2025, désignée par l'ONU comme l'Année internationale de la science et de la technologie quantiques
D’où vient la mécanique quantique, qu’est-ce que c’est et où va-t-elle ?

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« Un magnifique recueil de grands noms de la physique, de science moderne et des 100 dernières années d'histoire. » – Kip Thorne, prix Nobel de physique 2017

En décembre 2024, lorsque Google a révélé « ceci », le prix du Bitcoin a chuté.
C'était un ordinateur quantique.
Le nouvel ordinateur quantique de Google, Willow, a résolu en seulement 5 minutes un problème qui prendrait 10^24 ans à un supercalculateur, ce qui soulève des inquiétudes quant à la sécurité des systèmes de la blockchain et des monnaies virtuelles qui en dépendent.
Parallèlement, la Consumer Technology Association (CTA), qui organise le CES 2025, le plus grand salon mondial des technologies de l'information, a sélectionné la communication quantique, la cryptographie quantique et les capteurs quantiques comme technologies clés de nouvelle génération aux côtés des ordinateurs quantiques, et l'ONU a désigné 2025 comme « Année internationale de la science et de la technologie quantiques », soulignant l'importance de la mécanique quantique et de sa technologie d'application (basée sur l'article de Heisenberg sur la mécanique matricielle, 2025 marque le 100e anniversaire de la naissance de la mécanique quantique).
Qu'est-ce que la mécanique quantique pour que le mot « quantique » soit utilisé à tort et à travers ?

David Kaiser, professeur de physique et d'histoire des sciences au Massachusetts Institute of Technology (MIT), commémore le 100e anniversaire de la naissance de la mécanique quantique en revenant sur les 100 dernières années de la mécanique quantique dans ce livre, « Une histoire de la mécanique quantique », présentant d'où vient la mécanique quantique, ce qu'elle est et où elle va.
En tant que physicien, il explique en détail non seulement les propriétés classiques de la mécanique quantique, telles que la superposition quantique et le principe d'incertitude, rendu célèbre par la métaphore du « chat de Schrödinger », mais aussi les dernières avancées de la physique et de la cosmologie modernes fondées sur la mécanique quantique, comme le modèle standard, le rayonnement de Hawking et la cosmologie inflationnaire. En tant qu'historien, il entrelace les événements historiques étroitement liés à la mécanique quantique, tels que le projet Manhattan, le projet SETI, la guerre froide et la création et le fonctionnement du Grand collisionneur de hadrons, avec des anecdotes sur des figures clés comme Einstein, Dirac, Feynman, Wheeler, Gell-Mann et Higgs, afin de brosser un tableau complet de la mécanique quantique et de son histoire.

Au printemps 1931, sous la pression constante d'Heisenberg et de Pauli qui lui demandaient d'expliquer les curieuses propriétés mathématiques de leurs nouvelles équations, Dirac prédit avec audace l'existence de l'antimatière.
L'antimatière est une cousine des particules ordinaires que nous rencontrons autour de nous, ayant la même masse mais une charge opposée.
Au cours des deux années suivantes, des physiciens de Californie et de Cambridge ont recueilli des preuves expérimentales remarquables confirmant la prédiction de Dirac.
C’est ainsi que Dirac a donné naissance à la théorie la plus précise de la physique.
Des études récentes ont montré que les prédictions théoriques calculées à l'aide de l'électrodynamique quantique concordent avec les résultats expérimentaux à 11 décimales près.
Aujourd'hui, l'erreur entre les calculs théoriques et les données expérimentales n'est que d'une partie par billion.
--- p.36~37

La tentative de Schrödinger de renverser la mécanique quantique est paradoxalement devenue une métaphore familière que tout le monde utilise pour enseigner la théorie.
Le principe fondamental de la mécanique quantique est que les particules peuvent exister dans un état de « superposition », possédant simultanément deux propriétés opposées.
Dans notre vie quotidienne, nous sommes confrontés à des moments où nous devons choisir entre ceci ou cela, mais du moins selon la mécanique quantique, la nature peut choisir « les deux ».
Depuis des décennies, les physiciens amènent de minuscules objets à se retrouver dans une superposition d'états « les deux » et « les deux » en laboratoire, et tentent de créer toutes sortes d'états du chat de Schrödinger en sondant leurs propriétés.
Comme nous le verrons dans le chapitre suivant, mes collègues du MIT et moi avons récemment démontré que les neutrinos, des particules subatomiques qui interagissent très faiblement avec la matière ordinaire, peuvent parcourir des centaines de kilomètres dans un état semblable à celui d'un chat.
--- p.53

À partir de maintenant, se déroule une histoire digne d'un roman d'espionnage de John le Carré.
Début septembre 1950, alors qu'il était en vacances avec sa famille en Italie, Pontecorvo s'est rendu en avion de Rome à Munich, en Allemagne, puis à Stockholm, en Suède, et enfin à Helsinki, en Finlande, où il a pris contact avec des agents secrets soviétiques.
Une caravane secrète transportant la femme et les enfants de Pontecorvo dans une voiture et Pontecorvo dans le coffre d'une autre, traversa les forêts pour atteindre le territoire soviétique, atteignant Leningrad en quelques heures et Moscou en quelques jours.
Les gouvernements britannique et américain n'ont eu connaissance des faits que plusieurs semaines plus tard.
Finalement, le Comité mixte du Congrès américain sur l'énergie atomique a publié un rapport volumineux, intitulé « Espionnage atomique soviétique », affirmant que la défection de Pontecorvo n'était pas plus dommageable que celle de Fuchs, mais bien pire que les accusations d'espionnage ultérieures qui ont conduit à l'exécution d'Ethel et de Julius Rosenberg.
--- p.62~63

Pendant qu'il travaillait sur le projet d'armement présenté à l'exposition, von Neumann a eu un aperçu du calcul semi-automatique.
Parmi les problèmes complexes auxquels lui et ses collègues ont été confrontés, il y avait celui de calculer la quantité de produit résultant de l'introduction de neutrons dans la matière fissile.
Les neutrons vont-ils se briser, se scinder ou être absorbés par un noyau lourd ? Comment l’onde de choc de la charge nucléaire se propagera-t-elle depuis le centre de la bombe ? En temps de guerre, ces calculs étaient souvent effectués par des « calculateurs humains » équipés de calculatrices portables Marchant, un sujet bien documenté dans l’ouvrage de David Greer paru en 2005, « When Computers Were Human ».
De jeunes physiciens comme Richard Feynman décomposaient leurs calculs en étapes, puis demandaient à des assistants (souvent les jeunes épouses de techniciens de laboratoire) d'effectuer les calculs, et enfin, plusieurs autres assistants répétaient les mêmes calculs encore et encore.
Une personne calculait le carré d'un nombre qui lui était donné, tandis qu'une autre additionnait les deux nombres et transmettait le résultat à une autre femme assise à côté d'elle.
--- p.108~109

Certains livres deviennent des totems et des icônes de leur époque.
Lorsque vous découvrez par hasard un livre dans un grenier ou une librairie d'occasion et que vous l'ouvrez avec joie, le craquement des pages et l'odeur de renfermé font ressurgir des souvenirs non seulement du lieu où vous l'avez lu autrefois, mais aussi de vous-même lors de votre première lecture.
Pour des centaines de milliers de lecteurs à travers le monde, Le Tao de la physique de Fritjof Capra en est un parfait exemple.
Publié pour la première fois en 1975, ce livre novateur a bouleversé le monde de l'édition, et son succès commercial inattendu a engendré une vague d'imitations, ravivant un genre endormi de livres de vulgarisation scientifique explorant les mystères de la mécanique quantique.
L'affirmation selon laquelle la physique moderne n'est qu'une renaissance de la sagesse antique du mysticisme oriental, voire un résumé de la philosophie orientale, n'est pas entièrement nouvelle.
Plusieurs fondateurs de la mécanique quantique ont fait des déclarations similaires dans les années 1920 et 1930.
Mais contrairement aux analogies de Niels Bohr, Erwin Schrödinger et leurs collègues, qui sont tombées dans l'oubli, le livre de Capra a suscité un énorme intérêt populaire.
Pour des générations d'adeptes de la contre-culture, la physique moderne et la pensée orientale promettaient une synthèse entre la science occidentale et le Nouvel Âge.
--- p.137~138

Dans cet article, le boson de Higgs se voit attribuer un rôle central dans le nouveau modèle standard de la physique des particules.
Bien que, théoriquement, le boson de Higgs soit la plus simple de toutes les particules décrites par le modèle standard (il n'a ni charge, ni moment angulaire intrinsèque, ni propriétés quantiques obscures comme « l'étrangeté » ou la « charge de couleur »), il est devenu absolument crucial en raison de sa capacité à conférer une masse à des particules sans masse.
Le boson de Higgs donne du poids aux autres particules.
Le lauréat du prix Nobel Frank Wilczek a surnommé avec humour le boson de Higgs le « quantum de résistance omniprésente ». Le physicien théoricien du CERN, John Ellis, a comparé le boson de Higgs à un homme se frayant un chemin à travers un champ enneigé.
Cette théorie, pourtant si convaincante, est restée une simple idée pendant des décennies.
Au fil du temps, les physiciens des particules ont réalisé que supposer un milieu universel dans lequel toute matière se déplace fortement était très différent de trouver des preuves empiriques de l'existence d'un tel milieu, c'est-à-dire de le décomposer en minuscules morceaux (particules de Higgs individuelles) puis de mesurer leurs propriétés.
--- p.180~181

Ma mère ne me pose jamais de questions sur mes recherches par téléphone.
Cependant, un incident au cours duquel le soleil s'est effectivement levé à l'ouest s'est produit en avril 2010.
« Êtes-vous d'accord avec ce que dit l'auteur Stephen Hawking ? » Il est généralement facile de répondre à cette question.
Du comportement des trous noirs à la structure de l'univers primordial, on peut généralement répondre par l'affirmative à des questions portant sur un large éventail de sujets.
Mais ce n'était pas ce que maman voulait savoir.
Ma mère mourait d'envie de savoir si j'étais d'accord avec Hawking sur le fait que tenter de contacter des extraterrestres était probablement une mauvaise idée.
Hawking a averti que même si une civilisation extraterrestre venait aimablement sur Terre et se présentait à notre porte après avoir reçu notre message, elle ne serait pas une invitée très amicale.
Selon son hypothèse, « tout extraterrestre ayant atteint une civilisation aussi avancée souhaiterait coloniser toutes les planètes qu'il peut atteindre ».
Les mots sont sortis du synthétiseur vocal de Hawking et se sont instantanément répandus sur les blogs du monde entier, incitant même ma mère à m'appeler.
--- p.211~212

La théorie des cordes suggère qu'au lieu de 10 puissance 5 de possibilités, il existe 10 puissance 500 d'états de basse énergie distincts, dont n'importe lequel pourrait décrire notre univers observable, ou aucun ne le pourrait.
Chaque grandeur observable dans notre univers, de la masse des particules fondamentales à la force des forces fondamentales, en passant par le taux d'expansion de notre univers, et bien plus encore, dépend précisément de l'état de ces cordes dans lequel se trouve notre univers.
Cependant, la théorie des cordes n'a pas trouvé le moyen d'expliquer pourquoi notre univers a cette forme parmi toutes ces possibilités.
Arrêtons-nous un instant et réfléchissons au nombre 10 à la puissance 500.
Ce nombre est tellement éloigné de notre expérience quotidienne que même les scientifiques ne peuvent pas comprendre les nombres et les ratios qu'ils rencontrent habituellement.
Il est difficile de produire ce nombre en utilisant des quantités qui nous sont familières.
Réfléchissons-y d'un point de vue laïque.
Le rapport entre la fortune du milliardaire Jeff Bezos (telle qu'on la voit sur Internet) et la mienne n'est que de 10 à la puissance 5.
Je ne sais pas si ce ratio est encourageant ou déprimant, mais il est loin d'atteindre 10 puissance 500. Même les 20 univers ne peuvent rivaliser.
L'âge de l'univers observable est d'environ 10 puissance 17 secondes.
Même le rapport entre la masse totale de notre galaxie et la masse d'un seul électron n'est que d'environ 10 puissance 71.
--- p.252~253

Les travaux récents de Roger Penrose constituent le dernier exemple en date d'un parcours d'une grande richesse imaginative.
Maintenant que les cosmologistes ont déterminé l'âge exact de notre univers observable, Penrose suggère que tout ce chaos qui a fleuri et bourdonné depuis le Big Bang n'est qu'un claquement de doigts dans l'histoire plus longue, peut-être infinie, de notre univers.
Au lieu de supposer que le Big Bang, qui s’est produit il y a 13,8 milliards d’années, était le début de tout, Penrose a proposé un modèle ambitieux appelé « cosmologie cyclique conforme » (CCC).
Penrose soutenait que notre univers a existé d'innombrables fois avant le Big Bang et qu'il continuera à se répéter indéfiniment, à l'image de « l'éternel retour » de Friedrich Nietzsche.
--- p.267~268

Le théorème de singularité s'applique à la description de l'espace-temps « classique », c'est-à-dire de l'espace et du temps qui ignorent la mécanique quantique, l'autre pilier de la physique moderne.
Dès l'obtention de son doctorat en 1966, Hawking s'est attaqué à la frontière épineuse entre la relativité, qui explique les plus grands objets de l'univers, et la mécanique quantique, qui régit la matière à l'échelle atomique.
Il fit sa découverte la plus célèbre par hasard au milieu des années 1970, alors qu'il réfléchissait à un scénario dans lequel des paires de particules quantiques seraient trouvées à proximité d'un trou noir.
Hawking suggère que si l'une des deux particules tombe dans le trou noir tandis que l'autre s'échappe, le trou noir apparaîtra à un observateur distant comme s'il émettait un rayonnement.
C’est quelque chose que les trous noirs ne permettent pas, ou, comme Hawking l’a lui-même dit dans Une brève histoire du temps, en d’autres termes, « les trous noirs ne sont pas si noirs que ça ».
Autrement dit, les trous noirs brillent aussi.
De plus, ce rayonnement détermine le destin du trou noir.
À l'échelle astronomique, le trou noir s'évapore.
Cette masse autrefois énorme se dissipe sous forme de bruit cosmique.
Cette idée énigmatique, à la fois bizarre et fascinante, a engendré d'innombrables autres idées, dont certaines continuent de remettre en question la physique à ce jour.
Les physiciens théoriciens peinent encore à répondre à la question de savoir si les informations qui tombent dans un trou noir sont véritablement perdues à jamais.
Se retrouverait-il avec un simple amas de raies de rayonnement insignifiantes, sans aucune possibilité de reconstruction ? Cela violerait la loi sacrée de la mécanique quantique : l’information ne peut être ni créée ni détruite.

--- p.285~286