Mécanique quantique : nouvelle définition de la fonction d'onde

Plus qu’un outil mathématique et statistique, la fonction d’onde serait un objet physique bien réel, affirme un trio de théoriciens.




La fonction d'onde de l'hydrogène (Wikimedia Commons)

Un outil statistique et peut-être plus que ça

En mécanique quantique, qui traite du comportement physique des particules atomiques et subatomiques, la fonction d’onde permet de calculer la densité de probabilité de présence d’une particule en certains points. En effet, à cette échelle, toute tentative de mesure influe directement sur la particule de sorte qu’il est impossible de connaître simultanément sa position et sa vitesse, c’est le fameux principe d’incertitude d’Heisenberg. Du coup, les mesures n'expriment pas des certitudes mais seulement des probabilités, représentées par la fonction d’onde.

Pour les physiciens, la fonction d’onde est une abstraction mathématique et statistique qui permet de réduire, pas complètement, l’incertitude quantique. Mais il se pourrait qu’elle soit bien plus que ça : c’est du moins le sens à donner à un article publié en ligne sur le site de partage arXiv.org, dans lequel trois théoriciens présentent une nouvelle interprétation de la fonction d’onde.

L’interprétation de Copenhague serait erronée

Le débat sur la façon de comprendre la fonction d'onde remonte aux années 1920. Dans «l'interprétation de Copenhague» lancée par le physicien danois Niels Bohr, la fonction d'onde est considérée comme un outil de calcul qui reflète ce que nous pouvons connaître du monde, plutôt que la réalité physique. Pour les trois physiciens, dirigés par Matthieu Pusey de l'Imperial College de Londres, cette interprétation est erronée et la fonction d’onde représente la réalité physique.

Ils fondent leur explication sur un autre phénomène quantique : l’intrication. Quand deux particules sont intriquées on ne peut plus ensuite modifier l’état de l’une de ces deux particules sans modifier l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare. Les trois scientifiques présentent un théorème montrant que si la fonction d'onde était un outil purement statistique, alors même les particules non liées se comporteraient ainsi. Ce qui est très improbable, les chercheurs en concluent que la fonction d'onde doit être un objet physique bien réel.

Un «séisme» physique

L’année dernière, une équipe française (CNRS/CEA) avait réussi à observer les fonctions d’ondes des électrons de la molécule de diazote (N2). Ce qui indiquait, déjà, que cette modélisation du comportement particulaire n’est pas qu’une simple opération de pensée.

Pour le moment, les trois physiciens ont refusé de commenter leur publication, l’article étant soumis à un processus de relecture par des pairs. Mais le petit monde des physiciens risque de connaître une révolution conceptuelle si leur théorie est validée. Cité par Nature News, Antony Valentini, physicien théorique à l’université Clemson de Caroline du Sud (Etats-Unis), le qualifie de « sismique » tant ses répercussions pourraient être importantes notamment dans les domaines de l’information ou du cryptage quantique.

Toujours cité par Nature News, Robert Spekkens, autre théoricien quantique, parle lui d’un article «fantastique» mais n’approuve pas la conclusion des auteurs. Pour lui, leur théorème prouve que toutes les particules quantiques, intriquées ou non, sont au final reliées. Le débat est relancé, cent ans après Niels Bohr, la fonction d’onde reste encore insaisissable.