Le mot incertitude est beaucoup utilisé en mécanique quantique. Une école de pensée est que cela signifie qu'il y a quelque chose dans le monde dont nous sommes incertains. Mais la plupart des physiciens croient que la nature elle-même est incertaine.

L'incertitude intrinsèque était au cœur de la façon dont le physicien allemand Werner Heisenberg, l'un des initiateurs de la mécanique quantique moderne, a présenté la théorie.

Il a mis en avant le principe d'incertitude qui montrait que nous ne pouvons jamais connaître toutes les propriétés d'une particule en même temps.

Par exemple, mesurer la position de la particule permettrait de connaître sa position. Mais cette mesure perturberait nécessairement sa vitesse, d'une quantité inversement proportionnelle à la précision de la mesure de position.

Heisenberg avait-il tort ?

Heisenberg a utilisé le principe d'incertitude pour expliquer comment la mesure détruirait cette caractéristique classique de la mécanique quantique, le modèle d'interférence à deux fentes (plus de détails ci-dessous).

Mais dans les années 90, certains éminents physiciens quantiques ont prétendu avoir prouvé qu'il est possible de déterminer laquelle des deux fentes traverse une particule, sans perturber significativement sa vitesse.

Cela signifie-t-il que l'explication d'Heisenberg doit être fausse ? Dans un travail qui vient d'être publié dans Science Advances, mes collègues expérimentateurs et moi avons montré qu'il serait imprudent de sauter à cette conclusion.

Nous montrons qu'une perturbation de la vitesse - de la taille attendue du principe d'incertitude - existe toujours, dans un certain sens.

Mais avant d'entrer dans les détails, nous devons expliquer brièvement l'expérience à deux fentes.

L'expérience des deux fentes

Dans ce type d'expérience, il y a une barrière avec deux trous ou fentes. Nous avons également une particule quantique avec une incertitude de position suffisamment grande pour couvrir les deux fentes si elle est tirée sur la barrière.

Comme nous ne pouvons pas savoir par quelle fente passe la particule, il agit comme s'il passait par les deux fentes. La signature de ceci est ce qu'on appelle le "modèle d'interférence":des ondulations dans la distribution de l'endroit où la particule est susceptible de se trouver sur un écran dans le champ lointain au-delà des fentes, c'est-à-dire un long chemin (souvent plusieurs mètres) au-delà des fentes.

Mais que se passe-t-il si on place un appareil de mesure près de la barrière pour savoir par quelle fente passe la particule ? Verrons-nous encore le motif d'interférence?

Nous savons que la réponse est non, et l'explication de Heisenberg était que si la mesure de la position est suffisamment précise pour dire par quelle fente la particule passe, il donnera une perturbation aléatoire à sa vitesse juste assez grande pour affecter l'endroit où il se retrouve dans le champ lointain, et ainsi effacer les ondulations de l'interférence.

Ce que les éminents physiciens quantiques ont réalisé, c'est que découvrir par quelle fente passe la particule ne nécessite pas une mesure de position en tant que telle. Toute mesure donnant des résultats différents selon la fente traversée par la particule fera l'affaire.

Et ils ont mis au point un dispositif dont l'effet sur la particule n'est pas celui d'un coup de vitesse aléatoire lors de son passage. D'où, ils se disputèrent, ce n'est pas le principe d'incertitude de Heisenberg qui explique la perte d'interférence, mais un autre mécanisme.

Comme Heisenberg l'avait prédit

Nous n'avons pas à entrer dans ce qu'ils prétendaient être le mécanisme de destruction des interférences, parce que notre expérience a montré qu'il y a un effet sur la vitesse de la particule, de la taille prévue par Heisenberg.

Nous avons vu ce que d'autres ont manqué parce que cette perturbation de la vitesse ne se produit pas lorsque la particule passe par l'appareil de mesure. Il est plutôt retardé jusqu'à ce que la particule dépasse largement les fentes, en route vers le champ lointain.

Comment est-ce possible? Bien, parce que les particules quantiques ne sont pas vraiment de simples particules. Ce sont aussi des vagues.

En réalité, la théorie derrière notre expérience était une dans laquelle la nature des ondes et des particules est manifeste - l'onde guide le mouvement de la particule selon l'interprétation introduite par le physicien théoricien David Bohm, une génération après Heisenberg.

Expérimentons

Dans notre dernière expérience, des scientifiques en Chine ont suivi une technique que j'ai suggérée en 2007 pour reconstruire le mouvement hypothétique des particules quantiques, à partir de nombreux points de départ possibles sur les deux fentes, et pour les deux résultats de la mesure.

Ils ont comparé les vitesses au fil du temps lorsqu'il n'y avait pas d'appareil de mesure présent à celles lorsqu'il y en avait, et ainsi déterminé le changement des vitesses à la suite de la mesure.

L'expérience a montré que l'effet de la mesure sur la vitesse des particules se poursuivait longtemps après que les particules aient franchi le dispositif de mesure lui-même, jusqu'à 5 mètres de là.

À ce moment-là, dans le champ lointain, le changement cumulatif de vitesse était juste assez grand, en moyenne, pour laver les ondulations dans le motif d'interférence.

Donc, à la fin, Le principe d'incertitude de Heisenberg sort triomphant.

Le message à retenir ? Ne faites pas d'affirmations de grande envergure sur le principe qui peut ou ne peut pas expliquer un phénomène avant d'avoir examiné toutes les formulations théoriques du principe.

Oui, c'est un peu un message abstrait, mais c'est un conseil qui pourrait s'appliquer dans des domaines éloignés de la physique.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.