Sept idées fausses sur la physique quantique

Depuis de nombreuses années, je vulgarise la physique quantique, mon domaine de recherche. La "quantique" fascine le grand public. Elle intimide aussi. Les vulgarisateurs en jouent d’ailleurs parfois. Les couvertures de revues et de livres exploitent souvent son côté mystérieux: "L’ultime secret de la physique quantique enfin dévoilé , "La vie serait quantique!", "On pense tous quantique"…

Tout cela n’est pas sans conséquence. De nombreuses fausses idées se propagent sur ce domaine de la physique. Je vous en propose sept parmi celles que j’entends le plus souvent, sept idées qui entretiennent des mythes mais ne résistent pas à l’épreuve des faits.

Rassurez-vous, pas besoin de s’y connaître en physique quantique pour lire ce qui suit, puisque je vous dirai plutôt ce que la quantique… n’est pas!

1". La quantique, c’est le monde de l’incertitude"

C’est faux! La physique quantique est actuellement probablement la discipline scientifique la plus précise que l’humanité ait jamais conçue. Elle est capable de prévoir certaines propriétés avec une précision de 10 chiffres après la virgule, ensuite vérifiée par l’expérience précisément! C’est le cas par exemple des mesures de constante de structure fine, ou d’effet Hall quantique. À titre de comparaison, cela reviendrait à être capable, lors d’une épreuve de saut en longueur, de prévoir en observant juste la course et l’élan d’un athlète où il va atterrir au milliardième de mètre près!

Cette fausse idée vient entre autres du "principe d’incertitude" d’Heisenberg, une notion souvent mal vulgarisée qui laisse penser à tort que la quantique n’est pas précise. Ce principe, qu’Heisenberg lui-même préférait appeler " principe d’indétermination ", montre qu’il existe une limite à la précision de la mesure de deux quantités en même temps, par exemple la vitesse et la position d’une particule. Sans rentrer dans les détails, cette indétermination vient un peu de la même raison qui fait qu’il est difficile de dire précisément où se trouve une vague dans la mer, vu qu’elle est forcément un peu étalée. Mais si on utilise la physique quantique pour calculer d’autres quantités, comme l’énergie des atomes, ou leur magnétisme, elle est alors d’une redoutable précision. Il faut juste bien choisir ce que l’on veut prédire.

2". Pas possible de représenter la quantique en images "

La physique quantique décrit des objets souvent " bizarres " et difficiles à illustrer: fonctions d’onde, superpositions d’état, probabilités de présence, nombres complexes… Souvent, on entend dire qu’ils ne sont compréhensibles qu’avec des équations et des symboles mathématiques. Pourtant, dés qu’on l’enseigne ou qu’on la vulgarise, nous, physiciens, n’avons de cesse de la représenter, à l’aide de courbes, de tracés, de métaphores, de projections… C’est bien simple: je ne connais pas de cours de quantique sans images. Certains livres sont même entièrement consacrés à la mise en image de la quantique. Et heureusement, car les images sont nécessaires à l’étudiant et même au physicien aguerri pour se faire une représentation mentale des objets qu’il manipule. Si l’on interroge les chercheurs du domaine, ils reconnaissent eux-mêmes " imaginer " la matière quantique.

Les pliages permettent d'imaginer ce que pourrait être les particules quantiques

Le point qui fait débat, c’est la rigueur de ces images: il est en effet difficile de représenter rigoureusement un objet quantique. Mais n’est-ce pas le cas dans bien des champs de la science? Une image d’atomes par un microscope à effet tunnel n’est qu’une représentation du courant tunnel impliquant de nombreux choix arbitraires, les couleurs, les ombres, etc..

D’où vient l’amnésie précoce?

Selon la première théorie, proposée par Nora Newcombe et ses collaborateurs en 2007, c’est l’immaturité de l’hippocampe qui serait en cause. Tant que cette structure cérébrale n’aurait pas achevé son développement, la mise en place d’une mémoire épisodique serait impossible. En d’autres termes, si nous n’avons pas de souvenirs épisodiques d’avant nos 2 ans, c’est parce que nous n’en créons pas avant cet âge.

Ce n’est toutefois pas ce que postule la seconde théorie, proposée par Sheena Josselyn et Paul Frankland en 2012. Pour eux, tout s’explique par la neurogenèse, c’est-à-dire par la création de nouveaux neurones, qui se produit dès après la naissance dans l’hippocampe. Et comme en témoigne l’augmentation de volume de cette structure cérébrale, elle est particulièrement importante pendant la petite enfance.

D’après cette seconde théorie, l’hippocampe participerait dès le plus jeune âge à la création de nouveaux souvenirs. Mais la neurogenèse viendrait perturber cette capacité. Des neurones existants étant remplacés par de nouveaux neurones, l’accès aux souvenirs précédemment stockés par les premiers pourrait être perdu – tout comme lors de la mise à jour du système d’un ordinateur, il est impossible d’ouvrir de vieux logiciels.

UNE THEORIE SYNTHETIQUE

La troisième théorie, proposée par Cristina Alberini et Alessio Travaglia en 2017, constitue en quelque sorte une synthèse des deux autres, en faisant de la petite enfance une période critique, pendant laquelle le cerveau, et en particulier l’hippocampe, "apprend" progressivement à créer des souvenirs et à les rappeler.

Durant ce moment précis du développement, la plasticité du cerveau est en effet maximale: il peut aisément réorganiser et modifier les connexions entre ses neurones. C’est ce qui en fait une période critique, dans le registre de la mémoire sémantique, pour l’apprentissage des langues. Or d’après Cristina Alberini et Alessio Travaglia, c’est également une période critique pour l’apprentissage de la mise en mémoire et du rappel d’épisodes de vie.

Cette troisième théorie s’accorde donc avec la première, en considérant que le développement de l’hippocampe n’est pas achevé dans la petite enfance: il lui faut mûrir pour autoriser le traitement, la consolidation et un stockage stable d’informations se rapportant à un événement précis (le contexte, le lieu, la date).

Elle est aussi compatible avec l’idée d’une neurogenèse perturbant les circuits de la mémoire épisodique, et rendant impossible le rappel de souvenirs formés au plus jeune âge. En postulant que loin d’être perdus à tout jamais, ces souvenirs précoces pourraient demeurer en suspens en étant stockés dans le cerveau sous une forme latente: on ne peut pas se rappeler l’événement (on l’a oublié), mais pour autant, il en reste une trace dans le cerveau, ré-activable par l’exposition à des stimuli appropriés.

UN PARADOXE QUE L’ON PEUT EXPLIQUER

Ainsi, l’amnésie infantile pourrait s’expliquer par la période d’apprentissage que constitue la petite enfance pour l’hippocampe. Quant à l’impact d’événements traumatiques précoces sur le développement cognitif en l’absence de souvenirs, bien qu’a priori paradoxal, on peut le justifier par trois arguments.

Le premier tient compte de l’apprentissage "émotionnel", lequel dépend d’une structure cérébrale – l’amygdale – arrivant à maturation bien avant l’hippocampe: lorsque des événements traumatiques surviennent pendant la petite enfance, nous n’en gardons pas forcément le souvenir, mais ils n’en ont pas moins des effets persistants sur le cerveau, en raison de l’activité de l’amygdale.

Le second argument est lié à l’idée de souvenirs précoces conservés sous une forme latente: bien qu’inaccessibles au rappel, les traces laissées dans la mémoire par des épisodes traumatiques pourraient avoir une certaine influence sur le développement cognitif.

Enfin, le dernier argument tient à la plasticité cérébrale, et plus précisément, à l’importance de ce processus lors de la période critique de la petite enfance. Un événement traumatique précoce pourra ainsi impacter sur le long terme la trajectoire " normale " de développement du cerveau. Plus il est précoce, plus ses effets seront potentiellement importants, car la trajectoire restante est plus longue – autrement dit le développement restant à effectuer est plus conséquent.

Une dernière interrogation, en guise de conclusion: si nos souvenirs précoces demeurent dans le cerveau sous une forme latente, ne peut-on pas imaginer de les réactiver pour les rappeler à notre mémoire?

Cela semble possible sur le papier, avec des techniques comme l’optogénétique qui permettent de stimuler certains neurones génétiquement modifiés à l’aide de rayons lumineux, pour conduire au rappel de souvenirs. Mais si elles sont expérimentées chez l’animal, de telles applications sont encore hors de portée chez l’être humain. Doit-on le déplorer ou au contraire s’en réjouir?

Qu’est-ce que la cognition?

Comment l’esprit prend-il des décisions? Que se passe-t-il dans notre cerveau lorsque nous apprenons? Comprendre ce qui se cache derrière le mot cognition aide à répondre à ces questions, à affronter des enjeux de santé publique et à interroger les limites de notre humanité à l’heure où se développe l’intelligence artificielle.

Quand on parle de cognition, on évoque souvent des domaines complexes comme la psychologie, les neurosciences, voire l’intelligence artificielle. Mais qu’est-ce que la cognition, au juste?

Dit simplement, c’est ce qui se passe dans notre tête quand on comprend, qu’on apprend, qu’on prend une décision. C’est une sorte de" laboratoire intérieur" où chaque pensée, souvenir ou perception s’élabore. En d’autres termes, c’est l’ensemble des mécanismes qui nous permettent de traiter l’information autour de nous.

Le terme cognition vient du latin" cognitio", signifiant" connaissance". D’abord employé en philosophie pour parler des mécanismes de la pensée humaine, il a été repris au XXe siècle par les psychologues pour explorer les fonctions cognitives du cerveau, et finalement par les neurosciences, qui cherchent aujourd’hui à" cartographier" ce laboratoire intérieur, région par région.

À l’heure où l’intelligence artificielle cherche à imiter nos capacités mentales, comprendre la cognition humaine est essentiel. Que signifie" penser"? Comment l’esprit prend-il des décisions? Et comment l’apprentissage s’effectue-t-il, qu’il soit humain ou artificiel?

LES ENJEUX DERRIERE LA COGNITION AUJOURD’HUI

La cognition est au cœur de notre quotidien: lorsque nous lisons un livre, notre cerveau utilise des processus cognitifs pour décoder les lettres, donner un sens aux mots et comprendre des idées abstraites. Derrière le volant, notre attention, notre mémoire et notre coordination fonctionnent ensemble pour prendre des décisions en quelques secondes.

Notre cognition nous permet ainsi d’accomplir des tâches simples et complexes, souvent sans que nous en soyons conscients.

Dans le domaine de l’éducation, des chercheurs comme Stanislas Dehaene (auteur de La Bosse des maths ou Apprendre à lire: des sciences cognitives à la salle de classe), ont montré que certaines stratégies cognitives sont plus efficaces que d’autres pour apprendre. Savoir que l’attention fonctionne par cycles et que la répétition espacée consolide mieux les souvenirs peut aider à repenser la façon dont on enseigne.

Les neurosciences et la psychologie cognitive s’intéressent aussi à la prise de décision, un autre aspect fondamental de la cognition. Des chercheurs comme Daniel Kahneman (auteur de Thinking, Fast and Slow) ont montré que notre cerveau utilise des raccourcis mentaux, appelés biais cognitifs, pour traiter l’information rapidement.

Bien que ces biais soient parfois utiles, ils peuvent aussi mener à des erreurs, en renforçant par exemple des préjugés ou en nous poussant à privilégier des solutions rapides mais imparfaites. Ce champ d’études aide ainsi à comprendre comment nos jugements peuvent parfois être manipulés ou pourquoi nous agissons parfois contre notre propre intérêt.

COGNITION: DES DÉFIS POUR L’AVENIR