Dominique Mouhanna

La Connaissance à l’épreuve de la Mécanique Quantique

« Je suis ingénieur quantique, mais le dimanche, j’ai des principes. » – John Stewart Bell –

Introduction : la physique, une succession de révolutions

Un des aspects singuliers de la physique réside dans le fait qu’elle est le lieu, non seulement d’innovations techniques transformant profondément notre vie matérielle, mais aussi de révolutions conceptuelles bouleversant notre manière d’appréhender le réel. Parmi ces révolutions, celle qui survient au xvie siècle, dite « copernicienne », ne fait rien de moins que de déplacer le « centre du monde » de la Terre au Soleil, marquant ainsi le passage du géocentrisme à l’héliocentrisme. Les révolutions suivantes, galiléenne et newtonienne, aux xviie et xviiie siècles, ouvrent la voie à l’idée de lois physiques universelles. On comprend, d’une part, que tous les objets chutent dans le vide de la même manière, c’est-à-dire avec la même accélération ; d’autre part, que la même loi – en l’occurrence celle de la gravitation universelle – régit simultanément la chute des corps sur Terre et le mouvement des astres dans le ciel. Cette rupture marque l’abandon du parti-cularisme sous-jacent au géocentrisme qui prévalait depuis l’Antiquité. Avec la physique newtonienne, et sous l’influence de penseurs comme Descartes, émerge également une vision mécaniste et déterministe du monde, reléguant partielle-ment la vision théologique de l’univers.

Au xixe siècle s’enclenche un processus qui ne cessera d’obséder les physiciens : celui de l’unification des phénomènes qui les entourent. Maxwell, s’appuyant sur les travaux de Gauss, Faraday et Ampère, réalise que deux catégories de phéno-mènes, apparemment disparates – les phénomènes électriques et magnétiques – ne relèvent, en réalité, que d’une seule : l’électromagnétisme. Celui-ci se condense en un ensemble de quatre équations, dites équations de Maxwell. Un nouveau paradigme émerge alors : celui de champ, une grandeur dynamique qui exhibe une double dépendance spatiale et temporelle, comme les champs électrique E⃗(x⃗,t) et magnétique B⃗(x⃗,t). Ce concept mathématique permet de décrire formellement une perturbation qui se propage dans un milieu physique1 – autrement dit, une onde – et vient compléter celui de variable x⃗(t), utilisée pour spécifier la position d’un point ou d’un corps matériel en mouvement.

Parallèlement, de la fin du xviiie siècle à la fin du siècle suivant, se développe, sous l’impulsion de Watt, Thompson, Carnot, Clausius et Kelvin, la thermody-namique, étymologiquement l’« étude de la chaleur et du travail ». Par la suite, grâce à Maxwell, Boltzmann et Gibbs, la mécanique statistique voit le jour et en établit les fondements microscopiques. Ces théories conduisent, elles aussi, à l’unification de deux concepts jusque-là considérés comme distincts : la chaleur et le travail, et permettent de formuler l’un des principes les plus fondamentaux de la physique : la conservation de l’énergie pour un système isolé. On y introduit également une notion centrale : celle d’entropie, qui signifie étymologiquement « changement à l’intérieur ». L’entropie mesure le désordre au sein d’un système. Sa croissance quasi-systématique traduit la tendance presque inévitable du désordre