Danemark : Retirez seulement un bâtiment de l’histoire de Copenhague et tout le monde moderne disparaît

Il y a cent ans, l’Institut de physique théorique était inauguré à Copenhague. Renommé Institut Niels Bohr en 1965, peu après la mort du célèbre physicien éponyme, il a vu passer d’autres grands noms de la science et continue de faire avancer l’informatique quantique. Visite guidée par son directeur.

Sans doute ont-ils leurs propres énigmes à résoudre, tous ces piétons, cyclistes et automobilistes qui, inséparables de leur téléphone portable, passent devant les bâtiments beiges aux fenêtres bordées de rouge dans Blegdamsvej, à Copenhague. Chacun a ses équations et fractions personnelles à résoudre. Dans l’empressement, personne évidemment ne se demande à quel point sa vie aurait pu être différente si ces bâtiments-là n’avaient pas été construits.

“L’institut a vu le jour parce que Niels Bohr avait fondé la mécanique quantique, dont l’impact sur chacun de nous est considérable”, raconte Jan Westenkær Thomsen, le directeur de l’Institut Niels Bohr.

“Il est tout de même bien étonnant de penser que, dans les années 1920, dans un amphithéâtre de ce bâtiment, on est parvenu à une compréhension approfondie de certains phénomènes de la nature, grâce à laquelle la quasi-totalité des individus de cette planète se promènent aujourd’hui avec trois milliards de transistors dans les poches”, s’enthousiasme le directeur. Il glisse la main dans sa poche et en extrait triomphalement son téléphone, tel un prestidigitateur tirant la bonne carte du jeu. “En voilà un exemple”, dit-il en souriant.

Le téléphone portable n’est pas la seule avancée apportée par la mécanique quantique. Il y a aussi la tomographie par émission de positons et ses images tridimensionnelles de notre corps [aussi appelé PET scan]. Ou le laser, et bien d’autres choses encore si l’on en croit le dirigeant de l’institut. Car il n’y a guère de doute quant à la portée de la physique quantique et ses possibles applications.

Physique appliquée

Il y a quelques années, la revue scientifique Nature estimait qu’un tiers des produits de l’économie mondiale pouvait aujourd’hui être attribué à des découvertes faites par Albert Einstein et des grands noms de la mécanique quantique : Max Planck, Niels Bohr et Erwin Schrödinger. “Sans eux, nous n’aurions ni ordinateur ni rien du tout. Il n’existerait aucun équipement électronique”, constate Jan Westenkær Thomsen. Bon, ce doit bien être ce qu’on appelle de la physique appliquée…

“Oui. On comprend alors les montagnes que peut faire bouger la science fondamentale. Car, en 1921, personne n’avait demandé aux physiciens de recenser les [plus petites unités indivisibles des] éléments existants, les atomes, parce que cela pouvait bénéficier à l’économie mondiale. Ils travaillaient par pure curiosité. Ils essayaient simplement de décrire la nature de la meilleure manière possible.”

Il est peut-être un peu exagéré de prétendre que les fondements de notre civilisation numérique moderne reposent sur un simple bâtiment du quartier d’Osterbro, où l’on commémorait le 3 mars le centième anniversaire de l’inauguration de l’Institut Niels Bohr, qui s’appelait en 1921 Institut de physique théorique. Car, sans ces bâtiments beiges de Blegdamsvej, les physiciens les plus intelligents du monde auraient certainement trouvé d’autres endroits pour se rencontrer et c’est là que Niels Bohr aurait joué un rôle.

Curiosité, tolérance et courage

Mais sans l’institut, le Danemark n’aurait pas eu la même avance scientifique dans le domaine de la physique, et en particulier de la physique quantique, estime Jan Westenkær Thomsen. Quant à Niels Bohr, il serait sans doute resté à l’université de Cambridge en Angleterre.

D’après le directeur, le monde aussi aurait été plus pauvre sans l’institut. Car la curiosité, la tolérance et le courage sont des qualités qui se manifestent généralement parmi les êtres humains à cause d’une atmosphère particulière, dans un lieu et à un moment précis. Et même l’ambiance au cours d’un repas ou dans un amphithéâtre peut avoir une incidence sur l’exploration hors des sentiers battus.

Outre Niels Bohr, trois chercheurs de l’institut ont reçu le prix Nobel, notamment son fils Aage Bohr [en 1975]. Trois ans après la mort de Niels Bohr, l’institution de Blegdamsvej a pris son nom. Peut-être la capacité de Niels Bohr à combiner le courage scientifique, le goût pour la coopération et un caractère informel a-t-elle contribué à produire des résultats qui, pendant de nombreuses années ont fait de l’institut d’Osterbro le lieu où l’on évoluait le plus librement hors du cadre de la physique classique, pour essayer de comprendre le monde. Sous toutes ses coutures.Jan Westenkær Thomsen raconte :

Niels Bohr savait aussi très bien trouver de l’argent et attirer les meilleurs du monde. Il avait un flair pour dénicher les jeunes talents. Très rapidement, les rumeurs ont dit que c’était à Copenhague qu’il se passait des choses.”

Le centenaire de l’institut a été célébré en toute discrétion, avec masques et discours feutrés. Les couloirs sont calmes en ces temps de confinement. Les festivités ont été reportées à 2022. “J’aurais aimé pouvoir vous montrer la ruche qui s’affaire normalement ici, se désole le directeur alors que nous parcourons les couloirs déserts. Normalement,les gens écrivent au tableau, échangent dans les laboratoires et ont des discussions approfondies sur leurs travaux.”

Il ouvre alors la porte qui donne sur le saint des saints, l’ancien bureau de Niels Bohr, aurez-de-chaussée, où tout est resté tel qu’il l’a laissé en le quittant, en 1962. Sur les murs vert pâle, des rangées de petites photos en noir et blanc dans des cadres dorés montrent Bohr avec sa famille ou ses collègues.

Un petit buste blanc d’Albert Einstein

Dans un coin, au-dessus d’une cheminée noire, un bas-relief représente le professeur et modèle de Niels Bohr, le physicien nucléaire Ernest Rutherford. Et sur la cheminée repose un petit buste blanc légèrement caricatural de son ami, à la fois collaborateur et adversaire, Albert Einstein. Sur une photo accrochée au mur au-dessus de la table, on reconnaît les traits lourds du visage de Bohr. Le temps, ici, s’est arrêté à une autre époque.Dehors, le présent circule dans les deux sens sur Blegdamsvej.

Tout ce qu’il nous a fallu remplacer, c’est le tapis”, raconte Jan Westenkær Thomsen en désignant l’épais tapis brun bordé de motifs blancs qui protège le parquet verni, sous la table. “Il était usé. Nous avons demandé à un artiste de confectionner une réplique exacte de l’ancien. Mais, poursuit-il en s’asseyant dans l’un des solides fauteuils en bois à assise en cuir, prenez place et voyez vous-même…

Il réparait les horloges et les bicyclettes

Le père de Niels Bohr était professeur de physiologie, sa mère venait d’une famille juive aisée. Niels manifesta d’abord des capacités plutôt pratiques : il se chargeait au sein de la famille de la réparation des montres et des horloges comme de celle des bicyclettes.Premier de la classe, il manquait cependant d’inspiration pour ses rédactions en danois.L’une d’elles, sur le thème “Une promenade au port” tient en deux phrases : “Mon frère et moi avons fait une promenade dans le port. Nous y avons vu des bateaux en train de charger et de décharger des marchandises.” Il était plus à l’aise en mathématiques et en physique.

Plus tard, il fit des études de physique et rencontra, lors d’un voyage d’études, le physicien nucléaire britannique Ernest Rutherford, qui venait de découvrir que l’atome était constitué d’un noyau chargé positivement, autour duquel tournaient des électrons chargés négativement.Ceci, d’après les calculs de Bohr basés sur la physique classique, devait être un système instable. En 1913, il présenta donc une alternative stable où les électrons peuvent uniquement se déplacer dans des orbites spécifiques et émettent ou absorbent un rayonnement lorsqu’ils passent de l’une à l’autre.

Parfois, la physique classique ne suffit pas

Quand les non-initiés veulent expliquer la mécanique quantique, ils ont l’habitude de dire que Niels Bohr a découvert que les lois ordinaires de la nature ne s’appliquent pas aux plus petits éléments de l’univers. Et nous nous abstenons généralement d’approfondir ce constat. Qui, d’après Jan Westenkær Thomsen, est exact.“Pour décrire comment les composants de l’atome, les électrons et les protons, sont liés et interagissent, la physique classique ne suffit pas, explique-t-il. On faisait quelques expériences qui ne permettaient pas d’expliquer le phénomène. Il se passe des choses à propos desquelles on se dit : ça ne peut pas le faire !

Cela n’a pris un sens qu’avec le modèle atomique de Bohr, qui, moyennant quelques corrections, a été développé et est devenu ce qu’on appelle aujourd’hui la mécanique quantique. “Il a fallu faire un grand bond. Tout de même, jeter par-dessus bord toute la physique classique et déclarer : maintenant, on va essayer de voir les choses autrement. Ce ne fut pas sans quelques difficultés au début.

Même de la part d’Albert Einstein, qui pourtant aimait beaucoup Niels Bohr. En 1920, il écrivit à un confrère que ce qu’il avait vécu de plus beau lors d’un voyage à Oslo fut, après avoir rencontré un collègue danois au retour, “la période passée avec Bohr à Copenhague”. Il s’agissait peut-être de la rencontre que Niels Bohr lui-même décrivit bien des années plus tard : il était allé chercher Einstein à la gare centrale et ils avaient pris un tramway en direction du Triangle, où l’institut était en cours de construction. Mais ils étaient tellement pris par leur conversation qu’ils en oublièrent de descendre et continuèrent à faire l’aller-retour entre les terminus.

“On ne dit pas à Dieu ce qu’il doit faire”

Albert Einstein ne se souciait pas de savoir si la mécanique quantique s’occupait d’autre chose que des causes et des effets. À savoir les hasards. “Dieu ne joue pas aux dés”,aurait-il dit, ce à quoi Bohr aurait répondu : “On ne dit pas à Dieu ce qu’il doit faire.” Einstein n’était pas convaincu non plus par le principe de complémentarité, selon lequel un phénomène physique peut se manifester de deux différentes manières, en fonction de la façon dont on l’observe : la lumière peut, par exemple, être perçue comme une onde ou bien comme un flux de particules. Sous-jacentes à la mécanique quantique, il devait donc y avoir des lois de la nature encore plus profondes d’après Einstein, qui ne cessait de remettre en question [les théories de] Bohr.

Il ne pouvait tout simplement pas accepter que la nature soit aussi désordonnée et que certains phénomènes, liés par exemple à la notion d’intrication, se produisent effectivement. Nous savons aujourd’hui que Bohr avait raison. La nature est à ce point désordonnée, assure Jan Westenkær Thomsen. Il est amusant de constater que ce qui opposait Einstein et Bohr est justement ce qui sous-tend aujourd’hui la deuxième révolution quantique.

Qu’est-ce que l’intrication ? “Le fait de pouvoir enchevêtrer deux systèmes quantiques.”

Qu’est-ce qu’un système quantique ?Une particule de lumière, par exemple. Si vous enchevêtrez deux particules et que vous les séparez à nouveau l’une de l’autre, elles ne sont plus dans un état bien défini tant que vous ne les avez pas encore mesurées.” Nous nous regardons. Moi, sans vraiment savoir où nous en sommes, alors que lui continue déjà. “Et ce qui est vraiment extraordinaire, c’est que si vous mesurez ensuite un des systèmes,dit-il en claquant des doigts, il se passe aussitôt quelque chose dans l’autre.

Supposons que j’ enchevêtre deux particules de lumière avant de les séparer à nouveau,que j’en amène une sur la Terre et l’autre sur la Lune, et que j’en mesure une, est-ce que l’autre se modifie aussi ? “Instantanément ! Comme Einstein avait démontré par sa théorie de la relativité que rien ne se déplace plus vite que la lumière, cela ne devrait pas pouvoir se produire”, sourit Jan Westenkær Thomsen.

Quelle est l’utilité de cette découverte ?Elle peut servir à beaucoup de choses. Par exemple à sécuriser la communication. En effet,la sécurité du cryptage n’est assurée que jusqu’au moment où un ordinateur suffisamment puissant parvient à casser les codes. Mais avec la mécanique quantique, la transmission des informations peut être immédiate. Et parfaitement sûre.”

Lorsque Niels Bohr fut nommé professeur de physique théorique à l’université de Copenhague, en 1916, il n’y avait pas de locaux et de laboratoires dignes de ce nom. Il s’employa donc tout de suite à convaincre l’université et le Parlement de faire construire un nouvel institut. Pendant les travaux, il supervisa tous les détails. Jusqu’à la couleur du papier toilette, à en croire Jan Westenkær Thomsen.

“C’est ici que la civilisation a commencé”Lors de l’inauguration, en 1921, les bâtiments beiges surplombaient toutes les autres constructions du quartier. Avec des champs de part et d’autre. Aujourd’hui, d’autres bâtiments les ont depuis longtemps dépassés, et ils paraissent désormais petits et avenants.Nous quittons le bureau et traversons les couloirs vides pour sortir dans la cour, pénétrer dans un autre bâtiment, monter un escalier et arriver tout en haut de l’amphithéâtre A, où Niels Bohr et d’autres coryphées scientifiques avaient un jour présenté leurs propres théories et critiqué celles des autres.

C’est ici qu’ils discutaient. C’est la raison pour laquelle j’ai l’habitude de dire que c’est ici que la civilisation a commencé”, confie Jan Westenkær Thomsen, alors que nous contemplons les six rangées de tables qui descendent jusqu’au tableau.Sur la photo posée sur le petit pupitre, on devine une petite trompette et un mini-canon. On soufflait généralement dans la première lorsqu’on appréciait la présentation. On tirait une salve avec l’autre lorsqu’on voulait montrer que la théorie était pleine de lacunes.“C’est une tradition qui fut lancée par Bohr. Une présentation est en général suivie d’une intense discussion concernant les résultats et les perspectives. Or, lors de débats aussi passionnés, il est préférable d’avoir un peu d’humour pour éviter que les critiques soient perçues comme trop personnelles.”

Les qubits sont les transistors de la nature

Mais qu’est-ce que la deuxième révolution qui s’annonce ?Elle porte sur ce que les physiciens appellent les qubits. Ce sont les transistors de la nature, mais de la taille d’un atome. Alors qu’un transistor d’ordinateur d’aujourd’hui laisse passer ou bloque un courant, et représente soit 1, soit 0, un qubit peut superposer les deux à la fois, et même à différents degrés, et donc contenir beaucoup plus d’informations.Pour calculer les processus complexes d’une molécule comme la caféine, il faudrait utiliser, dans un ordinateur classique, une unité de mémoire composée de la moitié de tous les atomes de la Terre, nous explique en souriant Jan Westenkær Thomsen.

On aurait pu faire le même calcul avec 67 qubits seulement. Cela ouvre de nouvelles voies.E n médecine, nous pourrons par exemple simuler le fonctionnement de systèmes très complexes, comme l’être humain, et de tous les processus des cellules du corps. Peut-être pourrons-nous aussi, en analysant des matériaux, trouver un super conducteur et fabriquer des câbles sans résistance, ce qui économiserait tellement d’énergie que le monde passerait au vert.

”Existe-t-il des qubits dans le monde ?“ Des chercheurs de l’Institut Niels Bohr en ont fabriqué, acquiesce Jan Westenkær Thomsen. C’est la raison pour laquelle nous avons coopéré avec Microsoft. Car le premier à trouver la bonne solution empoche le gros lot.

À l’institut, certains fabriquent des atomes artificiels et en tirent un photon – une particule lumineuse. Et si on mesure un photon, il disparaît. Ce qui peut peut-être servir pour sécuriser une communication. “En effet, si quelqu’un vous place sur écoute, vous le saurez parce que le photon disparaîtra”, commente le directeur.D’autres travaillent sur l’intrication pour mesurer les champs magnétiques avec une précision qui permet de voir si le nerf optique d’un nouveau-né fonctionne. Cela permettra d’avoir une meilleure réponse qu’en demandant à un nourrisson s’il voit !Les qubits permettront-ils aussi de prévoir l’avenir ?“Ah ! Ce sera sans doute difficile. Nous savons en effet maintenant – notamment grâce à Niels Bohr – que la nature est faite, entre autres, de hasards.”

Niels Bohr, celui qui comprit l’atome

Né en 1885 à Copenhague, Niels Bohr est connu pour sa contribution à l’édification de la mécanique quantique. Son modèle de structure de l’atome lui vaut de nombreux honneurs et en particulier le prix Nobel de physique, en 1922. En 1943, il est contraint de fuir le Danemark pour les États-Unis, où il devient conseiller pour le programme d’armes nucléaires. De retour dans son pays natal, il plaide en faveur de la construction d’un institut de physique, auquel son nom sera donné peu après sa mort, en 1962. Aujourd’hui,l’Institut Niels Bohr accueille environ 430 chercheurs.

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