Le temps de la mécanique quantique

SECTION SCIENCES PHYSIQUES

par Michel BÉNOT, extrait de Temps, œuvre collégiale, DRC, 2005.


« La mécanique quantique1 conditionne les règles d’existence de tout un petit monde qui n’est guère accessible directement à nos sens, et dont les comportements paraissent, par bien des aspects, inaccessibles à notre intuition, pour nous en donner une représentation simple. C’est le monde des molécules et de leurs constituants, les atomes ; des constituants de ceux-ci, les nucléons et les électrons ; et de toute une cohorte d’autres particules dites élémentaires que nous évoquons un peu plus loin. La nécessité d’une mécanique particulière pour décrire les phénomènes atomiques est apparue au tout début du XXe siècle. Nous ne tenterons pas d’exposer en quelques lignes les lois et les formalités qui réglementent le « jeu de société » auquel se livrent entre eux ces êtres quantiques : elles font appel à un formalisme très particulier pour être décrites.

Il suffit de dire ici que l’état d’un système quantique, à un ou plusieurs composants interagissant entre eux, est décrit par une expression mathématique qu’on appelle fonction d’onde. Cette dernière traduit mathématiquement l’évolution du système. Elle est réversible par rapport au temps, et cette évolution obéit au déterminisme, comme les lois d’évolution en physique classique. Dans cette science, les formules permettent normalement de prévoir sans ambiguïté un résultat de mesure, et l’observation d’un phénomène est supposée ne pas perturber le phénomène lui-même. En revanche, dans les expériences effectuées sur des systèmes quantiques, il n’en va pas de même : il n’est pas possible de prédire le résultat d’une mesure portant sur un phénomène observé une seule fois. C’est une physique probabiliste : on peut indiquer la probabilité d’observer un résultat.

Les observations sont faites à l’aide d’instruments conçus à notre usage, à des échelles bien différentes de celles des phénomènes physiques observés eux-mêmes. Selon la théorie de la mesure admise, les instruments de mesure ont un effet sur les phénomènes observés. Cette interaction modifie brutalement la fonction d’onde qui exprimait l’état du système avant l’observation proprement dite. On dit qu’il y a réduction de la fonction d’onde. Voyons ce que cela signifie, et nous pourrons alors comprendre le rôle que le temps joue dans ce phénomène.

Une mesure sur un système quantique peut donner plusieurs résultats possibles. La théorie admise est que la fonction d’onde d’un système « porte avec elle », avant observation du système, un ensemble de possibilités de résultats de mesure, chacune affectée d’une probabilité. La mécanique quantique permet d’établir la probabilité d’observation attachée à chacune. Au moment de la mesure, une seule d’entre elles se réalise, sans qu’on puisse dire à l’avance laquelle. On a pu dire que le processus de mesure « actualise » une des « potentialités » présentes dans le phénomène, jusqu’à l’instant de la mesure, dans le système étudié. C’est pourquoi on parle de « réduction » lors de la mesure.

La mécanique quantique, tout comme celle des systèmes « macroscopiques » de notre environnement habituel, peut être relativiste ou non, selon les vitesses en jeu, et fait aussi intervenir le temps de manière réversible et déterministe… sauf au moment de la mesure ! En effet, la « réduction » de la fonction d’onde introduit une véritable irréversibilité des phénomènes en ne conservant qu’un résultat parmi tous les résultats d’observation possibles. Rien, dans la fonction, n’annonce en quelque sorte ce passage de l’état de réversibilité à celui d’irréversibilité. C’est pourquoi cette irréversibilité est attribuée au processus d’observation. C’est lui qui en serait responsable, selon la théorie de la mesure en mécanique quantique. L’observation constitue une modification irréversible de ce qui est observé. Cet aspect, à première vue déroutant, des choses, a fait l’objet de nombreuses théories de la mesure, dans le détail desquelles nous n’entrons pas ici.

Mais ce n’est pas tout. Le monde quantique est aussi celui des transitions spontanées. Ce sont des changements spontanés d’état de certains systèmes pour lesquels il n’est pas possible de dire à quel moment le changement se produira. On attribue des probabilités d’occurrence à ces changements d’état, et une durée de vie à l’état lui-même. Ainsi, par exemple, dans un atome, un électron peut avoir été « excité » par absorption d’un photon lumineux et demeurer un certain temps dans cet état avant de retourner à son état d’origine dit état fondamental2. Cet état durant lequel l’électron demeure « excité » après avoir absorbé un photon a une certaine durée de vie. Son caractère irréversible, en l’absence d’un événement extérieur, créé une asymétrie entre le passé et l’avenir. De tels changements d’état spontanés posent aussi bien des questions quant à l’application du principe de causalité et du déterminisme. Retenons ici que la mécanique quantique se caractérise, pour ses liens avec le temps, par la cohabitation d’une fonction d’onde héritée de la dynamique classique – avec son caractère réversible et déterministe – et de phénomènes non déterministes caractérisés par l’irruption des probabilités et de l’irréversibilité attachée aux résultats de mesure.

Le monde de la physique des particules est le théâtre de nombreux phénomènes de ce type.

Notes :

  1. Le mot « quantique » ou « quanta » vient de quantum, qui signifie « combien ». Dans le monde de l’infiniment petit, les grandeurs physiques ne peuvent prendre que des valeurs discrètes et ne peuvent varier que par saut. Un exemple de grandeur ne pouvant varier que par saut est celui des prix : avant l’apparition de l’euro, la plus petite « unité » de prix étant pratiquement cinq centimes, un ajustement de prix ne pouvait se faire que par un minimum de cinq centimes. Les objets physiques du monde quantique, les particules, de leur côté, ne sont réductibles ni à des ondes ni à des corpuscules, comme en mécanique classique. C’est ce qui justifie l’existence d’une mécanique et d’un formalisme mathématique particulier pour les traiter : la mécanique quantique.
  2.  On peut dire de manière très imagée, bien que non conforme à la réalité qui n’est pas représentable par nos concepts habituels, que les électrons d’un atome sont normalement disposés sur des « orbites », selon des niveaux d’énergie quantifiés. Un électron « excité » par absorption d’énergie extérieure va changer provisoirement « d’orbite » et y demeurer un certain temps (connu par une valeur moyenne qui se caractérise par la durée de vie de cet état), avant de libérer cette énergie et reprendre son état initial, appelé « fondamental ». »