Le grand roman de la physique quantique

Au rendez-vous des cerveaux
Paul Ehrenfest était en larmes. Sa décision était prise. Il allait bientôt assister à une réunion qui durerait une semaine et où bon nombre des physiciens responsables de la révolution quantique essaieraient de comprendre la signification de ce qu’ils avaient créé. Il serait alors obligé d’informer son vieil ami Albert Einstein qu’il avait pris le parti de Niels Bohr. L’Autrichien Ehrenfest, trente-quatre ans, professeur de physique théorique à l’université de Leyde, aux Pays-Bas, était convaincu que l’univers atomique était aussi étrange et éthéré que Bohr l’affirmait.
Dans une note adressée à Einstein tandis qu’ils étaient assis à la table de conférences, Ehrenfest griffonna : « Ne riez pas ! Il y a au purgatoire une section réservée aux professeurs de physique quantique, où ils seront obligés d’écouter des cours de physique classique dix heures par jour. » « Je ne ris que de leur naïveté, répondit Einstein. Qui sait qui rira [le dernier] dans quelques années ? » Pour lui, il n’y avait pas là de quoi rire, car c’était la nature même de la réalité et l’âme de la physique qui étaient en jeu.
La photographie des participants du cinquième congrès Solvay qui se tint à Bruxelles du 24 au 29 octobre 1927, sur le thème « Électrons et photons », résume la période la plus spectaculaire de l’histoire de la physique. Avec la présence de dix-sept titulaires ou futurs lauréats du prix Nobel sur les vingt-neuf participants, ce congrès fut l’une des plus remarquables rencontres de cerveaux qui se soient jamais tenues. Il marqua aussi la fin d’une ère de créativité en physique seulement comparable à la révolution scientifique du XVIIe siècle menée par Galilée et Newton.
Paul Ehrenfest est debout, légèrement penché en avant, au dernier rang, troisième à partir de la gauche. Il y a neuf personnes au premier rang. Huit hommes et une femme, dont six titulaires d’un prix Nobel soit de physique, soit de chimie. La femme a reçu les deux : celui de physique en 1903, celui de chimie en 1911. Son nom : Marie Curie. Au centre, à la place d’honneur, un autre Prix Nobel : Albert Einstein. Regardant droit devant lui, agrippant sa chaise de la main droite, il semble ici le plus mal à l’aise. Est-ce le col cassé et la cravate qui lui causent cette gêne, ou ce qu’il a entendu la semaine précédente ? Au bout de la deuxième rangée, sur la droite, se trouve Niels Bohr, l’air détendu, avec un sourire à demi malicieux. Pour lui, ce congrès a été une réussite. Il rentrerait néanmoins au Danemark déçu de n’avoir pu convaincre Einstein d’adopter son « interprétation de Copenhague » de ce que la mécanique quantique révélait sur la nature de la réalité.
Au lieu de céder à ses arguments, Einstein avait passé la semaine à tenter de prouver que la mécanique quantique était incohérente, que l’interprétation de Copenhague qu’en donnait Bohr était erronée. Einstein dirait plus tard que « cette théorie me rappelle un peu le système d’illusions d’un paranoïaque excessivement intelligent, concocté à partir d’éléments de pensées incohérents ».
Ce fut Max Planck, assis à la droite de Marie Curie, tenant son chapeau d’une main et un cigare de l’autre, qui découvrit le quantum. En 1900, il fut forcé d’admettre que l’énergie de la lumière et de toutes les autres formes de rayonnement électromagnétique ne pouvait être émise ou absorbée par la matière que sous forme d’éléments individuels discrets. Planck baptisa « quantum » (pluriel latin quanta) un paquet individuel d’énergie. Le quantum d’énergie était une rupture radicale avec l’idée, établie depuis longtemps, que l’énergie était émise ou absorbée en continu, comme l’eau coulant du robinet. Dans l’univers quotidien du macroscopique, où régnait en maîtresse absolue la physique de Newton, l’eau pouvait bien tomber goutte à goutte d’un robinet, mais l’énergie ne s’échangeait pas sous forme de gouttelettes de taille variable. Or l’univers atomique et subatomique de la réalité était le domaine du quantum.
Avec le temps, on découvrit que l’énergie d’un électron à l’intérieur d’un atome était « quantifiée » ; il ne pouvait posséder que certaines quantités d’énergie et non d’autres. Il en était de même d’autres propriétés physiques, et on s’aperçut que l’univers microscopique était grumeleux et discontinu et non un modèle réduit du monde à grande échelle habité par les humains, où les propriétés physiques varient sans heurts ni solutions de continuité, où aller de A en C implique de passer par B. Or la physique quantique révéla qu’un électron dans un atome peut être en un endroit et puis, comme par magie, réapparaître en un autre endroit, sans avoir été nulle part entre les deux, en émettant ou en absorbant un quantum d’énergie. C’était un phénomène qui échappait aux compétences de la physique classique non quantique. C’était aussi bizarre que si un objet disparaissait mystérieusement à Londres et réapparaissait un instant plus tard à Paris, New York ou Moscou.