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La Relativité et la Physique Quantique

Les deux théories qui décrivent le monde. Elles sont toutes deux vérifiées avec une précision extraordinaire, et elles sont incompatibles entre elles. Elle part de deux postulats, et de rien d'autre.

Les deux théories qui décrivent le monde. Elles sont toutes deux vérifiées avec une précision extraordinaire, et elles sont incompatibles entre elles.

PARTIE I — LA RELATIVITÉ

1. La relativité restreinte (1905)

Elle part de deux postulats, et de rien d’autre.

  1. Les lois de la physique sont les mêmes pour tous les observateurs en mouvement uniforme. (Rien de neuf : c’est Galilée.)
  2. La vitesse de la lumière dans le vide est la même pour tous les observateurs, quel que soit leur mouvement.

Le second est absurde, et c’est là tout le génie. Si vous roulez à 100 km/h et qu’une voiture vous double à 120, elle s’éloigne à 20 km/h. Mais si vous voyagez à 99 % de la vitesse de la lumière et qu’un rayon lumineux vous dépasse, il vous dépasse encore à 300 000 km/s — pas à 3 000. C’est contre-intuitif et c’est mesuré (Michelson-Morley, 1887).

Einstein prend ce fait au sérieux, et il en tire la seule conclusion possible : si la vitesse ne change pas, ce sont l’espace et le temps qui doivent changer.

Les conséquences :

  • La dilatation du temps. Une horloge en mouvement bat plus lentement. Ce n’est pas une illusion de mesure : c’est le temps lui-même. Vérifié en 1971 en embarquant des horloges atomiques dans des avions de ligne, et corrigé en permanence dans votre téléphone : sans les corrections relativistes (restreinte et générale), le GPS dériverait d’environ 10 kilomètres par jour. Votre téléphone est une preuve expérimentale de la relativité, en fonctionnement continu.
  • La contraction des longueurs, la relativité de la simultanéité (deux événements simultanés pour l’un ne le sont pas pour l’autre — il n’y a pas de « maintenant » universel).
  • E = mc². Ce que la formule dit vraiment : la masse est une forme d’énergie. Elles ne sont pas « convertibles » comme deux devises ; elles sont la même chose. Le c² est un facteur de conversion d’unités, et il est gigantesque — c’est pourquoi une quantité de matière minuscule libère une énergie énorme (le Soleil, la bombe, le réacteur).

2. La relativité générale (1915)

L’idée initiale — Einstein l’a appelée « la pensée la plus heureuse de ma vie » : un homme en chute libre ne sent pas son propre poids. La gravité et l’accélération sont localement indiscernables. C’est le principe d’équivalence.

Conclusion : la gravité n’est pas une force. C’est une géométrie.

La masse et l’énergie courbent l’espace-temps, et les objets suivent simplement le chemin le plus droit possible dans cet espace courbe. La Terre ne « tire » pas sur la Lune : elle creuse un puits, et la Lune tombe dedans en tournant.

La formule de John Wheeler est la meilleure qui soit : « L’espace-temps dit à la matière comment se mouvoir ; la matière dit à l’espace-temps comment se courber. »

Les prédictions, et elles ont toutes été vérifiées :

  • La déviation de la lumière par le Soleil — vérifiée lors de l’éclipse de 1919 par Eddington. C’est ce qui a rendu Einstein mondialement célèbre en une semaine.
  • La précession de Mercure, que Newton n’expliquait pas.
  • Le ralentissement du temps par la gravité : une horloge au sol bat plus lentement qu’une horloge en altitude. Mesuré aujourd’hui sur une différence de 33 centimètres. Votre tête vieillit imperceptiblement plus vite que vos pieds.
  • Les trous noirs. Einstein n’y croyait pas. Ils existent : première image en 2019 (M87).
  • Les ondes gravitationnelles — prédites en 1916, détectées le 14 septembre 2015 par LIGO. Cent ans d’attente pour une prédiction exacte.

PARTIE II — LA PHYSIQUE QUANTIQUE

3. Ce qu’elle affirme

(a) La quantification. L’énergie ne varie pas continûment mais par paquets (des quanta). C’est un escalier, pas une rampe. (Planck, 1900 — il l’a proposé comme un artifice de calcul, et il en a été gêné toute sa vie.)

(b) La dualité onde-corpuscule. Un électron ou un photon se comporte tantôt comme une onde, tantôt comme une particule. Ce n’est ni l’un ni l’autre : c’est autre chose, pour quoi nous n’avons pas de mot, et nos deux images sont des béquilles.

L’expérience des fentes de Young en dit plus que tout discours. Envoyez des électrons un par un à travers deux fentes. Chacun arrive en un point unique, comme une bille. Mais au bout d’un moment, la figure formée par tous ces points est une figure d’interférence — celle d’une onde qui serait passée par les deux fentes à la fois. Chaque électron interfère avec lui-même.

Et voici le point qui devrait vous empêcher de dormir : si vous installez un détecteur pour savoir par quelle fente il est passé, la figure d’interférence disparaît. Les électrons redeviennent des billes. Le fait de savoir change le résultat.

© Le principe d’incertitude (Heisenberg, 1927). On ne peut pas connaître simultanément avec précision la position et la quantité de mouvement d’une particule. Ce n’est PAS une limite de nos instruments — le contresens est universel. C’est une propriété du réel : la particule n’a pas simultanément une position et une vitesse définies. Il n’y a pas une valeur cachée que nous serions trop maladroits pour lire.

(d) La superposition. Tant qu’on ne mesure pas, le système est dans une superposition d’états — pas « dans un état inconnu », mais dans les deux à la fois.

⚠️ Le chat de Schrödinger n’est pas une illustration : c’est une MOQUERIE. Schrödinger a inventé cette histoire en 1935 pour ridiculiser l’interprétation de Copenhague : si une particule peut être superposée, alors un chat lié à cette particule devrait être mort-et-vivant, ce qui est absurde. Il ne défendait pas la thèse, il la trouvait ridicule. Le fait qu’on l’utilise aujourd’hui comme un exemple pédagogique de la quantique est un renversement complet — et un excellent cas de citation retournée contre son auteur.

(e) L’intrication. Deux particules peuvent former un seul système, même séparées par des années-lumière. Mesurez l’une, et l’état de l’autre est instantanément déterminé.

Einstein a détesté cela (« une action fantomatique à distance ») et a soutenu, avec Podolsky et Rosen (1935), que la quantique devait être incomplète : il devait exister des « variables cachées » qui expliqueraient la corrélation sans mystère.

La question paraissait métaphysique. Elle est devenue expérimentale. John Bell (1964) a démontré que les deux hypothèses — variables cachées locales, ou quantique — prédisent des statistiques différentes, mesurables. Ses inégalités transforment un débat philosophique en une expérience de laboratoire. C’est l’un des plus beaux gestes de l’histoire des sciences.

Le verdict : les expériences d’Alain Aspect (Orsay, 1982), puis celles de Clauser et Zeilinger, ont violé les inégalités de Bell. Einstein avait tort. Les trois ont reçu le prix Nobel de physique 2022.

⚠️ Et il faut aussitôt fermer une porte : cela ne permet pas de transmettre de l’information plus vite que la lumière. Chaque mesure donne un résultat aléatoire ; ce n’est qu’en comparant les deux séries de résultats — par un canal classique, limité par la vitesse de la lumière — qu’on voit la corrélation. La téléportation instantanée n’existe pas, et l’intrication ne la permettra pas. C’est l’abus le plus répandu de cette physique.

4. Ce qu’il faut absolument éviter de dire

« La conscience de l’observateur crée la réalité. » Non. Ce qui provoque l’effondrement de la superposition, c’est l’interaction avec l’environnement — un détecteur, une molécule d’air, un photon. Aucun esprit n’est requis. Le mécanisme s’appelle la décohérence, il est bien compris, et il explique pourquoi les objets macroscopiques n’ont pas de comportement quantique : ils interagissent avec des milliards de choses en permanence.

Cette confusion a nourri une industrie entière — le « quantique » du développement personnel, la « médecine quantique », la « pensée qui crée le réel ». C’est une escroquerie sémantique : le mot « observateur » en physique ne désigne pas un sujet conscient mais n’importe quel système qui interagit. Un caillou est un observateur.

« Tout est quantique, donc tout est possible. » Non. Les probabilités quantiques sont calculables avec une précision extrême — l’électrodynamique quantique est la théorie la plus précisément vérifiée de toute l’histoire des sciences (accord à douze décimales sur le moment magnétique de l’électron). C’est une théorie de l’aléatoire, pas une théorie du n’importe quoi.

5. Le vrai problème : elles sont incompatibles

Voici l’état des lieux, et il est embarrassant.

  • La relativité générale décrit le très grand : étoiles, galaxies, univers. Elle est continue, déterministe, géométrique.
  • La quantique décrit le très petit : particules, atomes. Elle est discrète, probabiliste, non locale.

Les deux sont vérifiées avec une précision extraordinaire. Et elles se contredisent.

Elles ne se rencontrent presque jamais — parce que ce qui est très petit est en général très léger (donc la gravité est négligeable), et ce qui est très massif est en général très grand. Mais il existe deux endroits où le très petit est aussi le très massif : le centre d’un trou noir, et le Big Bang. Là, les deux théories doivent s’appliquer ensemble — et elles produisent des infinis, c’est-à-dire des absurdités.

Personne n’a résolu le problème. Les candidats — théorie des cordes, gravité quantique à boucles — sont mathématiquement séduisants et n’ont produit aucune prédiction testée à ce jour. C’est le point où la physique fondamentale est bloquée, et elle l’est depuis environ cinquante ans.

Il faut savoir le dire, parce que c’est rare : nous disposons de deux descriptions du monde qui marchent parfaitement, qui sont incompatibles, et nous ne savons pas laquelle est fausse — ni si elles le sont toutes les deux.

Dimension symbolique

Ces deux théories ont fait la même chose, et c’est ce qui les rend philosophiquement immenses : elles ont retiré à l’intuition son droit de véto sur le réel.

Avant 1900, on pouvait tenir que le monde devait, au fond, être imaginable — que toute vérité physique finirait par se laisser représenter. La relativité et la quantique ont démontré que non. Le temps qui ralentit, l’espace qui se courbe, une particule qui n’a pas de position : ce sont des faits mesurés, et ils sont irreprésentables. Nous pouvons les calculer et nous ne pouvons pas les voir.

Feynman l’a dit sans détour : « Je crois pouvoir affirmer que personne ne comprend la mécanique quantique. » Et il ajoutait qu’il ne fallait pas se demander « mais comment cela peut-il être ainsi ? », parce qu’on s’engage alors dans une impasse d’où personne n’est jamais sorti.

C’est un événement dans l’histoire de la connaissance : pour la première fois, une science fonctionne parfaitement sans être comprise. Elle prédit, elle construit des lasers et des transistors et des IRM, et personne ne sait ce qu’elle raconte. La physique du XXᵉ siècle a séparé la maîtrise de la compréhension — et c’est peut-être la découverte la plus dérangeante qu’elle ait faite sur nous.

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