Paradoxe EPR : des signaux plus rapides que la lumière ?

Un groupe de physiciens de l’Université de Genève (UNIGE) dirigé par Nicolas Gisin, l’un des pionniers de la téléportation quantique, vient de poser des bornes à l’hypothétique vitesse de propagation d’un signal, dépassant la vitesse de la lumière, proposé pour expliquer classiquement le paradoxe EPR.

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Il existe en mécanique quantique un effet très célèbre dénommé paradoxe d’Einstein-Podolski-Rosen, ou paradoxe EPR. C’est en 1935 qu’Einstein et ses deux jeunes collègues publièrent un article tentant de prouver que la mécanique quantique ne pouvait pas être la description ultime de ce qu’était un quanta de lumière, ou un quanta de matière, car conduisant à des phénomènes violant au minimum l’esprit de la relativité restreinte.

Deux particules, comme des photons produits par la désintégration d’une autre particule, y apparaissaient alors comme un tout indissociable et toute mesure de l’une de ces particules, produisant une modification de l’état de cette dernière, entraînait instantanément une modification de l’état de l’autre, quand bien même celles-ci soient séparées par une distance de plusieurs millions d’années-lumière. Une conclusion qui semblait bien peu compatible avec la théorie de la relativité d’Einstein qui implique qu’aucun signal ne peut se déplacer plus vite que la lumière dans l’Univers.

Pour décrire l’état particulier de ces paires de particules en mécanique quantique, on parle de paires de particules intriquées, et il y a une théorie mathématique permettant de définir ce qu’on entend par intrication pour des systèmes physiques.

Des actions à distance fantômes

En fait, une analyse soignée du phénomène montre, comme le fit Niels Bohr, qu’il est possible de conserver à la fois la théorie d’Einstein et les lois de la mécanique quantique si l’on admet qu’il existe une sorte de « non-localité ». Les objets dans l’Univers ne seraient pas fondamentalement dans l’espace et dans le temps et c’est juste par une sorte d’effet de perspective que nous fractionnerions une réalité constituée d’un seul bloc, et fondamentalement au-delà de l’espace et du temps, en une série de particules et/ou d’ondes dans l’espace et le temps.

Cela ne veut pas dire que l’espace et le temps soient des illusions, mais juste que les images que nous avons de la réalité avec ces concepts sont des approximations trompeuses, bien que justes dans un certain domaine de notre expérience. Une conclusion déjà atteinte par Platon, Kant et les philosophes hindous avec la notion de « Maya ».

Cette conclusion est rejetée par les physiciens qui suivent les travaux de John Bell.


A gauche John Bell et à droite le prix Nobel Martinus Veltman.
Crédit : CERN, AIP Emilio Segre Visual Archives.

Rappelons que c’est ce dernier qui dans les années 60 avait découvert une série d’inégalités mathématiques permettant de savoir qui, d’Einstein ou des tenants de l’interprétation standard de la mécanique quantique, l’interprétation de Copenhague, avaient raison. Or, en 1982, le physicien français Alain Aspect avait effectivement montré que le phénomène de non-localité en accord avec les lois de la mécanique quantique orthodoxe était bel et bien une réalité.

Dans les années 50, l’expérience originale d’Einstein utilisant des mesures de positions et de vitesses avec des particules de matière avait été traduite théoriquement en termes d’expériences sur la polarisation des photons par David Bohm. Ce sont donc ces expériences qu’Aspect et ses collègues réalisèrent. En violant les célèbres inégalités de Bell, les bizarres « actions à distance fantômes » (selon les mots d’Einstein) impliquées par l’intrication quantique étaient bien là.

La cause semblait entendue mais John Bell et d’autres n’en démordirent pas. La mécanique quantique, avec les inégalités de Heisenberg, le principe de complémentarité de Bohr, et toutes les amplitudes de probabilités qu’utilise cette dernière ne pouvait pas être l’expression ultime de la réalité selon leur intuition.

Bell se tourna alors vers une approche particulièrement iconoclaste de la part d’un défenseur des idées d’Einstein.

Une hypothèse iconoclaste

Et si non seulement la mécanique quantique mais aussi la théorie de la relativité restreinte étaient fausses dans le même sens où la théorie de Newton est fausse par rapport à ces dernières ?

Ne pourrait-il pas exister, au fond, une sorte de référentiel absolu, un peu comme dans la physique de Newton pré-relativiste, où une sorte de dynamique sub-quantique prendrait place avec certaines interactions pouvant effectivement se déplacer plus vite que la lumière ?

Dans ce cas là, les images bien classiques d’ondes et de particules dans l’espace et dans le temps, et le déterminisme, pourraient être restaurés.

Autant dire qu’une telle éventualité semble bien peu naturelle et les derniers tests de la relativité restreinte d’Einstein montrent que celle-ci est particulièrement solide. Mais au fond, qu’en savons-nous réellement ?


La localisation géographique des expériences du groupe de physiciens Suisses. Crédit : Nature.

C’est dans ce cadre que l’on peut replacer les travaux du groupe de Nicolas Gisin à l’Université de Genève. Utilisant les fibres optiques du réseau de Swisscom s’étendant sur 18 km entre Satigny et Jussy dans la région de Genève, les physiciens ont réalisé une expérience de type EPR avec des paires de photons intriquées. En profitant de la rotation de la Terre sur une période de 24 h, il est alors possible de tester des théories reposant sur l’existence d’une sorte de référentiel absolu, un éther en quel que sorte, par rapport auquel la Terre ne se déplacerait pas avec une vitesse supérieure à un millième de celle de la lumière.

La conclusion des chercheurs est la suivante comme ils l’expliquent dans Nature : si un tel référentiel absolu existait, la vitesse des interactions entre particules intriquées devrait être au moins 10000 fois plus rapide que la lumière pour expliquer les corrélations quantiques bizarres se manifestant avec le phénomène de non-localité observé.


Le début de l’article d’Einstein-Podolski-Rosen

Source : Futura Sciences