Le bruit quantique à la racine de l’univers

Pour un physicien, un silence parfait est le bruit ultime. Éteignez votre téléphone, faites le vide dans votre tête et supprimez toutes les vibrations et vous aurez toujours du bruit quantique. Le bruit quantique représente une profondeur indéterministe de la nature, un ensemble de mouvements statiques et inexplicables qu’il est impossible de supprimer ou même de lui donner un sens. Il est totalement contre-intuitif.

Le bruit quantique

Et si on considère que le bruit est constamment présent, alors on pourrait penser que les physiciens peuvent l’expliquer correctement. Mais il reste l’un des plus grands mystères de la science. La théorie quantique reste silencieuse sur l’origine du bruit, mais également comment il arrive dans notre monde. L’équation qui détermine la théorie, celle de Schrödinger, est complètement déterministe. Il n’y a aucun bruit quantique dans cette équation. Pour expliquer des particules quantiques dotées de bruit, nous avons besoin de principes supplémentaires.

Pour les physiciens dans la tradition de Niels Bohr, l’acte de l’observation est décisif. L’équation de Schrödinger définit un menu de possibilités sur l’action possible d’une particule, mais on connait uniquement cette action quand on mesure la particule. Des particules identiques feront différents choix avec des résultats variables sur des processus fondamentaux. Dans la vision de Bohr, on ne peut pas expliquer davantage le bruit quantique. C’est ce que le physicien John Wheeler a considéré comme un acte fondamental de création sans aucun antécédent. La genèse n’était pas un événement solitaire dans un passé distant, mais un processus continu. Nous créons le monde en l’observant.

Pour des sceptiques comme Einstein, cette vision est merveilleusement romantique et complètement incohérente. Qui est le Nous et qu’est-ce que l’Observation ? Les physiciens et les philosophes ont passé une bonne partie du siècle à proposer des explications en prenant 2 principales directions. Peut-être que le bruit quantique, comme le bruit dans notre vie quotidienne, possède un sens qui nous échappe. Il peut sembler indéterministe, mais il est produit par un processus déterministe que nous ne pouvons pas voir. Par exemple, le bruit quantique est peut-être la conséquence de vivre dans des univers parallèles et qu’on ne puisse pas reconnaitre notre univers. Le bruit, par essence, nous dit où nous vivons. L’indéterminisme des particules pourrait être les étrangetés qui différencient notre univers par rapport aux autres et ils sont les bruits de notre localisation par un pur hasard comme d’aller dans un hôtel et qu’on vous donne la chambre 314 plutôt que 159.

Des univers parallèles pourraient ressembler à des chambres d’hotel. Seules les petites déviations dans le bruit pourraient nous indiquer la chambre que nous occupons

Les principes de la théorie GRW (Ghirardi-Rimini-Weber)

L’autre approche basique est que le bruit quantique n’a aucun sens et que la théorie quantique est aussi indéterministe que la vision de Bohr. Dans ce cas, le défi est d’accepter le concept étrange de la mesure qui agit sur la particule. En 1986, 3 physiciens, GianCarlo Ghirardi, Alberto Rimini et Tullio Weber, ont proposé que non seulement le bruit quantique n’a aucun sens, mais que les expérimentateurs ne le déclenchent pas. En fait, rien ne peut déclencher le bruit. Le bruit apparait de manière inattendue tous les 100 millions d’années pour une particule individuelle.

Dans les débats d’interprétation, la théorie GRW et ses variantes jouent un rôle spécial. Cette théorie expose l’interprétation indéterministe de la mécanique quantique, mais c’est également la seule qui propose une interprétation indéterministe pour tous les bruits plutôt que de les enfouir dans un niveau subatomique. La théorie GRW est également l’une des rares qu’on peut tester sur le plan empirique. Au moins, on a une vision cohérente sur un débat qui date de Platon et de Démocrite : Est-ce que l’univers est déterministe à sa source ?

La théorie GRW suppose que le bruit frappe sporadiquement les particules ce qui provoque leur matérialisation dans un endroit ou un autre. Cela ne se produit pas fréquemment, car le comportement de chaque particule dévierait constamment de l’équation de Schrödinger. Cette théorie postule que le bruit se produit tous les 100 millions d’années et son effet est amplifié considérablement par l’intrication quantique, l’interconnexion instantanée des particules. Un choc sur une particule est ressenti par toutes les autres qui sont intriquées avec la première.

Cet effet de multiplication pourrait expliquer l’observation du comportement quantique au niveau des particules et non dans la vie de tous les jours. Une particule ne peut pas avoir de propriétés déterminées, mais un objet macroscopique sera toujours déterministe. Même si une personne ou une planète peut exister dans un état indéterminé, comme une particule isolée, la personne ou la planète représente une cible plus grande et l’une de ses particules sera rapidement affectée par le bruit quantique. Le bruit corrige la localisation de la particule et de tous ses partenaires intriqués. Un objet composé de 10²³ particules mutuellement intriquées va résonner environ toutes les 10 nanosecondes.

Le bruit agit sur la position spatiale, mais il affecte aussi indirectement les autres propriétés. Le chat mort-vivant de Schrödinger peut être forcé à être vivant ou mort parce que 2 conditions correspondent à 2 arrangements spatiaux différents de particules dans le corps du chat et le mécanisme GRW va sélectionner l’une de ces 2 possibilités.

La théorie GRW sur l’observation et l’intrication

Le mécanisme GRW démystifie également l’observation. L’observation est simplement la corrélation d’une particule qui fait partie d’un dispositif plus grand pour que les propriétés de la particule vous soient accessibles. Et en le faisant, vous exposez la particule au bruit quantique ce qui déclenche l’appareil. Vous ne créez pas directement la réalité, comme le pensait Bohr, mais vous la rendez possible pour que les bruits agissent sur les objets. Sans l’observation, le bruit passerait simplement à travers.

La théorie GRW, comme la mécanique quantique, est un formalisme mathématique et elle ne décrit pas ce qui compose le monde. Les philosophes le considèrent comme une ontologie. Ses créateurs ont imaginé une ontologie des particules, soit un monde atomiste. Mais ce qui distingue la théorie GRW des autres interprétations de la mécanique quantique est que le bruit n’est pas déclenché. Le bruit se produit de manière spontanée. Et ce bruit ne dépend pas de l’existence de quelque chose d’autre. De ce fait, la théorie ouvre une possibilité totalement nouvelle : Que l’univers est composé entièrement de bruit quantique.

Dans cette vision radicale et minimaliste, proposé par le physicien John Bell en 1987 et développé par Roderich Tumulka de l’université de Rutgers, l’univers est comme un auditorium dans l’obscurité qui s’illumine de la manière aléatoire par les flashs des appareils photo. Une constellation de moments déconnectés plutôt qu’une chose avec une existence durable. Et étant donné que ces moments aléatoires incluent toutes nos observations, alors nous ne pourrons jamais différencier ces moments avec notre univers en continu. Nous pouvons voir une particule dans un endroit ou un autre et il est naturel de supposer qu’elle a existé entre les 2 positions, mais peut-être que ce n’est pas le cas. Et si la particule n’existe pas entre les 2, alors nous n’avons aucune particule dans la pure définition du terme.

Une possibilité de réconcilier la physique quantique et la relativité

Nous ne sommes pas forcés d’accepter cette vision, mais elle a une implication très attirante. Pour le moment, c’est la seule manière de résoudre la tension entre l’intrication quantique et la relativité générale plutôt que d’abandonner l’une d’entre elles. Même notre théorie quantique la plus avancée, la théorie quantique des champs, qui a été conçue spécifiquement pour réconcilier ces 2 théories, n’élimine pas le conflit qui se produit pendant le processus de mesure ou d’équivalence. Einstein avait réalisé que, si la physique quantique est indéterministe, alors l’action d’une particule affecte instantanément toutes les particules intriquées avec elle. L’effet est subtil, car l’intrication ne transporte pas de signal, mais le mot instantané doit être pris littéralement dans la relativité. La principale raison pour laquelle on l’appelle la théorie de la relativité est que l’écoulement du temps est relatif à un observateur donné et donc, il n’y a aucun sens objectif pour que le processus soit instantané. Un observateur peut voir l’effet, mais ce n’est pas le cas pour un autre observateur dans la même position avec un risque de paradoxe. Cette contradiction s’évapore dans la théorie GRW parce que le flash se désactive de manière autonome. Rien ne cause un flash, pas même un autre flash et donc, leur ordre dans le temps n’est pas important. Qu’importe si le flash se produit en premier, car l’équation de Schrödinger va garantir qu’il est corrélé avec les flashs ultérieurs. Il n’y a aucun mécanisme qui agit dans l’espace et le temps pour produire cette corrélation et donc, la relativité ne s’applique pas.

Même les gens qui ont proposé l’exemple du flash n’aiment pas cette explication. Sans un mécanisme spatio-temporel, nous perdons tout espoir de mieux comprendre les corrélations et nous devons les accepter comme des faits bruts. Mais l’exemple du flash mérite une réflexion, car c’est une preuve que l’intrication quantique et la théorie de la relativité ne sont pas irrémédiablement opposées et il suggère que la réconciliation nécessite qu’on repense le concept de l’espace et du temps.

L’implication de la théorie GRW dans la seconde loi de la thermodynamique

La théorie GRW pourrait même résoudre d’autres problèmes en physique. David Albert, un physicien théoricien devenu philosophe à l’université de Columbia, pense que cette théorie pourrait expliquer la seconde loi de la thermodynamique : La tendance vers l’entropie ou le désordre d’une multitude de molécules dans un espace fermé. La pensée dominante est que l’entropie augmente parce que le désordre a plus de possibilités que l’ordre et donc, si un système commence de manière parfaitement ordonnée, alors il va dégénérer naturellement vers le chaos. Mais la littérature néglige un point important : La probabilité du désordre n’est pas garantie. Un système peut être arrangé par un nombre infini de configurations et il n’y a pas de manière, non ambiguë, de comparer le nombre infini d’états ordonnés avec un nombre infini d’états désordonnés.

Par exemple, il est facile de casser l’écran de son téléphone en le laissant tomber au sol. Il est également possible pour un téléphone cassé de se réparer de manière spontanée si les molécules évoluent dans la bonne direction, mais nous ne le voyons jamais. Ce n’est pas parce que de telles inversions sont intrinsèquement rares. En effet, il existe un nombre infini de manières pour les molécules de se rassembler. Les physiciens résolvent ce problème par un décret : Ils ajoutent un postulat qui établit une convention pour compter les états selon la rareté des inversions.

En principe, l’écran cassé d’un téléphone pourrait se réparer tout seul, mais le bruit quantique, qui distribue les molécules sur l’écran est la raison pour laquelle, c’est impossible.

Mais au lieu, selon Albert, le problème n’est peut-être pas le nombre de configurations, mais leur distribution à travers l’espace de possibilités. Les inversions sont des îles isolées dans une mer d’états qui vont vers le désordre. Si vous laissez tomber le téléphone de plusieurs manières, alors l’écran sera toujours cassé. Mais pour une réparation spontanée, il faut que les molécules s’approchent des unes des autres dans la bonne configuration et les petites déviations vont faire échouer cette bonne configuration. Si l’univers tente de s’inverser, alors le bruit quantique va le ramener rapidement à la normale.

Pour que cela fonctionne, le bruit doit être spontané et il ne doit pas se baser sur un déclencheur tel qu’une prise de mesure. De plus, le bruit doit être totalement irréductible dans la mesure où il ne doit pas refléter notre ignorance des détails au niveau infime sinon le problème se reproduira à cette échelle. Et le bruit doit perturber suffisamment les particules pour bloquer toute tentative d’inversion. Seule la théorie GRW, parmi toutes les explications proposées, satisfait les 3 critères.

Des résultats décourageants dans l’expérimentation de la GRW

La théorie GRW est une théorie puissante, mais elle ne tient pas la route dans les prédictions expérimentales. Dans les expériences, cette théorie doit produire des effets exotiques. Par exemple, un électron pourrait dévier sans aucune raison apparente et émettre un rayon X. Catalina Curceanu du National Institute of Nuclear Physics et ses collègues en Italie ont montré que cela se produit une fois à chaque milliard d’années ce qui infirme le délai de base de la théorie GRW (100 millions d’années). Le bruit devrait aussi perturber des détecteurs d’ondes gravitationnelles tels que le LIGO. Et l’effet doit dépendre de la taille du détecteur, car il teste la fréquence du bruit, mais également la grandeur de la région affectée. Le bruit observé dans les détecteurs est très faible ce qui enfonce encore plus la théorie.

Si le mécanisme GRW est réel, alors il doit être plus complexe de la conjecture de base. Par exemple, la sensibilité des particules au bruit pourrait dépendre de leur masse. Grâce à ce type de modification, la théorie GRW est toujours vivante aujourd’hui même si l’absence d’un signal clair est décourageante. Si la théorie est le porte-étendard de l’indéterminisme fondamental, alors le résultat nul dans les expériences nous incite à penser que l’univers est déterministe à sa racine.

La racine de l’univers est-elle déterministe ou non ?

Le déterminisme ne supprime pas totalement le bruit, mais il le déplace. Avec les lois de la physique, nous pouvons retracer les origines de chaque sursaut de bruit parce que les particules se trouvent dans certaines trajectoires. En principe, nous pouvons rebobiner ces trajectoires jusqu’aux conditions initiales de l’univers qui devrait consister de tout le bruit qui est concentré. Mais quelle que soit la source du bruit, il est le matériau brut du monde et ensuite, il est sculpté dans des patterns plus riches via des processus d’évolution et d’émergence.

Dans les laboratoires, les physiciens cherchent à extraire le bruit du monde pour l’exposer dans sa forme la plus simple. Mais dans les niveaux les plus profonds, ils suppriment le signal pour exposer le bruit en basculant une question fondamentale. Est-ce que le bruit est vraiment un signal ? Le professeur Bart Kosko, ingénieur et professeur de droit à l’université de Southern Californiaa avait écrit : Pour Dieu, tout est un signal. Mais si l’inverse est vrai, alors si pour Dieu, tout est un signal, alors pour l’homme, qui construit sa propre signification, alors rien n’est un signal.

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