypothèses métaphysiques. Comme le remarque Bitbol, cette irréductible présence de l'expérimentateur dans la formulation de la théorie quantique fera rappeler à Bohr ce fait, pourtant déjà remarqué par la tradition philosophique mais oublié dans la construction de la méthode scientifique, que « nous sommes aussi bien acteurs que spectateurs dans le grand drame de l'existence ».

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article685

Lire encore que la réduction du paquet d'ondes :

https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9duction_du_paquet_d%27onde

http://www.physique-quantique.wikibis.com/reduction_du_paquet_d_onde.php

https://blogs.mediapart.fr/jean-paul-baquiast/blog/210716/la-reduction-du-paquet-donde-est-elle-une-realite-objective

https://datafranca.org/wiki/Processus_de_r%C3%A9duction_du_paquet_d%E2%80%99ondes

https://forums.futura-sciences.com/physique/163843-reduction-paquet-donde-decoherence.html

https://fr.quora.com/La-d%C3%A9coh%C3%A9rence-et-la-r%C3%A9duction-du-paquet-donde-sont-elles-synonymes

https://www.phy.ulaval.ca/fileadmin/phy/documents/PDF/Pedago/Ondes_v3.pdf

https://www-fourier.ujf-grenoble.fr/~faure/enseignement/meca_q/cours.pdf

https://fr.quora.com/La-conscience-est-elle-n%C3%A9cessaire-pour-la-r%C3%A9duction-du-paquet-donde

https://forums.futura-sciences.com/physique/822683-quantique-mesure-reduction-paquet-donde-observateur.html

https://scienceetonnante.com/2022/12/08/mesure-quantique-coleman/

https://www.pourlascience.fr/sd/epistemologie/l-observateur-un-defi-pour-la-physique-quantique-18875.php

L'interprétation de la Physique quantique est souvent victime du dualisme

Robert Paris — 2023-12-16T23:55:00Z

L'interprétation de la Physique quantique est souvent victime du dualisme

Qu'est-ce que le dualisme ? C'est une conception philosophique, notamment issue des religions, qui divise le monde en deux, d'un côté la vie et de l'autre la mort, d'un côté l'être et de l'autre le néant, d'un côté l'âme donnée par dieu et de l'autre le monde matériel, d'un côté la sainteté et le paradis et de l'autre le pêché, d'un côté l'esprit de l'autre le corps, d'un côté l'homme de l'autre la nature.

Quel rapport cette vieille question philosophique du dualisme peut-elle avoir avec la Physique quantique ? Nombre de commentateurs des expériences quantiques en déduisent que c'est l'esprit de l'expérimentateur qui a déterminé le résultat de l'expérience, niant ainsi non seulement l'objectivité des résultats mais, du coup, l'objectivité de l'existence même de la réalité matérielle.

Certains en déduisent même que nous vivons non dans un monde matériel mais dans une simulation fabriquée par notre esprit. Peut-on réellement déduire une telle affirmation des expériences quantiques les plus étonnantes (fentes de Young, expérience du type EPR, expérience d'Aspect, intrication, décohérence, réduction du paquet d'ondes, chat de Schrödinger ou autres) ?

Dans cet article, nous voulons montrer que le vide quantique, considéré comme la véritable base matérielle du monde, donne une réponse tout à fait satisfaisante qui permet d'interpréter toutes les expériences quantiques contraires à notre ancien réalisme ou matérialisme tout en rejetant le dualisme, le positivisme et l'agnosticisme (philosophie qui affirme que nous ne pouvons pas trancher). Le « virtuel » y est considéré comme réel et le « réel » seulement une construction à partir du virtuel.

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1469

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1324

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4519

http://www.matierevolution.org/spip.php?article4516

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article43

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article923

Rappelons en effet que la « réalité » d'une particule n'est rien d'autre qu'une question d'énergie suffisante, laquelle est transmise par le boson de Higgs à une particule dite auparavant « virtuelle ». La réalité de la particule est durable mais la particule qui l'obtient ne l'est pas. Cette « réalité » transmise par le Higgs saute d'une particule virtuelle à une autre. Et c'est cela qui est cause de tous les étonnements que l'on constate en examinant les expériences quantiques ! Mais c'est aussi le moyen de les expliquer tous sans nier la réalité matérielle, la vraie, celle des particules dites virtuelles, c'est-à-dire celle du vide quantique. C'est cela qui explique aussi bien l'expérience des fentes de Young, le caractère probabiliste de la présence d'une particule, les inégalités d'Heisenberg et autres « bizarreries quantiques »…

La physique quantique nous condamne-t-elle à ne pas décrire du tout la réalité sous-jacente aux lois de la physique ? Pas du tout !

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3835

La matière existe objectivement, eh oui !

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4427

La physique quantique nie-t-elle vraiment que la matière existe ? Disons qu'elle affirme, souvent de manière dite « positiviste » et à notre avis à tort, que l'on ne peut pas trancher sur l'objectivité de la matière.

« Bohr explique qu'il est impossible d'obtenir une séparation bien nette entre le comportement des objets atomiques et leur interaction avec les appareils de mesure qui définissent leurs conditions d'existence. Cela signifie que la vitesse d'une particule, par exemple, n'est pas une propriété de la particule, mais une propriété partagée entre la particule et l'instrument de mesure. De cela, Bohr déduit que l'on doit bien se garder de tout raisonnement sur la réalité objective non observée. » écrit Etienne Klein dans « Regards sur la matière ».

Le physicien quantique Werner Heisenberg explique que c'est la séparation radicale entre l'« objet » et l'observateur à travers ses appareils de mesure qui est illusoire :

« En physique classique, la science partait de la croyance - ou devrait-on dire de l'illusion ? - que nous pouvons décrire le monde sans nous faire en rien intervenir nous-mêmes. [...] La théorique quantique ne comporte pas de caractéristiques vraiment subjectives, car elle n'introduit pas l'esprit du physicien comme faisant partie du phénomène atomique ; mais elle part de la division du monde entre « objet » et reste du monde, ainsi que du fait que nous utilisons pour notre description les concepts classiques. Cette division est arbitraire. »

Il est exact que des physiciens quantiques éminents ont dit qu'on ne pouvait confirmer l'existence d'une matière indépendante de la pensée humaine :

Heisenberg :

« Il n'y a pas de monde quantique. Il y a seulement une description quantique abstraite. Il est erroné de penser que la tâche de la physique est de savoir ce qu'est la Nature. La physique s'occupe de ce que nous pouvons dire sur la Nature. »

Bohr :

« Vous voyez, la description de la mécanique quantique se fait en termes de connaissance. Et la connaissance nécessite quelqu'un qui connaît ».

Pourquoi la physique quantique nous pose autant de problèmes philosophiques ?

Prenons une particule et examinons son cheminement à travers un trou assez étroit. La particule émise d'un côté sort de l'autre côté, mais si le trou est étroit (de l'ordre de la longueur d'onde), la particule perd sa directionnalité. Que s'est-il passé. On dit qu'elle a diffusé. Mais ce que cela signifie pour un corpuscule ou pour une onde n'est pas identique. Un corpuscule muni d'une vitesse ne devrait pas diffuser, alors que, pour une onde, c'est normal. Mais la physique quantique répond que la particule ne peut connaître en même temps sa position et sa vitesse (inégalités d'Heisenberg) et, en passant par le trou, la connaissance de la position est trop grande pour conserver l'information de la vitesse. Que signifie pour la particule cette inégalité d'Heisenberg. Où se situent ces informations dans la particule, pour la physique quantique, c'est motus et bouche cousue. Aucune sorte de réponse ! Or, nous avons là un phénomène ultra simple. C'est seulement l'image de complémentarité onde/corpuscule qui passe mal… par le trou ! Et cela pour une raison fondamentale : personne n'est capable de nous donner une image de la relation entre l'existence sous forme d'onde de la particule et son existence sous forme de corpuscule...

Dans l'effet tunnel, la particule franchit un puit de potentiel en tant qu'onde qu'elle ne pourrait pas franchir en tant que corpuscule. Dans l'effet photoélectrique, la particule de lumière détache un électron de l'atome qu'elle ne pourrait pas détacher en tant qu'onde. Dans les fentes de Young, une particule interfère avec elle-même en passant à la fois par deux fentes ce qu'un corpuscule ne peut absolument pas faire et qu'une onde parvient aisément à faire.
A chaque fois qu'un phénomène fait appel au niveau quantique (par exemple un phénomène concernant une seule particule), on trouve ces contradictions irréductibles. Le problème conceptuel se situe des deux côtés : celui du corpuscule et celui de l'onde. Il y a un indéterminisme fondamental dans le niveau quantique et il est difficilement interprétable en termes de corpuscules. Cet indéterminisme s'exprime sous forme de probabilité. Il y a un déterminisme dans les lois quantiques et cela est difficilement en termes d'ondes réelles. Au point que la quantique a renoncé aux ondes réelles pour accepter les "ondes de probabilité de présence" !

Prenons un exemple de la première contradiction. Un rayonnement atteint une surface. Une partie du rayonnement traverse et une partie est réfléchie. On peut savoir quelle part (en pourcentage calculable) du rayonnement fera quoi mais on ne peut pas savoir quelle particule de lumière fera quoi. C'est seulement une probabilité. Alors comment une particule de lumière sait-elle si elle sera réfléchie ou réfractée ? Motus ! La quantique ne sait pas répondre ou affirme que la réponse ne vient pas de la nature !
D'autres phénomènes supposent qu'une particule soit déviée vers le haut ou vers le bas dans un certain pourcentage, mais, là encore, pour chaque particule, on ne sait pas si elle sera déviée vers le haut ou vers le bas et comment elle sait ce qu'elle doit faire, ni comment l'ensemble de ces particules réalise la probabilité voulue.

La lumière polarisée traversant un verre polarisateur est interprétée en physique quantique par le fait qu'une partie des photons passent et une partie sont bloqués de manière aléatoire en fonction d'une probabilité déterminée par le cosinus carré de l'angle d'incidence du rayon lumineux. Sauf que l'on ignore comment chaque photon sait qu'il va être bloqué ou pas et comment, du coup, la probabilité s'établit…

L'une des hypothèses est que la "particule" n'est rien d'autre qu'un phénomène issu d'un niveau d'organisation inférieur, mais ce niveau ne peut pas être constitué d'objets du type matière/lumière, la question dite des "paramètres cachés" ayant été résolue négativement. C'est donc le vide et les particules virtuelles qui seraient le fondement du phénomène émergent de matière/lumière. Reste à concevoir, donc à philosopher sur, cette émergence...

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article2265

Certains commentateurs de la Physique quantique et même certains physiciens affirment que la matière n'existerait que pour une conscience humaine… Mais il n'est pas exact que ce soit la seule interprétation possible des expériences quantiques.

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5023

Trust my science :

« Une expérience quantique le confirme : la réalité n'existe pas. »

https://trustmyscience.com/experience-quantique-confirme-que-la-realite-n-existe-pas-tant-qu-elle-n-est-pas-mesuree/

https://trustmyscience.com/experience-quantique-confirme-realite-objective-n-existe-pas/

Mais il n'est pas exact que la réalité n'existe que quand on l'observe ou qu'on la mesure

Le physicien Erwin Schrödinger dans « Physique quantique et représentation du monde » :

« Des systèmes microscopiques peuvent exister et posséder des propriétés définies indépendamment de toute connaissance qu'un observateur quelconque peut avoir ou ne pas avoir à leur sujet. »

Le physicien Einstein optait pour l'hypothèse réaliste.

« A la source de ma conception, il y a une thèse que rejettent la plupart des physiciens actuels (école de Copenhague) et qui s'énonce ainsi : il y a quelque chose comme l'état "réel" du système, quelque chose qui existe objectivement, indépendamment de toute observation ou mesure, et que l'on peut décrire, en principe, avec des procédés d'expression de la physique. » écrit Einstein, dans "Remarques préliminaires sur les concepts fondamentaux".

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4285

Werner Heisenberg résume ainsi la position d'Albert Einstein, qui s'opposait à l'interprétation de Copenhague :

« Cette interprétation [dit Einstein] ne nous décrit pas ce qui se passe, en fait, indépendamment des observations, ou pendant l'intervalle entre elles. Mais il faut bien qu'il se passe quelque chose, nous ne pouvons en douter ; [...] Le physicien doit postuler qu'il étudie un monde qu'il n'a pas fabriqué lui-même et qui est présent, essentiellement inchangé, si le scientifique est lui-même absent. »

Werner Heisenberg répond :

« L'on voit facilement que ce qu'exige cette critique, c'est encore une fois la vieille ontologie matérialiste. Mais quelle peut être la réponse du point de vue de l'interprétation de Copenhague ? [...] Demander que l'on « décrive ce qui se passe » dans le processus quantique entre deux observations successives est une contradiction in adjecto, puisque le mot « décrire » se réfère à l'emploi des concepts classiques, alors que ces concepts ne peuvent être appliqués dans l'intervalle séparant deux observations [...] L'ontologie du matérialisme reposait sur l'illusion que le genre d'existence, la « réaliste » directe du Monde qui nous entoure, pouvait s'extrapoler jusqu'à l'ordre de grandeur de l'atome. Or, cette extrapolation est impossible. »

En fait, il y a eu des physiciens quantiques ayant toutes les sortes de philosophie, du réalisme d'Einstein au monisme idéaliste de Schrödinger et la physique quantique est bien loin de favoriser particulièrement une thèse dualiste…

Deux exemples de déclarations de l'école de Copenhague

Le physicien quantique Born déclare :
« Le vrai positivisme est obligé de nier la réalité de l'existence objective du monde extérieur, ou, au moins, la possibilité d'affirmer quoique ce soit à son sujet. »

Le physicien quantique A. Landé affirmait :

« Il n'est pas étonnant que Sir James Jeans, après avoir étudié Bohr et Heisenberg, soit arrivé à la conclusion triomphale que la matière consiste en ondes de connaissance dans notre esprit. » (dans « Du dualisme à l'unité dans la physique moderne »)

Ces physiciens confondaient la découverte de la dynamique matérielle sans cesse changeante, d'une matière inséparable du vide quantique, sautant d'un état à un autre, capable de disposer de plusieurs potentialités, avec l'inexistence d'une matière objective. Ils confondaient également l'interaction particule-appareil de mesure avec une interaction corps-esprit. Ils découvraient que la matière n'est pas immuable et en déduisaient qu'elle n'existe pas !!! Ils ont confondu le fait qu'on ne trouve pas de brique élémentaire de la matière avec l'absence totale de la matière et la seule existence de la pensée sur la matière !!!

Il n'était nécessaire de suivre les pensées positivistes des tenants de l'école de Copenhague pour penser que l'on ne pouvait pas suivre une particule comme un objet individuel. Ainsi, Schrödinger, qui récusait Copenhague, écrivait :

« Les particules ne sont pas des objets identifiables. (...) elles pourraient être considérées comme des événements de nature explosive (...) On ne peut pas arriver – ni dans le cas de la lumière ni dans celui des rayons cathodiques - à comprendre ces phénomènes au moyen du concept de corpuscule isolé, individuel doué d'une existence permanente. »

Erwin Schrödinger, dans « Physique quantique et représentation du monde »

Schrödinger écrivait encore :

« Si j'observe une particule ici et maintenant, et si j'observe une particule identique un instant plus tard et à un endroit qui est très proche de l'endroit précédent, non seulement je ne peux pas être assuré qu'il s'agit de « la même » particule, mais un énoncé de ce genre n'aurait aucune signification absolue. Ceci paraît être absurde. Car nous sommes habitués de penser que, à chaque instant, entre les deux observations, la première particule doit avoir été « quelque part », qu'elle doit avoir suivi une « trajectoire », que nous connaissions celle-ci ou non. Et de même nous sommes habitués de penser que la seconde particule doit être venue de quelque part, doit avoir « été » quelque part au moment de notre première observation. (…) En d'autres termes, nous supposons – en nous conformant à une habitude de pensée qui s'applique aux objets palpables (note de matière et révolution : c'est ce que croyait Schrödinger avant que l'on montre que nous ne voyons rien en continu, même à notre échelle) – que nous aurions pu maintenir notre particule sous une observation « continue » et affirmer ainsi son identité. C'est cette habitude de pensée que nous devons rejeter. Nous ne devons pas admettre la possibilité d'une observation continue. Les observations doivent être considérées comme des événements discrets, disjoints les uns des autres. Entre elles il y a des lacunes que nous ne pouvons combler. Il y a des cas où nous bouleverserions tout si nous admettions la possibilité d'une observation continue. C'est pourquoi j'ai dit qu'il vaut mieux ne pas regarder une particule comme une entité permanente, mais plutôt comme un événement instantané. Parfois ces événements forment des chaînes qui donnent l'illusion d'être des objets permanents, mais cela n'arrive que dans des circonstances particulières et pendant une période de temps extrêmement courte dans chaque cas particulier. (…) »

La différence entre Copenhague et les autres physiciens, c'est que Copenhague affirmait que c'est l'observation qui créait la réalité, que les propriétés intrinsèques de la matière n'existaient que si on les observait et que, sinon, on ne pouvait rien dire dessus, que, par conséquent, la matière elle-même ne pouvait pas se voir attribuer une existence tant qu'on ne l'avait pas observée et qu'on ne pouvait rien dire sur ce qu'était la matière avant observation. Toute réalité objective devait donc être bannie, selon ces physiciens !

A contrario, on peut lire aujourd'hui :

« Des systèmes microscopiques peuvent exister et posséder des propriétés définies indépendamment de toute connaissance qu'un observateur quelconque peut avoir ou ne pas avoir à leur sujet. »
Bernard d'Espagnat, dans "Conceptions de la physique contemporain"

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3807

Est-ce que les expériences quantiques d'Alain Aspect démontrent que le réalisme d'Einstein était erroné ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6974

L'expérience d'Alain Aspect et ses implications

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4689

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article356

La décohérence contredit-elle le matérialisme ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3131

La réponse de Futura science :

https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/physique-physique-quantique-cette-experience-remet-elle-question-notre-realite-78402/

https://nospensees.fr/est-il-vrai-que-la-realite-nexiste-pas-jusqua-ce-quon-lobserve/

Ce qui est vrai c'est que ce que l'on appelait autrefois la réalité matérielle a profondément changé de nature :

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4047

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3115

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article2932

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article2865

La propriété de dualité de la particule élémentaire (se comportant à la fois comme un corpuscule et comme une onde) a été l'une des interrogations les plus difficiles de la physique quantique. L'onde et le corpuscule sont deux descriptions très opposées de la réalité et pourtant la matière comme la lumière se sont révélés être à la fois corpusculaires et ondulatoires. A la fois ne signifie pas que l'on peut effectuer en même temps une expérience qui donne les deux résultats. Par contre, dès que l'on effectue une expérience donnant un résultat du type onde, on obtient une onde. Et, à chaque fois que l'on effectue une expérience du type corpuscule, on obtient un corpuscule. De là a découlé une interprétation selon laquelle c'était l'observation par l'homme qui décidait de la nature du réel…

En fait, la dualité provient du caractère fractal de la particule. Celle-ci existe à plusieurs échelles. Si l'on mesure à une échelle, on obtient un résultat à cette échelle. On perd, du coup, le résultat trouvé à une autre échelle.

Si l'expérience effectue une mesure sur le nuage de polarisation, on obtient un résultat ondulatoire. Si on interagit avec le point matériel, on obtient un résultat corpusculaire qui prouve que l'électron est bien ponctuel et est bien un seul être. Mais cet être existe simultanément aux différents niveaux. Par contre, dès que le corpuscule est capté, dans un temps extrêmement court, le nuage disparaît. En effet, au niveau où se situent les particules virtuelles, la limite de vitesse de la lumière n'a plus cours. C'est la « réduction du paquet d'ondes » qui a tellement compliqué la vie des physiciens quantiques.
On peut interpréter ainsi l'ensemble des propriétés, souvent apparemment étranges, de la particule dite élémentaire, l'électron.

Les physiciens avaient, depuis longtemps, remarqué qu'il y avait un problème pour en comprendre la nature. Comme le relève Abraham Pais dans « Subtle is the lord », probablement la meilleure biographie d'Einstein, « Tout ce qui reste de ceci (des travaux de Abraham, Lorentz, Poincaré, Einstein,… sur l'auto-énergie de électron), c'est que nous ne comprenons toujours pas ce problème. » Certains physiciens théorisent même l'impossibilité de se le représenter Margenau (1961) : « Les électrons ne sont ni des particules, ni des ondes (…) Un électron est une abstraction, qui ne peut plus être décrite par une image intuitive correspondant à notre espérance de tous les jours mais déterminé au travers de formules mathématiques. » Mais, comme Einstein le disait à Wheeler : « Si je ne peux pas l'imaginer, je ne peux pas le comprendre. » Et Einstein affirmait : « Vous savez, il serait suffisant de réellement comprendre l'électron. » En 1991, la conférence internationale sur l'électron de Antigonish écrivait encore : « Nous sommes réunis ici pour discuter de nos connaissances actuelles sur l'électron. (…) Il est étrange de constater quelle masse énorme de technologie est fondée sur l'électron sans que nous soyons capable de comprendre cette particule. »

Ces remarques provenaient de nombreuses difficultés théoriques pour interpréter les phénomènes observés. L'interprétation qui en est donnée ici est celle du caractère fractal de l'électron. Elle explique notamment les sauts quantiques de la particule et de l'atome. Il y a un saut à chaque interaction entre niveaux de réalité de la particule. Le saut d'échelle explique le saut du phénomène. Par exemple, l'électron ne suit pas une trajectoire, mais saute d'une position à une autre. Cette discontinuité provient du fait que l'électron ne se déplace pas dans un espace continu, mais interagit avec les particules virtuelles du vide. Le « simple » déplacement est déjà le produit de ce caractère fractal. Il en va de même sur les interaction entre particules de matière, entre matière et lumière, et, plus généralement, entre matière et vide.

Quant au caractère probabiliste de la particule, si étrange que son découvreur Einstein n'arrivait à l'accepter, il n'existerait pas si on était capable d'étudier simultanément la réalité à toutes les échelles.

Le dualisme corps/esprit

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5420

Le dualisme onde/corpuscule

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article882

Le dualisme homme/univers

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3678

Le dualisme expérience/expérimentateur

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4299

Le dualisme réel/virtuel c'est-à-dire matière-lumière et vide

L'émergence du réel n'est pas un dualisme

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5131

La fin des oppositions diamétrales

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3098

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5589

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3678

« La théorie quantique des champs a donc conduit à une vision plus unifiée de la nature que l'ancienne interprétation dualiste en termes de champs et de particules. »

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6427

Comment résoudre la question de la « catastrophe du vide », c'est-à-dire de la densité de l'énergie du vide quantique bien trop grande pour être compatible avec la relativité (constante cosmologique) ?

Robert Paris — 2022-04-10T22:05:00Z

Les constantes de Planck, des limites naturelles des paramètres qui expliquent et résolvent la « catastrophe du vide », le fossé entre les estimations de l'énergie du vide par la physique quantique et par la relativité

Comment résoudre la question de la « catastrophe du vide », c'est-à-dire de la densité de l'énergie du vide quantique bien trop grande pour être compatible avec la relativité (constante cosmologique) ?

Il y aurait dix puissance cent-vingt fois plus d'énergie dans l'Univers du point de vue de la physique quantique que de celui de la physique relativiste d'Einstein (relativité générale). Mais nous allons voir que ces deux physiques ne s'appliquent en même temps qu'à l'échelle de Planck. or, à cette échelle, il n'y a plus de continuité, il n'y a plus de mesure de longueur et de temps, donc plus de physique quantique ni de physique relativiste. On ne peut pas comparer les énergies mesurées dans les deux physiques puisqu'elles ne s'appliquent pas à cette échelle.

On comprendra aisément que si la distance de Planck est la plus petite dimension possible d'une zone de l'espace, l'argument selon lequel il ya dans le vide une énergie minimale en chaque point de l'espace, qui fonde la notion d'infinitude d'énergie de l'espace vide pusique dans chaque zone il y a une infinité de points, n'a pas lieu d'être puisqu'il n'existe pas de points.

Une autre remarque préliminaire sur les constantes de Planck est la suivante : si les constantes de temps et de longueur sont des minimales qui suppriment les notions de continuum et de point, la constante d'énergie de Planck est un maximum qui empêche les infinis d'énergie du vide.

Et ce n'est que deux premiers arguments montrant que, si les constantes de Planck sont réellement des extrema, alors la question des infinis d'énergie du vide ne se posent plus et la contradiction avec la théorie de la relativité, encore appelée catastrophe du vide ou problème de la constante cosmologique, peut être reposée de manière différente.

Cependant, il ne suffit pas de remettre en question le continuum de l'espace-temps car cela change à la fois la relativité et la physique quantique. Il ne suffit pas non plus de parler de champs quantiques. Il faut remarquer qu'autour de chaque particule dite « réelle », il y a une myriade de particules dites virtuelles. C'est le nuage virtuel de la particule réelle. Et cette myriade est difficilement chiffrable mais peut aisément être représentée si on parvient à estimer la taille du nuage. On peut diviser cette taille par la longueur de Planck pour avoir un tel ordre de grandeur. Or, on peut remarquer que chaque particule virtuelle peut à tout moment devenir réelle, soit en recevant un boson de Higgs, soit en étant approchée par une particule à une vitesse suffisamment grande. Il suffit qu'une particule virtuelle double son énergie pour devenir réelle. On a ainsi une estimation de l'énergie de cette mytiade de particules virtuelles qui entour chaque particule réelle. On divise par deux l'énergie d'une particule réelle et on multiplie par le nombre de particules virtuelles du nuage dit « de polarisation » de la particule réelle.

Ceci n'est pas encore une démonstration de la résolution de la catastrophe du vide, et ne comble pas encore l'écart entre densité d'énergie du vide dans les deux physiques, relativité et quantique, mais cela en donne déjà une piste.

Pour continuer la discussion, il convient de savoir que la gravitation peut sembler un des effets du vide quantique, ce que l'on a pu développer dans ce texte

Il en résulte qu'il est bien moins étonnant que l'énergie mesurée par la gravitation soit bien inférieure à l'énergie totale.

Cependant le fond du problème provient du fait que l'énergie a une inertie tout comme la masse et qu'elle courberait l'espace-temps. La gravité serait donc la seule mesure de la densité d'énergie de l'espace. Du coup, on a estimé que la relativité générale était la plus fondée à nous dire quelle est cette densité. L'erreur, sur ce point, proviendrait du fait que l'espace-temps relativiste est un continuum alors que l'espace et le temps semblent bel et bien discontinus comme on va le montrer dans la discussion qui suit…

Le dernier point, et le plus important, est le suivant : la théorie quantique des champs commet la même erreur que la relativité, raisonner sur des continuum, non seulement celui de l'espace-temps mais celui des champs. Pour éviter les erreurs auxquelles mènent cette vision d'un monde continu, et les infinis qui en découlent, il faut remplacer la théorie quantique des champs par la théorie des grains quantiques, les quantons. Ils sont discontinus dans un monde entièrement discontinu où toutes les particules, virtuelles comme réelles, sautent d'une particule à une autre (virtuelle ou virtuelle de virtuel). Les contradictions de la catastrophe du vide et de la consante cosmologique peuvent ainsi être résolues. Qu'est-ce qui permet de le penser ? Eh bien, si la relativité pose en postulat la continuité du monde espace-temps, elle raisonne cependant sur des objets qui, eux, sont discontinus : des particules aux amas d'amas de galaxies en passant par les étoiles. C'est là que git la plus grande différence, le fossé d'ordre de grandeur, entre l'énergie totale calculée par la relativité et celle calculée par la physique quantique.

Pour lire sur la conception granulaire du vide quantique :

Pour lire sur la conception granulaire du vide quantique

Lisons deux autres textes sur cette question de la « catastrophe du vide ».

Le texte qui suit est extrait de l'article de Ronald J. Adler dans l'ouvrage collectif « Le Vide » dirigé par Edger Gunzig et Simon Diner, article intitulé « La catastrophe du vide : le problème de la constante cosmologique ».

« La relativité générale et la théorie quantique sont deux théories bien distinctes qui ont des bases conceptuelles différentes et sont difficiles à harmoniser, en dépit de nombreux efforts pour les unifier en un ensemble conceptuel cohérent. Quand on les applique toutes deux à l'étude du vide, l'état physique qui présente le plus bas niveau d'énergie, surgit une énorme contradiction. La théorie quantique prédit une très grande densité d'énergie dans le vide… Mais selon la relativité générale, une telle densité d'énergie aurait de grands effets gravitationnels, et de tels effets sont absents de l'univers observé. La différence numérique entre la densité d'énergie prédite par la théorie et la limite supérieure déduite de la relativité et des observations est de quelque 120 ordres de grandeur, un nombre impressionnant. (voir Weinberg, « Le problème de la constante cosmologique », 1989) Aucune explication de cette différence ne fait l'unanimité. On peut en conclure qu'il existe une incohérence profondément enracinée entre les bases de la théorie quantique et celles de la théorie relativiste de la gravitation. De nombreux chercheurs qui travaillent à l'interface de la relativité générale et de la théorie quantique considèrent qu'il s'agit là du problème conceptuel et philosophique le plus profond et le plus irritant de la physique théorique. C'est pourquoi nous l'avons appelé la catastrophe du vide. (Ronald J. Adler, « La catastrophe du vide », 1995) Cette situation rappelle en effet l'épisode historique dit de la catastrophe de l'ultraviolet, qui conduisit à la découverte de la théorie quantique au cours des premières années du XXe siècle…

La solution de notre problème pourrait bien demander… une réévaluation de nos idées touchant le continuum de l'espace-temps aux petites échelles. (voir le chapitre de C. Schiller qui suit)

(…)

Trois constantes physiques de la nature caractérisent le problème. La vitesse de la lumière caractérise des systèmes où les énergies sont grandes par rapport aux énergies au repos ; la constante de Planck caractérise les petits systèmes de la mécanique quantique ; la constante gravitationnelle de Newton caractérise les systèmes gravitationnels. Les valeurs de ces trois constantes dans le système d'unités MKS sont les suivantes :

c = 3 fois dix puissance huit

h barre = 1,05 fois dix puissance moins 34

G = 6,67 fois dix puissance moins onze

Pour la discussio des particules et des champs, il sera commode d'utiliser l'unité d'énergie du GeV (milliard d'électrons volts) ou 1 GeV = 1,6 fois dix puissance moins dix Joules. L'énergie au repos du proton est un peu inférieure à un GeV.

(…)

C'est un trait général de la théorie quantique que, en termes assez approximatifs, les choses ne sont jamais au repos. Ce concept est prodigieusement fertile ; il peut servir à expliquer bien des phénomènes, comme la stabilité des atomes. Pour la théorie classique, l'électron d'un atome d'hydrogène rayonnera de l'énergie pendant( qu'il tourne autour du proton, et donc au bout d'un temps court, il tombera sur le proton et y restera au repos ; les atomes, et toute matière, seraient instables. Mais il n'en va pas ainsi pour la théorie quantique, car le principe d'incertitude ne permet pas de connaître avec une telle précision la position et l'impulsion. Au contraire, l'électron est dans un état quantique (une sorte de nuage d'amplitude de probabilité appelé fonction d'onde) autour du proton, avec une incertitude sur sa position et son impulsion définie par le principe d'incertitude, et avec le niveau d'énergie le plus bas possible.

(…)

Les physiciens sont parvenus à représenter, de manière assez satisfaisante, de nombreux systèmes comme des ensembles des oscillateurs harmoniques. Pour la théorie quantique, l'oscillateur harmonique ne peut reposer paisiblement au fond du puits d'énergie potentielle ; il a en revanche une énergie d'état fondamental donnée par la moitié de la constante de Planck h barre multipliée par la fréquence de résonance exprimée en radians par seconde ; l'énergie minimale est aussi appelée énergie de point zéro. C'est une autre illustration du principe selon lequel la nature quantique n'est jamais au repos.

(…)

De la même manière que le système de l'oscillateur harmonique a une énergie d'état fondamental positive non nulle, un champ quantique a une énergie d'état fondamental positive non nulle en chaque point de l'espace. Puisqu'il y a un nombre infini de points pour chaque portion de volume de l'espace, la densité énergétique de l'espace doit être infinie. Autrement dit, la densité énergétique de l'espace dans son état fondamental, c'est-à-dire l'espace vide ou « le vide », est infinie.

(…)

Le résultat infini est la conséquence directe du fait que l'on attribue un degré de liberté à chaque point de l'espace, de telle sorte que deux points seront traités comme indépendants, si proches soient-ils. L'hypothèse paraît douteuse est elle l'est en effet.

Nombre de scientifiques croient en l'existence d'une échelle fondamentale ou minimale pour laquelle nos idées courantes sur le continuum spatial perdent leur sens, et sous laquelle le continuum qui nous est familier n'est plus un concept applicable.

Cette échelle pour laquelle les effets d'incertitude quantique devraient provoquer de grandes fluctuations dans la géométrie de l'espace-temps est l'échelle de Planck :

Distance de Planck = 1,6 fois dix puissance moins 35 mètre

Temps de Planck = 0,54 fois dix puissance moins 43 seconde

Masse de Planck = 2,2 fois dix puissance moins 8 kilo

Energie de Planck = 2,0 fois dix puissance moins 9 GeV

Avec les constantes fondamentales de la nature (c, h barre et G), il n'existe qu'une seule manière de former des quantités qui auraient des dimensions de longueur, de temps et de masse, et ce comme ce qui suit :

Distance de Planck = racine de (G fois h barre divisé par c puissance 3)

Temps de Planck = racine de (G fois h barre divisé par c puissance 5)

Masse de Planck = racine de (c fois h barre divisé par G)

Energie de Planck = c fois h barre divisé par distance de Planck

Ce qui donne les valeurs numériques précédememnt citées.

De la même manière que la distance de Planck peut assigner une limite inférieure aux distance spatiales (ou le temps de Planck aux intervalles temporels), l'énergie de Planck peut assigner une limite supérieure ou borne sur l'énergie d'un oscillateur associé à des champs quantiques.

Nous pouvons de même modifier la discussion ci-dessus qui menait à une densité d'énergie de champ infinie pour l'espace. Plutôt que d'associer à chaque point de l'espace un degré de liberté pour un champ, nous pouvons diviser l'espace en petits cubes de la taille de la dictance de Planck. Puisque l'on a à présent un nombre fini de ces cubes pour toute portion donnée de l'espace, la densité d'énergie du vide n'est plus infinie.

Nous pouvons d'ailleurs obtenir de plusieurs façons la densité d'énergie du vide pour cette représentation…

La densité d'énergie doit être de l'ordre de 0,49 fois dix puissance 114 joule par mètres-cubes. Ce qui donne la densité d'énergie de Planck = énergie de Planck divisée par longueur de Planck puissance 3.

Un calcul plus précis donne 6,2 fois dix puissance 111 joules par mètres-cubes.

Si l'on considère leur grandeur extraordinaire, ces résultats reviennent au même. Nous avons ainsi évité la densité d'énergie infinie, mais nous avons toujours une densité d'énergie immense.

Pour mettre ceci en perspective, on sait qu'il y a dix puissance 80 protons dans l'univers observable, à plus ou moins dix ordres de grandeur près. Puisqu'un proton a une énergie au repos proche du GeV, cela implique que l'énergie de l'univers observable tout entier est en gros de dix puissance 80 GeV, soit dix puissance 70 Joules.

Cela signifie que dans chaque centimètre cube du vide quantique, il y a vraiment beaucoup plus d'ordres de grandeur d'énergie que celle de la matière dans tout l'Univers visible. Bien que nous nous soyons donné une taille minimum raisonnable pour une région de l'espace, nous trouvons que la densité d'énergie est un nombre d'une taille absurde. C'est la catastrophe du vide.

Notre but principal dans ce texte est d'étudier le vide électromagnétique et sa densité d'énergie. Mais nous devons mentionner brièvement les autres champs, puisqu'ils contribuent eux aussi à la densité d'énergie du vide. (…) Le résultat total n'est finalement pas très différent de celui du champ électromagnétique seul. (…)

La force de Casimir prouve une variation de la densité d'énergie du vide due à la présence des plaques de métal, mais elle ne dit rien sur la valeur de cette énergie. Pour mesurer cette valeur, il semble qu'il faille une sonde gravitationnelle, puisque seule la gravité dépend de la valeur des densités d'énergie et pas des différences.

(…)

La théorie relativiste de la gravitation d'Einstein de 1916 est basée sur l'idée que la matière et l'énergie affectent la géométrie de l'espace-temps à quatre dimensions, c'est-à-dire qu'elles courbent l'espace-temps.

Dans les équations fondamentales de la gravitation, le tenseur d'Einstein (une matrice 4X4), représentant la courbure de l'espace-temps, est rendu égal au tenseur d'énergie-impulsion (une matrice 4X4) représentant la densité de matière et d'énergie.

Einstein inventa la cosmologie moderne quand il chercha poiur ces équations des solutions susceptibles de représenter l'Univers entier. Il rencontra une grave difficulté : il ne pouvait pas trouver de solution statique comme il l'avait espéré ; il trouva que son modèle de l'Univers variait avec le temps par expansion ou contraction. A cette époque, un tel comportement ne paraissait pas sensé puisque l'Univers ne présentait pas de signe de changement à l'échelle cosmologique ; Einstein fut donc forcé de modifier ses équations, en ajoutant un nouveau terme à son tenseur de courbure de l'espace-temps, appelé terme cosmologique. Ce terme est une matrice identité (4X4) multipliée par une constante, que l'on appelle la constante cosmologique. Einstein fut ainsi à même d'obtenir une solution statique, comme il le souhaitait. (…)

Einstein avait donc, dans ses premières recherches, rencontré l'expansion de l'Univers par voie théorique, mais sans prendre cette solution en compte.

(…)

Le point de vue aujourd'hui dominant en cosmologie est que le terme cosmologique ne viole pas la cohérence mathématique, mais n'est pas nécessaire.

(…)

Le terme cosmologique peut être interprété comme le tenseur d'énergie-impulsion de l'espace-vie – le vide. Il donne lieu à un champ gravitationnel comme n'importe quelle densité de matière ou d'énergie…

Mais dans le contexte de la relativité générale, la cosmogie d'observation impose une limite supérieure à la constante cosmologique…

On a vu que la théorie quantique des champs prédit que le vide a une densité d'énergie qui s'avère par de nombreux ordres de grandeur plus grande qu'il n'est raisonnable ou permis par l'observation cosmologique. Les mesures de loa force de Casimir entre des plaques conductrices vérifient que la variation de cette énergie est réelle, mais des considérations sur la cosmogie demandent que l'on assigne des limites supérieures à cette densité d'énergie du vide, lesquelles ne s'accordent pas avec les estimations théoriques, et ce par un écart de quelque 120 ordres de grandeur. Il est manifeste qu'il existe un conflit sérieux entre nos idées touchant le vide quantique et la gravitation ; c'est la catastrophe du vide. (…) »

Quelle physique s'applique à l'échelle de Planck, là où relativité et quantique s'appliquent en même temps ?

Aux dimensions de Planck, limites inférieures des dimensions universelles de temps, d'espace et d'énergie, là où relativité et quantique s'appliquent en même temps, il n'y a pas de différence entre vide quantique et matière : à cette échelle, il faut dire adieu aux instants de temps, adieu aux points de l'espace, adieu à la variété espace-temps, adieu aux observables et aux mesures, adieu à la masse, adieu aux trajectoires, adieu à la permanence de la matière, adieu aux mesures, adieu aux observations, et même adieu à la séparation diamétrale entre matière et vide.

Le texte qui suit est extrait de l'article de Christophe Schiller dans l'ouvrage collectif « Le Vide » dirigé par Edger Gunzig et Simon Diner, article intitulé « Le vide diffère-t-il de la matière ? ». Il raisonne entièrement aux dimensions de Planck et démontre qu'à cette échelle, toute la physique est bouleversée, y compris la physique quantique et la relativité.

« Le face-à-facede la mécanique quantique et de la relativité générale conduit à des conclusions surprenantes concernant l'espace et le temps. Nous montrons que les concepts de continuité de l'espace-temps, de point d'espace, de moment de temps, de particule ponctuelle, de causalité, perdent tout fondement dans le domaine des distances inférieures à la distance de Planck, ou celui des énergies de Planck. Le vide lui-même devient indiscernable de la matière et du rayonnement.

(…)

Pour décrire le mouvement, ces deux théories (relativité générale et mécanique quantique) recourent à des objets constitués de particules et à la notion d'espace-temps. Voyons comment ces concepts sont définis.

Une particule – et en général tout objet – est défini comme une entité permanente, à laquelle une position peut être attribuée et qui peut se déplacer (l'étymologie du terme « objet » se rapporte à ce dernier trait). En d'autres termes, une particule est une petite entité dont la masse, la charge, etc. se conservent. Cette particule peut changer de position avec le temps.

Cependant, dans tous les traités de physique, les temps est déterminé à l'aide d'objets en mouvement, qu'on appelle habituellement « horloges », ou à l'aide de particules en mouvement, comme celles qui sont émises par des sources de lumière. De même, l'unité de longueur se définit également avec des objets, par exemple les règles comme autrefois, ou le mouvement de la lumière qui n'est rien d'autre qu'un ensemble de particules en mouvement.

(…)

Pour éviter les contradictions entre la mécanique quantique et la relativité générale… les changements conceptuels nécessaires sont si spectaculaires qu'ils devraient intéresser tous ceux qui manifestent un certain intérêt pour la physique… La mnière la plus efficace d'approcher ces changements sera de fixer notre regard sur les détails du domaine où la contradiction entre les deux théories standard prend son tour le plus saillant et où elles sont toutes deux nécessaires en même temps…

La relativité générale et la mécanique quantique proposent chacune un critère pour déterminer quand la physique galiléenne n'est plus applicable… La relativité générale montre qu'il est nécessaire de prendre en compte la courbure de l'espace-temps lorsque l'on s'approche d'un objet de masse m à des distances de l'ordre du rayon de Schwarzschild qui vaut deux fois la constante de gravitation universelle de Newton fois la masse et divisé par le carré de la vitesse de la lumière… Un objet plus petit que son propre rayon de Scwarzschild est un « trou noir ». Selon la relativité générale, aucun signal issu de l'intérieur du rayon de Schwarschild ne peut parvenir au monde extérieur d'où le nom « trou noir ».

De même, la mécanique quantique montre que la physique classique galiléenne doit être abandonnée et les effets quantiques pris en compte lorsque l'on approche d'un objet à des distances qui sont de l'ordre de la longeur d'onde de Compton qui est égale à la constante de Planck h barre divisée par le produit de la masse et de la vitesse de la lumière. Naturellement, cette longueur n'a d'importance que si l'objet lui-même est plus petit que sa longueur de Compton. A ces échelles, on observe des effets quantiques relativistes, comme les créations et annihilations de particules-antiparticules (théorie quantique des champs).

(…)

Si nous rassemblons ces deux résultats, les situations qui demandent la combinaison des concepts de la théorie quantique des champs et de la relativité générale sont celles où ces deux conditions sont satisfaites simultanément. La distance d'approche critique admise est un rayon de Schwarschild double de la longueur d'onde de Compton. On constate que c'est le cas lorsque les longueurs sont de l'ordre de la « longueur d'onde de Planck » et les temps de l'ordre du « temps de Planck ».

La longueur d'onde de Planck « lP » vaut 1,6 fois dix puissance moins 35 mètres et le temps de Planck « tP » vaut 5,4 fois dix puissance moins 44 secondes.

lP vaut tP multiplié par la vitesse de la lumière c. Le carré de lP vaut la constante de Planck h barre fois la constante de gravitation universlle G divisé par la puissance trois de la vitesse de la lumière.

Si l'on approche un objet à ces échelles, la relativité générale et la mécanique quantique jouent toutes deux un rôle.

(…)

Est-il possible de construire une horloge qui soit susceptible de mesurer des intervalles de temps plus courts que le temps de Planck ? Il est remarquable que la réponse soit non ; même si dans la relation d'incertitude temps-énergie (produit des incertitudes de temps et d'énergie supérieure ou égale à h barre), il semble que qu'en donnant l'incertitude de d'énergie une valeur arbitrairement grande, l'on peut rendre l'incertitude de temps aussi petite que l'on veut.

Une horloge est un appareillage qui comporte des pièces mobiles qui peuvent être des roues mécaniques, des particules matérielles en mouvement, des champs électromagnétiques variables – des photons -, des particules radioactives en désintégration, etc. Pour chaque composant mobile d'une horloge, par exemple les aiguilles du cadran, le principe d'incertitude s'applique… Or, à propos d'une horloge quelconque, l'on doit connaitre le temps marqué et l'énergie pour chaque aiguille sans quoi ce ne serait pas un système classique, c'est-à-dire que ce ne serait pas un système d'enregistrement… Il est évident que le plus petit intervalle de temps qui peut être mesuré par une horloge est toujours plus grand que la limite quantique, et donc plus grand que la précision temporelle qui résulte de la relation d'incertitude pour ses parties en mouvement. On a donc la relation : plus petit intervalle de temps plus grand ou égal à h barre divisé par l'incertitude sur l'énergie du composant en mouvement.

Cette incertitude sur l'énergie est certainement plus petite que l'énergie totale du composant lui-même qui vaut la masse fois le carré de la vitesse de la lumière…

Qui plus est, toute horloge fournit de l'information ; il faut donc que des signaux puissent en émaner. Pour permettre ceci, l'horloge ne doit pas être un trou noir ; sa masse ne doit donc pas être plus petite que la masse de Schwarschild pour sa taille, soit inférieure ou égale au produit de la taille de l'horloge par le carré de la vitesse de la lumière divisée par la constante de gravitation universelle G. Et finalement, la taille de l'horloge doit être plus petite que le facteur vitesse de la lumière fois le plus petit intervalle de temps lui-même, pour permettre une mesure adéquate de l'intervalle de temps ; sinon les diverses pièces de l'horloge ne pourraient travailler ensemble pour afficher le même temps…

Si l'on réunit toutes ces conditions, on obtient que le plus petit intervalle de temps est plus grand ou égal au temps de Planck.

En résumé, l'on obtient la conclusion générale que les horloges ne peuvent mesurer que des intervalles de temps plus courts que le temps de Planck, et ce à partir des trois propriétés simples de toute horloge, n'avoir qu'une seule horloge (pas d'horloge avec, en paire, son antihorloge), savoir lire son cadran et qu'elle donne des informations adéquates.

On observera que cet argument est indépendant de la nature du mécanisme de l'horloge. Que celle-ci soit mue par des moyens d'ordre gravitationnel, électrique, simplement mécanique, voire nucléaire, les relations ci-dessus s'appliquent.

(…)

L'on est ainsi conduit à conclure qu'il existe dans la nature un intervalle de temps minimum. En d'autres termes, aux échelles de Planck, le terme « instant du temps » ne s'appuie ni sur la théorie ni sur l'expérience. Utiliser ce concept n'a donc aucun sens.

L'on peut de même déduire qu'il n'est pas possible de construire une règle pour mesurer la longueur ou un quelconque autre instrument de mesure qui puisse mesurer des longueurs plus courtes que la longueur de Planck. Cela découle déjà de la relation longueur de Planck égale vitesse de la lumière c fois temps de Planck.

La manière simple de mesurer la distance entre deux points est de mettre un objet au repos en chacun d'eux. En d'autres termes, des mesures conjointes de la position et de l'impulsion sont nécessaires pour toute mesure de longueur. Or, la longueur minimum mesurable est certainement plus grande que l'incertitude qui porte sur la position des deux objets. A partir du principe d'incertitude, l'on sait que la position de chacun ne peut être connue avec une précision meilleure que celle donnée par la relation d'incertitude :

incertitude sur la position fois incertitude sur l'impulsion égale constante dePlanck h barre

Si l'on exige qu'un seul objet figure à chacune des deux extrémités (autrement dit si l'on veut éviter la production quantique de maires d'objets à partir du vide), cela implique que l'incertitude sur l'impulsion soit inférieure au produit de la masse et de l'impulsion.

La longueur minimum mesurable étant supérieure ou égale à l'incertitude sur la longueur qui est supérieure ou égale à la constante de Planck h barre divisée par le produit de la masse et de la vitesse de la lumière.

De plus, la mesure ne peut être effectuée si des signaux ne peuvent quitter l'objet en question : il ne peut pas s'agir de trous noirs. Les masses doivent donc être si petites que leur rayon de Schwarschild est plus petit que la distance qui les sépare. D'où il découle que la longueur minimum mesurable est supérieure ou égale à la longueur de Planck.

Une autre technique pour déduire cette limite renverse le rôle de la relativité générale… L'on retrouve une fois encore que la limite de mesure de longueur est la distance de Planck.

On peut remarquer que la longueur de Planck étant la plus courte possible, il s'ensuit qu'il ne peut exister d'observations ni de conséquences d'effets quantiques pour des situations où la longueur d'onde de Compton correspondante serait plus petite.

(…)

Par conséquent, dans son sens usuel d'entité sans extension, le concept de « point de l'espace » ne peut s'appuyer sur l'expérience. De la même façon, le terme « événement », qui combine les « points de l'espace » et l' « instant de temps » perd également sa signification pour la description de la nature.

Ces résultats sont résumés dans ce que l'on appelle le principe d'incertitude généralisé selon lequel le produit des incertitudes sur la position et sur l'impulsion est supérieur ou égal à sa somme de deux termes dont l'un dérive de la physique quantique (h barre sur deux) et l'autre de la relativité (G fois le carré de l'incertitude d'impulsion divisé par la vitesse de la lumière à la puissance trois).

(…)

La description de l'espace-temps en termes de continuum doit donc être abolie en faveur d'une autreplus appropriée.

la nouvelle relation d'incertitude aux échelles de Plack devient :

incertitude sur la longueur fois incertitude sur le temps supérieure ou égale à temps de Planck fois longueur de Planck
Une manière finale de se convaincre que les points n'ont pas de signification est qu'un point ne peut avoir qu'un volume nul ; mais le volume minimum possible dans la nature est le volume de Planck égale distance de Planck à la puissance trois.

(…)

Mais les conséquences des limites de Planck pour les mesures de l'espace et du temps peuvent être poussées beaucoup plus loin…

C'est un lieu commun que de dire qu'étant donnés deux points quelconques de l'espace ou deux instants du temps, il y en aura toujours un troisième entre eux. Les physiciens se contentent de baptiser continuité cette propriété et les mathématiciens parlent de densité. Mais aux dimensions de Planck, cette propriété ne peut plus tenir, puisque l'on ne peut avoir des intervalles plus courts que le temps de Planck : points et instants ne sont donc pas denses, et entre deux points il n'y en a pas toujours un troisième. Mais ceci signifie que l'espace et le temps ne sont pas continus.

(…)

La relativité restreinte, la mécanique quantique et la relativité générale reposent toutes trois sur l'idée que le temps peut être défini pour tous les points d'un référentiel donné. Or, deux horloges éloignées d'une certaine distance ne peuvent être synchronisées avec une précision arbitraire. Puisque la distance qui les sépare ne peut être mesurée avec une erreur plus petite que la longueur de Planck, et sachant que la transmission des signaux est indispensable à la synchronisation, il n'est donc pas possible de synchroniser deux horloges avec une précision plus fine que celle que nous impose le temps de Planck. En raison de cette impossibilité, l'idée d'une coordonnée temporelle unique pour un référentiel global n'est qu'une approximation elle aussi et ne peut être maintenue dans le cadre d'une description précise de la nature.

De plus, puisque l'écart entre événements ne peut se mesurer avec une précision plus fine que le temps de Planck, il s'ensuit que pour deux événements éloignés dans le temps de cet ordre de grandeur, il n'est pas possible de dire avec une certitude complète lequel précède l'autre. Ceci constitue un résultat important. Si les événements ne peuvent être ordonnés aux échelles de Planck, le concept de temps, que l'on a introduit en physique pour décrire des séquences, ne peut tout simplement pas être défini.

En d'autres termes, une fois abandonnée l'idée de coordonnée temporelle unique pour un référentiel global, on se voit contraint d'abandonner également celle du temps d'un événement considéré comme un « point » unique.

(…)

L'existence même d'une longueur minimum ciontredit la relativité restreinte où l'on montre que, si l'on passe à un système de coordonnées en mouvement, une longueur donnée subit une contraction de Lorentz. Il ne peut exister de longueur minimum en relativité restreinte ; et donc, aux dimensions de Planck, l'espace-temps n'est ni invariant de Lorentz, ni invariant par difféomorphisme, ni invariant par dilatation.

(…)

Mais nous ne sommes pas au bout de nos surprises. Aux échelles de Planck, puisque l'ordre temporel et l'ordre spatial s'effondrent, il n'est pas possible de décider si la distance entre deux régions de l'espace-temps assez proches est de type spatial ou temporel. Les limites de la mesure rendent impossible la distinction entre ces deux cas. Aux échelles de Planck, le temps et l'espace ne peuvent se distinguer.

En résumé, aux échelles de Planck, l'espace-temps n'est ni continu, ni ordonné, ni pourvu d'une métrique, ni quadridimensionnel, ni constitué de points.

(…)

Pour achever cet inventaire, si l'espace et le temps ne sont pas continue, les quantités définies comme des dérivées spatiales ou temporelles n'ont pas de définition précise.

(…)

L'expression courante pour une grandeur observable A(x,t) n'a pas de sens…Aux échelles de Planck, les champs physiques ne peuvent être décrits par des fonctions continues… Il est impossible de définir la multiplication des observables par des nombres continus…

En théorie quantique des champs, la différence entre une particule virtuelle et une particule réelle est qu'une particule réelle est « sur sa couche de masse », c'est-à-dire qu'elle obéit à la relation énergie au carré égale masse au carré fois vitesse de la lumière puissance quatre plus impulsion au carré fois vitesse de la lumière au carré, alors qu'une particule virtuelle n'y obéit pas. Aux échelles de Planck, on ne peut pas déterminer si une particule est réelle ou virtuelle.

Mais ce n'est pas tout. Puisque l'antimatière peut être décrite comme de la matière qui se déplace à contre-courant dans le temps, et puisque la différence entre mouvement et mouvement inverse ne peut être observée aux échelles de Planck, l'on ne peut distinguer la matière et l'antimatière à ces échelles.

(…)

De même, l'imprécision sur la position nous empêche de déterminer des positions distinctes précises pour des expériences d'échange. En bref, aux échelles de Planck, on ne peut définir le spin, on ne peut distinguer les fermions des bosons ou, autrement dit, la matière du rayonnement…

(…)

Pour conclure, le vide, c'est-à-dire l'espace-temps vide ne peut se distinguer de la matière aux échelles de Planck. (…) »

Lire des avis divers sur cette grande discussion scientifique, sans doute la plus controversée en physique actuellement :

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4613

https://fr.wikipedia.org/wiki/Probl%C3%A8me_de_la_constante_cosmologique

https://fr.resonancescience.org/blog/Resolution-de-la-Catastrophe-du-Vide

https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_du_vide

https://forums.futura-sciences.com/physique/852464-catastrophe-vide.html

https://www.youtube.com/watch?v=n6jAOV7bZ3Y

https://www.yvan-claude-raverdy.fr/

https://constantecosmologique.fr/

http://physiquereussite.fr/energie-du-vide/

https://france2.wiki/wiki/Cosmological_constant_problem

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1296214701012707

https://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.17850

https://www.scirp.org/journal/paperinformation.aspx?paperid=91083

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/453/1/012015/meta

https://www.scirp.org/html/16-4500284_43660.htm

https://aapt.scitation.org/doi/10.1119/1.17850

https://arxiv.org/abs/1110.3358

Lire les archives en lecture libre sur relativité générale et cosmologie quantique dans gr-qc :

https://arxiv.org/search/gr-qc

Est-ce que la Physique étudie une réalité objective ou seulement une interaction objet/observateur ?

Robert Paris — 2022-04-03T22:05:00Z

Est-ce que la Physique étudie une réalité objective ou seulement une interaction objet/observateur ?

Avant la Physique quantique, c'est-à-dire avant les années 1900, la réponse allait de soi : la physique étudie la réalité et son but est de décrire le mode d'action de la matière et de la lumière. Certes, elle le fait en utilisant le langage particulier des mathématiques mais son but est clairement la connaissance d'un monde objectif qui existe indépendamment de l'observateur et que ce dernier n'influence pas par son observation. Comme aurait dit Einstein, je veux croire que la lune existe même quand je ne l'observe pas et de la même manière que si je ne l'observe pas.

D'ailleurs, pour ce type là d'observation, les physiciens sont toujours d'accord que l'on peut croire dans une réalité objective et dans le fait que la lune n'est pas affectée par notre observation. Les plus durs des physiciens agnostiques diraient que « tout se passe comme si la lune existait objectivement mais rien ne le prouve directement à part nos sens qui peuvent toujours être trompés. »

Et ces physiciens se fondent sur la physique qui s'est développée à partir de l'étude du monde microscopique, matériel comme lumineux. Car cette étude a au moins montré que nos sens nous trompaient sur bien des points. Non seulement, la « réalité » n'est plus apparue de la même manière depuis les développements de la physique quantique mais il est apparu des expériences dans lesquelles c'est le choix de l'observation qui guide le type de réponse de la matière. En simple, on peut dire que, si on met en place un appareillage pour détecter des ondes, on trouve que « la matière, c'est des ondes » et que, si on met en place un appareillage pour détecter des corpuscules, on trouve que « la matière, c'est des corpuscules ». Et il en va exactement de même pour la lumière. On appelle ici, en gros, « matière » tous les fermions et « lumière » tous les bosons.

En fait, avant même les développements de la physique quantique, on avait des doutes sur nos capacités à dire « ce qui se passe quand ».

Ainsi, un rayon lumineux change de direction en traversant en oblique un nouveau milieu. C'est la réfraction. Il est assez difficile de concevoir un tel comportement si on considère que la lumière est portée par des corpuscules. Cela est plus facile si on la considère comme portée par des ondes. Dans le cas de la réflexion d'un rayon lumineux par un miroir, c'est le même problème : difficile d'interpréter ce qui arrive aux corpuscules pour qu'ils entrent un tout petit peu dans le miroir avant d'être réfléchis…

Voici donc des expériences qui nous disent, semble-t-il, que la lumière, c'est des ondes.

Mais l'arrachement des électrons d'un corps par la lumière nous disent exactement l'inverse.

Mais, en physique quantique, il existe des expériences, comme celle des fentes de Young, où ce type de situation, où c'est la manière dont on mèle l'expérience qui décide, onde ou corpuscule, est encore plus marqué.

Notamment, on peut remarquer, dans cette expérience de Young qui met en évidence à la fois le caractère ondulatoire et le caractère corpusculaire de la matière (ou de la lumière), qu'en changeant les conditions de l'expérience, on va favoriser une réponse ou l'autre. La réception des particules sur les écrans indiquent par exemple le caractère corpusculaire (localisé, ponctuel, discontinu) et la répartition des arrivées multiples sur un grand écran indique des interférences, c'est-à-dire le caractère ondulatoire. Si on cherche à savoir ce qui se passe à l'une des fentes, et donc à vérifier qu'un corpuscule y est bien passé, alors les interférences cessent.

Et ce n'est qu'un exemple d'expérience de type quantique. Tous les phénomènes quantiques montrent ce caractère double, à la fois ondulatoire et corpusculaire et tous vont favoriser l'un des caractère si l'expérimentateur cherche à le faire apparaitre.

Un autre aspect troublant de la physique quantique dans sa version de Copenhague : elle semble ne donner que des résultats probabilistes sans donner la physique sous-jacente. Un peu comme une thermodynamique ou une dynamique des fluides sans la physique des molécules… C'est ce qui amenait Einstein à discuter avec la physique de Copenhague en réclamant « la physique sous-jacente ».

Bien des physiciens-philosophes en ont déduit soit une philosophie agnostique (« je ne peux pas connaitre la réalité »), soit une philosophie idéaliste (« ma pensée détermine la réalité que je perçois »), soit une philosophie positiviste (« je me contente de décrire le résultat de mes expériences, je n'ai pas à philosopher plus avant sur une réalité hypothétique et je n'ai pas de moyens de trancher sur son existence ou son inexistence, ou sur son fonctionnement, sans tomber dans la métaphysique »).

Plusieurs types de physiciens-philosophes se sont opposés à ces points de vue, tout en convenant que la physique quantique était une avancée de la science. Ils défendaient une conception réaliste ou matérialiste, en tout cas la pensée qu'existe une réalité objective et que le but des sciences est de la connaitre et aussi la pensée qu'il n'y a aucun obstacle absolu à la connaissance de la réalité et de son fonctionnement.

L'école de Copenhague de la Physique a longtemps fait dominer le point de vue inverse : pas de connaissance de la réalité, seulement des descriptions d'expériences dans des conditions déterminées et pas de philosophie du réel tirée de la physique.

Einstein a longuement défendu une thèse inverse, celle du réalisme. Il a seulement affaibli la position de l'école de Copenhague mais sans remettre en question les découvertes du caractère quantique de la matière/lumière, c'est-à-dire les particularités du niveau quantique (un quanta ou un petit nombre de quanta au niveau microscopique) qui le rendent étonnant par rapport à notre monde habituel (un très grand nombre de quanta, au niveau dit macroscopique).

Cela ne signifie pas que le point de vue de l'école de Copenhague l'ait réellement emporté et nombre de physiciens ne le pensent pas. C'est l'interprétation de la signification des expériences, comme celle de Young ou des expériences de pensée comme celle des EPR ou du chat de Schrödinger qui est en cause.

D'autre part, ce qui a changé la donne, c'est l'étude quantique du vide et cela permet d'interpréter de manière réaliste (avec une réalité de ce que l'on croyait uniquement virtuel) : par les particules et antiparticules éphémères du vide que l'on disait « virtuelles ». Ces dernières s'avèrent non seulement réelles mais la véritable réalité fondamentale du monde matière/lumière. Et elles expliquent les phénomènes quantiques les plus étonnants et renversants. A commencer par le caractère double des particules : à la fois onde et corpuscule. Elle explique que le changement des types d'expériences donne des réponses différentes : quand on interroge la matière/lumière avec des capteurs de corpuscule, on les trouve et quand on cherche les moyens de détecter des ondes, on les trouve également.

En effet, le vide quantique n'est pas vide. Il est plein de particules dites virtuelles qui ont la capacité d'apparaitre et de disparaitre. Elles ont la propriété d'être éphémères et de ne pas être perceptibles directement par nos expériences parce qu'elles existent à un niveau de structure de la matière inférieure.

Mais, direz-vous, si elles ne sont pas perceptibles, elles n'ont pas de réalité objective ?

Eh bien, il ne nous semble pas que la réalité objective doive dépendre des sens humains ou même des expériences humaines mais de la vaste expérience que représente le monde matériel (au sens large, comprenant matière, lumière et vide quantique).

La matière (microscopique) se perçoit elle-même et perçoit la lumière sans passer par des expériences mises en place par l'homme et qui sont à une grande échelle (macroscopique).

Le fonctionnement microscopique que nous pouvons imaginer (physique quantique des champs de type corpusculaire) doit expliquer les phénomènes qui se déroulent dans les expériences par un fonctionnement que les expériences humaines ne peuvent pas réaliser.

A lire sur cette question

Le monde matériel existe-t-il objectivement, en dehors de nos pensées ?

La thèse de l'école de Copenhague

Le point de vue réaliste d'Einstein

Physique, positivisme et agnosticisme

Physique et réalité

Réalité du monde virtuel du vide

Un exemple : les fentes de Young

D'autres textes à lire sur Physique et Réalité objective

Quelle physique s'applique à l'échelle de Planck ?

Robert Paris — 2022-03-27T22:05:00Z

Quelle physique s'applique à l'échelle de Planck, là où relativité et quantique s'appliquent en même temps ? La réponse n'est pas surprenante mais renversante !

Aux dimensions de Planck, limites inférieures des dimensions universelles de temps, d'espace et d'énergie, là où relativité et quantique s'appliquent en même temps, il n'y a pas de différence entre vide quantique et matière : à cette échelle, il faut dire adieu aux instants de temps, adieu aux points de l'espace, adieu à la variété espace-temps, adieu aux observables et aux mesures, adieu à la masse, adieu aux trajectoires, adieu à la permanence de la matière, adieu aux mesures, adieu aux observations, et même adieu à la séparation diamétrale entre matière et vide.

Le texte qui suit est extrait de l'article de Christophe Schiller dans l'ouvrage collectif « Le Vide » dirigé par Edger Gunzig et Simon Diner, article intitulé « Le vide diffère-t-il de la matière ? ». Il raisonne entièrement aux dimensions de Planck et démontre qu'à cette échelle, toute la physique est bouleversée, y compris la physique quantique et la relativité.

« Le face-à-facede la mécanique quantique et de la relativité générale conduit à des conclusions surprenantes concernant l'espace et le temps. Nous montrons que les concepts de continuité de l'espace-temps, de point d'espace, de moment de temps, de particule ponctuelle, de causalité, perdent tout fondement dans le domaine des distances inférieures à la distance de Planck, ou celui des énergies de Planck. Le vide lui-même devient indiscernable de la matière et du rayonnement.

(…)

Pour décrire le mouvement, ces deux théories (relativité générale et mécanique quantique) recourent à des objets constitués de particules et à la notion d'espace-temps. Voyons comment ces concepts sont définis.

Une particule – et en général tout objet – est défini comme une entité permanente, à laquelle une position peut être attribuée et qui peut se déplacer (l'étymologie du terme « objet » se rapporte à ce dernier trait). En d'autres termes, une particule est une petite entité dont la masse, la charge, etc. se conservent. Cette particule peut changer de position avec le temps.

Cependant, dans tous les traités de physique, les temps est déterminé à l'aide d'objets en mouvement, qu'on appelle habituellement « horloges », ou à l'aide de particules en mouvement, comme celles qui sont émises par des sources de lumière. De même, l'unité de longueur se définit également avec des objets, par exemple les règles comme autrefois, ou le mouvement de la lumière qui n'est rien d'autre qu'un ensemble de particules en mouvement.

(…)

Pour éviter les contradictions entre la mécanique quantique et la relativité générale… les changements conceptuels nécessaires sont si spectaculaires qu'ils devraient intéresser tous ceux qui manifestent un certain intérêt pour la physique… La mnière la plus efficace d'approcher ces changements sera de fixer notre regard sur les détails du domaine où la contradiction entre les deux théories standard prend son tour le plus saillant et où elles sont toutes deux nécessaires en même temps…

La relativité générale et la mécanique quantique proposent chacune un critère pour déterminer quand la physique galiléenne n'est plus applicable… La relativité générale montre qu'il est nécessaire de prendre en compte la courbure de l'espace-temps lorsque l'on s'approche d'un objet de masse m à des distances de l'ordre du rayon de Schwarzschild qui vaut deux fois la constante de gravitation universelle de Newton fois la masse et divisé par le carré de la vitesse de la lumière… Un objet plus petit que son propre rayon de Scwarzschild est un « trou noir ». Selon la relativité générale, aucun signal issu de l'intérieur du rayon de Schwarschild ne peut parvenir au monde extérieur d'où le nom « trou noir ».

De même, la mécanique quantique montre que la physique classique galiléenne doit être abandonnée et les effets quantiques pris en compte lorsque l'on approche d'un objet à des distances qui sont de l'ordre de la longeur d'onde de Compton qui est égale à la constante de Planck h barre divisée par le produit de la masse et de la vitesse de la lumière. Naturellement, cette longueur n'a d'importance que si l'objet lui-même est plus petit que sa longueur de Compton. A ces échelles, on observe des effets quantiques relativistes, comme les créations et annihilations de particules-antiparticules (théorie quantique des champs).

(…)

Si nous rassemblons ces deux résultats, les situations qui demandent la combinaison des concepts de la théorie quantique des champs et de la relativité générale sont celles où ces deux conditions sont satisfaites simultanément. La distance d'approche critique admise est un rayon de Schwarschild double de la longueur d'onde de Compton. On constate que c'est le cas lorsque les longueurs sont de l'ordre de la « longueur d'onde de Planck » et les temps de l'ordre du « temps de Planck ».

La longueur d'onde de Planck « lP » vaut 1,6 fois dix puissance moins 35 mètres et le temps de Planck « tP » vaut 5,4 fois dix puissance moins 44 secondes.

lP vaut tP multiplié par la vitesse de la lumière c. Le carré de lP vaut la constante de Planck h barre fois la constante de gravitation universlle G divisé par la puissance trois de la vitesse de la lumière.

Si l'on approche un objet à ces échelles, la relativité générale et la mécanique quantique jouent toutes deux un rôle.

(…)

Est-il possible de construire une horloge qui soit susceptible de mesurer des intervalles de temps plus courts que le temps de Planck ? Il est remarquable que la réponse soit non ; même si dans la relation d'incertitude temps-énergie (produit des incertitudes de temps et d'énergie supérieure ou égale à h barre), il semble que qu'en donnant l'incertitude de d'énergie une valeur arbitrairement grande, l'on peut rendre l'incertitude de temps aussi petite que l'on veut.

Une horloge est un appareillage qui comporte des pièces mobiles qui peuvent être des roues mécaniques, des particules matérielles en mouvement, des champs électromagnétiques variables – des photons -, des particules radioactives en désintégration, etc. Pour chaque composant mobile d'une horloge, par exemple les aiguilles du cadran, le principe d'incertitude s'applique… Or, à propos d'une horloge quelconque, l'on doit connaitre le temps marqué et l'énergie pour chaque aiguille sans quoi ce ne serait pas un système classique, c'est-à-dire que ce ne serait pas un système d'enregistrement… Il est évident que le plus petit intervalle de temps qui peut être mesuré par une horloge est toujours plus grand que la limite quantique, et donc plus grand que la précision temporelle qui résulte de la relation d'incertitude pour ses parties en mouvement. On a donc la relation : plus petit intervalle de temps plus grand ou égal à h barre divisé par l'incertitude sur l'énergie du composant en mouvement.

Cette incertitude sur l'énergie est certainement plus petite que l'énergie totale du composant lui-même qui vaut la masse fois le carré de la vitesse de la lumière…

Qui plus est, toute horloge fournit de l'information ; il faut donc que des signaux puissent en émaner. Pour permettre ceci, l'horloge ne doit pas être un trou noir ; sa masse ne doit donc pas être plus petite que la masse de Schwarschild pour sa taille, soit inférieure ou égale au produit de la taille de l'horloge par le carré de la vitesse de la lumière divisée par la constante de gravitation universelle G. Et finalement, la taille de l'horloge doit être plus petite que le facteur vitesse de la lumière fois le plus petit intervalle de temps lui-même, pour permettre une mesure adéquate de l'intervalle de temps ; sinon les diverses pièces de l'horloge ne pourraient travailler ensemble pour afficher le même temps…

Si l'on réunit toutes ces conditions, on obtient que le plus petit intervalle de temps est plus grand ou égal au temps de Planck.

En résumé, l'on obtient la conclusion générale que les horloges ne peuvent mesurer que des intervalles de temps plus courts que le temps de Planck, et ce à partir des trois propriétés simples de toute horloge, n'avoir qu'une seule horloge (pas d'horloge avec, en paire, son antihorloge), savoir lire son cadran et qu'elle donne des informations adéquates.

On observera que cet argument est indépendant de la nature du mécanisme de l'horloge. Que celle-ci soit mue par des moyens d'ordre gravitationnel, électrique, simplement mécanique, voire nucléaire, les relations ci-dessus s'appliquent.

(…)

L'on est ainsi conduit à conclure qu'il existe dans la nature un intervalle de temps minimum. En d'autres termes, aux échelles de Planck, le terme « instant du temps » ne s'appuie ni sur la théorie ni sur l'expérience. Utiliser ce concept n'a donc aucun sens.

L'on peut de même déduire qu'il n'est pas possible de construire une règle pour mesurer la longueur ou un quelconque autre instrument de mesure qui puisse mesurer des longueurs plus courtes que la longueur de Planck. Cela découle déjà de la relation longueur de Planck égale vitesse de la lumière c fois temps de Planck.

La manière simple de mesurer la distance entre deux points est de mettre un objet au repos en chacun d'eux. En d'autres termes, des mesures conjointes de la position et de l'impulsion sont nécessaires pour toute mesure de longueur. Or, la longueur minimum mesurable est certainement plus grande que l'incertitude qui porte sur la position des deux objets. A partir du principe d'incertitude, l'on sait que la position de chacun ne peut être connue avec une précision meilleure que celle donnée par la relation d'incertitude :

incertitude sur la position fois incertitude sur l'impulsion égale constante dePlanck h barre

Si l'on exige qu'un seul objet figure à chacune des deux extrémités (autrement dit si l'on veut éviter la production quantique de maires d'objets à partir du vide), cela implique que l'incertitude sur l'impulsion soit inférieure au produit de la masse et de l'impulsion.

La longueur minimum mesurable étant supérieure ou égale à l'incertitude sur la longueur qui est supérieure ou égale à la constante de Planck h barre divisée par le produit de la masse et de la vitesse de la lumière.

De plus, la mesure ne peut être effectuée si des signaux ne peuvent quitter l'objet en question : il ne peut pas s'agir de trous noirs. Les masses doivent donc être si petites que leur rayon de Schwarschild est plus petit que la distance qui les sépare. D'où il découle que la longueur minimum mesurable est supérieure ou égale à la longueur de Planck.

Une autre technique pour déduire cette limite renverse le rôle de la relativité générale… L'on retrouve une fois encore que la limite de mesure de longueur est la distance de Planck.

On peut remarquer que la longueur de Planck étant la plus courte possible, il s'ensuit qu'il ne peut exister d'observations ni de conséquences d'effets quantiques pour des situations où la longueur d'onde de Compton correspondante serait plus petite.

(…)

Par conséquent, dans son sens usuel d'entité sans extension, le concept de « point de l'espace » ne peut s'appuyer sur l'expérience. De la même façon, le terme « événement », qui combine les « points de l'espace » et l' « instant de temps » perd également sa signification pour la description de la nature.

Ces résultats sont résumés dans ce que l'on appelle le principe d'incertitude généralisé selon lequel le produit des incertitudes sur la position et sur l'impulsion est supérieur ou égal à sa somme de deux termes dont l'un dérive de la physique quantique (h barre sur deux) et l'autre de la relativité (G fois le carré de l'incertitude d'impulsion divisé par la vitesse de la lumière à la puissance trois).

(…)

La description de l'espace-temps en termes de continuum doit donc être abolie en faveur d'une autreplus appropriée.

la nouvelle relation d'incertitude aux échelles de Plack devient :

incertitude sur la longueur fois incertitude sur le temps supérieure ou égale à temps de Planck fois longueur de Planck
Une manière finale de se convaincre que les points n'ont pas de signification est qu'un point ne peut avoir qu'un volume nul ; mais le volume minimum possible dans la nature est le volume de Planck égale distance de Planck à la puissance trois.

(…)

Mais les conséquences des limites de Planck pour les mesures de l'espace et du temps peuvent être poussées beaucoup plus loin…

C'est un lieu commun que de dire qu'étant donnés deux points quelconques de l'espace ou deux instants du temps, il y en aura toujours un troisième entre eux. Les physiciens se contentent de baptiser continuité cette propriété et les mathématiciens parlent de densité. Mais aux dimensions de Planck, cette propriété ne peut plus tenir, puisque l'on ne peut avoir des intervalles plus courts que le temps de Planck : points et instants ne sont donc pas denses, et entre deux points il n'y en a pas toujours un troisième. Mais ceci signifie que l'espace et le temps ne sont pas continus.

(…)

La relativité restreinte, la mécanique quantique et la relativité générale reposent toutes trois sur l'idée que le temps peut être défini pour tous les points d'un référentiel donné. Or, deux horloges éloignées d'une certaine distance ne peuvent être synchronisées avec une précision arbitraire. Puisque la distance qui les sépare ne peut être mesurée avec une erreur plus petite que la longueur de Planck, et sachant que la transmission des signaux est indispensable à la synchronisation, il n'est donc pas possible de synchroniser deux horloges avec une précision plus fine que celle que nous impose le temps de Planck. En raison de cette impossibilité, l'idée d'une coordonnée temporelle unique pour un référentiel global n'est qu'une approximation elle aussi et ne peut être maintenue dans le cadre d'une description précise de la nature.

De plus, puisque l'écart entre événements ne peut se mesurer avec une précision plus fine que le temps de Planck, il s'ensuit que pour deux événements éloignés dans le temps de cet ordre de grandeur, il n'est pas possible de dire avec une certitude complète lequel précède l'autre. Ceci constitue un résultat important. Si les événements ne peuvent être ordonnés aux échelles de Planck, le concept de temps, que l'on a introduit en physique pour décrire des séquences, ne peut tout simplement pas être défini.

En d'autres termes, une fois abandonnée l'idée de coordonnée temporelle unique pour un référentiel global, on se voit contraint d'abandonner également celle du temps d'un événement considéré comme un « point » unique.

(…)

L'existence même d'une longueur minimum ciontredit la relativité restreinte où l'on montre que, si l'on passe à un système de coordonnées en mouvement, une longueur donnée subit une contraction de Lorentz. Il ne peut exister de longueur minimum en relativité restreinte ; et donc, aux dimensions de Planck, l'espace-temps n'est ni invariant de Lorentz, ni invariant par difféomorphisme, ni invariant par dilatation.

(…)

Mais nous ne sommes pas au bout de nos surprises. Aux échelles de Planck, puisque l'ordre temporel et l'ordre spatial s'effondrent, il n'est pas possible de décider si la distance entre deux régions de l'espace-temps assez proches est de type spatial ou temporel. Les limites de la mesure rendent impossible la distinction entre ces deux cas. Aux échelles de Planck, le temps et l'espace ne peuvent se distinguer.

En résumé, aux échelles de Planck, l'espace-temps n'est ni continu, ni ordonné, ni pourvu d'une métrique, ni quadridimensionnel, ni constitué de points.

(…)

Pour achever cet inventaire, si l'espace et le temps ne sont pas continue, les quantités définies comme des dérivées spatiales ou temporelles n'ont pas de définition précise.

(…)

L'expression courante pour une grandeur observable A(x,t) n'a pas de sens…Aux échelles de Planck, les champs physiques ne peuvent être décrits par des fonctions continues… Il est impossible de définir la multiplication des observables par des nombres continus…

En théorie quantique des champs, la différence entre une particule virtuelle et une particule réelle est qu'une particule réelle est « sur sa couche de masse », c'est-à-dire qu'elle obéit à la relation énergie au carré égale masse au carré fois vitesse de la lumière puissance quatre plus impulsion au carré fois vitesse de la lumière au carré, alors qu'une particule virtuelle n'y obéit pas. Aux échelles de Planck, on ne peut pas déterminer si une particule est réelle ou virtuelle.

Mais ce n'est pas tout. Puisque l'antimatière peut être décrite comme de la matière qui se déplace à contre-courant dans le temps, et puisque la différence entre mouvement et mouvement inverse ne peut être observée aux échelles de Planck, l'on ne peut distinguer la matière et l'antimatière à ces échelles.

(…)

De même, l'imprécision sur la position nous empêche de déterminer des positions distinctes précises pour des expériences d'échange. En bref, aux échelles de Planck, on ne peut définir le spin, on ne peut distinguer les fermions des bosons ou, autrement dit, la matière du rayonnement…

(…)

Pour conclure, le vide, c'est-à-dire l'espace-temps vide ne peut se distinguer de la matière aux échelles de Planck. (…) »

Articles scientifiques de Christophe Schiller :

https://scholar.google.fr/scholar?hl=fr&as_sdt=0%2C5&as_vis=1&q=article+scientifique+C.+Schiller+planck&btnG=

Christophe Schiller, « L'aventure de la Physique » :

Chute, flux et chaleur

https://www.motionmountain.net/MontagneMouvement-volume1.pdf

La Relativité

https://www.motionmountain.net/MontagneMouvement-volume2.pdf

Lumière, charges et cerveau

https://www.motionmountain.net/MontagneMouvement-volume3.pdf

La quantification du changement

https://www.motionmountain.net/motionmountain-volume4.pdf

Mouvement au sein de la matière

https://www.motionmountain.net/motionmountain-volume5.pdf

Une spéculation sur l'unification

https://www.motionmountain.net/motionmountain-volume6.pdf

https://www.motionmountain.net/motionmountain-volume7.pdf

Conférences sur le vide quantique

Robert Paris — 2021-02-17T23:05:00Z

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Edgard Gunzig "L'Univers, un inévitable soubresaut du vide ?"

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L'effet Casimir : Lorsque l'espace vide pousse les choses

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Quantas et antiparticules, d'où vient le spin ?

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Qu'est-ce que l'expérience des fentes de Young

Robert Paris — 2019-07-29T22:05:00Z

Qu'est-ce que l'expérience des fentes de Young ?

C'est une expérience par laquelle on émet des corpuscules (lumière ou matière) à travers de deux fentes proches et qu'on capte ensuite sur un écran. On constate la formation de franges d'interférences qui se forment progressivement et donc sans que les corpuscules aient pu interagir. C'est le noeud de l'énigme !!! La réponse provient de la physique quantique car la physique classique y perd son latin...

Ci-dessous la formation progressive des franges d'interférences sur l'écran après passage des fentes de Young (qui laisseraient penser à un comportement ondulatoire) mais avec des impact ponctuels sur l'écran (ce qui fait penser à un comportement particulaire)...

L'expérience des fentes de Young est un des fondements de la remise en cause de la physique dite classique et son remplacement par la physique quantique.

Dans la physique classique, la matière est corpusculaire et la lumière est ondulatoire.

L'expérience montre que les deux sont à la fois ondulatoire et corpusculaire.

Dans la physique classique, la mécanique est prédictive alors qu'en physique quantique on n'accède qu'à une probabilité.

L'avantage de la nouvelle physique est qu'elle permet de calculer les résultats obtenus dans des expériences de type de Young ; c'est-à-dire qui mettent en jeu le microscopique (corpuscules élémentaires de matière et de lumière).

L'inconvénient, pensent les scientifiques, c'est qu'elle introduit une contradiction dialectique : les éléments fondamentaux sont à la fois une chose et son contraire, onde et particule.

Je dis inconvénient par ironie, mais il est difficile d'imaginer à quel point c'est renversant pour toutes les croyances précédentes et même actuelles.

Essayons de montrer pourquoi de manière simple.

Tout d'abord, il faut voir que l'on assiste à ce que l'on appelle des interférences qui ressemblent à ce que l'on voit dans les ondes.

Mais, dans le cas des ondes qui traversent deux fentes, la même onde interfère avec elle-même et produit l'interférence c'est-à-dire une suite de hauts et de bas. Les différences entre les deux chemins passant par l'une et l'autre fente fait que les deux phénomènes sont additifs ou soustractifs.

Or, dans le cas de l'expérience de Young, on va réduire la puissance au point d'envoyer de la lumière en quantité minimale. A l'arrivée, on va s'assurer que ce qui arrive c'est des grains quantiques de lumière. On les capte par un phénomène photoélectrique typique des quanta.

Du coup, il est certain que le photon est passé par une fente ou par l'autre. Comment le photon peut-il interférer puisqu'il ne passe que par une fente et qu'on envoie les photons indépendamment, un par un ?

Par le calcul probabiliste qu'elles mettent en place, les premières théories quantiques vont mathématiquement retrouver les résultats mais renoncer à toute explication selon laquelle il se passe ceci, tel objet fait cela...

La seule manière d'interpréter est de reconnaitre que le photon ( ou l'électron puisqu'on peut faire l'expérience de Young avec des électrons) n'est pas seulement un corpuscule, qu'il est entouré d'une nuage du vide qui détermine les positions des particules et qui, lui, passe par les deux fentes...

Mais cela suppose que le monde matériel est pétri de contradictions dialectiques irréductibles :

– l'ordre est émergent (issu du désordre)

– le local et le non-local (étendu) sont inextricablement imbriqués

– le temps et l'espace sont issus d'un univers où espace et temps sont agités et, en particulier, l'écoulement du temps provient du vide où le temps est désordonné...

– il n'existe aucune image non contradictoire de l'univers matériel et il n'existe aucune image non dynamique non plus de la matière et de la lumière

– l'existence est inséparable de la destruction

– la base de la matière comme du vide est située dans le vide quantique constitué d'une contradiction fondamentale : des couples particule/antiparticule

Une des manières les plus claires de mettre en évidence la dualité onde-particule est l'expérience des fentes de Young. Cette expérience est connue depuis le XIXe siècle, où elle a d'abord mis clairement en évidence l'aspect purement ondulatoire de la lumière. Modifiée de manière adéquate, elle peut démontrer de manière spectaculaire la dualité onde-corpuscule non seulement de la lumière, mais aussi de tout autre objet quantique. Dans la description qui suit, il sera question de lumière et de photons mais il ne faut pas perdre de vue qu'elle est également applicable - du moins en principe - à toute autre particule (par exemple des électrons), et même à des atomes et à des molécules.

L'expérience consiste à éclairer par une source lumineuse un écran percé de deux fentes très fines et très rapprochées. Ces deux fentes se comportent comme deux sources secondaires d'émission lumineuse. Une plaque photographique placée derrière l'écran enregistre la lumière issue des deux fentes. Ces deux sources interfèrent et forment sur la plaque photographique ce que l'on appelle une figure d'interférence . Cette figure est caractéristique d'un comportement ondulatoire de la lumière. Si l'expérience en reste à ce niveau, l'aspect corpusculaire n'apparaît pas. En fait, il est possible de diminuer l'intensité lumineuse de la source primaire de manière à ce que la lumière soit émise photon par photon. Le comportement de la lumière devient alors inexplicable sans faire appel à la dualité onde-corpuscule.

En effet, si on remplace la source lumineuse par un canon qui tire des micro-billes à travers les deux fentes (par exemple), donc de "vraies" particules, on n'obtient aucune figure d'interférence, mais simplement une zone plus dense, en face des fentes. Or, dans le cas des photons, on retrouve la figure d'interférence reconstituée petit à petit, à mesure que les photons apparaissent sur la plaque photographique. On retrouve donc une figure d'interférence, caractéristique des ondes, en même temps qu'un aspect corpusculaire des impacts sur la plaque photographique. L'interprétation de cette expérience est difficile, car si on considère la lumière comme une onde, alors les points d'impacts sur la plaque photographique sont inexplicables ; on devrait voir dans ce cas très faiblement, dès les premiers instants, la figure d'interférence, puis de plus en plus intense. Au contraire, si on considère la lumière comme étant exclusivement composée de particules, alors les impacts sur la plaque photographique s'expliquent aisément, mais la figure d'interférence ne s'explique pas : comment et pourquoi certaines zones seraient privilégiées et d'autres interdites à ces particules ? Force est donc de constater une dualité onde-particule des photons (ou de tout autre objet quantique), qui présentent simultanément les deux aspects. Interprétation de la dualité

En mécanique quantique, la dualité onde-particule est expliquée comme ceci : tout système quantique et donc toute particule sont décrits par une fonction d'onde qui code la densité de probabilité de toute variable mesurable (nommées aussi observable). La position d'une particule est un exemple d'une de ces variables. Donc, avant qu'une observation soit faite, la position de la particule est décrite en termes d'ondes de probabilité. Les deux fentes peuvent être considérées comme deux sources secondaires pour ces ondes de probabilité : les deux ondes se propagent à partir de celles-ci et interfèrent. Sur la plaque photographique, il se produit ce que l'on appelle une réduction du paquet d'onde, ou une décohérence de la fonction d'onde : le photon se matérialise, avec une probabilité donnée par la fonction d'onde : élevée à certains endroits (frange brillante), faible ou nulle à d'autres (franges sombres). Cette expérience illustre également une caractéristique essentielle de la mécanique quantique. Jusqu'à ce qu'une observation soit faite, la position d'une particule est décrite en termes d'ondes de probabilité, mais après que la particule est observée (ou mesurée), elle est décrite par une valeur fixe.

INTERPRÉTATION MODERNE

Cette question a donné lieu aux plus grandes polémiques et elles ne sont pas éteintes.

Cependant, il semble que l'on puisse renoncer aux erreurs passées sur ce thème. Il ne s'agit pas là d'une limite de la connaissance humaine. il ne s'agit pas non plus du fait que c'est l'observation qui créerait la réalité. Ni encore

Non, seulement la réalité est bien différente de ce que nous imaginions.

Qu'est-ce que cela signifie ?

Il n'y a pas d'objets matériels au sens où on l'entend et où ils apparaissent à notre échelle macroscopique : des choses indépendantes du milieu qui les entoure.

Michel Paty dans « Nouveaux voyages au pays des quanta » :

« L'électron interagit avec les « paires virtuelles » de son propre champ électromagnétique. (…) Le vide quantique contient de telles paires virtuelles et cet effet a été observé sous le nom de « polarisation du vide ». L'électron se trouve interagir avec la charge d'un des éléments de la paire virtuelle, en sorte qu'un électron quantique n'est jamais « nu » mais « habillé » d'un essaim ou nuage de paires virtuelles qui polarisent son environnement immédiat et modifient, par voie de conséquence, ses niveaux d'énergie. (…) La procédure dite de renormalisation considère que la masse et la charge physique de l'électron sont celles de l'électron « habillé » et non celles de l'électron « nu ». ce dernier n'existe pas réellement, puisqu'il est toujours impensable sans son champ. »

Louis de Broglie, dans « Le dualisme des ondes et des corpuscules dans l'œuvre d'Albert Einstein » :

« La continuité semblait régner dans le domaine du champ électromagnétique et du rayonnement tandis que la discontinuité granulaire s'introduisait, par ailleurs et assez arbitrairement, pour représenter l'existence certaine des sources quasi ponctuelles du champ électromagnétique liées à la matière électrisée. Cette dissymétrie donnait à la doctrine de Lorentz sur les électrons quelque chose qui n'était pas satisfaisant malgré la beauté du formalisme et le succès remarquable de certaines des prévisions obtenues. Si la dualité des ondes et des corpuscules paraissait expulsée depuis Fresnel de la théorie de la lumière par suite du triomphe de la conception exclusivement ondulatoire, on ne pouvait pas dire qu'il en était de même dans l'ensemble de notre représentation du monde physique. D'ailleurs, pour ceux qui connaissaient bien l'histoire des sciences, il y avait une autre raison, un peu oubliée sans doute, de penser qu'il existait une liaison cachée entre les concepts d'onde et de corpuscule dont ne rendait pas compte la Physique de 1900. Je fais allusion ici à cette belle théorie de Mécanique analytique qui fut développée, il y a quelque 120 ans, par Hamilton et par Jacobi et qui fait correspondre à un ensemble de mouvements de corpuscules dans un champ de force donnée la propagation d'une onde dans cette région de l'espace à l'approximation de l'Optique géométrique. Cette saisissante image permettait d'identifier les trajectoires des corpuscules associés à l'onde aux « rayons » de cette onde définis par l'optique géométrique comme les courbes orthogonales aux surfaces d'égale phase. Ainsi était apparue une correspondance, d'une nature très profonde, quoique limitée, il est vrai, au domaine de validité de l'optique géométrique, entre le mouvement d'un corpuscule et la propagation d'une onde et je pense que l'importance du lien ainsi établi ne saurait être surestimée… Mais à l'époque où écrivaient Hamilton et Jacobi et dans la période qui suivit, aucun sens physique précis n'avait été donné à cette représentation et l'onde introduite par leur théorie avait été considérée comme une onde fictive, simple artifice mathématique permettant de se représenter simultanément tout un ensemble de trajectoires possibles. La précieuse indication que le formalisme d'Hamilton-Jacobi pouvait fournir sur la véritable nature du dualisme onde-corpuscule avait été méconnue par les savants du XIX e siècle habitués, nous l'avons vu plus haut, à employer dans des domaines séparés les notions d'onde et de corpuscule. Mais bientôt, dans le domaine même du rayonnement d'où il paraissait exclu à jamais, cet étrange dualisme allait réapparaître sous une forme aussi inattendue qu'inquiétante pour les théoriciens.

La plus connue et la plus convaincante des expériences quantiques menant à renoncer à l'image classique de la physique est toujours l'expérience des fentes de Young. On se souvient qu'il s'agit de l'émission par une source qui est envoyé sur un écran en passent par deux fentes proches. On constate que les émissions lumineuses causent des impacts discrets (ponctuels) sur un écran, que les émissions de particules produisent des interférences sur l'écran. Et surtout, on remarque que, même si un corpuscule passe par une seule fente, il n'est pas équivalent de fermer ou pas l'autre fente. En effet, en la fermant, on empêche (dans le cas de fentes suffisamment étroites) le milieu agité par la présence du corpuscule avant les fentes de passer après les fentes. Du coup, le corpuscule est dispersé après le passage de la fente. La relation entre matière et vide est donc à la base de la compréhension des phénomènes quantiques. Remarquons qu'il y a bien longtemps, plusieurs expériences (comme la pression du vide sur la matière ou effet Casimir) d'action du vide sur la matière avaient déjà été mises en évidence. Cependant, on considérait toujours que le vide était le milieu qui ne perturbait pas le mouvement de la lumière (puisqu'on la considérait comme à rectiligne uniforme dans le vide) et le mouvement ou le changement de la matière. La conception selon laquelle matière et vide interagissent sans cesse au cours du processus fondamental de chaque particule est donc un renversement considérable de point de vue.

Comment concevoir qu'un corpuscule qui arrive comme un grain sur un écran (un par un et localisé) puisse dessiner une figure d'interférence si la source émet un grand nombre de corpuscules qui passent par deux fentes ouvertes alors qu'il n'y a pas d'interférence quand on ferme une fente ? Les corpuscules arrivant de façon discrète, un par un et indépendamment les uns des autres, il faut considérer que l'interférence a lieu pour un corpuscule seul. Le corpuscule ne peut interférer qu'avec lui-même en conséquence. Comment est-ce possible qu'il n'interfère avec lui-même que lorsque les deux fentes sont ouvertes ? C'est qu'il faut que quelque chose passe aussi par la deuxième fente. Rappelons nous que les expériences de fentes fonctionnent avec des fentes suffisamment étroites pour laisser passer le corpuscule sans laisser passer l'onde du corpuscule, agitation du vide qui entoure le corpuscule et se propage autour. C'est cette agitation qui parvient à passer par la deuxième fente si elle est ouverte puis rejoint le corpuscule derrière les fentes. L'expérience des fentes de Young nécessite que le corpuscule interfère avec le vide, tantôt destructivement tantôt constructivement. Cela signifie que, de façon très brève, le corpuscule est inhibé par le vide. Son agitation interne supprime la structure du corpuscule puis la reconstruit en un temps très court. C'est un processus de rétroaction (inhibition de l'inhibition). C'est ce processus qui est fondamental pour le photon. Le corpuscule lumineux n'est le sujet d'un processus périodique qu'à cause de la rétroaction du vide qui détruit périodiquement le corpuscule. C'est le seul processus qui permette de rendre compte à la fois des effets type grain du rayonnement (comme l'arrivée discrète et localisée sur un écran, l'effet Compton, l'effet photoélectrique [13], etc) et de des effets type onde (périodicité, phase, interférences destructives et constructives entre deux rayonnements, etc). Par exemple, un photon se transforme en couple éphémère électron antiélectron. D'autres particules d'interaction se transforment en proton antiproton. Ces couples se recomposent ensuite avec de la matière ou avec des particules et antiparticules éphémères du vide.

La particule matérielle ou l'atome sont eux aussi sujets au même caractère double (onde/corpuscule) dont la contradiction provient du fait que les effets sont apparemment logiquement opposés (localisé/étendu dans tout l'espace, interférence/pas d'interférence, etc). Ces phénomènes ne peuvent se produire que si la particule matérielle subit les mêmes interférences avec le vide sur un temps beaucoup plus court. Ces interférences entre particule et vide sont les ondes de Broglie. Bien d'autres phénomènes quantiques ne peuvent être interprétés que comme l'interaction entre le corpuscule et son milieu. C'est le cas du moment cinétique. L'électron isolé en a un qui n'est pas nul alors qu'en physique classique toute particule isolée a un moment cinétique nul. Cela signifie que l'électron n'est pas isolé mais en connexion avec le vide agité que représente son milieu, ce que l'on appelle son onde. Ondulatoire comme le corpuscule lumineux, il disparaît aussi mais dans un temps trop court pour être perçu. Par contre ses propriétés d'interférence avec le vide montrent que lui aussi disparaît puis réapparaît. En conclusion, le processus fondamental qui maintient la particule dans son état pendant un certain temps consiste en sa disparition et sa réapparition de façon permanente et très rapide. Cela explique également qu'il soit impossible de suivre un corpuscule de façon continue puisqu'il disparaît périodiquement et ne réapparaît pas exactement au même endroit. D'où le caractère flou à une petite échelle des corpuscules et des atomes qui a été l'une des découvertes étonnantes de la physique quantique. C'est en effet en contradiction avec les propriétés de l'atome à notre échelle, humaine. Quand on examine des atomes dans un grand groupe d'atomes, ils ne se comportent pas de façon floue, ils n'ont pas l'air ni d'apparaître ni de disparaître. Ils sont « classiques » et non « quantiques ». La séparation, qui a fait couler tant d'encre, entre classique et quantique (expérience de pensée du chat de Schrödinger par exemple) s'expliquerait donc par l'effet destructif et constructif du vide. Lorsque les atomes sont nombreux à proximité, les messages qu'ils échangent (photons) suppriment l'effet destructif de l'agitation du vide. Cette agitation interne permanente du vide a été longtemps ignorée. C'est elle qui est en cause dans les inégalités d'Heisenberg. Le vide agite la matière comme la lumière. A l'échelle d'un corpuscule, elle rend le mouvement et la présence du corpuscule flous. Elle empêche de connaître précisément les deux.

Lire ici l'article de Matière et Révolution

Lire d'autres articles

Richard Feynman dans son « Cours de Physique – Mécanique 1 » :

« Les choses que nous avions l'habitude de considérer comme des ondes se comportent aussi comme des particules et que les particules se comportent inversement comme des ondes ; en fait, tout se comporte de la même manière. Il n'y a pas de distinction entre une onde et une particule. Ainsi, la mécanique quantique unifie l'idée du champ et de ses ondes, et l'idée de particules, dans une seule et même idée. Cependant, il est vrai que lorsque la fréquence est basse, l'aspect ondulatoire du phénomène est plus évident ou plus utile comme description approchée en partant des expériences de tous les jours. Mais lorsque la fréquence augmente, les aspects particulaires du phénomène deviennent plus évidents avec l'équipement que nous utilisons habituellement pour faire les mesures. »