Les In­dis­pen­sables de la mécanique quantique

Si un électron n'a pas de position définie, par quoi la remplacer ? La réponse tient dans un objet mathématique au cœur de la théorie : la fonction d'onde. Elle ne décrit pas où est la particule, mais la façon dont ses possibilités de présence se répartissent dans l'espace. Erwin Schrödinger lui donne en 1926 une équation d'évolution qui joue, pour le monde quantique, le rôle des lois de Newton pour le monde classique. Elle dit comment cette onde de possibilités change au fil du temps, de manière parfaitement déterminée.

Le saut conceptuel vient de Max Born, la même année. La fonction d'onde, prise seule, n'est pas directement observable. Ce qui compte, c'est son carré : il donne la probabilité de trouver la particule à tel endroit si on la cherche. Omnès souligne le paradoxe que cela installe au fondement de la physique. L'équation est déterministe — l'onde évolue sans hasard. Mais ce qu'elle prédit n'est qu'une distribution de probabilités. Avant la mesure, on ne peut pas dire où sera l'électron ; on peut seulement dire avec quelle fréquence il apparaîtra ici plutôt que là si on répète l'expérience mille fois.

La fonction d'onde autorise une situation qui n'a pas d'équivalent dans notre expérience : la superposition. Un système quantique peut être dans plusieurs états à la fois, non pas par hésitation mais par constitution. Un électron peut tourner simultanément dans un sens et dans l'autre, un photon être polarisé selon deux directions en même temps. Tant qu'on ne mesure pas, ces états coexistent, et c'est leur coexistence qui produit les interférences observées dans l'expérience des fentes. Supprimez la superposition, vous supprimez tout ce qui fait la spécificité du quantique.

C'est pour ridiculiser cette idée que Schrödinger imagine en 1935 son célèbre chat. Un chat enfermé dans une boîte avec un dispositif qui, selon qu'un atome radioactif s'est désintégré ou non, libère un poison. Tant que l'atome est en superposition — désintégré et intact à la fois —, le chat devrait être, à suivre la théorie à la lettre, vivant et mort simultanément. L'exemple était conçu comme une objection : personne n'a jamais vu de chat dans cet état. Omnès le prend au sérieux comme une question légitime, celle de la frontière entre le minuscule, où la superposition règne, et l'ordinaire, où elle semble interdite.

Le chat de Schrödinger a longtemps été traité comme une énigme philosophique, résolue à coups d'interprétations rivales : la conscience de l'observateur qui ferait s'effondrer la fonction d'onde, des univers parallèles qui se dédoubleraient à chaque mesure. Omnès, avec d'autres comme Hans Dieter Zeh et Wojciech Zurek, défend une voie plus physique et moins spectaculaire : la décohérence. L'idée est que la superposition ne disparaît pas par magie — elle se dilue dans l'environnement.

Un objet macroscopique n'est jamais isolé. Un chat, une aiguille de cadran, un grain de poussière sont en contact permanent avec des milliards de molécules d'air, de photons, de vibrations. Chaque interaction emmêle l'état du système avec celui de son environnement. Très vite — en des temps si courts qu'ils échappent à toute mesure directe —, les différentes branches de la superposition cessent de pouvoir interférer entre elles. Les possibilités ne s'additionnent plus, elles se séparent. Le système se comporte alors comme s'il avait choisi, même si l'équation de Schrödinger continue de tourner sans accroc.

Omnès boucle là où il avait commencé, à l'électron qui passe par deux fentes. L'étrangeté du début — une particule sans trajectoire, des possibilités qui coexistent, un hasard logé au fond des choses — n'était pas un accident à corriger mais le socle de la théorie. Et ce socle, loin de contredire notre expérience ordinaire, l'engendre : le monde net et prévisible qu'on habite est ce que devient le monde quantique dès qu'un objet grandit assez pour s'emmêler à tout ce qui l'entoure.