Le Principe d'Incertitude d'Heisenberg pour les nuls

Ce principe d'incertitude est l'un des plus importants énoncés de la physique moderne, révélé par Heisenberg: il existe une limite fondamentale à la précision avec laquelle il est possible de connaître simultanément deux propriétés physiques d'une même particule, par exemple sa vitesse et sa position, parce que les résultats mesurés dépendent en partie... du hasard. Un véritable hasard, qui ne vient pas de notre mauvaise connaissance des lois physiques, de la mauvaise qualité de nos instruments de mesure ou de l'état de ce que nous observons à un instant donné.

En effet, à l'échelle des particules, en reproduisant très exactement la même expérience, il est possible que les résultats de ces expériences successives et strictement identiques ne soient pas les mêmes! On parle d'indéterminisme. Einstein refusera ce hasard fondamental en disant "Dieu ne joue pas aux dés". Eh bien, il semblerait que si... 

Tout ça est rendu possible par la mécanique quantique qui régit le monde de l'infiniment petit, avec des phénomènes vérifiés depuis des décennies et qui pourtant nous semblent venir d'un autre monde: superposition d'état (à plusieurs endroits simultanément par exemple), conséquences qui peuvent précéder leur cause, etc.

Tout ces phénomènes peuvent paraître incompréhensibles car à notre échelle, nous percevons une logique dans les phénomènes qui nous entourent: le vase est soit cassé soit intact, mais ne peut pas être en même temps cassé et intact ! Or, ce qui est impossible pour un vase est possible à l'échelle quantique. Par exemple, une particule radioactive peut être à la fois désintégrée et non désintégrée ! Je vous renvoie à l'article sur l'expérience du chat "zombie" de Schrödinger.

En poursuivant ce raisonnement, avant la mesure de vitesse, tout se passe comme si une particule pouvait se déplacer, par exemple, à 10 km/h et à 50 km/h en même temps. Mais que se passe-t-il au moment où l'on mesure la vitesse ? Le hasard détermine l'une des deux vitesses dans notre exemple, donc nous verrons s'afficher soit 10 km/h soit 50 km/h: c'est la décohérence quantique. Et en refaisant la même expérience dans les mêmes conditions, nous ne serons jamais sûr de trouver la même vitesse à chaque fois... D'où la difficulté de donner une vitesse "exacte"...

Même chose pour la position: la particule peut être en même temps ici et là. Au moment où nous allons observer sa position, la décohérence quantique entre en jeu et détermine que la particule se trouve à un endroit et un seul. Mais nous ne pouvons prévoir sa position, nous pouvons seulement donner une probabilité à chacune des positions possibles de la particule avant l'expérience.

En fait, tout se passe comme si les particules n'étaient pas des objets ponctuels mais des sortes d'ondes ou de nuages. Et lorsque l'on cherche à savoir où se trouve exactement une particule, un endroit au hasard du nuage est "désigné" au moment de la mesure de la position.

Merci à JML, un lecteur, pour ses remarques pertinentes sur cet article.

Pour aller plus loin: