Pourquoi le quantique bouscule-t-il notre intuition ?

01Vingt minutes pour voir naître des franges

Le dispositif de Hitachi remplace les deux fentes par un biprisme électronique : deux plaques parallèles et, entre elles, un filament plus fin qu’un millième de millimètre, que les électrons peuvent contourner d’un côté ou de l’autre. Accélérés sous 50 000 volts, ils filent à environ 40 % de la vitesse de la lumière et traversent le mètre du microscope en un cent-millionième de seconde. Entre deux départs s’écoule en moyenne un dixième de seconde : chaque électron voyage seul dans l’appareil. Le détecteur, mis au point avec Hamamatsu Photonics, enregistre presque chaque arrivée.

Le contraste est saisissant. Chaque électron arrive entier, en un point unique, comme un grain. Mais l’ensemble des points obéit à une règle que des grains ignorent : des bandes très fréquentées alternent avec des bandes presque vides. Dans une expérience à deux fentes, boucher l’une d’elles fait disparaître ces bandes sombres. Ouvrir un second chemin fait donc baisser le nombre d’arrivées à certains endroits de l’écran.

Tonomura n’était pas le premier sur cette piste. En 1961, à Tübingen, Claus Jönsson réalise la première véritable expérience des fentes avec un faisceau d’électrons. Au milieu des années 1970, trois physiciens de Bologne, Pier Giorgio Merli, GianFranco Missiroli et Giulio Pozzi, observent déjà, dans un laboratoire de Milan, la construction des franges avec des électrons isolés. L’équipe de Hitachi en a donné une démonstration particulièrement nette.

Pour comprendre ces bandes, l’image des vagues est la bonne porte d’entrée. Deux vagues qui se croisent s’additionnent là où leurs crêtes coïncident et s’annulent là où une crête rencontre un creux. Les bandes claires sont les rendez-vous des crêtes, les bandes sombres ceux des crêtes et des creux. La limite de l’image tient en une phrase : cette onde ne se voit jamais directement, on ne détecte que des impacts.

02Un siècle de paquets d’énergie

L’idée que la nature procède par paquets est née bien avant les électrons de Hitachi. En 1900, Max Planck cherche à décrire la lumière émise par un corps chaud. Les lois connues aboutissent à une absurdité : une énergie infinie dans les hautes fréquences. Planck lève l’obstacle en supposant que le rayonnement s’échange par quantités fixes, des « quanta ». En 1905, Albert Einstein pousse l’idée plus loin pour expliquer l’effet photoélectrique : une lumière n’arrache des électrons à un métal qu’au-delà d’une certaine fréquence, quelle que soit son intensité. La lumière elle-même voyage par paquets d’énergie, que l’on appellera photons.

En 1913, Niels Bohr applique cette logique à l’atome d’hydrogène. Ses électrons n’occupent que certains niveaux d’énergie ; en sautant de l’un à l’autre, ils émettent une lumière de longueur d’onde précise. Voilà pourquoi un gaz d’hydrogène excité brille dans quelques couleurs nettes au lieu d’un arc-en-ciel continu. Cette signature permet aujourd’hui de lire la composition des étoiles.

Le retournement décisif vient d’un physicien français. En 1924, Louis de Broglie propose que les particules, comme les électrons, se décrivent aussi comme des ondes. Quelques années plus tard, des faisceaux d’électrons réfléchis par des cristaux ou traversant de fines feuilles de métal produisent bel et bien des figures de diffraction. De Broglie reçoit le prix Nobel en 1929. Les franges de Hitachi sont l’aboutissement le plus visible de son intuition.

03Ce que la théorie prédit, et ce qu’elle tait

Où tombera le prochain électron ? La physique quantique ne le dit pas. Au milieu des années 1920, Max Born montre comment lire ses équations : elles fournissent des probabilités, pas des trajectoires. Cette lecture statistique lui vaudra le prix Nobel en 1954. La théorie annonce avec exactitude la forme du motif final, l’écartement des bandes et leur déplacement si l’on modifie le dispositif, mais jamais la position d’un impact isolé.

Tout se joue dans la manière de calculer ces probabilités. Chaque chemin possible reçoit une contribution, l’amplitude, qui se comporte comme une onde : elle a une taille et un décalage, comme une crête ou un creux. On additionne les amplitudes des deux chemins avant d’en tirer une probabilité, si bien qu’elles peuvent se renforcer ou s’annuler. C’est ce qu’on appelle une superposition : l’électron est décrit par la combinaison des deux possibilités, et cette combinaison creuse les bandes sombres. Un électron passé par une fente ou par l’autre, sans que l’on sache laquelle, donnerait seulement la somme de deux taches.

Que se passe-t-il si l’on cherche à savoir ? Il suffit qu’un dispositif laisse une trace du chemin suivi pour que les franges disparaissent ; une trace partielle les estompe seulement. Personne n’a besoin de regarder les données. En physique, « observer » désigne une interaction qui enregistre une information, et c’est elle qui change le résultat.

04Pourquoi ne voit-on jamais de chat superposé ?

Si un électron peut être décrit par deux chemins à la fois, pourquoi une balle de tennis ne l’est-elle jamais ? En 1935, Erwin Schrödinger pousse le paradoxe jusqu’à l’absurde avec un chat enfermé dans une boîte, dont le sort dépend de la désintégration d’un atome. Prise à la lettre, la théorie le décrirait à la fois mort et vivant tant que la boîte reste close.

La réponse la mieux établie aujourd’hui s’appelle la décohérence. Un objet réel échange sans cesse avec son environnement : il heurte des molécules d’air, émet et absorbe de la lumière. Chacun de ces échanges inscrit une trace de son état quelque part, comme le détecteur placé près des fentes. L’objet et son environnement se retrouvent intriqués, un lien que nous racontons dans notre article sur l’intrication, et la superposition se dilue dans une multitude de détails jusqu’à devenir inobservable. Plus un objet est gros et chaud, plus ces fuites sont nombreuses.

Les physiciens ont mis cette frontière à l’épreuve. En 1999, à l’université de Vienne, l’équipe de Markus Arndt et Anton Zeilinger obtient des interférences avec des fullerènes, des molécules de 60 atomes de carbone : à l’époque, l’objet le plus massif et le plus complexe jamais vu se comporter comme une onde. En 2004, la même équipe chauffe des fullerènes de 70 atomes. En émettant de la lumière thermique, les molécules laissent filer une information sur leur chemin, et leurs franges s’effacent, en bon accord avec la théorie de la décohérence. En 2019, les chercheurs de Vienne et de Bâle font interférer des molécules comptant jusqu’à 2 000 atomes, environ 25 000 fois la masse d’un atome d’hydrogène.

À Paris, au Collège de France et à l’École normale supérieure, Serge Haroche a suivi la scène de l’intérieur. Son équipe piège des photons micro-ondes entre deux miroirs supraconducteurs distants d’environ trois centimètres, si réfléchissants qu’un photon y rebondit un peu plus d’un dixième de seconde : environ 40 000 kilomètres parcourus, l’équivalent d’un tour de la Terre. Elle y prépare des « chats » de lumière, des champs placés dans deux états opposés à la fois, puis observe comment ils perdent leur superposition au contact du monde extérieur. Ces travaux lui ont valu le prix Nobel de physique 2012, partagé avec l’Américain David Wineland.

05Une théorie au travail, un récit encore ouvert

Ces règles étranges font tourner notre quotidien. Les transistors, dont la découverte a valu le prix Nobel 1956 à John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley, exploitent la façon dont les électrons occupent les niveaux d’énergie permis d’un semi-conducteur. Les lasers reposent sur des atomes qui émettent de la lumière en changeant de niveau. Et la seconde elle-même est quantique : le Système international la définit à partir d’une transition de l’atome de césium 133, dont le rayonnement accomplit 9 192 631 770 oscillations en une seconde. Les horloges optiques, auxquelles les travaux de Wineland ont ouvert la voie, sont déjà environ cent fois plus précises que ces horloges à césium.

Les prédictions, elles, ne font pas débat : des électrons de Hitachi aux molécules de Vienne, les mesures suivent la théorie. Le désaccord porte sur le récit. L’interprétation dite de Copenhague, associée à Niels Bohr et qui recouvre plusieurs points de vue, s’en tient à ce que l’on mesure. En 1927, Louis de Broglie propose une autre lecture, reprise par David Bohm en 1952 : chaque électron suit une trajectoire bien réelle, guidée par une onde qui, elle, explore les deux chemins. En 1957, Hugh Everett suggère que tous les résultats possibles se réalisent, chacun dans une branche distincte de la réalité. Ces interprétations font les mêmes prédictions, et aucune expérience ne les départage aujourd’hui.

Une famille d’idées fait exception. Les modèles d’effondrement, dont le plus connu a été proposé en 1986 par Ghirardi, Rimini et Weber, modifient la théorie : les superpositions s’y effondreraient d’elles-mêmes, d’autant plus vite que l’objet compte de constituants. Ceux-là sont testables, et chaque molécule géante qui interfère à Vienne resserre l’étau autour d’eux. La question de ce que fait l’électron entre la source et l’écran se joue donc aussi au laboratoire, une molécule plus lourde à la fois.