Source: The Conversation – in French – By Laurie Letertre, Chercheuse en philosophie de la physique au Munich Center for Mathematical Philosophy, Ludwig Maximilian University of Munich
Ce 25 novembre marque le centenaire de l’énoncé de la thèse de doctorat de Louis de Broglie, qui lui valut un prix Nobel pour « sa découverte de la nature ondulatoire des électrons ». Ce travail a durablement marqué la physique et constitue une des contributions pionnières en physique quantique.
Un développement important de ce travail mena au modèle dit « de l’onde pilote », qui constitue une alternative à la formulation standard de la mécanique quantique, et dont l’influence persiste encore de nos jours… mais que Louis de Broglie a rapidement renié. Pour quelles raisons ?
Les difficultés d’interprétation de la mécanique quantique
La théorie de la mécanique quantique décrit le comportement de la matière à de petites échelles, par exemple celui des atomes ou des électrons. Sa découverte date du début du XXe siècle, mais de nombreuses questions restent débattues encore aujourd’hui. Cette situation est due, en grande partie, aux caractéristiques déroutantes de la théorie.
Par exemple, les objets quantiques semblent se comporter tantôt comme des particules, tantôt comme des ondes. L’interprétation de Copenhague, développée au début du XXe siècle, en conclut que le monde quantique ne peut être analysé selon des concepts classiques. Cette lecture de la mécanique quantique a rencontré des objections importantes, et une représentation causale et mécanique du monde quantique restait recherchée par tout un pan de la communauté de chercheurs (y compris par Albert Einstein).
Louis de Broglie, un physicien français, partageait cette ambition, et proposa sa « théorie de l’onde pilote » en 1927. Selon ce modèle, la matière est composée de particules, dont le mouvement est guidé par une « onde quantique ». Cette théorie expliquerait ainsi les raisons du comportement ondulatoire des particules.
Cependant, quelques années après cette découverte, il renonça à sa théorie. Pourquoi ce revirement de Louis de Broglie lui-même, et quel a été l’impact de ses travaux sur le reste de la communauté scientifique ?
L’étrangeté persiste
Les causes du renoncement à la théorie de l’onde pilote sont multiples. Toutefois, deux caractéristiques du modèle l’ont rendu particulièrement suspect. D’une part, il suggère que le mouvement d’une particule peut dépendre de celui d’une autre, et ce, même si leur éloignement, selon la relativité d’Einstein, devrait interdire toute interaction.
D’autre part, l’onde pilote n’a pas une signification physique claire. Contrairement aux ondes classiques, comme les vagues de l’océan ou les ondes électromagnétiques, ce n’est pas une onde qui évolue dans notre espace physique à trois dimensions. Il s’agit plutôt d’une onde qui se déploie dans un espace mathématique abstrait comportant un grand nombre de dimensions, rendant son interprétation difficile.
Ces aspects de son onde pilote étaient très dérangeants pour Louis de Broglie, qui abandonna explicitement sa théorie dans ses écrits ultérieurs. Son ambition plus profonde était de développer une approche quelque peu différente, appelée « théorie de la double solution ».
Ce modèle alternatif aurait eu l’avantage d’être bien plus intuitif et facile à comprendre. Son objet principal aurait été une onde moins abstraite, qui se déploierait au sein de l’espace familier à notre perception.
Cependant, la complexité mathématique de cette approche était considérable. Louis de Broglie y travailla jusqu’à la fin de sa vie, malgré la faible réception du projet parmi ses collègues physiciens. En effet, malgré ses défauts soulignés par de Broglie, c’est la théorie de l’onde pilote qui a retenu l’attention de la grande majorité des chercheurs, entraînant l’oubli progressif de son programme de recherche sur la théorie de la double solution.
Redécouverte de la théorie
Les travaux de Louis de Broglie ont malgré tout profondément influencé la communauté scientifique.
Ainsi, le physicien américain David Bohm, qui a réalisé d’importantes contributions en physique quantique, a redécouvert indépendamment la théorie de l’onde pilote en 1952. Plutôt que de rejeter le modèle à cause de ses étrangetés, l’enjeu fut de lui donner du sens. Les questions relatives au contenu et à la signification exacte de la théorie sont encore débattues aujourd’hui.
D’autre part, la théorie de la double solution de Louis de Broglie n’a pas été complètement abandonnée. Quelques physiciens contemporains travaillent toujours à sa formulation. Il se peut que cette approche puisse un jour nous aider à mieux comprendre notre monde à petite échelle, avec un impact réduit sur nos intuitions classiques.
Cet article a bénéficié d’échanges avec Aurélien Drezet, de l’Institut Néel de Grenoble, que l’autrice souhaite remercier.
Laurie Letertre a reçu des financements de la commission européenne (Marie Skłodowska-Curie Actions – bourse postdoctorale).
– ref. Pourquoi Louis de Broglie, prix Nobel et un des (nombreux) pionniers de la mécanique quantique, a tourné le dos à une de ses théories – https://theconversation.com/pourquoi-louis-de-broglie-prix-nobel-et-un-des-nombreux-pionniers-de-la-mecanique-quantique-a-tourne-le-dos-a-une-de-ses-theories-244542