Avengers 4 : explication scientifique du lien entre Physique Quantique et Mondes Parallèles (sans spoiler)

Commençons par le plus important : cet article ne contient ni spoiler sur Avengers 4, ni théorie de fans. Vous pouvez donc le lire sans crainte qu'on vous gâche la moindre surprise à propos des prochains films Marvel à venir.

Par contre on vous prévient il est aussi un peu indigeste, puisqu'il parle de mécanique quantique, même si j'ai fait quelques raccourcis dans les lignes qui suivent (les puristes me pardonneront).

Avengers 4 : explication scientifique du lien entre Physique Quantique et Mondes Parallèles (sans spoiler) #1

Si vous arrivez jusqu'au bout de cette page, vous comprendrez pourquoi le champ quantique d'Ant Man est intimement lié aux théories sur les mondes parallèles, mais... le titre de cet article reste une vaste arnaque, puisqu'on parlera ici surtout de sciences "dures" et qu'il faudra vous accrocher pour ne pas décrocher.

Avengers 4 : explication scientifique du lien entre Physique Quantique et Mondes Parallèles (sans spoiler) #2

Maintenant que vous voilà prévenus, 2 choix s'offrent à vous :

  • prenez la pilule bleue, cliquez sur ce lien et tout s'arrête, vous pourrez faire de beaux rêves et penser ce que vous voulez
  • ou alors prenez la pilule rouge et osez continuer à lire cet article, et on descend avec le lapin blanc au fond du gouffre...

La dualité onde / corpuscule des particules

La mécanique quantique est un ensemble de règles qui tente de décrire ce qui se passe à l'échelle atomique. Et l'un des points les plus déconcertants, c'est que justement on a bien du mal à se représenter ces fameuses particules, ou à comprendre exactement ce qu'il se passe à cette échelle.

Les particules, ces tout petits objets physiques présentent des propriétés étonnantes :

  • isolément ils peuvent considérés comme des entités corpusculaires, des "objets" représentables dans l'espace sous la forme d'une petite boule
  • mais ils se comportent aussi comme des ondes, qui se propagent en ligne droite dans le vide et peuvent interférer entre elles

Vous connaissez déjà certaines de ces particules, comme par exemple les électrons (qui permettent d'alimenter en électricité votre smartphone) ou les photons (les particules lumineuses émises par vos ampoules).

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Mais alors ces électrons et photons sont-ils des particules ou des ondes ?

Nombre de scientifiques se sont disputés à ce sujet dès le 17ème siècle, dont en particulier Huygens, qui considérait que la lumière était composée d'ondes, et Isaac Newton, le père de la mécanique moderne, qui considérait la lumière comme un flot de petits corpuscules.

Le vrai problème est que plusieurs expériences ont démontré que... les 2 avaient raison.

L'expérience des fentes de Young

Au 19ème siècle, Thomas Young puis Augustin Fresnel ont mis en évidence la compatibilité de ces 2 définitions au travers d'expériences concrètes.

L'expérience des fentes de Young par exemple, est devenu un classique des cours d'interférométrie (je ne sais pas si on fait encore cette démo en classes prépa, mais c'est assez bluffant).

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Elle consiste à envoyer un flux de particules (électrons ou photons) à travers 2 fines fentes parallèles, puis à regarder ce qui se dessine sur un écran placé un peu plus loin.

Voici une petite explication de cette expérience en vidéo :

Les résultats sont plus que déconcertants :

  • avec une seule fente, les particules se comportent comme des entités physiques "classiques" telles qu'on les perçoit
  • avec 2 fentes et un observateur le résultat est le même
  • par contre avec 2 fentes sans observateur, les particules se comportent comme des ondes
  • et pire encore, si on envoie une seule particule, elle va se "dédoubler" et interférer avec elle-même

Mais qu'est ce que c'est que ce bord*l ???

Pour tenter d'explique en quoi toutes les affirmations ci-dessus sont compatibles on utilise souvent la métaphore du cylindre : si on observe les ombres d'un cylindre selon 2 angles différents, l'une formera un carré et l'autre un rond.

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Et même si vous avez ces 2 images précises, elle ne suffiront pas pour déterminer la forme du cylindre, ou de toute autre forme tubulaire qui projetterait ces 2 mêmes ombres.
Autrement dit ce n'est pas parce que 2 résultats d'une même expérience "semblent incompatibles" qu'ils ne décrivent pas pour autant 2 aspects d'une même réalité.

L'effet Compton

Si vous êtes encore là, vous avez pu voir ci-dessus que l'expérience donne 2 résultats différents avec et sans observateur.

Une explication (partielle) de cet étrange phénomène s'appelle l'effet Compton, mais on n'en parlera pas en détails sinon on ne s'en sortira jamais (vous pouvez aller faire un tour sur Wikipedia si vous êtes vraiment très très curieux).

En gros, en mécanique quantique on ne peut pas observer de particules par des mesures directes, car il faudrait pour cela "projeter" d'autres particules de taille comparables dessus. Forcément cela va perturber tout le système.

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C'est un peu comme si on projetait des balles de tennis à haute vitesse sur un ballon de football pour essayer de déterminer sa course : forcément ça va dévier le ballon !

Le principe d'incertitude d'Heisenberg

Mais ce n'est pas la seule raison pour laquelle on a des difficultés à faire des mesures précises. Il existe une autre raison, que l'on appelle le principe d'incertitude d'Heisenberg.

Oui, si Walter White, ex-professeur de physique-chimie, a pris ce surnom dans Breaking Bad, ce n'est pas par hasard !

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En 1925, Erwin Schrödinger parvient à établir ce qu'on appelle depuis l'équation de  Schrödinger, dont la reformulation moderne ressemble à ceci :

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Outre le fait que ça fout franchement les jetons, cette équation décrit très bien les fonctions d'onde et leur comportement.

Néanmoins elle soulève aussi un gros problème : elle n'a pas de solution unique. On ne peut pas la résoudre (du moins avec les outils mathématiques modernes) car si ma mémoire est bonne il s'agit d'une équation différentielle du 4ème degré.

Un autre scientifique, Werner Heisenberg, parvint toutefois à avancer sur le sujet en établissant une inéquation cette-fois ci, qui permet d'y voir plus clair :

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Ah bah oui tout de suite, c'est beaucoup plus clair ! Comment ça non ?

L'inéquation d'Heinsenberg ci-dessus, peut se traduire par le principe d'incertitude, ou principe d'indétermination évoqué en début de paragraphe. Il implique qu'il existe une limite fondamentale à la précision avec laquelle on peut connaître simultanément la position et la quantité de mouvement d'une particule.

En clair :

  • si on arrive à déterminer où une particule se trouve on ignorera dans quelle direction et à quelle vitesse elle se déplace
  • et si on arrive à déterminer la vitesse et la direction d'une particule on sera incapable de la localiser précisément

Par conséquent, la meilleure représentation qu'on aie d'une fonction d'onde est ce qu'on appellera un nuage de probabilités :

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On sait "vaguement" où se trouve notre particule et où elle va, d'un point de vue statistique, mais tout cela reste assez imprécis.

Imaginons que vous cherchiez un sous-marin ennemi, qui a été localisé par l'un de vos avions (au centre de ce nuage). Dix minutes plus tard, quand vous vous êtes rapproché avec votre propre sous-marin, l'ennemi peut se trouver potentiellement à plusieurs endroits :

  • il y a de fortes chances qu'il se trouve encore à proximité de là où il a été repéré (au centre du nuage)
  • mais il y aussi des chances, plus faibles, qu'il se soit déplacé un peu plus loin (à la périphérie du nuage).

En fait tout est possible, tout est réalisable, c'est le jeu de la vie !

Par contre dès que vous aurez réussi à le localiser, sa position sera connue précisément et vous pourrez le torpiller.

Ah bah tiens, ça ne ressemblerait pas à notre histoire de particule dans l'expérience de Young ?

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Vous êtes encore là ? Bravo vous faites partie des 3 lecteurs qui ont survécu jusqu'ici.
Allez accrochez-vous on voit bientôt le bout !

Le chat de Shroedinger et les états quantiques superposés

Comme vous vous en doutez, si l'explication ci-dessus et (un chouia) plus claire, il y a encore du boulot.

Intuitivement, on a envie de penser qu'on ignore où se trouve la particule tant qu'on ne l'a pas trouvée, mais qu'il s'agit toutefois bien d'un objet physique tel qu'on les connait.
Seulement ça ne colle pas vraiment avec nos histoires d'interférences...

Une autre interprétation plus juste serait que la particule n'existe pas sous forme corpusculaire. Tel un fantôme elle prendrait la forme d'un nuage plus dense au centre et plus diffus sur les bords. Et telle une huître, si on s'en approche trop (pour faire une mesure) elle se referme sur elle-même et prend la forme d'une particule

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Si on accepte cette deuxième explication, cela implique que c'est bien notre mesure qui va influer sur l'état de la particule et changer son état.
Oui c'est toujours aussi troublant, je sais, et.... c'est là qu'entre en jeu Erwin Schrödinger.

Le monsieur qui avait déjà trouvé l'équation toute moche qu'on vous a présenté un peu plus haut n'était pas vraiment satisfait des explications bidons à coup de sous-marin.
Il a donc eu l'idée d'une autre explication... encore plus foireuse ?

Les fonctions d'onde (le petit nuage diffus) sont décrites par des nuages de probabilités, et ces dernières sont capables d'interférer entre-elles, sous la forme de combinaisons linéaires.

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Et lors d'une opération de mesure, ces objets quantiques sont trouvés dans un état déterminé, la fonction d'onde donnant des probabilités (précises) de trouver l'objet dans tel ou tel état.

Et si en fait ces fonctions d'ondes étaient déjà dans plusieurs états à la fois ? Des états superposés ?

Imaginons que notre particule a 50% de chance d'être rouge et 50% de chance d'être bleue. Une mesure déterminera avec certitude qu'elle est 100% bleue ou 100% rouge.
Et bien cela revient quasiment au même que de dire qu'avant la mesure elle EST 50% bleue et 50% rouge, c'est à dire dans 2 états quantiques superposés.

Vous n'avez rien compris ? C'est normal !

Voici une explication en vidéo de ce qu'on appelle souvent le paradoxe du chat de Schrödinger :

Alors c'est plus clair ? Oui je sais... pas tant que ça.

Par contre la bonne nouvelle c'est que si un chat peut être dans 2 états à la fois, ça rend un peu moins bizarre le résultat de l'électron dans l'expérience de Young qui interférait avec lui-même... et ça explique aussi pas mal d'incohérences de The Walking Dead !

Rassurez-vous, si vous pensez que tout ça est une vaste fumisterie, vous n'êtes pas le seul.
De nombreux scientifiques ont refusé d'accepter ces définitions bizarres, dont en particulier Albert Einstein.
On lui doit d'ailleurs à ce sujet la célèbre phrase :

Dieu ne joue pas aux dés

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Néanmoins ce dernier n'est jamais parvenu à une meilleure explication. Il s'est même cassé les dents jusqu'à la fin de sa vie sur la théorie M, supposée unifier mécanique newtonienne, mécanique quantique et mécanique relativiste, sans rien trouver de satisfaisant...

Les super-cordes à la rescousse ?

Si le sujet vous intéresse je vous conseille de lire L'univers élégant de Bryan Green, un ouvrage passionnant de vulgarisation sur les super-cordes, la théorie la plus solide à ce jour.

Elle se base sur l'hypothèse (délirante ?) que l'univers posséderait 10, 11 ou 26 dimensions et pas seulement les 4 que nous connaissons (les 3 dimensions + le temps).

Néanmoins, nous ne serions pas capable à notre échelle de percevoir les autres dimensions "enroulées" qui seraient au dessous de la longueur de Planck.

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Mais bon, on va garder ça pour une autre fois, même si ça rejoint les concepts de plan astral, d’âme et de... dimensions parallèles.

Nous vivons dans des univers parallèles

C'est vrai que c'était un peu la promesse de l'article : vous parler des univers parallèles et de leur lien avec le monde quantique.

De nombreux scientifiques très sérieux pensent que les mondes parallèles existent vraiment.

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Rappelez-vous un peu plus haut, on vous expliquait que le fait d'observer une expérience la perturbait et en déterminait le résultat.

Le scientifique Hugh Everett tenta en 1947 de trouver une autre explication à cet étrange phénomène : et si l'observateur ne perturbait pas vraiment l'expérience ? Si au contraire, le fait d'interagir avec la réalité permettait de "choisir" une voie, sans que les autres ne cessent d'exister simultanément ?

Cette théorie (encore plus farfelue) présente un autre avantage de taille : elle permettrait d'expliquer des phénomènes auxquels on ne comprend rien pour le moment.

En effet si plusieurs mondes parallèle coexistent, il n'est pas impossible qu'ils interagissent entre eux, et que nous soyons incapable pour le moment d'avoir une vue d'ensemble.
D'ailleurs cette approche reboucle particulièrement bien avec la théorie des super-cordes évoquée un peu plus haut, mais... on va en rester là pour aujourd'hui !

Et Avengers 4 dans tout ça ?

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Si on devait faire un énorme résumé de cet article, à l'échelle quantique les particules sont donc simultanément dans plusieurs états distincts et le fait de les observer permettrait de choisir une réalité concrète, tout en laissant toutes les autres continuer leur petit bonhomme de chemin de leur coté.

Par conséquent si Ant-Man arrive à contrôler le champs quantique, il pourra choisir une réalité parmi d'autres, et reconnaissez que ce discours ressemble beaucoup à celui de Doctor Strange dans Infinity War...

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