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Comprendre la théorie des variables cachées

« Dieu ne joue pas aux dés ».

Cette phrase prononcée un jour par Albert Einstein est sûrement l’une de ses citations les plus connues… mais elle est pourtant bien mal comprise. Einstein parlait ici de la physique quantique, qui, selon les autres physiciens de l’époque, serait une physique probabiliste et non déterministe.

Par probabiliste, il faut comprendre vulgairement “aléatoire”. Autrement dit, le résultat d’une expérience de physique quantique ne peut pas être déterminé à l’avance, car il existe une part de hasard dans le processus. Cela va à l’encontre de la physique classique dite “déterministe”.

Einstein ne refusait pas la physique quantique en bloc : au contraire il fait partie de ceux qui l’ont mise au point. C’est au fur et à mesure de l’avancée des travaux de toute la communauté scientifique que l’idée d’une physique quantique probabiliste naquit. Et c’est là qu’Einstein commença à s’opposer à ses collègues.

Déterminisme /VS/ probabilisme ?

Dieu ne joue pas aux dés

En effet, une physique probabiliste signifie une physique imprévisible. Ainsi, si on a deux systèmes et qu’on leur applique un effet quantique identique dans les deux cas, alors le résultat pourrait être différent dans les deux cas. C’est un peu comme le lancer de dés : vous êtes dans la même pièce, sur le même sol, mais chaque lancer donne un résultat différent.

C’est cette idée « probabiliste » de la physique qu’Einstein refusait d’admettre : pour lui, les lois de l’univers doivent être déterministes. Les mêmes causes doivent toujours engendrer les mêmes effets.

Dans le cas de nos dés, je vous rassure, c’est un système déterministe. Avec le bon protocole et les bonnes conditions expérimentales, il est possible de jeter un dé de façon à connaître le chiffre qu’il va afficher (en le lançant exactement de la bonne hauteur, avec la bonne force, le bon angle, etc.).

Sur les systèmes quantiques, c’est le contraire qui se produisait : peu importe comment les expériences furent réalisées, même avec la plus grande précision possible, deux expériences donnaient des résultats différents à chaque fois.

La théorie des variables cachées

Ceci tracassait beaucoup Einstein (et pas seulement lui). Il émit l’hypothèse qu’il devait y avoir des variables cachées : des paramètres physiques qui n’étaient pas pris en compte lors des expérimentations et qui contribuaient à fausser les résultats.

Après un bon nombre d’expériences sur plusieurs décennies, il est aujourd’hui admis que la physique quantique est bel et bien probabiliste. Il n’y a pas de variables cachées – aucune n’a été découverte en tous cas – mais le sujet fait toujours couler beaucoup d’encre.

Au coeur du problème : l’intrication quantique

Einstein et la physique quantique n’étaient pas toujours d’accord : prenons l’intrication quantique par exemple.

Une illustration fantaisiste de l'intrication quantique
Une illustration fantaisiste de l’intrication quantique

Pour Einstein, il était totalement inconcevable que deux particules puissent s’affecter l’une l’autre, à distance, et plus rapidement que la lumière. Il disait de façon un peu moqueuse que c’était une action « fantomatique et à distance » (« spooky action a distance »).

Et pourtant… Même si Einstein n’y croyait pas, l’intrication quantique est aujourd‘hui un phénomène lui aussi bien établi.

Il n’est pas expliqué à 100 %, mais on sait de façon sûre que cet effet existe et que ce n’est ni un problème d’interprétation des résultats, ni un problème d’expérimentation.

En bref

Einstein n’était pas bêtement opposé à la notion de probabilités dans la physique quantique en général. Il a été l’un des premiers à utiliser des probabilités dans le cadre de sa théorie des transitions dans un atome de Bohr.

Ses arguments dépassaient de loin le simple “point de vue” ou le débat philosophique. Accepter un probabilisme général remettait, selon lui, beaucoup de choses en cause (notamment vis-à-vis de sa théorie de la relativité générale).

La prochaine fois que vous entendrez l’expression « Dieu ne joue pas au dés », vous saurez donc que son auteur ne combattait pas la physique quantique toute entière, mais bien un seul concept encore au coeur de bien des débats aujourd’hui.

Pour en savoir plus

Timo Van Neerden

Timo Van Neerden

Ancien étudiant en physique, fan de sciences, d’informatique, d’internet, du Japon, mais aussi des Pokémon et de tout ce qui touche à la geekerie.

10 commentaires

  • Coquille : “[…] L’intrication quantique est aujourd’hui lui aussi un phénomène bien établi. Il n’est PAS expliqué à 100%”
    Manque le “PAS”. C’est juste histoire de fluidifier la lecture de cet article passionnant. Merci m’sieur ‘

  • tu dit que c’est admis que la physique quantique est probabiliste. mais tu dit que jusqu’aujourd’hui on a pas trouver de variables cachés. comment on peut être certain que c’est probabiliste et que ce n’est pas juste parce qu’on n’a pas encore trouvé la variable caché?

    • Il y a aussi le théorème de Bell, ainsi qui les expériences de Bell qui stipulent et montrent respectivement qu’aucune variable cachée, ou même plusieurs, ne peut reproduire le résultat des expériences en quantique.

      L’une des solutions serait que l’univers soit entièrement déterministe, et que chaque particule a une existence toute tracée et définie (ce qui inclut le fait que rien ni personne n’ait un libre arbitre).
      Une telle solution n’a pas encore pu être prouvé. Et le fait que ce soit prouvable non plus.

      Pour le moment, l’hypothèse selon laquelle la quantique est probabiliste, sans variables cachées, est celle qui fonctionne le mieux à expliquer ce qu’on observe. C’est donc celle qui est privilégié.

      Mais comme l’a dit Stéphane, la question est toujours sujette à des travaux.

  • Bonjour,
    A la base du paradoxe EPR, si j’ai bien compris, une particule au repos qui en se désintégrant génère 2 particules “opposées” dont on pourrait mesurer le position de l’une,et la quantité de mouvement de l’autre donnant ainsi les valeurs de l’autre car opposées (somme nulle pour retrouver la valeur de la particule au repos), violant ainsi le principe d’indétermination.
    Mais la particule initiale n’est jamais au repos, du fait du principe d’indétermination, il y a un dx et un dp . donc la somme des positions ne vaut pas 0 mais dx et idem pour la somme des quantités de mouvement dp. donc si on mesure la position de l’un l’autre est connu à dx près et idem pou la quatité de mouvement déduite à dp près, donc le principe d’indétermination reste respecté. Où se situe donc le paradoxe?Merci

    • Je ne suis pas sûr de pouvoir répondre à ta question.

      Ce que tu dis semble se tenir, même si Einstein était contre l’idée d’une incertitude et cherchait à la démonter.
      Ton hypothèse « Mais la particule initiale n’est jamais au repos, du fait du principe d’indétermination » est donc précisément ce que qu’E-P-R voulaient démonter.

      D’autre part, si tu as une particule au repos, tu peux déjà connaître avec précision une des deux variables (x ou p). La mesure des deux particules produites ensuite permettaient d’en déduire l’autre.

  • J’adore ce genre de débat car étant donner que tout est loin d’être encore prouver et que surtout certaine choses et expérience se modifie rien que par le fait de regarder l’expérience modifié tout resultat il reste une grande partie non observable de ses phénomène donc quelque soit sont point de vue sur la chose personne n’est encore sur de ce que l’on avance sur toute les parties les plus perchée de la quantique mais tellement intéressant

Timo Van Neerden

Timo Van Neerden

Ancien étudiant en physique, fan de sciences, d’informatique, d’internet, du Japon, mais aussi des Pokémon et de tout ce qui touche à la geekerie.

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