«Si vous croyez comprendre la mécanique quantique, c'est que vous ne la comprenez pas.» Le célèbre physicien américain Richard Feynman (1918-1988), Prix Nobel 1965 dont les travaux ont révolutionné la théorie quantique des champs et des particules élémentaires, ne plaisantait qu'à moitié en énonçant cette formule restée célèbre. Et pour cause!

Le monde quantique, c'est celui de l'infiniment petit, où il se passe des choses extraordinaires, mystérieuses, qui vont bouleverser les technologies des prochaines décennies. À cette échelle, les particules peuvent potentiellement se trouver dans plusieurs endroits en même temps sans être réellement où que ce soit ou encore être dans plusieurs états à la fois avant d'en choisir un, par hasard. On en trouve aussi qui semblent pouvoir influencer le passé et d'autres qui communiquent entre elles instantanément quelle que soit la distance qui les sépare.

C'est à ce champ de la physique, aussi étrange que contre-intuitif, que s'est attaqué Laurent Schafer. Dans une bande dessinée qui vient de sortir, où il signe textes et dessins, le journaliste s'est lancé dans une vaste entreprise de vulgarisation particulièrement réussie. Le tout agrémenté de traits d'humour bien sentis. Avec, au programme, outre la physique quantique, les théories de la relativité restreinte et générale. Où l'on découvre par exemple que le temps, l'espace, la matière et l'énergie sont très loin de la façon dont on les perçoit.

La très bonne facture de l'ouvrage est d'autant plus remarquable que l'auteur, qui a passé près de quinze ans à étudier le sujet, n'est pas un scientifique de formation. Une lacune qui a permis au journaliste une approche originale et didactique. «Je suis parti d'exemples concrets tirés du quotidien pour montrer au lecteur qu'il baigne sans arrêt dans la physique quantique», explique Laurent Schafer. Dans «Quantix», un tour à vélo permet par exemple d'aborder la relativité restreinte et une simple promenade renvoie à la répulsion électromagnétique des électrons. Mais, du propre aveu de l'auteur, le tout ne s'est pas fait sans mal. Le journaliste a eu de la peine à traiter des inégalités de Bell, relations quantiques où il est question d'états intriqués, de variables cachées et du principe einsteinien de localité.

Plusieurs scientifiques ont lu «Quantix», qu'ils jugent avec bienveillance. Physicien de renommée mondiale à qui l'on doit d'importantes avancées quantiques, le Genevois Nicolas Gisin juge le livre «accessible et profond». Pour autant, au vu des concepts si compliqués mobilisés, le scientifique met en garde contre une compréhension biaisée induite par les entreprises de vulgarisation. «J'étudie la physique quantique depuis quarante ans, je commence enfin à comprendre…»

Le temps s'écoule plus lentement à vélo

La relativité restreinte en atteste, le temps s'écoule plus lentement pour un individu en mouvement. Plus il va vite, plus son temps s'écoule lentement. Pour comprendre cette affirmation, Laurent Schafer compare notre univers spatio-temporel à une sphère. Temps et espace font ainsi partie d'un tout, imagé par la sphère. Concrètement, la somme des vitesses dans le temps et l'espace correspond à la vitesse de la lumière (300 000 km/seconde). Cette dernière ne varie jamais, elle est constante et sert de repère. Temps et espace se compensant, lorsqu'un objet diminue sa vitesse dans l'un, sa vitesse augmente dans l'autre. Le vélo ci-dessous, par exemple, ne se déplace pas dans l'espace, uniquement dans le temps! Sitôt le deux-roues enfourché, sa vitesse dans le temps diminue et sa vitesse dans l'espace augmente. La somme des vitesses dans le temps et dans l'espace étant toujours égale à celle de la lumière: pour un cycliste à 40 km/h, le temps ralentit de 0,0000007 nanosecondes. La dilatation temporelle a été validée par une expérience en 1971, lorsqu'une horloge atomique a été placée dans un avion de ligne. Comparée à une autre horloge restée au sol, celle de l'avion avait bien ralenti de quelques nanosecondes.

Le matelas mou de la relativité générale

La gravité en tant que telle n'existe pas! Ou du moins la force de gravitation telle qu'imaginée par Newton pour expliquer la chute des corps (une pomme par exemple) ou l'attraction de plus gros objets célestes. Avec la «Relativité générale», en 1915, Einstein démontre une nouvelle conception: ce n'est pas parce que le Soleil exerce une force gravitationnelle que la Terre lui tourne autour, mais parce que la masse du Soleil déforme le tissu de l'espace-temps. Il faut imaginer l'univers comme un énorme matelas mou, que la masse de tout ce qui s'y trouve déforme. Plus la masse est importante, plus l'objet s'enfonce dans le grand matelas mou de l'univers, les cavités les plus profondes étant creusées par les trous noirs. C'est ainsi la distorsion de l'espace-temps qui attire les objets vers ceux plus massifs. La trajectoire, des planètes mais aussi des rayons lumineux, n'est qu'une ligne droite dans l'espace. C'est en passant près d'un corps massif, qui déforme l'espace-temps et y crée une dépression, qu'un corps céleste voit sa trajectoire déviée. «La courbure spatiale tord aussi les signaux électromagnétiques, notamment ceux des satellites GPS. Leur électronique tient compte de cette donnée», rappelle Laurent Schafer.

Une dépendance qui transcende les distances

Les scientifiques ci-dessous sont perplexes. Et pour cause, ils sont face à un des phénomènes les plus déroutants de la mécanique quantique: l'intrication. Cet état, qui concerne les particules (souvent des photons), désigne le fait que deux objets sont corrélés, indépendamment de la distance qui les sépare. Autrement dit: ce qui arrive à l'un entraîne instantanément un effet sur l'autre. De quoi sous-entendre que l'information transmise irait plus vite que la vitesse de la lumière. Or, d'après Einstein, rien ne va plus vite que la vitesse de la lumière. Mais, en réalité, il n'y aurait pas deux particules corrélées à distance, mais une seule et même entité. Conséquence: deux particules intriquées ne sauraient être traitées séparément. L'intrication quantique a plusieurs fois été testée et validée par l'équipe du physicien genevois Nicolas Gisin. Phénomène étrange s'il en est, l'intrication quantique est au cœur de tous les efforts actuels dans le domaine quantique tant ses applications vont bouleverser le futur: de la cryptographie quantique à l'ordinateur quantique. Les États investissent des milliards dans ce secteur.

L'étrange superposition quantique

Il faut imaginer un chat enfermé dans une boîte opaque. Cette dernière est pourvue d'un dispositif sophistiqué qui a une chance sur deux de tuer le chat. Mais, avant l'ouverture de la boîte, la mécanique quantique dit que le chat est à la fois mort et vivant. Expérience de pensée conçue en 1935 pour railler l'interprétation quantique, le «chat de Schrödinger» entend illustrer l'un des aspects les plus étranges de la physique quantique: la superposition. À l'échelle de l'infiniment petit, les particules sont en état de «superposition». Autrement dit: leurs états (vitesse, position…) ne sont pas précisément déterminés. Une particule en état superposé (de deux positions par exemple) n'a en réalité pas de position, uniquement des probabilités de se trouver ici ou là. Ce n'est que la mesure ou l'observation (l'ouverture de la boîte du chat) qui l'oblige à choisir un état, de façon aléatoire. «Si la pomme de Newton était quantique, elle ne tomberait pas forcément. Et pas toujours au même endroit. Elle léviterait au-dessus du sol dans un état indéterminé, avec une probabilité de tomber ici, là, ou plus loin. La pomme décide où nous allons la trouver», écrit Laurent Schafer.