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La physique quantique

L'interprétation de la physique quantique (I)

Venons-en finalement au principal objet de ce dossier consacré à la physique quantique[1]. Si la physique quantique est la meilleure théorie-cadre dont nous disposons à l'heure actuelle pour expliquer le monde microscopique et les propriétés du champ, il n’en demeure pas moins qu’elle se différencie très fortement des théories de la physique classique du fait qu’elle est enveloppée dans ce fameux « flou quantique » lié aux relations d’incertitudes de Heisenberg. Toute personne intéressée par ce sujet se demande un jour ou l’autre quel sens il faut donner à la physique quantique et ses étranges propriétés ? En analysant les implications épistémologiques des relations d’incertitudes, cette relation appelle une "théorie quantique de la mesure".

Nous pouvons dire, sans nécessairement y souscrire, que puisque les instruments d'analyse sont constitués de particules qui obéissent aux lois quantiques, l'équation de Schrödinger s'applique également aux dispositifs de mesures, du photomultiplicateur au spectroscope, et peut-être même à l'expérimentateur qui observe l'évènement. Cette théorie implique que tout l'univers peut-être, interagit avec la matière. Ou plus exactement, il faut tenir compte d'une infinité de particules pour préciser l'état quantique de l'une d'elle.

Les physiciens en viennent ainsi à établir une équation d'onde pour l'ensemble formé par les particules à analyser et l'outil de détection. Ils aboutissent à une fonction d'onde extrêmement complexe qui inclut une superposition d'états quantiques, en fait tous les évènements qui peuvent statistiquement se produire pour l'ensemble du système (particule émise ou non et simultanément dispositif de mesure enclenché on non).

En 1970, le physicien Bryce DeWitt émit l'hypothèse que dans ce cas il fallait bien à un moment ou un autre “réduire” le paquet d'ondes de manière à ce qu'un seul état subsiste, celui confirmé par la réalité. A cet instant du calcul, l'équation de Schrödinger s'effondre, le système décohère et chacun de ses composants reprend son libre arbitre. Car si la réalité quantique n'est plus mise en doute, il faut bien expliquer le comportement, a priori déterministe, de la réalité macroscopique qui nous entoure...

Mais compte-tenu de ce que nous savons des concepts de la physique quantique, est-il seulement possible d'expliquer la réalité ou tout le moins d'interpréter correctement les expériences de laboratoire où nous rencontrons tout le temps des paradoxes ?

Le physicien en a l'habitude et les considère comme faisant partie des conditions de l'expérience. Mais pour l'observateur extérieur,  peu familier avec les principes paradoxaux de la mécanique quantique (par rapport à la mécanique classique), cela n'a rien d'évident.

Aussi, pour certains lecteurs et lectrices, cette partie du dossier sur la physique quantique sera peut-être l'une des plus complexes à comprendre mais, je l'espère, l'une des plus intéressantes aussi. Non pas qu'il y soit fait moulte usage de notations mathématiques, mais du simple fait que l'interprétation des résultats expérimentaux est un domaine où l'amateur peut rapidement perdre pieds. C'est pourquoi, de temps en temps, nous insisterons à deux fois sur certaines notions, quitte à les réexpliquer les conclusions en d'autres termes pour que vous compreniez bien toutes leur importance.

Nous allons passer en revue quelques expériences importantes qui ont longtemps intrigué les physiciens, des paradoxes aujourd'hui classiques dont l'interprétation fera encore longtemps écho dans les couloirs des laboratoires. Enfin, aussi longtemps devrions-nous préciser que l'interessé ne prend pas soin de se rappeler les limites du domaine de validité de la physique quantique.

Le chat de Schrödinger

En 1935, Erwin Schrödinger[2] avait déjà expliqué l'apparent non-sens de la mécanique quantique par le paradoxe du "chat de Schrödinger", expérience imaginaire maintes et maintes fois citée dans tous les ouvrages de mécanique quantique car elle met le doigt sur l'interprétation des phénomènes quantiques et le problème de la mesure. L'expérience est la suivante.

Dans une pièce fermée se trouve un chat, une fiole de cyanure, un marteau retenu par un fil et un détecteur quantique (un compteur Geiger). On y dépose un élément radioactif dont la période est de 60 minutes (c'est-à-dire qu'au bout d'une heure, l'atome a 50% de chance de se désintégrer). Son émission radioactive est enregistrée par le détecteur. Au bout d'une heure exactement, le dispositif de mesure provoque la rupture du fil qui maintient le marteau et ce dernier brise la fiole de poison. Le résultat est la mort du malheureux chat.

Le chat de Schrödinger

L’indéterminisme quantique, quand il est appliqué aux objets macroscopiques stipule que tant que nous n’avons pas observé le système, nous ignorons l’état dans lequel se trouve le chat; il est donc dans une superposition d’état vivant et mort car la particule n’a statistiquement que 50% de chance de se désintégrer au terme de l’expérience. En réalité il n’y a pas de paradoxe car en observant la scène on constate qu’il y a eu réduction du paquet d’ondes, l’évènement de désintégration de la particule instable s’est produit, entraînant la mort du chat. Les deux résultats ne peuvent plus interférer.

Si la mécanique quantique s'applique dans ce cas, non seulement à la particule mais à tout ce qui coexiste dans la pièce, selon les lois statistiques des probabilités, lorsque l'heure est écoulée le chat doit se trouver dans un état indéterminé, ayant 50% de chance d'être vivant et 50% de chance d'être mort. Le chat doit donc être à la fois vivant et mort, la fiole étant à la fois entière et brisée, bref aucun des objets présent dans la pièce n'est jamais, à aucun instant, dans une superposition quantique cohérente. On parle d'intrication ou d'imbrication quantique maximale.

On peut même prétendre aux côtés du physicien Eugène Wigner (1902-1995) que jusqu'au moment où quelqu'un contrôle l'observateur qui regarde dans la pièce ou lit la mesure, l'observateur existe dans les deux états : le premier où il vit le chat vivant, et celui où il trouva le chat mort. Et ainsi de suite. Cette parabole est tellement connue que même l'observateur a été baptisé "l'ami de Wigner" ! Or, en regardant le résultat de l'expérience, le chat est bien mort, il y a eut à un instant donné réduction du paquet d'ondes en un seul état, l'éclat de la fiole de poison et la mort du chat. Si les mathématiques peuvent décrire complètement les évènements, il est très difficile d'accepter que le simple fait d'avoir jeté un oeil dans la pièce ait provoqué ce changement radical des états quantiques. On peut aussi en conclure que cette façon de raisonner est absurde car elle minimise le rôle de l'ami de Wigner à celle d'une particule et où seul Wigner aurait droit à une conscience pour une raison arbitraire, puisque lui seul provoque la réduction du paquet d'ondes.

En fait dans l'interprétation de Schrödinger, toutes les particules du chat vivant et du chat mort sont dans des états orthogonaux, mais qui en réalité n'ont rien d'obligatoire. De plus la superposition d'états progresse d'un système microscopique (le noyau radioactif) vers le macroscopique, selon une chaîne de von Neumann (une récurrence infinie allant du microscopique au macroscopique sans que l'équation de Schrödinger en elle-même n'y mette de limite) qui tend de plus en plus à se ramifier dans l'environnement, sans jamais se résoudre en une de ses composantes, ce qui constitue précisément le paradoxe de cette expérience. Si cette thèse s’avère exacte, il nous manque donc une théorie de la conscience.

La fonction d’onde selon von Neumann

Si l’univers entier interagit avec le monde quantique, en 1932 John von Neumann proposa de considérer la fonction d’onde comme constituée d’autant de fonctions d’ondes qu’il y a d’intervenants et chacune d’elle comptée deux fois pour symboliser les deux états quantiques possibles. La fonction d’onde ψ complète serait donc le produit de la fonction d’onde du système quantique, de celle du détecteur et de celle de l’observateur, chacune dans leurs deux états. Elle est appelée la "chaîne de von Neumann" et constitue une récurrence infinie allant du microscopique au macroscopique. C’est le “problème de la mesure”.

Nous pouvons l’écrire de façon symbolique, nous limitant à une fonction d’onde (une particule, un détecteur et un observateur) dans chaque système, avec l’opérateur du produit scalaire, ↑ et ↓ les deux états quantiques de chaque système, les indices S pour le système quantique, M pour le détecteur et O l’observateur :

s + ψs↓) m↑+ ψm↓) o↑ + ψo↓) → Σ(ψs ψm ψo↑) + Σ(ψs ψm ψo↓) + Σ (ψs ψm ψo↑) + Σ(ψs ψm ψo↓) + Σ (ψs ψm ψo↑) + Σ (ψs ψm ψo↓) + Σ (ψs ψm ψo↑) + Σ (ψs ψm ψo↓)

Sachant que chaque système se définit par au moins 6 paramètres pour déterminer sa position et son impulsion dans l’espace, nous devons jongler avec 144 dimensions dans le cas présent... !

Pour éviter cet apparent non-sens, Schrödinger s'explique en disant que la mécanique quantique ne s'applique qu'aux objets de la taille des atomes. A cette échelle, les particules peuvent être dans différents états simultanément. Mais à l'échelle macroscopique, la matière et l'énergie sont étroitement liés à des choix particuliers et sont influencés par l'effet de la gravitation, permettant à la nature d'appliquer les "vieilles" lois de la physique classique qui viennent surpasser les effets quantiques. Et en effet, jusqu'à présent personne n'a jamais vu l'aiguille d'un appareil de mesure afficher deux valeurs, des enregistrements graphiques traçer une double mesure ou tout un laboratoire dans une superposition de deux états macroscopiques différents !

L’interprétation de l’école de Copenhague

Avant de poursuivre, il faut insister sur cette interprétation car comme d’autres expériences de cet acabit, elle souleva bien des critiques tant de la part des chercheurs que des philosophes. En effet, à l'époque des balbutiements de la mécanique quantique, les règles de calcul de la fonction d’onde donnaient a priori des solutions déterminées mais qui pouvaient être interprétées de façon totalement différentes :

- Soit on considère comme Bohr et Heisenberg que ce principe fait loi et qu’il est préférable de ne pas rechercher l’interprétation ultime. C’est une attitude qui est admise par la plupart des physiciens. Mais en choisissant de rester sur leurs acquis, ils ne risquent pas de résoudre les paradoxes de la physique. Ce n'est donc pas la bonne méthode de travail.

- Soit on considère que la physique quantique est une théorie incomplète et certains, tels Einstein, Wigner, Wheeler, Penrose ou Bohm n’ont pas hésité à rechercher d’autres solutions, stériles jusqu’à présent.

- Hugh Everett III et bien d’autres prennent l’équation de Schrödinger très au sérieux, la considérant comme une représentation de la réalité. Ils considèrent que l’interprétation de l’école de Copenhague représente réellement l’évolution de la fonction d’onde. Les différents termes de l’équation correspondraient aux différents niveaux d’énergie dans lesquels se trouvent le système. La réduction du paquet d’ondes s’interpréterait comme une division totale de l’objet et de l’instrument de mesure dans des univers parallèles ou multiples.

Document "Popular Mechanics", Oct.1997.

En fait, à l’époque des premiers développements de la mécanique quantique, le paradoxe du chat de Schrödinger trouvait son origine dans le fait que les physiciens ne connaissaient pas encore son domaine d’applicabilité. Aujourd’hui, cette histoire n’a plus aucune interprétation quantique. Les seuls systèmes considérés en mécanique quantique sont à énergie totale constante et quasi-stationnaire, ce qui était nullement le cas dans l’expérience imaginée par Schrödinger.

Encore aujourd'hui, l'histoire du paradoxe du chat de Schrödinger énerverait probablement le physiciens avec lequel vous en parleriez. Comme un leithmotiv, cette histoire est citée par tous, comprise par bien peu et dès lors argumentée par de pseudo arguments scientifiques; le discours en devient vide de sens et dérive rapidement vers les pseudosciences ! Rendons donc à César ce qui lui appartient et à l'histoire de la physique quantique son chat de Schrödinger.

En revanche, l'expérience de la double fente de Young et le paradoxe EPR (voir page suivante) ont remis en question l'interprétation de l'école de Copenhague et les certitudes de Bohr en mettant le doigt sur le problème de "l'effet de l'observateur" qui ne trouve aucune explication rationnelle, c'est-à-dire dans le cadre de la physique quantique.

Pour résoudre ce problème, une poignée de chercheurs évoquent la "conscience quantique" mais malheureusement, comme la théorie des univers multiples, elle n'est soutenue par aucune physique ni aucune expérience pouvant la valider. Si affirmer un fait ou un lien de causalité est à la portée de tous, le démontrer exige une démarche un peu plus sérieuse !

Quant aux trucs d'illusionistes soi-disant magiques et autres occultistes évoquant des phénomènes paranormaux (par exemple la psychokinésie où l'esprit agirait sur la matière, la télépathie qui agirait à distance ou la prémonition capable d'anticiper ou prévoir les évènements), par définition ils ne sont que des illusions ou des procédés reposant sur des "secrets" qui n'ont rien de sorcier, n'en déplaise aux magiciens de cabaret, mentalistes et autres marabouts !

En résumé, actuellement l'influence de la conscience sur les phénomènes quantiques n'est pas démontrée et l'effondrement de l'intrication quantique apparemment en présence d'un observateur reste un mystère total. Mais il existe peut-être un espoir de sortir du tunnel même si le chemin est encore long grâce aux dernières expériences conduites par des chercheurs finlandais.

L'intrication quantique à l'échelle macroscopique

Pour la première fois, en 2018 des chercheurs sont parvenus à créer et stabiliser une intrication quantique à l'échelle macroscopique. L'équipe de Mika Sillanpää de l'Université d'Aalto en Finlande a publié dans la revue "Nature" les résultats d'une expérience quantique menée depuis 2014 consistant à créer et maintenir un enchevêtrement quantique entre deux petits tambours métalliques en vibration mesurant 15 microns soit 0.015 mm, c'est-à-dire à peine plus petit que le diamètre d'un cheveux (50-100 microns). Ces deux oscillateurs électromécaniques contiennent quelque 1012 atomes.

Illustration de l'expérience conduite par l'équipe de Mika Sillanpää. Deux tambours de 15 microns de diamètre sont fixés sur un chip de silicium. Les tambours isolés des perturbations extérieures vibrent à une fréquence ultrasonique, créant une intrication quantique. Document Petja Hyttinen et Olli Hanhirova/ ARKH Architects.

Pour imbriquer quantiquement les deux minuscules tambours, les chercheurs ont utilisé un circuit hyperfréquence isolé du monde extérieur pour forcer les deux objets à s'enchevêtrer. Pour éviter toute perturbation environnementale et notamment thermique, ils ont isolé les deux objets par un champ magnétique et utilisé des supraconducteurs refroidis près du zéro absolu, ne laissant subsister que les vibrations quantiques des deux objets. Ensuite, grâce à des vibrations ultrasoniques, les chercheurs ont enchevêtré quantiquement les tambours et à leur étonnement, l'intrication s'est maintenue pendant une demi-heure.

Selon Sillanpää, l'expérience est reproductible avec d'autres objets macroscopiques. S'il existe une limite à la taille des deux objets intriqués, la dimension maximale reste inconnue bien qu'on sache tous (du moins en nous basant sur notre expérience) contrairement à ce que pensait Schrödinger qu'aucun chat ne s'est jamais retrouvé dans deux états simultanément.

En se fondant sur les expériences antérieures d'intrication quantique, on sait par exemple que la superposition d'états est détruite par le flux continu des neutrinos solaires en moins d'une picoseconde (10-12 s). Un tel phénomène n'est donc jamais visible dans la nature mais uniquement dans des conditions contrôlées de laboratoire ou des dispositifs conçus dans ce but (cf. les qubits des ordinateurs quantiques).

L'expérience conduite par l'équipe de Sillanpää montre qu'il est possible de créer une intrication quantique à l'échelle macroscopique. Cela veut dire qu'on peut observer (visuellement) la physique quantique en action et enfin tenter de comprendre la physique quantique et son interaction avec la gravitation.

Beaucoup plus tard, Sillanpää pense que cette découverte pourrait permettre de "construire un Internet quantique qui reliera des ordinateurs quantiques distants grâce à des particules ou des objets intriqués. Les tambours vibrants peuvent servir de tels composants, convertissant les qubits d'un processeur quantique en informations quantiques. En recherche fondamentale, on pourrait améliorer la sensibilité des systèmes de détection d'ondes gravitationnelles existants".

A présent que l'intrication quantique et la décohérence sont maîtrisées, du moins jusqu'à une certaine échelle et pendant un certain temps, il reste une dernière expérience à réaliser : vérifier jusqu'à quelle distance l'intrication quantique peut se maintenir sans s'effondrer. Autrement dit, si on entremêle quantiquement le spin de deux électrons par exemple et qu'on modifie le spin du premier, comment réagira le second et jusqu'à quelle distance il restera en corrélation avec le premier ? Nous allons découvrir que le résultat est très surprenant. C'est l'objet du prochain chapitre.

Prochain chapitre

Le paradoxe EPR

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[1] Cet article est un résumé condensé du chapitre consacré au même sujet publié dans mon livre sur la physique quantique.

[2] G.Taubes, Science, 272, 1996, p1101 - C.Monroe et al., Science, 272, 1996, p1131 - E.Schrödinger, Proceedings of the American Philosophical Society, 124, 1980, p323 - Correspondance entre Einstein et Bohr (1916-1955), Editions du Seuil, 1972 - E.P.Wigner, Symmetries and Reflections", American Journal of Physics, 31, 1963, p6 et Indiana University Press, p153 - E.Schrödinger, Naturwissenschaften, 23, 1935, p807.


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