La matière qui compose un corps humain et celle qui compose un mur de béton sont constituées, à plus de 99 %, de vide. Les atomes sont des structures très peu denses où le noyau occupe une fraction infime du volume total. La question de traverser un mur trouve sa réponse dans la mécanique quantique, et plus précisément dans un phénomène appelé effet tunnel quantique.
Effet tunnel quantique : le mécanisme de base
L’effet tunnel décrit la capacité d’une particule à franchir une barrière d’énergie qu’elle ne pourrait pas surmonter selon la physique classique. Une particule comme un électron n’a pas de position parfaitement définie : elle est décrite par une fonction d’onde qui s’étend dans l’espace.
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Quand cette fonction d’onde rencontre une barrière (un mur, au sens physique), elle ne s’arrête pas net. Elle décroît de manière exponentielle à l’intérieur de la barrière. Si la barrière est suffisamment mince et la particule suffisamment légère, une fraction de la fonction d’onde émerge de l’autre côté. La particule a alors une probabilité non nulle d’être détectée au-delà de la barrière.
Ce phénomène est observé quotidiennement en physique nucléaire et en électronique. Les diodes tunnel et certains mécanismes de désintégration radioactive en dépendent directement.
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Pourquoi la masse d’un objet change tout pour le tunneling
La probabilité de traverser une barrière par effet tunnel dépend de manière exponentielle de deux paramètres : la masse de l’objet et l’épaisseur de la barrière. Une augmentation, même modeste, de l’un ou l’autre réduit la probabilité de façon spectaculaire.
Pour un électron isolé face à une barrière de quelques dixièmes de nanomètre, la probabilité de passage reste mesurable. Pour un proton (environ 1 800 fois plus lourd qu’un électron), elle chute déjà de plusieurs ordres de grandeur. Pour une molécule entière, elle devient extraordinairement faible.
Un corps humain contient un nombre colossal de particules. Chacune devrait franchir la barrière simultanément, dans la même direction, tout en conservant l’organisation moléculaire qui fait qu’un corps reste un corps. La probabilité combinée de cet événement collectif est si proche de zéro qu’elle dépasse toute échelle de temps concevable, y compris l’âge de l’univers multiplié par lui-même un nombre incalculable de fois.
Principe d’exclusion de Pauli et répulsion électromagnétique
L’effet tunnel n’est pas le seul obstacle. Deux autres mécanismes physiques empêchent la matière ordinaire de se traverser.
- Le principe d’exclusion de Pauli interdit à deux fermions identiques (comme deux électrons) d’occuper simultanément le même état quantique. Ce n’est pas une force au sens classique, mais une contrainte fondamentale sur les états accessibles de la matière, dont l’effet macroscopique ressemble à une répulsion extrêmement rigide.
- Les interactions électromagnétiques entre nuages électroniques repoussent les atomes les uns des autres bien avant qu’ils ne se touchent au sens nucléaire. Quand une main pousse un mur, ce sont ces forces de répulsion entre électrons qui créent la sensation de solidité.
- Ces deux mécanismes combinés expliquent pourquoi la matière solide résiste à la pénétration, indépendamment de toute considération liée à l’effet tunnel.
Autrement dit, même si l’effet tunnel n’existait pas du tout, traverser un mur resterait interdit par ces deux barrières physiques supplémentaires.
Décohérence quantique : pourquoi un corps humain ne reste pas quantique
L’effet tunnel nécessite que l’objet conserve un état quantique cohérent pendant toute la durée du passage. Pour une particule isolée dans le vide, c’est réalisable. Pour un être humain, c’est physiquement exclu.
La décohérence quantique désigne la perte de cohérence d’un système lorsqu’il interagit avec son environnement. Un corps humain émet en permanence du rayonnement thermique, échange des molécules avec l’air ambiant, vibre mécaniquement. Chacune de ces interactions détruit les corrélations quantiques qui seraient nécessaires à un tunneling collectif.
Le temps de décohérence d’un objet macroscopique à température ambiante est extraordinairement court. Les propriétés quantiques d’un corps humain disparaissent quasi instantanément, bien avant qu’un quelconque effet tunnel puisse s’amorcer à l’échelle du corps entier.
Cette distinction entre possibilité mathématique et mécanisme physique exploitable est fondamentale. Les équations de la mécanique quantique attribuent une probabilité non strictement nulle à l’événement, mais la décohérence empêche le scénario de se réaliser dans la pratique.
Probabilité non nulle : ce que cela signifie réellement
L’argument souvent avancé dans les discussions de vulgarisation est que la probabilité n’est « pas nulle ». Techniquement, c’est exact. La fonction d’onde ne tombe jamais parfaitement à zéro. Mais une probabilité non nulle ne signifie pas un événement possible en pratique.
Pour donner une idée de l’échelle, la probabilité décroît de manière exponentielle avec le produit de la masse et de l’épaisseur de la barrière. Passer d’un électron à un atome rend déjà l’événement improbable pour une barrière macroscopique. Passer d’un atome à un assemblage de milliards de milliards de milliards d’atomes organisés en cellules vivantes produit un nombre si faible qu’il n’a aucun équivalent concret.
Attendre que cet événement se produise spontanément nécessiterait une durée qui dépasse non seulement l’âge de l’univers, mais aussi toute durée exprimable avec les notations mathématiques courantes. En physique, un tel événement est qualifié d’effectivement impossible.
Un raccourci trompeur de la vulgarisation
Dire qu’il existe « une chance » de traverser un mur simplifie le problème au point de le déformer. Le tunneling quantique concerne des particules individuelles face à des barrières d’épaisseur nanométrique. Extrapoler ce mécanisme à un objet macroscopique ignore la décohérence, le principe de Pauli et la nature exponentielle de la décroissance de probabilité.
L’effet tunnel reste un phénomène vérifiable, utile et quotidien à l’échelle subatomique. À l’échelle humaine, les lois de la physique qui le permettent sont précisément celles qui l’interdisent : la mécanique quantique, correctement appliquée à un système macroscopique, prédit que le passage n’arrivera pas.
