Illustration par Stefanie Green

Comment la physique quantique a changé ma vie

À l’essai sur les réalités infinies du multivers la sagesse de Max Tegmark la meilleure façon de mourir et le président Nixon les étapes de la compréhension du réel.

After you learn quantum mechanics you’re never really the same again.
Steven Weinberg

 

 

Àquinze ans, j’ai pris goût à la politique. Je me suis intéressé particulièrement à la vie politique du Québec et du Canada. Abonné au Devoir, je lisais aussi La Presse et The Globe and Mail. Essentiellement, je ne lisais que les textes qui traitaient de politique, parce que j’avais — dans toute la candeur de cette jeunesse — conclu que c’était par la politique que j’allais pouvoir comprendre et expliquer le monde. Elle me semblait présente dans tous les domaines d’activité de la vie humaine: le travail, l’éducation, la santé, le transport, l’environnement. Même les arts et le sport n’y échappaient pas. À seize ans, je croyais que j’avais compris le monde.

Lorsqu’est venu le moment de faire mon choix de discipline universitaire, la science politique s’est imposée avec peu de contestation. À l’Université de Montréal, j’ai élargi mon intérêt pour le sujet. J’ai touché aux relations internationales, à la philosophie politique, aux politiques publiques et à la politique comparée. Je suis aussi devenu maniaque du système politique américain: la présidence, la Cour suprême, le système électoral.

Mais vite, j’ai commencé à douter. J’en étais alors seulement qu’à ma première session, j’avais dix-neuf ans. Je restais réveillé en fin de soirée pour écouter Charlie Rose sur les ondes de PBS. Le légendaire animateur recevait souvent des invités pour discuter de politique américaine ou de relations internationales, mais on traitait aussi d’art, de sport, d’affaires et de science.

J’ai commencé à penser que ces domaines étaient aussi importants que la politique. Aujourd’hui, je dis que ça m’a pris un baccalauréat en science politique pour comprendre que la politique, ce n’est pas si important que ça. Je remarquais que toutes les activités humaines entraient dans la catégorie englobante qu’est la culture. Assister à un match du Canadien, prendre une bière au bar du coin, lire une oeuvre de Victor Hugo ou bien aller voter représentaient des actes sociaux qui contribuaient à bâtir la culture: le véritable tissu de la société. Je suis généralement réfractaire aux théories englobantes, mais dans ce cas-ci, j’éprouvais un certain plaisir à penser que la compréhension du monde qui m’entoure passait par une meilleure définition de la notion de culture.

En novembre 2013, dans mon salon autour de bière et de scotch, je discutais de questions existentielles avec mon ami David. À la suite de son insistance, nous sommes arrivés à nous demander quelle serait la meilleure façon de mourir. J’avais récemment lu le discours qu’aurait donné le président américain Richard Nixon si la première exploration humaine de la Lune en 1969 avait été un échec. En fait, la plus grande crainte liée à cette mission était la possibilité que le module lunaire ne puisse pas redécoller afin de revenir sur Terre. Les explorateurs lunaires seraient alors morts sur la Lune. Les corps de Neil Armstrong et Buzz Aldrin seraient demeurés intacts pour des millions d’années, étant donné l’absence d’une atmosphère.

Fate has ordained that the men who went to the moon to explore in peace will stay on the moon to rest in peace. These brave men, Neil Armstrong and Edwin Aldrin, know that there is no hope for their recovery. But they also know that there is hope for mankind in their sacrifice. These two men are laying down their lives in mankind’s most noble goal: the search for truth and understanding. They will be mourned by their families and friends; they will be mourned by their nation; they will be mourned by the people of the world; they will be mourned by a Mother Earth that dared send two of her sons into the unknown. In their exploration, they stirred the people of the world to feel as one; in their sacrifice, they bind more tightly the brotherhood of man. In ancient days, men looked at stars and saw their heroes in the constellations. In modern times, we do much the same, but our heroes are epic men of flesh and blood. Others will follow, and surely find their way home. Man’s search will not be denied. But these men were the first, and they will remain the foremost in our hearts. For every human being who looks up at the moon in the nights to come will know that there is some corner of another world that is forever mankind.

Heureusement, Richard Nixon n’a jamais eu à prononcer ce discours. En ce qui concerne l’échange philosophique avec mon ami David, par contre, je voyais là la meilleure façon de mourir. Ça aurait été la mort la plus épique — dans le vrai sens du terme — possible, mourir en tentant de repousser les frontières de notre Univers et de mieux comprendre notre réalité.

Dans les semaines qui ont suivi, j’ai beaucoup plus lu sur les explorations lunaires qu’auparavant dans ma vie. Désormais, je ne peux plus regarder la Lune sans me rappeler qu’entre 1969 et 1972, douze êtres humains ont marché sur cet astre qui se trouve à 384 400 kilomètres de la Terre. Pendant les mois qui allaient suivre, j’allais dévorer des livres et visionner plusieurs documentaires sur notre système solaire, notre galaxie et l’Univers au grand complet, en passant par les trous noirs et les dimensions supérieures.

 

De l’infiniment grand à l’infiniment petit

Le 21 juillet 1969, alors que Neil Armstrong et Buzz Aldrin mettaient les pieds sur le sol lunaire, l’auteur américain de science-fiction Robert Heinlein, référant au succès d’Apollo 11, commentait sur les ondes du réseau de télévision CBS: « This is the greatest event in all the history of the human race up to this time. Today is New Year’s Day of the Year one. If we don’t change the calendar, historians will do so. »

Depuis la Grèce antique, l’humain avait théorisé l’espace et la réalité qui nous entoure. Maintenant, il avait marché sur l’astre le plus lumineux de la nuit terrestre. Les efforts se sont multipliés dans les années 1970 pour atteindre le point culminant, le programme Voyager. Les sondes spatiales, Voyager 1 et Voyager 2, ont été lancées en 1977 dans le but d’étudier Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune et leurs plusieurs dizaines de satellites. L’humanité s’est retrouvée avec des images spectaculaires et des informations sur des astres dont les conditions pourraient, espérait-on, un jour accueillir la vie humaine.

Les deux sondes spatiales ont tout récemment quitté le système solaire et risquent de flotter dans l’espace pour, plus ou moins, l’éternité. Elles sont accompagnées du Voyager Golden Record: un disque qui contient les notions de base de la vie humaine en sons et en images, advenant qu’une autre espèce intelligente de l’Univers un jour le trouve.

On y retrouve des explications basiques des mathématiques, des formes de musique modernes et anciennes, des enregistrements de salutations dans des dizaines de langues et des images de la culture humaine. On y montre aussi le soleil, l’anatomie, des trains, des musées, des villes et des animaux.

Il va sans dire que ces avancées ont été grandement aidées par le contexte de la Guerre froide. Un climat de haute tension politique et militaire a poussé les êtres humains vers les plus grands exploits spatiaux de leur histoire. L’espace est après tout la « frontière finale » que peut franchir l’humanité. Notre existence sur Terre est sans doute limitée, mais l’humanité peut être éternelle si elle se rend ailleurs. Nous ne nous sommes jamais mieux attaqués à ce défi que pendant la Guerre froide. Ce défi qui demeure présent aujourd’hui, malgré les coupes qu’encaisse la NASA, austérité oblige. L’astrophysicien Carl Sagan avait prévu qu’un être humain allait mettre les pieds sur Mars avant la fin du 20e siècle. On attend encore.

La compréhension de notre Univers connu est un objectif des plus enthousiasmants. À l’ère actuelle, le télescope spatial Hubble est un des acteurs les plus importants dans cette découverte. Cet outil nous permet d’observer les frontières les plus éloignées de notre Univers. Ceci constitue un recul dans l’espace afin de mieux comprendre la réalité qui nous entoure. Observer les frontières les plus éloignées de notre Univers connu constitue aussi un recul dans le temps afin de mieux comprendre d’où nous venons, depuis le Big Bang qui s’est produit il y a environ 13,8 milliards d’années.

En tentant de comprendre notre système solaire, la formation des galaxies, le Big Bang et ce que le futur réserve à notre Univers, j’avais l’impression de mieux découvrir les fondements de la réalité. Et à certains égards, c’était le cas. Mais comme le dit le physicien du Massachusetts Insitute of Technology, Max Tegmark, à propos de la compréhension des particules subatomiques: « We can only understand where we come from, if we undestand this crazy micro world. »

Afin de comprendre ce qui forme la réalité, je devais comprendre l’atome. C’est à ce moment-là, à travers ma recherche sur le monde atomique, que ma vie allait changer.

Ultimement, dans ma quête de la compréhension de l’ultra grand, et toujours dans le but de mieux comprendre la réalité, j’ai abouti aux théories de l’infiniment petit: la physique quantique. Tout compte fait, la réalité est définie par les entités hyper minuscules qui composent la matière et l’Univers. C’est en étudiant ces particules que nous pouvons, j’y croyais alors fortement, comprendre le tissu et l’essence de notre réalité. Afin de comprendre ce qui forme la réalité, je devais comprendre l’atome. C’est à ce moment-là, à travers ma recherche sur le monde atomique, que ma vie allait changer. J’allais devenir enchanté, émerveillé et quelque peu angoissé. La réalité, le monde qui m’entoure, ce n’était plus la politique ni la culture: c’était la physique quantique.

 

La physique quantique

Le début du 20e siècle a été une époque formidable pour la physique et pour notre compréhension de la réalité. En 1905, un jeune Albert Einstein publiait une série de quatre articles qui allaient révolutionner la physique. Il avait théorisé que l’espace et le temps étaient relatifs. En fait, selon ses calculs, plus une entité se déplace rapidement dans l’espace, plus le temps ralentit. Ceci ne peut être remarqué aux basses vitesses que nous connaissons sur Terre, mais si on s’approchait de la vitesse de la lumière, ce serait notable.

Au niveau pratique, la théorie de la relativité générale d’Einstein a été mise à l’essai en 1971, lors de l’expérience de Hafele-Keating. Dans le cadre de cette expérimentation, deux horloges atomiques ont été placées à bord de deux avions qui ont fait le tour du globe, l’un vers l’est et l’autre vers l’ouest. À leur retour à l’observatoire naval des États-Unis, les deux horloges ont accusé le décalage que prévoyait la théorie d’Einstein. Ce n’était qu’une question de nanosecondes, mais c’était un voyage dans le temps testé par l’expérimentation, comme le veut la méthode scientifique.

Einstein commençait à démontrer que la réalité que nous percevons est beaucoup plus complexe et chaotique que nous le croyons. De plus, il s’avérait alors qu’on ne peut se fier à nos intuitions quand on tente de comprendre cette réalité. Malgré les bouleversements qu’Einstein avait provoqués dans le champ disciplinaire de la physique, il a cultivé de grands doutes en ce qui concerne les développements de la physique quantique à la même époque. Il a passé les trente dernières années de sa vie à tenter de faire concorder ses calculs sur la relativité générale avec ceux de la physique quantique, mais il n’a connu aucun succès.

La physique quantique nous projette donc dans une conception de la réalité qui est encore plus étonnante que celle de la relativité d’Einstein. La physique quantique tente de comprendre le comportement des particules subatomiques, là où les lois de la physique classique ne tiennent plus vraiment la route. Elles peuvent avoir des comportements imprévisibles, voire complètement chaotiques. Essentiellement, en physique quantique nous ne connaissons plus la certitude de la physique classique. Les particules ont des propriétés complètement imprévisibles et contre-intuitives.

Pendant les années 1920, certains tests en laboratoire ont fourni des informations inattendues sur le fonctionnement des particules subatomiques. Jusqu’à ce moment, le célèbre physicien Niels Bohr croyait qu’un atome était comme un petit système solaire avec des particules qui gravitent autour d’un noyau. Mais les expérimentations ont démontré quelque chose de beaucoup plus étonnant. Les électrons qui gravitaient autour du noyau pouvaient sauter d’un espace vers un autre sans tout à fait traverser l’espace. Essentiellement, il y avait maintenant une incertitude sur l’emplacement des particules. On pouvait même dire que celles-ci se trouvaient à plusieurs endroits en même temps ou qu’elles se téléportaient. À certains égards, les notions d’espace et de temps perdaient leur sens.

Essentiellement, cette découverte implique que l’espace ne serait pas défini avant qu’on l’observe. C’est dire que la réalité que nous observons n’existe pas de manière fondamentale, mais découle plutôt du fait que nous l’avons observée.

L’expérimentation qui démontre le mieux l’absurdité de la physique quantique est sans aucun doute le double-slit experiment. Les lecteurs de la revue Physics World ont d’ailleurs qualifié cette expérimentation de « la plus belle de tous les temps ». Lors de ce test, on projette une particule tel un photon ou un électron vers une planche avec un passage à droite et un autre à gauche. Naturellement, on s’attend à ce que la particule traverse l’un des deux passages ou frappe l’espace au milieu. Lorsqu’un être humain place un détecteur afin d’observer cette expérimentation, la particule subatomique passe par l’un des deux trous. Cependant, lorsque l’humain se retire de l’observation, la particule passe par les deux trous en même temps et agit comme si elle était une onde. Essentiellement, cette découverte implique que l’espace ne serait pas défini avant qu’on l’observe. C’est dire que la réalité que nous observons n’existe pas de manière fondamentale, mais découle plutôt du fait que nous l’avons observée.

Niels Bohr et Werner Heisenberg ont présenté cette expérimentation à maintes reprises pendant les années 1920 et 1930. Les résultats ont continué à démontrer que nous ne pouvons pas connaître l’emplacement d’une particule avant de l’observer et de la mesurer. On ne peut que calculer la probabilité qu’elle se trouve à un endroit ou un autre. Il y a donc là une incertitude inhérente. C’est-à-dire que l’observateur humain affecte le comportement de la particule.

L’astronome britannique Arthur Eddington explique l’évolution de la notion de particule: « The term particle survives in modern physics but very little of its classical meaning remains. A particle can now be best defined as the conceptual carrier of a set of variates… It is also conceived as the occupant of a state defined by the same set of variates. » Une particule n’existe que par rapport à notre capacité de la détecter et elle est étiquetée en conséquence, mais réellement, à l’état fondamental, les différentes particules qui composent notre Univers n’existeraient pas telles quelles.

Fred Kuttner, de l’Université de la Californie à Santa Cruz, décrit la complexe beauté de la physique quantique de cette manière: « Probably the most magical thing is that in quantum physics an object can be in two places at the same time. » Ce comportement serait-il réservé aux particules subatomiques? La matière qui compose nos corps et notre Univers est pourtant constituée de ces mêmes particules.

Max Tegmark complète l’observation en affirmant ceci: « We know that these tiny particles can be in two places at the same time. But I am made of these kinds of particles, so if they can be in two places at once, so can I. »

Avec cette science à l’appui, j’ai poursuivi ma recherche amatrice et ma réflexion personnelle sur la physique quantique. J’ai commencé à croire que la réalité décrite par la physique quantique était fort possiblement véridique. Nos corps, nos maisons, notre planète, notre soleil et l’Univers matériel seraient possiblement illusoires.

À ce stade, il n’y avait plus aucune raison de croire que nos vies et notre Univers étaient vrais; le temps et l’espace ne pourraient être que des illusions. L’amour, la mort, la politique, la culture, la famille et nos individualités seraient des conceptions créées de toutes pièces par nos systèmes nerveux. Alors pourquoi percevons-nous la réalité comme étant matérielle et trois dimensionnelle? Quant à ceci, Max Tegmark fournit l’explication suivante: « Why do we perceive the world as stable and ourselves as local and unique? Here’s my guess: because it’s useful. »

 

La théorie des mondes multiples

La remise en question de l’espace et du temps, ainsi que la possibilité d’être à de multiples endroits en même temps, nous mènent vers la théorie des mondes multiples, pour ne pas dire infinis. Ceci est d’autant plus bouleversant, mais à la fois très excitant. Selon plusieurs physiciens contemporains, la principale conséquence de la physique quantique serait les univers parallèles, aussi appelés le « multivers ». Les conséquences philosophiques de cette proposition, il va sans dire, sont époustouflantes.

En 1957, un jeune doctorant de l’Université de Princeton, Hugh Everett III, publie une thèse intitulée The Theory of the Universal Wave Function. Il constate qu’une seule expérience en physique quantique peut engendrer plusieurs résultats. Il se questionne sur les conséquences ontologiques de ce constat. En réponse aux questionnements posés par le problème des particules subatomiques qui occupent plusieurs lieux en même temps, Everett explique: tout existe simultanément. C’est-à-dire que chaque changement quantique donnerait naissance à un nouvel Univers. Ceux-ci seraient alors infinis. D’ailleurs, le titre du livre du physicien britannique Brian Cox (The Quantum Universe: Everything That Can Happen Does Happen) souligne bien la conséquence réelle des univers multiples.

Everett était un homme complexe et quelque peu troublé. À la suite de la publication des résultats de son doctorat, il avait l’ambition de révolutionner le monde de la physique et notre conception du monde. Toutefois, il a reçu peu de reconnaissance, et les sommités en physique n’ont pas considéré sérieusement le travail d’Everett. Le physicien avait alors 27 ans et est demeuré, par la suite, très amer quant au monde académique. Profondément déçu, il a passé le reste de sa vie à travailler en consultation militaire, entre autres. Everett était un alcoolique et un fumeur compulsif. Il souffrait aussi d’obésité et de dépression. Il est mort d’un arrêt cardiaque en 1982 à l’âge de 51 ans, ayant demandé à sa femme de jeter ses cendres aux poubelles. Il n’avait jamais eu de véritables relations avec ses enfants. Lorsque sa fille Elizabeth s’est suicidée en 1996, elle a écrit dans sa lettre qu’elle voulait qu’on jette ses cendres aux poubelles afin qu’elle puisse rejoindre son père dans le « bon Univers parallèle ». L’enfant survivant de Hugh Everett III, Mark Olivier, a affirmé dans son autobiographie plusieurs années après la mort de son père:

I think about how angry I was that my dad didn’t take better care of himself. How he never went to a doctor, let himself become grossly overweight, smoked three packs a day, drank like a fish and never exercised. But then I think about how his colleague mentioned that, days before dying, my dad had said he lived a good life and that he was satisfied. I realize that there is a certain value in my father’s way of life. He ate, smoked and drank as he pleased, and one day he just suddenly and quickly died. Given some of the other choices I’d witnessed, it turns out that enjoying yourself and then dying quickly is not such a hard way to go.

Plus de trente ans après la vie tumultueuse et la mort prématurée de Hugh Everett III, la théorie des mondes multiples ou la notion de multivers est largement acceptée en physique. Sans être testée en laboratoire, la théorie des Univers multiples est soutenue par les mêmes mathématiques que la physique quantique qui, elle, n’a jamais échoué un seul test pratique.

Aujourd’hui de nombreux physiciens reconnus ont appuyé la théorie des mondes multiples. Richard Feynman affirme que lorsque la lumière se déplace d’un point A à un point B, elle emprunte plusieurs chemins, mais on ne voit que le plus rapide. Dans son livre L’Univers dans une coquille de noix, publié en 2001, Stephen Hawking décrit le multivers comme étant un « un fait scientifique ».

Il existerait donc des Univers où Adolf Hitler a remporté la Deuxième Guerre mondiale, où l’Empire romain tient encore, et où Richard Martineau est le premier ministre du Québec.

Les conséquences philosophiques de cette réalisation sont immenses. Il existerait donc des Univers où Adolf Hitler a remporté la Deuxième Guerre mondiale, où l’Empire romain tient encore, et où Richard Martineau est le premier ministre du Québec. Toute œuvre de fiction a lieu en chair en os dans d’autres Univers. Et tout ce qui se passe dans notre Univers peut se dérouler en fiction ailleurs. Tout est possible à infini. Tous ces Univers seraient perçus comme étant aussi réels que le nôtre. Selon les mathématiques de la physique, ils existent dans des dimensions pour le moment inaccessibles, mais ils sont là et bien réels.

 

L’unité avec l’Univers

Certains physiciens ont osé comparer nos conceptions de la physique quantique à certaines conceptions des philosophies et religions orientales. Dans son livre Decoding Reality: The Universe as Quantum Information, le physicien de l’Université d’Oxford Vlatko Vedral explique l’interconnexion de l’Univers:

In this way, can we now analyze how we encode reality? By doing so, will we ever arrive at the ‘thing in itself’ by any kind of means? Everything that exists, exists by convention and labelling and is therefore dependant on other things. So, Buddhists would say that their highest goal – realizing emptiness – simply means that we realize how inter-related things fundamentally are. Exactly is the same in other Eastern religions. Less well known in the West is Advaita Vedanta – a Hindu philosophy that emphasizes the total oneness of the Universe. In this view our perceptions of separate entities is just an illusion – Maya. Even the Universe as a whole exists by labelling and not by itself. Our reality is ‘that which is the sum total of all the observations and facts humanity has gathered so far’!

Dans notre réalité quantique, il existe un potentiel infini de possibilités. Mais ce potentiel infini peut être réduit à une seule force, un seul concept ou même un vide total duquel émergent tous les scénarios de notre réalité observée.

À mon sens, au niveau ontologique, les notions de zéro, un et infini sont similaires, sinon identiques. Les trois notions conceptualisent ou même définissent notre réalité fondamentale. Dans notre réalité quantique, il existe un potentiel infini de possibilités. Mais ce potentiel infini peut être réduit à une seule force, un seul concept ou même un vide total duquel émergent tous les scénarios de notre réalité observée. C’est en se mettant dans cet état d’esprit qu’il est possible de comprendre comment la physique quantique change une vie. Si toute entité, que ce soit une particule ou l’Univers au complet, existe par rapport à une autre, rien n’existe véritablement, mais tout semble exister infiniment. C’est à la fois un vide total et une formidable manifestation de toutes les possibilités.

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Parfois, lorsque je me promène en voiture, j’aime regarder au loin et fixer un panneau routier. Personnellement, plus je fixe un objet – supposément matériel – plus je ressens que la réalité est non-matérielle et que nous sommes possiblement un avec l’Univers et que l’Univers est un avec nous. À d’autres moments, j’observe les astres tout en me rappelant qu’ils seraient fondamentalement irréels ou simplement une manifestation de la conscience humaine. Je me rappelle que tout ce qu’on vit est fort probablement une illusion.

Mais concernant ces grandes questions existentielles, Max Tegmark nous rappelle ceci: « I think for all the thinking we humans like to do about the big things, what really gets to us emotionally are the everyday little things. » À tout moment, alors que je réfléchis aussi grandement, je peux recevoir un message texte de mon flirt du moment, ce qui créera en moi une émotion beaucoup plus palpable que toute la complexité de la réalité quantique.