La mécanique quantique 100 ans après : une révolution inachevée

Il y a un siècle, la physique a connu son moment darwinien – un changement de perspective qui a été aussi important pour les sciences physiques que la théorie de l’évolution par sélection naturelle l’a été pour la biologie.

Il est rare qu’une idée ou une théorie scientifique change fondamentalement notre perspective sur la réalité. L’année 2025, déclarée par les Nations unies  » Année internationale de la science et de la technologie quantiques », sera l’occasion de célébrer une telle révolution. Cette année marquera le centenaire de l’avènement de la mécanique quantique, qui a vu le jour il y a 100 ans dans une multitude d’articles. Tout comme il serait impossible de comprendre la biologie moderne sans la théorie de l’évolution de Charles Darwin, notre compréhension fondamentale du monde physique est désormais ancrée dans les principes quantiques. La physique moderne est une physique quantique.

Le mot « quantum » fait référence à la manière dont la matière absorbe ou libère de l’énergie – par paquets discrets, ou quanta. Son utilisation en physique vient du mot allemand quant, dérivé d’un terme latin signifiant « combien ». Vers 1900, des physiciens tels que Max Planck et Albert Einstein ont commencé à décrire, de manière ad hoc, pourquoi plusieurs phénomènes du domaine subatomique ne pouvaient pas être expliqués à l’aide de la mécanique classique développée par Isaac Newton et d’autres quelque deux siècles plus tôt. Puis, en 1925, le terme « quantique » a été utilisé pour décrire les fondements d’une forme entièrement nouvelle de mécanique – la branche de la physique qui décrit la relation entre les forces et le mouvement des objets physiques.

Comme le décrit l’historien des sciences Kristian Camilleri dans un essai sur les développements surprenants de cette année-là et de celles qui ont suivi, le physicien Werner Heisenberg s’est rendu sur l’île allemande d’Heligoland, dans la mer du Nord, au cours de l’été 1925, pour soulager un rhume des foins sévère. Peu après, il soumet à la revue Zeitschrift für Physik un article dont le titre se traduit par « On quantum-theoretical reinterpretation of kinematic and mechanical relationships »(W. Heisenberg Z. Physik 33, 879-893 ; 1925). Dans les mois qui suivirent, Heisenberg et ses proches collaborateurs entreprirent d’autres études, tandis qu’Erwin Schrödinger travaillait sur une autre approche.

La révolution n’a pas commencé lorsque les physiciens ont rejeté les lois de la mécanique classique, mais lorsqu’ils ont réinterprété radicalement des concepts classiques tels que l’énergie et la quantité de mouvement. Cependant, ses initiateurs ont dû abandonner des idées de bon sens chères à leur cœur – par exemple, l’idée que les objets subatomiques tels que les particules ont une position et un élan bien définis à tout moment. Au lieu de cela, les physiciens ont découvert que les phénomènes naturels avaient une nature intrinsèquement inconnaissable. En d’autres termes, la physique classique n’est qu’une représentation approximative de la réalité et ne se manifeste qu’au niveau macroscopique. Un siècle plus tard, cette découverte de la nature du monde physique continue d’enthousiasmer et de déconcerter à parts égales. De nombreux lecteurs de Nature connaissent les dilemmes philosophiques soulevés par les chats quantiques qui sont à la fois morts et vivants, ainsi que l’industrie qui se développe autour de l’informatique quantique.

D’autres sauront que les idées quantiques ont donné naissance aux lasers qui diffusent des informations à travers les câbles de l’internet et aux transistors qui fournissent la puissance de traitement des puces électroniques. Mais les idées quantiques façonnent également notre compréhension de la nature, à tous les niveaux, en expliquant pourquoi les objets solides ne se désagrègent pas et comment les étoiles brillent et, en fin de compte, meurent.

Une année quantique

Des événements commémoratifs sont prévus dans le monde entier pour les 12 mois à venir. Il s’agit notamment d’une cérémonie d’ouverture de l’année des Nations unies au siège de l’organisation scientifique des Nations unies, l’UNESCO, à Paris en février, d’événements spéciaux lors d’une réunion de la Société américaine de physique à Anaheim, en Californie, en mars, et d’un atelier pour les physiciens à Heligoland en juin. L’ambition collective des organisateurs est de célébrer non seulement le centenaire de la mécanique quantique, mais aussi la science et les applications qui en ont découlé au cours du siècle dernier, et d’explorer comment la physique quantique pourrait apporter d’autres changements au cours du siècle à venir.

En mai, le Ghana, pays qui a proposé à l’origine que les Nations unies proclament 2025 année de la science quantique, accueillera une conférence internationale sur le sujet à Kumasi. En août, des historiens des sciences se réuniront pour célébrer le siècle quantique à Salvador de Bahia, au Brésil.

Cette réunion sera le point culminant d’un programme de recherche de 20 ans visant à réexaminer le développement de la théorie quantique. Selon l’historien Michel Janssen, de l’université du Minnesota à Minneapolis, l’un des principaux objectifs de ce travail était d’établir les contributions d’un collectif de scientifiques, dont beaucoup – en particulier les femmes – n’ont pas été reconnues dans l’histoire de la théorie quantique.

Parmi ces « figures cachées » figure Lucy Mensing, qui a fait partie du même groupe que Heisenberg et a élaboré certaines des premières applications de sa théorie de la mécanique quantique, explique Daniela Monaldi, historienne à l’université York de Toronto, au Canada. L’un des événements les plus marquants de l’année sera la publication d’un volume d’essais biographiques sur 16 d’entre elles, intitulé Women in the History of Quantum Physics (Les femmes dans l’histoire de la physique quantique).

Malgré tout ce qu’elle a déjà apporté, la révolution quantique reste inachevée. Au cours des années où les chercheurs ont jeté les bases de la mécanique quantique, ils ont également commencé à reconstruire d’autres branches de la physique – telles que l’étude de l’électromagnétisme et des états de la matière – à partir des fondements quantiques. Ils ont également cherché à étendre leurs théories aux objets qui se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière, ce qui n’était pas le cas de la théorie quantique originale. Ces efforts ont considérablement élargi la portée de la science quantique et ont conduit les chercheurs à élaborer le modèle standard des particules et des champs, un processus qui s’est finalement concrétisé dans les années 1970.

Le modèle standard a connu un succès incroyable, qui a culminé avec la découverte en 2012 de sa particule élémentaire principale, le boson de Higgs. Mais ces extensions reposent sur des bases théoriques moins solides que la mécanique quantique et laissent plusieurs phénomènes inexpliqués, comme la nature de la « matière noire » qui semble l’emporter largement sur la matière conventionnelle visible dans l’ensemble du cosmos. En outre, un phénomène important, la gravité, ne peut toujours pas être quantifié.

D’autres problèmes conceptuels de la physique quantique restent ouverts. En particulier, les chercheurs s’efforcent de comprendre ce qui se passe exactement lorsque les expériences « effondrent » les probabilités floues des objets quantiques en une mesure précise, une étape clé dans la création du monde macroscopique – toujours classique – dans lequel nous vivons. Au cours des dernières décennies, les chercheurs ont développé des moyens de transformer ces bizarreries de la réalité quantique en technologies utiles. Les applications qui en résultent dans les domaines de l’informatique, des communications ultra-sécurisées et des instruments scientifiques innovants en sont encore à leurs débuts.

La théorie quantique n’en finit pas de donner. Cette année est l’occasion de célébrer et de sensibiliser le grand public au rôle de la physique quantique dans leur vie – et d’inspirer les générations futures, qui qu’elles soient et où qu’elles soient dans le monde, à contribuer à un autre siècle quantique.

Cet article a été publié pour la première fois dans Nature.

Image en vedette : La théorie quantique a permis d’expliquer comment les niveaux d’énergie d’un atome se divisent dans un champ magnétique, un phénomène connu sous le nom d’effet Zeeman.Crédit : Harsh Vardhan Dewangan/Shutterstock.