La mécanique quantique, la théorie qui régit le micromonde des atomes et des particules, possède certainement le facteur X. Contrairement à de nombreux autres domaines de la physique, elle est bizarre et contre-intuitive, ce qui la rend éblouissante et intrigante. Lorsque le prix Nobel de physique 2022 a été attribué à Alain Aspect, John Clauser et Anton Zeilinger pour leurs recherches mettant en lumière la mécanique quantique, cela a suscité enthousiasme et discussions.
Mais les débats sur la mécanique quantique – qu’ils soient sur les forums de discussion, dans les médias ou dans la science-fiction – peuvent souvent s’embrouiller en raison d’un certain nombre de mythes et d’idées fausses persistantes. En voici quatre.
Contenu
Erwin Schrödinger n'aurait probablement jamais pu prédire que son expérience de pensée, le chat de Schrödinger, atteindrait le statut de mème Internet au 21e siècle.
Cela suggère qu'un félin malchanceux coincé dans une boîte avec un coupe-circuit déclenché par un événement quantique aléatoire – une désintégration radioactive, par exemple – pourrait être vivant et mort en même temps, tant que nous n'ouvrons pas la boîte pour vérifier.
Nous savons depuis longtemps que les particules quantiques peuvent se trouver dans deux états, par exemple à deux endroits, en même temps. Nous appelons cela une superposition.
Les scientifiques ont pu le démontrer dans la célèbre expérience à double fente, dans laquelle une seule particule quantique, comme un photon ou un électron, peut traverser simultanément deux fentes différentes dans un mur. Comment le savons-nous ?
En physique quantique, l’état de chaque particule est aussi une onde. Mais lorsque nous envoyons un flux de photons – un par un – à travers les fentes, cela crée un motif de deux ondes qui interfèrent l’une avec l’autre sur un écran derrière la fente. Comme chaque photon n'avait aucun autre photon avec lequel interférer lorsqu'il traversait les fentes, cela signifie qu'il doit avoir simultanément traversé les deux fentes, interférant avec lui-même (image ci-dessous).
Cependant, pour que cela fonctionne, les états (ondes) dans la superposition de la particule passant par les deux fentes doivent être « cohérents », c'est-à-dire avoir une relation bien définie les uns avec les autres.
Ces expériences de superposition peuvent être réalisées avec des objets de taille et de complexité toujours croissantes. Une célèbre expérience réalisée par Anton Zeilinger en 1999 a démontré une superposition quantique avec de grosses molécules de carbone 60 connues sous le nom de «buckyballs».
Alors qu’est-ce que cela signifie pour notre pauvre chat ? Est-il vraiment à la fois vivant et mort tant qu'on n'ouvre pas la boîte ? De toute évidence, un chat n’a rien à voir avec un photon individuel dans un environnement de laboratoire contrôlé, il est beaucoup plus gros et complexe. Toute cohérence que les milliards et milliards d'atomes qui composent le chat pourraient avoir les uns avec les autres est extrêmement de courte durée.
Cela ne signifie pas que la cohérence quantique est impossible dans les systèmes biologiques, mais simplement qu'elle ne s'applique généralement pas aux grandes créatures comme les chats ou les humains.
L'intrication est une propriété quantique qui relie deux particules différentes de sorte que si vous mesurez l'une, vous connaissez automatiquement et instantanément l'état de l'autre, quelle que soit leur distance.
Les explications courantes impliquent généralement des objets du quotidien de notre monde macroscopique classique, tels que des dés, des cartes ou même des paires de chaussettes de couleurs étranges. Par exemple, imaginez que vous dites à votre ami que vous avez placé une carte bleue dans une enveloppe et une carte orange dans une autre. Si votre ami enlève et ouvre l'une des enveloppes et trouve la carte bleue, il saura que vous avez la carte orange.
Mais pour comprendre la mécanique quantique, il faut imaginer que les deux cartes à l’intérieur des enveloppes sont dans une superposition conjointe, c’est-à-dire qu’elles sont à la fois orange et bleues (plus précisément orange/bleu et bleu/orange). L'ouverture d'une enveloppe révèle une couleur déterminée au hasard. Mais ouvrir la seconde révèle toujours la couleur opposée car elle est « effrayante » liée à la première carte.
On pourrait forcer les cartes à apparaître dans un ensemble de couleurs différent, ce qui revient à effectuer un autre type de mesure. On pourrait ouvrir une enveloppe en posant la question :« Êtes-vous un carton vert ou rouge ? La réponse serait encore une fois aléatoire :verte ou rouge. Mais surtout, si les cartes étaient entremêlées, l'autre carte donnerait toujours le résultat opposé lorsqu'on lui poserait la même question.
Albert Einstein a tenté d'expliquer cela avec une intuition classique, suggérant que les cartes auraient pu être dotées d'un ensemble d'instructions internes cachées qui leur indiquaient de quelle couleur apparaître en fonction d'une certaine question. Il a également rejeté l'apparente action "effrayante" entre les cartes qui leur permet apparemment de s'influencer instantanément, ce qui signifierait une communication plus rapide que la vitesse de la lumière, ce qui est interdit par les théories d'Einstein.
Cependant, l'explication d'Einstein a ensuite été écartée par le théorème de Bell (un test théorique créé par le physicien John Stewart Bell) et les expériences des lauréats du prix Nobel de 2022. L’idée selon laquelle mesurer une carte intriquée change l’état de l’autre n’est pas vraie. Les particules quantiques sont mystérieusement corrélées d'une manière que nous ne pouvons pas décrire avec la logique ou le langage quotidien :elles ne communiquent pas tout en contenant un code caché, comme l'avait pensé Einstein. Alors oubliez les objets du quotidien lorsque vous pensez à l'enchevêtrement.
On dit souvent que le théorème de Bell prouve que la nature n’est pas « locale », qu’un objet n’est pas seulement directement influencé par son environnement immédiat. Une autre interprétation courante est que cela implique que les propriétés des objets quantiques ne sont pas « réelles », qu'elles n'existent pas avant la mesure.
Mais le théorème de Bell nous permet seulement de dire que la physique quantique signifie que la nature n'est pas à la fois réelle et locale si nous supposons en même temps quelques autres choses. Ces hypothèses incluent l'idée que les mesures n'ont qu'un seul résultat (et non plusieurs, peut-être dans des mondes parallèles) dont les causes et les effets avancent dans le temps et que nous ne vivons pas dans un « univers mécanique » dans lequel tout a été prédéterminé. depuis la nuit des temps.
Malgré le théorème de Bell, la nature pourrait bien être réelle et locale, si l'on permettait de briser certaines autres choses que nous considérons comme du bon sens, comme l'avancée du temps. Nous espérons que d’autres recherches permettront de réduire le grand nombre d’interprétations potentielles de la mécanique quantique. Cependant, la plupart des options proposées – par exemple le retour du temps ou l’absence de libre arbitre – sont au moins aussi absurdes que l’abandon du concept de réalité locale.
Une citation classique (attribuée au physicien Richard Feynman, mais sous cette forme paraphrasant également Niels Bohr) suppose :"Si vous pensez comprendre la mécanique quantique, vous ne la comprenez pas."
Ce point de vue est largement partagé dans le public. La physique quantique est censée être impossible à comprendre, y compris par les physiciens. Mais du point de vue du XXIe siècle, la physique quantique n’est ni mathématiquement ni conceptuellement particulièrement difficile pour les scientifiques. Nous le comprenons extrêmement bien, à un point tel que nous pouvons prédire les phénomènes quantiques avec une grande précision, simuler des systèmes quantiques très complexes et même commencer à construire des ordinateurs quantiques.
La superposition et l'intrication, lorsqu'elles sont expliquées dans le langage de l'information quantique, ne nécessitent rien de plus que des mathématiques de niveau secondaire. Le théorème de Bell ne nécessite aucune physique quantique. Il peut être dérivé en quelques lignes en utilisant la théorie des probabilités et l'algèbre linéaire.
La véritable difficulté réside peut-être dans la manière de concilier la physique quantique avec notre réalité intuitive. Ne pas avoir toutes les réponses ne nous empêchera pas de progresser davantage dans la technologie quantique. Nous pouvons simplement nous taire et calculer.
Heureusement pour l’humanité, les lauréats du prix Nobel Aspect, Clauser et Zeilinger ont refusé de se taire et n’ont cessé de se demander pourquoi. D'autres comme eux pourraient un jour aider à réconcilier l'étrangeté quantique avec notre expérience de la réalité.
Alessandro Fedrizzi est professeur de physique à l'Université Heriot-Watt. Il reçoit un financement du UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC).
Mehul Malik est professeur de physique à l'Université Heriot-Watt. Il reçoit un financement du Conseil britannique de recherche en ingénierie et en sciences physiques (EPSRC) et du Conseil européen de la recherche (ERC) Starting Grant PIQUaNT.
Cet article est republié à partir de La conversation sous licence Creative Commons. Vous pouvez trouver le article original ici.
