Louis De Broglie et la dualité onde-particule, entretien avec Georges Lochak


02 Mar 2014

Interview (1987) de Georges Lochak, à la fois physicien, écrivain et grand humaniste. Le style parlé n’a pas été modifié dans l’entretien

SC : Mr Lochak en tant que directeur de la fondation Louis de Broglie et ami de ce dernier, vous êtes un des plus qualifiés pour parler de l’œuvre de De Broglie qui nous a quitté en Mars 1987. La première question est de savoir qu’elles étaient les origines des travaux de De Broglie ?

Georges Lochak : Je pense qu’on peut résumer les origines comme cela : Quand Louis De Broglie a atteint l’âge de dix-huit ans aux environs de 1910, il n’avait du tout l’idée de faire de la science, et en réalité il faisait de l’histoire et était déjà licencié en histoire et en droit. Son intérêt aux sciences a été éveillé par son frère ainé Maurice De Broglie. Il était un des grands spécialistes dans l’étude des rayons X, et à l’époque il fut le secrétaire scientifique du 1er congrès de Solvay qui s’est réuni en 1911.

La physique à la fin du siècle passé, donc 15 ans seulement avant ce congrès, paraissait pour beaucoup de physiciens comme pratiquement terminé, ce qui est une chose qu’on ne peut plus concevoir aujourd’hui.  Les progrès de la mécanique rationnelle, de l’électromagnétisme, de la thermodynamique, et en générale des différentes branches de la physique avaient atteint un tel point de perfectionnement que, par exemple, quand le jeune Max Planck a exprimé à un de ses maitres son désir de faire de la recherche dans le domaine de la physique théorique, il s’est vu répondre  par son maitre, qu’il avait raison car il est doué, mais dommage car malheureusement il venait trop tard dans un monde trop vieux où il n’y avait guère que quelques décimales à ajouter par ci par là aux résultats qu’on connaissait déjà et où il n’y avait plus rien d’important à découvrir.

Mais en peu d’années d’intervalle, de nombreuses et véritables bombes scientifiques ont explosé, et qu’on peut citer comme étant les suivantes : La principale a été la découverte de l’électron, je pense ; car l’électron était le point de rencontre des théories atomiques et de l’électromagnétisme de  Maxwell ; or les théories atomiques à cette époque, je parle de la fin du 19ème   siècle, étaient encore extrêmement controversées et de nombreux éminents physiciens et chimistes n’y croyaient pas du tout. De son côté l’électromagnétisme était loin d’être victorieux, et il était peu enseigné dans certains pays comme la France. Or les deux visions encore controversées de l’atome et de l’électromagnétisme étaient par certains côtés opposées l’une à l’autre, puisque le monde de l’atome est en somme un monde vide dans lequel se promènent des objets petits et localisés : Les points matériels ou disant les atomes ; tandis que le monde de l’électromagnétisme était le début du monde des champs, c’est-à-dire un monde qui est regardé au contraire comme plein, plein d’ondes et de champs et comme continu au lieu d’être discontinu. Curieusement Maxwell était à la fois un des plus grands hommes des théories atomiques et le créateur de l’électromagnétisme moderne ; c’est-à-dire qu’il incarnait dans sa personne la contradiction qui existait entre ces deux visions du monde. La découverte de l’électron a eu, alors, un effet tout à fait dramatique puisqu’il a été regardé par Lorentz et par l’ensemble des physiciens comme la source du champ électromagnétique, autrement dit cet objet petit et localisé, cette particule beaucoup plus petite qu’un atome devenait indispensable à la description du monde des champs.

Ce drame a commencé avec Max Planck qui a essayé de résoudre un problème de thermodynamique et d’électromagnétisme et qui était sans solution à l’époque. Il s’agissait de savoir ce qu’est l’énergie du rayonnement électromagnétique qui émane disant d’un petit trou percé dans la paroi d’un four chauffé d’une façon régulière (problème du corps noir). Ce problème qui parait être abstrait et sans grandes applications a, en vérité, changé complètement la physique du siècle, car pour résoudre ce problème Planck s’est vu obligé de se servir à la fois de l’électron et de l’électromagnétisme. Or se servir de l’électron revenait à se servir de la mécanique de Newton, et se servir de l’électromagnétisme revenait à se servir de la théorie de Maxwell. Et il s’est avéré que ces deux théories ne faisaient pas bon ménage ; elles conduisaient à des conclusions absurdes. Pour cette raison, Planck a été obligé d’introduire une nouvelle propriété et de distordre les propriétés mécaniques que l’on prêtait à l’électron. Il est ainsi arrivé à l’hypothèse des quanta, c’est-à-dire que le champ électromagnétique échange avec la matière de l’énergie non pas d’une manière continue mais par petits paquets discontinus qu’il a appelé les quanta. C’est cette idée, – qui au début n’a pas était prise au sérieux et qui est restée ignorée –, qui a donné à Einstein, cinq année plus tard en 1905, l’idée géniale disant que si c’était ainsi alors il faudrait que la lumière elle-même – et les ondes électromagnétiques en général –  transporte son énergie non pas d’une façon continue mais discontinue par grains. Einstein a introduit cette idée qui était incompréhensible, et malgré sa gloire naissante et grandissante cela n’a pas été cru pendant plus de vingt ans. Il a introduit l’idée qu’il fallait que la lumière soit faite d’ondes, sinon on ne comprendrait pas les phénomènes d’interférences et de diffractions qui étaient très bien étudiés depuis longtemps, et Einstein disait que les transports d’énergie ne sont pas liés à ces ondes particulièrement, mais à des particules qui sont en quelque sorte transportées par ces ondes et qui sont appelées les photons.

Cette contradiction dans le double aspect qu’il attribuait à la structure de la lumière et de l’électromagnétisme en général a laissé les physiciens incrédules et perplexes, car le problème soulevait de très grandes difficultés. Quelques années plus tard, parallèlement à cela, Bohr qui a développé la théorie des quanta pour l’appliquer à la théorie de l’atome, a émis l’hypothèse que l’atome est une espèce de système planétaire dont le soleil serait le noyau atomique électrisé positivement et lourd, et autour duquel graviteraient des électrons. Cette image a été modifiée par la suite mais enfin nous la conservons dans une large part. Bohr a donc introduit les quanta de Planck dans la description du mouvement des électrons autour du noyau et il en a tiré d’extraordinaires conséquences surtout lors de l’application à la spectroscopie où le calcul des longueurs d’ondes émises par les atomes était tout à fait remarquable. C’est un petit peu avant la découverte de Bohr que l’introduction des quanta paraissait inévitable.

Et c’est à ce moment que De Broglie commença à s’intéresser à la physique. Il a eu la chance inestimable du fait que son frère était le secrétaire scientifique du congrès de Solvay de 1911 et qui a rapporté à la maison, puisqu’il était l’éditeur, les minutes du congrès toutes fraiches et les discussions auxquelles participaient les plus grandes gloires scientifiques de l’époque comme Planck, Poincaré, Mme Curie, Sommerfeld, Lorentz etc.  De Broglie a lu avec passion tout cela et il s’est mis à étudier fiévreusement divers livres comme ceux de Poincaré ; il s’est trouvé ainsi dès le début en face du problème des ondes et des particules. Il est à l’évidence l’homme qui en a été le plus frappé à l’époque.

Alors qu’elle a été sa découverte ? Elle n’a pas été immédiate. 1911 était une très mauvaise année, c’était trois ans avant la guerre de quatorze. Il s’est mis à faire d’abord des études scientifiques et rapidement il a obtenu une licence de science à la Sorbonne. Mais c’est dans les livres qu’il s’est plus instruit, car les cours de l’époque ne rapportaient pas ces nouveaux résultats. Malheureusement, c’est à ce moment-là, en 1913, qu’il a été appelé au service militaire et a été affecté comme physicien au centre de la Radio de l’armée française qui se trouvait à l’époque au mont Valérien. Il a servi sous les ordres du colonel – devenu maréchal par la suite – Fermier, qui était un des grands de la radio en France de l’époque.

Malgré que la guerre lui ait fait perdre 5 ans, il a eu la grande chance de rester en vie car plusieurs physiciens de génies ont trouvé la mort comme Schwarzschild, par exemple, qui combattait dans les rangs de l’armée allemande et qui était un physicien d’une qualité rare. De Broglie est resté donc à l’abri dans les caves de la tour Eiffel et même si plusieurs années sont perdues de son travail en physique, il a appris, par contre, ce qu’est la physique appliquée et cela joua un grand rôle dans sa manière de penser. Car, dorénavant, les ondes étaient attachées à quelque chose de tout à fait matérielle, comme il me l’a dit lui-même ; les ondes étaient attachées à des gros alternateurs qu’on mettait en marche en se salissant les mains et en se faisant du mal ; à cause de cela, m’a-t-il dit, il n’a jamais pu croire que les ondes sont des distributions de probabilités, leur caractère matériel lui était devenu comme une évidence profonde dont il était littéralement imbibé.

De Broglie se remit à travailler après la fin de la guerre, vers 1920, dans les laboratoires de son frère. Il est revenu au problème de l’atome de Bohr, des quanta de lumière d’Einstein, de l’électromagnétisme, de la loi du corps noir [1] de Planck.

De Broglie a eu la chance que depuis 1913, année de naissance de l’atome de Bohr [2], les physiciens qui travaillaient sur ce problème se sont trouvés dans une situation de crise car pendant la guerre, l’atome de Bohr a eu le temps de devenir célèbre et de se heurter à la première crise de la physique moderne. En effet, en peu d’années on s’est rendu compte que malgré tous les succès remportés dans les cas simples et dès que les atomes devenaient plus compliqués et même dès l’atome de hélium qui a seulement deux électrons, les choses commencent à ne plus aller. Ainsi les problèmes tant théoriques qu’expérimentaux commençaient à s’accumuler devant cette théorie naissante des quanta.

De Broglie pris par son génie scientifique sans doute, mais probablement aussi par la situation quelque peu marginale dans laquelle l’avait mise son origine aristocratique et le fait que la guerre l’avait mis à part et en dehors des laboratoires de recherches de l’époque et c’est grâce à son frère qu’il garda un contact direct avec la recherche scientifique du plus haut niveau. Cette situation tout à fait particulière lui donnait un certain recul par rapport aux événements parce qu’il n’était pas lié à la fièvre quotidienne des laboratoires et n’avait pas le nez dans leurs difficultés ; cela lui permettait de les regarder de légèrement plus loin. Il faut ajouter à tout cela le fait que De Broglie avait la formation d’historien, et si De Broglie, contrairement à ce qui est dit souvent, se défendait d’être un philosophe, par contre ses connaissances historiques et sa conception de l’histoire des sciences ont joué un rôle tout à fait déterminant dans les idées qu’il a développé pendant toute sa vie. Sa position d’historien l’a fait réfléchir en général sur les problèmes des ondes et des particules à travers l’évolution de toutes les idées en physique, c’est-à-dire qu’il réfléchissait sur les particules littéralement à partir de Démocrite, à partir des points matériels de Newton,  à partir des théories atomiques développées au 18ème siècle et surtout au 19ème siècle, de même qu’il réfléchissait aux ondes aussi bien à travers les conceptions d’Anaxagore qui s’opposait à celles atomiques de Démocrite de la Grèce antique, de même qu’il se rattachait aux théorie de Huygens, de Fresnel en optique qui l’un et l’autre à un siècle d’intervalle avaient fait triompher la théorie ondulatoire de la lumière ; il connaissait aussi quelques points essentiels tel que les rapprochements qu’on peut faire entre le principe de chemin minimum en optique d’après Fermat et le principe des chemins minimums en mécanique d’après Maupertuis et Hamilton, il savait en somme des choses que les jeunes de son âge ne savaient pas en général ou n’avaient pas l’idée d’apprendre.

Grâce à cette vision historique de l’évolution de la pensée en physique, il est arrivé à l’idée qu’on ne pouvait résoudre les problèmes des quanta et de la physique atomique qu’en prenant sous une forme très générale et à bras le corps le problème des ondes et des particules ; et c’est comme ça qu’il a donc proposé l’idée, tout à fait extraordinaire, que toute particule matérielle et pas seulement les quanta de lumière d’Einstein, mais n’importe quelle particule, devait être accompagnée dans son mouvement par une onde et par conséquent toute particule matérielle pouvait se diffracter comme se diffracte une onde sonore ou lumineuse. Ici il faut préciser la signification de ce qui précède, car on peut se demander si une balle de tennis se diffracte, il est notoire que non. En général les corps lourds qui nous entourent ne se diffractent pas et le calcul que De Broglie avait fait là-dessus donne une réponse extrêmement simple et montre que les corps qui sont trop lourds ou qui ont des masses élevées ne peuvent pas se diffracter ou du moins se diffractent d’une façon si négligeable qu’il est impossible d’observer l’effet expérimentalement parce que la longueur d’onde calculée et qui porte le nom de De Broglie est trop courte pour que le phénomène soit observable ; donc ne pourront être observés comme se diffractant effectivement que les corps suffisamment petit et léger pour que la longueur d’onde de De Broglie soit suffisamment grande et permettre d’observer la diffraction. La principale particule pour laquelle c’est vrai est l’électron ; c’est comme cela qu’il a annoncé la diffraction possible de l’électron et après trois ans seulement cela a été démontré expérimentalement, les électrons se diffractaient et se comportaient comme des ondes.

C’est la découverte majeure de De Broglie. À l’époque, elle a donné naissance à des développements mathématiques tout à fait fondamentaux et deux ans plus tard Schrödinger a écrit l’équation à laquelle doivent obéir les ondes de De Broglie ; et toute une nouvelle branche de la physique est née et qui est la mécanique ondulatoire qui a par la suite fondu dans les autres branches de la microphysique sous le nom de mécanique quantique, mais on peut dire que dans l’ensemble de la microphysique les propriétés ondulatoires de la matière joue un rôle déterminant.

SC : Qu’elles sont les conséquences pratiques de ces travaux qui peuvent paraitre sans lien directe avec notre vie quotidienne ?

G. L. : Les conséquences pratiques sont d’une extrême importance. Il est important de souligner aux lecteurs qu’elles sont absolument quotidiennes, c’est une chose que les gens ignorent tout à fait. La physique moderne est entourée d’une telle auréole de mystères par les mathématiques compliquées qu’elle emploie, par les expériences difficilement compréhensibles qui sont en cours dans les grands laboratoires que les gens finissent par attacher à cette physique une signification un petit peu abstraite, plus ou moins cosmique ou même parfois philosophique sans se rendre compte que le monde qui nous entoure est totalement baigné dans cette physique là et par ses conséquences. Je vais essayer donc de les énumérer.

La première conséquence est la moins évidente, et pourtant c’est une qui a le plus de résultats révolutionnaires sur notre vie ; c’est l’invention du microscope électronique. On a pu montrer à la fin du siècle dernier, et cela résulte de bases expérimentales incontournables, qu’un microscope optique, tel que ceux utilisés jusqu’à là et qui continuent d’être utilisés aujourd’hui, ne pouvaient obtenir des grossissements supérieurs à 2500 fois, cette limite absolue est due aux propriétés ondulatoires de la lumière. Et si l’on essaye de faire un microscope qui grossit plus fort on se heurte à ce qui est appelé « l’aberration de diffraction ». Donc le caractère ondulatoire de la lumière nous interdit un grossissement trop grand ; or l’électron a une longueur d’onde et est par conséquent ondulatoire, il est donc aussi soumis aux mêmes limites que la lumière mais ses limites sont plus lointaines, c’est-à-dire que la longueur d’onde de l’électron est de l’ordre de celles des rayons X et même des rayons X durs ; dans beaucoup de cas c’est une longueur d’onde très petite et donc les effets de diffraction y sont beaucoup plus faibles que pour la lumière. Cela veut dire que si on fabrique un microscope en utilisant des rayons non plus optiques mais électroniques, ce microscope donnera un grossissement supérieur au microscope optique. L’influence de la découverte de De Broglie a été contestée dans ce domaine parce que Rouska, l’inventeur du microscope électronique en 1931, ignorait en fait la mécanique ondulatoire et quand il a effectué les premiers essais sur la microscopie électronique, il ne savait pas du tout que l’électron était ondulatoire. Il était ingénieur et ne lisait pas les revues de physique théorique et ce n’est qu’en cours de route qu’il avait appris la découverte de De Broglie, ce qui l’avait fort ennuyé car il s’est dit qu’il va avoir les mêmes problèmes qu’avec la lumière. Mais heureusement on a vite compris que ce n’était pas le cas et on a pu obtenir des grossissements plus grands. Il n’en demeure pas moins que même si Rouska a eu l’idée du microscope électronique avant même d’avoir su l’existence des travaux de De Broglie, c’est la mécanique ondulatoire qui nous permet de connaitre les limites de la microscopie électronique, ce qui est essentiel pour connaitre les bases de son fonctionnement.

La microscopie électronique sert à l’observation des cellules vivantes et de leurs détails, et à l’observation des virus et des bactéries. Donc les conséquences sur la biologie et la médecine sont tout à fait extraordinaire, et comprendre ce sujet dramatique à la mode qui est le Sida se fait à l’aide du microscope électronique. Et récemment, on a inventé un nouveau microscope électronique qui lui est le fils des théories de De Broglie parce qu’il est purement ondulatoire. Il repose sur ce qu’on appelle l’effet tunnel qui est une propriété ondulatoire des électrons, ce qui a valu aux deux physiciens qui l’ont conçu, un allemand et un suisse, le prix Nobel 1986 en physique. Ce microscope atteint actuellement le 1/10 d’angström, c’est le 1/10 d’un diamètre atomique ; ce qui signifie que pour la première fois on photographie les atomes et qu’on est capable de prendre une surface cristalline, une face d’un cristal, et par des photographies au microscope électronique de voir comment les atomes sont rangés ; c’est-à-dire que ce que les physiciens et les cristallographes avaient imaginé il y a presque deux siècles comme une hypothèse audacieuse se vérifie pour la première fois et que nous pouvons voir ainsi comment se rangent les atomes sur les faces cristallines.

On a pu photographier des virus, et maintenant on va photographier leurs détails et connaitre leurs constitutions comme on connait la composition des bactéries ou des cellules. Inutile de dire que pour la virologie et certainement pour la cancérologie l’avenir est ouvert grâce à ces techniques résultant des propriétés diffractoires de l’électron.

Il y a aussi d’autres applications industrielles à ces propriétés et il faut bien se dire que tous les matériaux de qualité, toutes les inventions de molécules nouvelles en pharmacologie, toutes les inventions de métaux, des études de surface, donc tous les matériaux qui servent à l’industrie de pointe se servent à un moment donné de la microscopie électronique ou de la diffraction électronique.

Un autre domaine qui est peut-être plus spectaculaire : On sait que les électrons entrent dans la composition des atomes et que le courant électrique est un mouvement d’électrons, par conséquent pour connaitre la propriété de conductivité et de conductibilité électrique des corps on doit connaitre les propriétés ondulatoires des électrons. Autrement dit la conduction électrique ordinaire, la supra conductivité c’est-à-dire cette propriété extraordinaire qu’à parfois la matière de ne plus avoir de résistance électrique ce qui permet par exemple de créer un anneau de fer conducteur qui dans certaines circonstances laisse circuler un courant électrique sans faiblir et sans le besoin de l’entretenir pendant des années et le calcul montre que cela peut durer des centaines de milliers d’années !

Une autre propriété est la semi-conductivité, ce qui veut dire que la conductibilité d’un milieu matériel peut changer selon les actions exercées sur lui de l’extérieur ; et toutes ces propriétés sont liées aux propriétés ondulatoires de l’électron. Or si on prend le cas le plus classique aujourd’hui qui est la semi-conductivité, on sait que les semi-conducteurs sont à la base du transistor, dans les circuits intégrés qui entrent dans tous les dispositifs micro-électroniques. Si on veut continuer l’énumération, il faut énumérer tout le monde moderne car l’automation repose là-dessus, que ça soit un appareil photographique moderne ou une montre à quartz, l’informatique, la radio, la télévision, l’aviation etc., on trouve toujours l’application de propriétés ondulatoires des électrons. Voilà donc les applications principales.

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SC : Après avoir parlé des origines et du contenu des travaux de Louis De Broglie, je voudrai aborder maintenant le problème de la dualité onde-corpuscule elle-même. On sait que De Broglie se rangeait avec Einstein et tous ceux qui voulaient que la physique continue de donner des images claires et objectives de la nature, tandis qu’une autre école qui est celle de Bohr, de Heisenberg et d’autres disait que la science ne peut plus nous fournir cette image mais qu’au contraire, la nouvelle image est teintée de subjectivité… Peut-on rentrer plus en détail dans ce problème ?

G. L. : Oui et c’est facile. Mais il faudrait préciser qu’historiquement la position que vous dites être d’Einstein et De Broglie était la position de la physique classique, donc au départ des gens comme Planck, Einstein, Lorentz, Sommerfeld et tous les autres considéraient que la physique est faite pour donner ces images et qu’elle a réussi à le faire depuis trois siècles alors pourquoi va-t-elle s’arrêter maintenant ? Et en fait, celui qui a rompu ce cours traditionnelle de la physique est Bohr avec son école. Il est un peu simpliste de dire que c’est Bohr car les idées sont toujours dans l’air du temps, mais enfin Bohr en tant que chef d’école et un des physiciens dominant de ce siècle a joué un rôle déterminant. Et il est intéressant de noter que la position de Bohr est devenue dominante en physique au moins chez les théoriciens. Mais au départ elle était tout à fait minoritaire.

Le problème consiste à mon avis qu’au départ et jusqu’à là on avait des images pour décrire les particules. C’était la mécanique de Newton où trottaient les particules comme si c’étaient des points matériels ou de très petits objets et décrivaient ainsi des trajectoires, donc des trajectoires dans l’espace avec des vitesses et des accélérations. Il a fallu tout le génie de la mécanique classique pour parvenir à cette description. À cette époque-là, la mécanique classique était pour l’essentiel parachevée et cette image ne posait plus de problèmes fondamentaux même si la mécanique continuait son développement. D’autre part la notion d’onde était très bien connue. On savait ce qu’était une onde sur l’eau, ce que sont les ondes acoustiques etc., mais les ondes électromagnétiques posaient, quand même, un problème car comme on l’avait dit d’une façon plaisante, au siècle dernier, on avait besoin d’un sujet pour le verbe onduler. Et l’éther dont les conceptions remontent à Huygens et à Newton et dont l’image avait été proposée par Fresnel, avait été imaginé pour répondre à cette question. Les problèmes que posait l’éther de Fresnel allaient donner naissance à une grande révolution scientifique qui est la découverte de la relativité. Mais disons que même si on ne savait pas dans le fond dans quoi ondulent les ondes électromagnétiques ou même s’il y avait un milieu où elles ondulaient, une onde électromagnétique était une chose matérielle qu’on savait bien décrire et imaginer.

La question du dualisme est une autre affaire, c’est bien beau de dire avec Einstein que la lumière est à la fois onde et corpuscule et de généraliser cela avec De Broglie à toute la matière, ou bien de dire qu’elle est tantôt onde, tantôt corpuscule avec Bohr et Heisenberg, mais la différence est capitale entre les deux groupes. Pour Einstein et De Broglie, les deux aspects onde et corpuscule coexistent à chaque instant et il s’agissait de savoir comment les accorder et les décrire, tandis que pour Bohr et Heisenberg il fallait seulement décrire les expériences, qui en fait, font apparaitre tantôt un aspect tantôt l’autre et cela découle de la constatation que les expériences que nous faisons ne font pas surgir simultanément les deux aspects et qu’elles n’imposent pas la description simultané des ondes et des corpuscules. C’est sur cette dissension de base, que nous venons d’effleurer, entre les deux points de vues qu’est partie la grande querelle de la physique du siècle. D’emblée Einstein et De Broglie ont dit qu’ils ne comprenaient pas. On se trouvait, à leur avis, devant cette circonstance très étrange, c’est qu’on savait se servir de ces notions et faire des prévisions théoriques et obtenir des résultats expérimentaux tout à fait remarquables, et même réaliser des applications pratiques comme celles dont nous avons parlé, mais sans connaitre le lien entre la particule et l’onde.

Alors très rapidement après sa thèse et avant l’équation de Schrödinger et tout le développement de la mécanique moderne, De Broglie a proposé qu’une particule n’est qu’une région plus intense que d’autres de l’onde.  On peut donner une représentation de cette idée et qui est la trombe qui se forme sur l’océan, où l’océan avec ses vagues sont assimilables à ce que nous appelons onde et la trombe qui soulève l’eau à une certaine hauteur et qui donne une région singulière sur l’océan serait donc la particule. Cette image date de 1925, elle a été rapidement appuyée par une image parallèle qu’Einstein avait développé dans la relativité générale, où d’une manière analogue il a conçu que la matière n’est pas différente du champ de gravitation, mais qu’elle est ce champ même et que là où il y a matière le champ est tellement intense que cette région apparait comme si elle était singulière et dure.

Einstein et De Broglie avaient donc deux descriptions quasi-identiques dans leur essence par l’image qu’ils proposaient et développaient dans deux théories très différentes : la relativité générale et la mécanique ondulatoire, mais qui par la suite se sont beaucoup rapprochées.

On pouvait espérer améliorer cette image même si on ne savait pas bien s’en servir, malheureusement la mécanique quantique s’est développée autrement par la suite. Il faut bien savoir que s’il y a un domaine où le guide politique essentiel est celui du pragmatisme et du possible c’est bien celui de la science. La science ne se développe selon les vœux des scientifiques. Elle se développe, en réalité, selon ce qu’on est capable de faire devant les difficultés posées par la compréhension de la nature à un moment donné.

Schrödinger, qui dans le fond avait des idées qui au départ ne différaient pas tellement de celles de De Broglie, a écrit une équation dont les conséquences ont été tout à fait extraordinaires mais dont les particules étaient exclues. C’est-à-dire qu’on ne décrit là-dedans que des ondes mais avec qui on sait prévoir ce que les particules deviennent. Il ne faut pas oublier ce point essentiel que même si on adopte le point de vue de Bohr, on peut affirmer qu’on ne voit expérimentalement que l’aspect corpuscule. Personne ne connait des compteurs d’ondes, on n’a que des compteurs de particules et c’est ce que l’on voit et c’est uniquement l’interprétation des expériences préalables à l’enregistrement des particules qui nous fait dire qu’elles se sont comportées en chemin d’une manière ondulatoire. Ceci pour dire que la mécanique quantique, en somme, décrit le mouvement des particules en se servant des ondes comme objets théoriques. C’est une autre forme de la dualité, si l’on peut dire, entre les deux. Cela signifie en particulier qu’il est tout à fait possible – et c’est pour cette raison que la mécanique quantique marche – de décrire les propagations d’ondes et de s’en servir pour faire des prévisions qui en somme portent sur les endroits où les expérimentateurs devront apercevoir les particules. Donc le fait que l’on ne sache pas comment l’onde peut agir sur la particule n’empêche pas de faire – au moins – un certain nombre de prévisions théoriques intéressantes. On est alors on droit de penser que si on savait établir ce lien, alors des prévisions nouvelles seraient possibles et la physique sera améliorée.

À ce point se placent deux conceptions radicalement différentes : ceux qui – comme Einstein, De Broglie et Schrödinger – se sont dit que la tâche primordiale de la physique théorique est d’arriver à comprendre ce dualisme ou plutôt le supprimer de sorte qu’il n’y ait plus de dualisme onde-corpuscule, mais une sorte d’étroite coexistence dont on décrirait le fonctionnement ; et ceux qui – comme Bohr, Heisenberg et en général les physiciens de l’école de Copenhague –  ont dit que étant donné que nous n’avons pas la possibilité d’enregistrer à la fois les ondes et les particules ou leurs propriétés, nous ne sommes pas tenus d’expliquer ce que nous observons et nous pouvons affirmer que les particules et les ondes n’existent que pour autant que nous les observons et qu’en dehors de notre observation il n’y a pas de sens à dire que les choses existent. Il faut dire qu’on ne peut formuler aucune objection logique à cette position dite positiviste et qui est tout à fait défendable logiquement. Mais l’objection massive que l’on peut faire, c’est que l’objet de la science est de chercher, quand même, ce qu’on ne voit pas encore et que si on se borne à décrire ce que l’on voit déjà on se condamne à ne jamais voir ce qui n’est pas encore vu, faute de l’avoir imaginé. Un exemple célèbre, les opposants aux théories atomiques du 19ème siècle soutenaient un point de vue analogue à celui de Bohr ; ils disaient les atomes ne se voient pas, ce qui était exact, et qu’ils ne voyaient que les conséquences que les partisans des théories atomiques tirent de leur hypothèse. Alors, disaient-ils, étudions ces conséquences qui sont la thermodynamique, la théorie des gaz et d’autres domaines de la physique ; mais pourquoi s’embarrasser d’images atomiques qui ne correspondent pas à des observations ? L’histoire a fini par donner raison à ceux qui se sont obstinés pendant des dizaines d’années à décrire les atomes sans être capables de donner la preuve de leurs existences. C’est ce reproche que j’adresse pour ma part à la position de Bohr et de l’école de Copenhague. Mais il faut, quand même, avoir conscience du fait que ce n’est pas une position logique, c’est une position de prise de parti « a priori », c’est un pari, pari qu’on pourrait décrire l’union des ondes et des particules un jour proche ou lointain.

Revenons à la position historique des années vingt. On s’est trouvé devant une mine d’or, et à un moment on avait véritablement le sentiment qu’il suffisait de se baisser pour ramasser des résultats, c’est un petit peu comme aujourd’hui dans certains domaines de la biologie moléculaire où de toute part les résultats affluent. Il régnait donc à cette époque une euphorie extraordinaire et chaque fois que la mécanique quantique s’attaquait à un problème de microphysique, elle s’en sortait gagnante. Cela a continué des années, et ceux qui disaient qu’il n’était pas intéressant de regarder en arrière avaient plus de chance d’être écouté, car ils débarrassaient les esprits d’un certain souci et de certaines questions susceptibles de les arrêter.

Alors Einstein, selon un mot méchant qu’il avait vis-à-vis de lui-même, « cachait sa tête sous le sable de la relativité pour ne pas voir les vilains quanta » et il a consacré tous ses efforts, pendant des années, à la relativité générale et il a cessé – à peu près –  d’écrire quoi que ce soit sur la théorie des quanta, sauf de temps à autre pour lancer une objection aux conceptions de Bohr. Schrödinger était dans une position qui ressemblait à celle d’Einstein. Tout comme Einstein, il a quitté l’Europe à l’arrivée des nazis au pouvoir mais pour une raison différente à celle d’Einstein. Einstein a été chassé par les nazis en tant que juif de l’Allemagne, mais Schrödinger n’était pas juif et il a fui parce qu’il ne supportait pas l’occupation de l’Autriche par les nazis, donc il s’est trouvé en recul par rapport à l’activité scientifique européenne, malgré ses contributions essentielles à de nouveaux problèmes en physique.

Quant à De Broglie sa situation était différente et il n’a pas quitté la France. Mais si, comme on l’a vu, sa jeunesse lui a permis d’avoir du recul par rapport aux événements, maintenant c’est fini il était dans les événements. Il était devenu un chef d’école – ce qu’il n’aimait pas – et le physicien le plus célèbre de son pays et il a été nommé professeur à la Sorbonne et il fallait qu’il enseigne la physique quantique mais laquelle ? Allait-il enseigner deux physiques quantiques, une pour la France et l’autre pour le monde ? C’est impensable. Il y en avait une qui marchait – quelque critique qu’on puisse lui faire sur le plan des principes –, donc il fallait qu’il enseigne celle-ci. De plus, tous les essais de De Broglie avaient échoué. Il avait essayé d’établir cette description du dualisme des ondes et des corpuscules en construisant ce qu’il avait appelé la théorie de la double solution, mais cela n’a pas marché malgré quelques remarquables résultats prometteurs ; et au congrès de Solvay de 1927 on lui avait opposé des objections physiques auxquelles il n’a pas pu répondre  – d’ailleurs on n’arrive toujours pas à répondre à certaine très bien à cause de difficultés mathématiques. Il faut dire qu’il manque toujours une équation fondamentale à cette théorie, car la physique mathématique repose à un moment donné sur la capacité qu’on a d’écrire une équation de base d’où l’on déduit certaines prévisions qu’on vérifie ou infirme par l’expérience. Donc la théorie de De Broglie reste inachevée à ce jour.

Alors pendant de longues années De Broglie a enseigné la mécanique quantique et il a poursuivi à faire des travaux de première importance sur la théorie de la lumière, surtout, mais aussi sur la microscopie électronique, sur des problèmes de thermodynamique, de relativité, de statistique etc. Après avoir terminé sa théorie de la lumière qu’il avait appelé la mécanique ondulatoire de la lumière, il a eu l’impression qu’il avait fait le tour de ce qu’il savait faire. Alors malgré certaines difficultés qui demeuraient dans la théorie, De Broglie pensa qu’il fallait s’attaquer à de nouveaux problèmes, c’était évidemment le problème des noyaux atomiques. Après avoir déblayé les problèmes de la physique atomique et moléculaire durant la première moitié du siècle où de grands succès ont été et continuent à être remportées, le pas suivant était la physique nucléaire et ce que nous appelons la physique des particules dont on connaissait à l’époque deux ou trois contre des centaines aujourd’hui. Mais même deux ou trois, c’est déjà trop ! Le problème est de savoir pourquoi elles sont là et comment sont-elles faites. De nouveaux problèmes sont nés. De Broglie s’est rendu compte qu’il ne savait pas faire mieux que les autres, il n’était pas satisfait et considérait que les problèmes de la physique nucléaire n’étaient pas résolus. C’est alors, vers 1951, qu’il a commencé à se demander si la mécanique quantique n’était pas arrivée au bout de son pouvoir explicatif. Après tout, je vous disais qu’on peut trouver beaucoup de choses en prévoyant où vont les particules, en sachant seulement ce que font les ondes, et sans se demander comment agissent-elles les unes sur les autres, mais à partir du moment où la théorie piétine on peut revenir en arrière et se demander si cela n’est le fait d’avoir laissé sur le chemin ce problème crucial.

C’est ce que De Broglie a commencé à se demander, quand arrive soudain deux articles d’un jeune physicien américain qui était jusque-là connu pour d’excellents travaux sur la théorie des plasmas et qui travaillait à Princeton, c’était David Bohm. David Bohm sort deux articles qui à l’étonnement d’Einstein, à qui il les a fait lire avant leur publication, racontaient exactement ce que De Broglie racontai il y a 25 ans en y a ajoutant de nouvelles choses. Bohm était jeune et n’avait jamais lu les travaux de De Broglie et il avait retrouvé indépendamment cette tentative de décrire le mouvement des particules dans une onde et qui s’appelait la théorie de l’onde-pilote. Einstein lui conseilla d’envoyer ses papiers à De Broglie. Ce dernier répond qu’à première vue ça ne l’intéresse pas car il pensait que les objections qu’on lui avait adressées restaient exactes et qu’il fallait développer la théorie d’une façon totalement différente. Mais Bohm a écarté ces objections et ne leur a pas attribué autant de poids que De Broglie leur en a attribué. La différence entre les deux hommes c’est que Bohm a poursuivi sur cette voie, tandis que De Broglie est parti dans une direction un peu différente avec les équations non-linéaires. Mais le fait que quelqu’un repose cette question avec beaucoup d’acuité et beaucoup d’intelligence comme l’a fait Bohm, même si l’on n’est pas d’accord avec son analyse, a donné à De Broglie le déclic qui l’a ramené à ce type de problèmes.

Ainsi et pendant 25 autres années De Broglie, – aidé par un groupe de jeunes physiciens parmi lesquels je me suis trouvé presque au début et c’est pourquoi je peux vous en parler aujourd’hui –, a essayé de décrire l’union qui doit exister entre les particules et les ondes en considérant la particule comme une singularité ou une région intense de l’onde comme on l’a vu. Et des progrès ont été faits dans ce sens. Notre équipe a pu montrer par exemple que quand un électron passe dans un dispositif d’interférence comme un réseau, c’est le même problème que celui qui se pose quand on regarde le soir les réverbères allumés à travers un voile ou un rideau de tulle, alors on voit de loin que l’image du réverbère est entourée d’une croix irisée aux couleurs de l’arc-en-ciel, et cette croix est due simplement à la forme de la trame du tissu qui est formée de deux réseaux croisés de fils. Ce phénomène remarquable est une des preuves les plus simples que l’on puisse donner dans la vie courante de la diffraction de la lumière. De même on peut produire le même phénomène avec les électrons quoique plus difficilement ; et on a montré que les trajectoires électroniques prévues par la théorie de De Broglie vont réellement dans la direction des endroits clairs de l’image. Donc on a montré qu’on peut calculer des trajectoires électroniques qui s’accordent avec l’expérience.

Malheureusement on n’obtient pas de nouveaux phénomènes physiques avec ce procédé. On ne fait que donner une description plus satisfaisante des phénomènes connus. Le problème est de trouver une équation nouvelle, comme je l’avais dit. Nous sommes dans la même situation que les atomistes du 19ème siècle. Voilà où on est donc.  On essaye dans tous les phénomènes que nous étudions de détecter l’idée nouvelle qui pourrait suggérer l’équation tant attendue. C’est la loterie de la science.

Quat au débat philosophique lui-même, je ne lui attribue pas une très grande importance. Je pense que le véritable problème est un problème de physique qui sera résolu quand on connaitra de nouveaux faits physiques qui suggéreront de nouvelles hypothèses et donneront naissance à une nouvelle théorie physique. Aucun interdit philosophique n’est valable pour la science. Je pense que la chasse est ouverte et qu’on a le droit de tout faire par les procédés rigoureux de la science pour essayer de gagner. Tout ce que je souhaite c’est que les objections philosophiques ne nuisent pas à la recherche.

Alors le grand problème philosophique agité est celui des paramètres cachés. La question est de savoir si derrière la physique quantique existent des paramètres cachés. En effet la théorie quantique est probabiliste, elle prévoit les phénomènes sous forme probabiliste et ne dit pas que l’électron sera vu ici ou là, mais qu’il a telle probabilité pour être détecter à un endroit. Donc la certitude pour elle est équivalente à la plus grande probabilité. D’où la notion d’incertitude qui s’y est introduite. Ce caractère probabiliste permet de regarder le passé et se demander encore une fois si on n’est pas dans la même position des théories du siècle dernier où on a découvert que derrière les effets de la thermodynamique ou de la physique des gaz, qui étaient des phénomènes de caractère statistique, il y avait les atomes. Alors existe-t-il de même pour la physique quantique des grandeurs physiques cachées – qui ne seraient pas les atomes comme c’était avant – sur lesquelles les effets statistiques aboutiraient aux mêmes résultats quantiques connus ? Exemple : Si on suppose, comme De Broglie, que l’électron a une trajectoire à l’intérieur de l’onde, alors cette trajectoire est un paramètre caché puisque personne ne l’a encore jamais vu. Peut-on alors expliquer la physique quantique par des paramètres cachés ?

Ce problème a donné lieu à d’innombrables polémiques auxquelles je me suis senti tenu de prendre part, car au nom de ce problème on tirait contre nous des interdits. À mon avis on ne peut montrer ni le pour ni le contre dans le cas général. Car pour cela et pour poser le problème on est obligé de définir ces paramètres cachés et la seule réponse qu’on pourra donner est que ces paramètres sont bons ou ne le sont pas, mais cela ne veut pas dire qu’il n’y en a pas d’autres. Beaucoup de temps et d’énergie se perdent dans ces polémiques stériles qui ne touchent pas à la physique.

SC : Et vous faites ce travail de développement dans le cadre de l’institut ?

G. L. : La fondation a été créée d’abord pour poursuivre l’œuvre de Louis De Broglie, mais ça serait un point de vue bien étroit si nous nous contentions, en somme de développer les idées de De Broglie, parce que la liberté de l’esprit exige aussi d’avoir présent en mémoire le fait que De Broglie peut avoir tort, n’est-ce pas ?  Et tant qu’on n’a pas fait triompher son point de vue, il ne faut pas écarter de nos hypothèses l’idée qu’il puisse s’être trompé. Donc on ne peut pas construire toute une fondation et axer ses travaux sur cette seule activité, c’est extrêmement dangereux. D’autre part, même si ce point de vue allait triompher, on ne sait apriori par qu’elle voie cela se fera. Ceci veut dire que les activités de la Fondation Louis De Broglie s’orientent en vérité vers les problèmes fondamentaux de la physique et qu’à nos séminaires, dans les colloques que nous organisons et dans les ouvrages collectifs que nous publions s’expriment des chercheurs qui en majorité sont plutôt hostiles à nos points de vue. C’est normal puisque notre point de vue est minoritaire et on veut des discussions saines des problèmes généraux de la physique.

Si on n’a pas constamment l’oreille attentive aussi à l’opinion de l’autre on n’a aucune chance de trouver un jour le moindre atome de vérité. Quand je polémique avec d’autres chercheurs c’est toujours en mon nom personnel et on peut trouver ainsi dans notre revue des articles qui me contredisent. Deux mots peuvent caractériser l’esprit de la Fondation. Le premier est « Pour l’avenir », il n’est pas là par hasard c’était la devise des De Broglie depuis le 17ème siècle et Louis De Broglie a fait cadeau de cette devise à la fondation qui porte son nom. Le deuxième mot, non écrit mais qui est prouvé à chaque jour par notre activité est « la liberté de l’esprit ». Ainsi moi-même je développe des théories dont je sais que certaines n’auraient pas été approuvées par De Broglie, mais c’est l’expérience qui décide et non la vénération. Je pense que Louis De Broglie avait approuvé cette attitude.

SC : Ma dernière question concerne le paradoxe EPR (d’Einstein, Podolsy et Rosen) qui agite depuis des années la pensée physique et consiste, en gros, à dire que si deux particules ont eu des liens causales à un moment donné alors même si par la suite les séparent des années lumières, elles garderont une sorte de liaison instantanée qui dépasse, selon certains, nos concepts de temps et d’espace. Qu’elle est votre position ?

G. L. : Vous venez de donner un excellent résumé du paradoxe qui est celui que presque tout le monde admet et avec lequel je ne suis pas d’accord. Car il n’est pas vrai que la mécanique quantique sous sa forme orthodoxe dit cela. Elle dit seulement que si nous effectuons des mesures sur deux grandeurs physiques choisies à notre gré et appartenant à deux objets qui ont interagi à un moment donné et puis se sont séparés alors nous obtiendrons des corrélations entre ces mesures.

Il vaut la peine ici d’ouvrir une parenthèse. Il est normal que deux objets qui ont interagi gardent le souvenir de leur interaction. Et tout joueur de billard sait très bien que son jeu obéît à certaines lois physiques qui permettent de prévoir que l’interaction entre les boules est bien déterminée. Mais ce qui est remarquable ici c’est que la corrélation est d’un type particulier dans le sens que si l’on essaye de se faire une image naïve et classique en décrivant par exemple les particules comme si c’étaient des boules de billard alors on obtiendra des résultats faux.

On dit en général que si les deux particules ont interagi alors si nous effectuons une mesure sur une certaine grandeur sur l’une des particules alors cela influencera la mesure de la même grandeur sur l’autre particule. Et c’est là que je cesse d’être d’accord. Comme nous l’avons vu, les lois de la mécanique quantique sont probabilistes et ne prévoient donc que des probabilités sur nos deux mesures. Donc nous ne sommes capables de vérifier ces lois que d’une façon statistique en refaisant la même mesure un très grand nombre de fois. Et il s’avère que la mécanique quantique a tout à fait raison, comme l’a montré par exemple la brillante expérience d’Alain Aspect qui a été réalisé à Orsay.  Cette expérience était très difficile à préparer et les résultats ne sont pas évidents. Elle a porté sur l’observation de milliards de photons isolés l’un après l’autre.

Ainsi on a démontré que les statistiques de la mécanique quantique sont vraies pour deux objets extrêmement éloignés l’un de l’autre et en l’occurrence c’était une dizaine de mètres. Cela est remarquable surtout si l’on sait que les lois statistiques en question comportent des hypothèses concernant le niveau atomique et rien ne disait qu’elles pouvaient toujours s’appliquer pour les objets éloignés les uns des autres.

Mais ce qu’on dit sur les actions instantanées à distance est une autre affaire. Ce n’est pas parce qu’une loi statistique est vérifiée qu’on est capable pour autant d’en déduire de façon univoque le comportement des particules individuelles. Un exemple amusant que je cite souvent et qui me parait bien illustrer le problème est le suivant : On sait qu’un dé à jouer est toujours gravé de la même façon, c’est-à-dire que le 1 et le 6 sont toujours sur deux faces opposées, et de même pour (2,5) et (3,4). Ainsi la somme de deux faces opposées est égale à 7. Imaginons maintenant deux joueurs munis chacun d’un dé. Ils sont éloignés l’un de l’autre et ne savent pas ce que fait l’autre. On leur demande de lancer chacun son dé et de noter à chaque fois la face qui apparait. Cela est répété un très grand nombre de fois. À la fin si on ajoute toutes les faces qui sont apparues et on divise par le nombre de lancers, on obtient pour chaque joueur à part 3,5. La somme des deux est 7, qui est le nombre moyen des points obtenus par les deux joueurs. On voit que c’est la somme des deux faces opposées.  La raison est fort simple. On a 6 faces : 1, 2, 3, 4, 5, 6 leur moyenne est de 3,5 et chaque face a la probabilité 1/6 d’apparition. Ce résultat ne nous permet pas de dire que si un des joueurs a trouvé 2 par exemple alors ça provoque chez l’autre l’apparition de 5 ou aussi si l’un est 3 alors l’autre est 4.

La différence entre les dés et la mécanique quantique est que nous connaissons le secret des dés mais pas celui de la mécanique quantique. Autrement dit il y a dans les deux jets de dés un système à paramètres cachés, puisque chacun des joueurs ne voyant pas ce que fait l’autre est pour lui ce système. Mais de l’extérieur nous savons que cela obéit à des lois simples et qu’il n’y a pas une action à distance. Résultat : il n’est pas obligatoire que si on observe un résultat statistique remarquable de pouvoir l’expliquer par une propriété individuelle qui se répète à chaque coup. Donc malgré tout l’intérêt de l’expérience on n’a pas prouvé ni l’existence ni l’inexistence des actions à distance, ni l’impossibilité ou la possibilité des paramètres cachés.

En général, je ne crois pas beaucoup à la vertu du paradoxe. Un paradoxe, pour moi, est une manière intéressante de soulever une question au cours d’une discussion. Et le paradoxe EPR est un des nombreux paradoxes qu’Einstein a proposé dans son dialogue avec Bohr, mais il est des plus bizarres. Ceci dit, il y en a d’autres aussi étonnants que ce paradoxe, comme le paradoxe du chat de Schrödinger. Mais je pense que c’est seulement la notoriété moins grande de ce dernier qui a donné à son paradoxe un succès médiatique moins grand.

Donc quel que soit les aspects positifs de ce paradoxe, je ne suis pas sûr qu’on arrivera un jour à le résoudre. Il peut très bien arrivé que, comme pour d’autres paradoxes connus dans le passé, on l’oublie, parce qu’un jour on aura trouvé une théorie nouvelle qui alimentera la réflexion des physiciens avec de nouveaux résultats positifs et des points négatifs qui seront le nouveau sujet d’amusement des physiciens des temps futurs et à cette occasion on aura oublié l’ancien paradoxe sans le résoudre. Cela peut très bien arriver et pour ma part je ne crois pas que la physique en mourra !

 


[1] Un corps noir est un corps qui peut absorber ou émettre toutes les fréquences lumineuses possibles et c’est le cas précisément  d’un simple trou pratiqué dans un four et où tout peut s’y perdre ou s’en sortir

[2] L’atome de Bohr c’est l’Hydrogène qui a un seul électron qui tourne autour du noyau atomique qui est le proton en l’occurrence.