Comprendre la théorie des variables cachées

Une citation d’Einstein ressort toujours lorsqu’on cherche à comprendre la théorie des variables cachées :

Dieu ne joue pas aux dés

Einstein

Cette citation est sûrement l’une de ses plus connues… mais elle est pourtant bien mal comprise. Einstein parlait ici de la physique quantique, qui, selon les autres physiciens de l’époque, serait une physique probabiliste et non déterministe.

Par probabiliste, il faut comprendre vulgairement « aléatoire ». Autrement dit, le résultat d’une expérience de physique quantique ne peut pas être déterminé à l’avance, car il existe une part de hasard dans le processus. Cela va à l’encontre de la physique classique dite « déterministe ».

Einstein ne refusait pas la physique quantique en bloc : au contraire il fait partie de ceux qui l’ont mise au point. C’est au fur et à mesure de l’avancée des travaux de toute la communauté scientifique que l’idée d’une physique quantique probabiliste naquit. Et c’est là qu’Einstein commença à s’opposer à ses collègues.

Déterminisme /VS/ probabilisme ?

En effet, une physique probabiliste signifie une physique imprévisible. Ainsi, si on a deux systèmes et qu’on leur applique un effet quantique identique dans les deux cas, alors le résultat pourrait être différent dans les deux cas. C’est un peu comme le lancer de dés : vous êtes dans la même pièce, sur le même sol, mais chaque lancer donne un résultat différent.

C’est cette idée « probabiliste » de la physique qu’Einstein refusait d’admettre : pour lui, les lois de l’univers doivent être déterministes. Les mêmes causes doivent toujours engendrer les mêmes effets.

Dans le cas de nos dés, je vous rassure, c’est un système déterministe. Avec le bon protocole et les bonnes conditions expérimentales, il est possible de jeter un dé de façon à connaître le chiffre qu’il va afficher (en le lançant exactement de la bonne hauteur, avec la bonne force, le bon angle, etc.).

Sur les systèmes quantiques, c’est le contraire qui se produisait : peu importe comment les expériences furent réalisées, même avec la plus grande précision possible, deux expériences donnaient des résultats différents à chaque fois.

La théorie des variables cachées

Ceci tracassait beaucoup Einstein (et pas seulement lui). Il émit l’hypothèse qu’il devait y avoir des variables cachées : des paramètres physiques qui n’étaient pas pris en compte lors des expérimentations et qui contribuaient à fausser les résultats.

Après un bon nombre d’expériences sur plusieurs décennies, il est aujourd’hui admis que la physique quantique est bel et bien probabiliste. Il n’y a pas de variables cachées – aucune n’a été découverte en tous cas – mais le sujet fait toujours couler beaucoup d’encre.

Au coeur du problème : l’intrication quantique

Einstein et la physique quantique n’étaient pas toujours d’accord : prenons l’intrication quantique par exemple.

Une illustration fantaisiste de l’intrication quantique

Pour Einstein, il était totalement inconcevable que deux particules puissent s’affecter l’une l’autre, à distance, et plus rapidement que la lumière. Il disait de façon un peu moqueuse que c’était une action « fantomatique et à distance » (« spooky action a distance »).

Et pourtant… Même si Einstein n’y croyait pas, l’intrication quantique est aujourd‘hui un phénomène lui aussi bien établi.

Il n’est pas expliqué à 100 %, mais on sait de façon sûre que cet effet existe et que ce n’est ni un problème d’interprétation des résultats, ni un problème d’expérimentation.

En bref

Einstein n’était pas bêtement opposé à la notion de probabilités dans la physique quantique en général. Il a été l’un des premiers à utiliser des probabilités dans le cadre de sa théorie des transitions dans un atome de Bohr.

Ses arguments dépassaient de loin le simple « point de vue » ou le débat philosophique. Accepter un probabilisme général remettait, selon lui, beaucoup de choses en cause (notamment vis-à-vis de sa théorie de la relativité générale).

La prochaine fois que vous entendrez l’expression « Dieu ne joue pas au dés », vous saurez donc que son auteur ne combattait pas la physique quantique toute entière, mais bien un seul concept encore au coeur de bien des débats aujourd’hui.

Pour en savoir plus sur la théorie des variables cachées

• Le paradoxe EPR : une expérience de pensée, élaborée par Einstein, Podolsky et Rosen ;
• Mécanique quantique : une faille éliminée dans l’expérience d’Aspect ;