Illustration de l'expérience des fentes de Young. | Capture d'écran khanacademymedicine via YouTube
Illustration de l'expérience des fentes de Young. | Capture d'écran khanacademymedicine via YouTube

Une particule peut-elle se trouver à deux endroits différents au même instant?

En mécanique quantique, rien ne semble impossible.

Le don d'ubiquité est un super-pouvoir qui fait extrêmement envie: se trouver dans plusieurs lieux à la fois, c'est gagner un temps infini et pouvoir vivre mille vies. Si pour les humains que nous sommes, cela reste de l'ordre du pur fantasme, la mécanique quantique nous pousse en revanche à croire que certaines particules ont bel et bien la faculté d'être présentes dans deux endroits à la fois, au même instant.

Si de telles particules existent, avertit New Scientist, alors leurs sommes (ou «superpositions») ont les mêmes caractéristiques. Cela provient du fait que l'état d'un système quantique est représenté par un espace vectoriel, ensemble mathématique dans lequel –entre autres– si deux éléments a et b en font partie, alors a+b aussi.

Les superpositions donnent aux particules leurs propriétés ondulatoires. Lorsqu'on envoie un photon (particule de lumière) à travers un système de fentes de Young (deux petits trous placés dans une plaque opaque), un point de lumière apparaît derrière la plaque. Mais lorsqu'on prolonge l'expérience en envoyant une quantité certaine de photons, l'ensemble des points crée des interférences de l'autre côté de la plaque, comme c'est le cas sur l'illustration de cet article.

Existante, mais pas observable

La seule façon d'expliquer ces interférences est de partir du principe que chaque particule emprunte simultanément les deux fentes de Young, donc que chacune parcourt deux chemins en même temps. Cette superposition des chemins reste une notion abstraite, non observable en physique classique. La superposition existe d'un point de vue mathématique, mais elle ne se produit pas réellement sous nos yeux.

Concrètement, si l'on essaie de déterminer expérimentalement laquelle des deux fentes a été empruntée par le photon, l'interférence disparaît et l'expérience est réduite à néant. Voilà le problème, résume New Scientist: quel intérêt y a-t-il à affirmer qu'une particule emprunte deux chemins à la fois si on ne la voit pas concrètement le faire?

La dichotomie entre la théorie et l'observable tient au fait que la superposition est une notion mathématique plus complexe qu'une simple somme et qu'elle possède des propriétés bien particulières. C'est pourquoi les analogies et les métaphores ne conviennent jamais vraiment pour décrire ce qui se produit. Et c'est la raison pour laquelle il est délicat d'affirmer qu'une particule puisse se trouver à deux endroits en même temps, même si, d'un point de vue quantique, on se comprend.

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