La mécanique quantique, la théorie qui régit le micromonde des atomes et des particules, a 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 décerné à Alain Aspect, John Clauser et Anton Zeilinger pour leurs recherches faisant la lumière sur la mécanique quantique, cela a suscité de l’enthousiasme et des discussions.
Mais les débats sur la mécanique quantique, que ce soit sur les forums de discussion, dans les médias ou dans la science-fiction, peuvent souvent être embrouillés à cause d’un certain nombre de mythes et d’idées fausses persistants. En voici quatre.
1. Un chat peut être mort et vivant
Erwin Schrödinger n’aurait probablement jamais pu prédire que son expérience de penséele chat de Schrödinger, atteindrait statut de mème internet au 21ème siècle.
Cela suggère qu’un félin malchanceux coincé dans une boîte avec un coupe-circuit déclenché par un événement quantique aléatoire – la 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 être dans deux états, par exemple à deux endroits, en même temps. Nous appelons cela une superposition.
Les scientifiques ont pu le montrer dans la célèbre expérience à double fente, où une seule particule quantique, comme un photon ou un électron, peut traverser simultanément deux fentes différentes dans un mur. Comment savons-nous cela?
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 interférant l’une avec l’autre sur un écran derrière la fente. Comme chaque photon n’avait pas d’autres photons avec lesquels interférer lorsqu’il traversait les fentes, cela signifie qu’il devait être passé simultanément par les deux fentes, interférant avec lui-même (image ci-dessous).
Pour que cela fonctionne, cependant, les états (ondes) dans la superposition de la particule traversant les deux fentes doivent être « cohérent« -avoir une relation bien définie les uns avec les autres.
Ces expériences de superposition peuvent être faites avec des objets de taille et de complexité toujours croissantes. Une célèbre expérience par Anton Zeilinger en 1999 a démontré la superposition quantique avec de grosses molécules de Carbone-60 connus 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 plus complexe. Toute cohérence que les billions et billions d’atomes qui composent le chat pourraient avoir les uns avec les autres est extrêmement éphémère.
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 telles que les chats ou les humains.
2. Des analogies simples peuvent expliquer l’intrication
L’intrication est une propriété quantique qui relie deux particules différentes de sorte que si vous en mesurez une, vous connaissez automatiquement et instantanément l’état de l’autre, quelle que soit leur distance.
Explications courantes pour cela impliquent généralement des objets du quotidien de notre monde macroscopique classique, comme les dés, les cartes ou même les paires de chaussettes de couleurs impaires. 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 prend 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, vous devez imaginer que les deux cartes à l’intérieur des enveloppes sont dans une superposition conjointe, ce qui signifie qu’elles sont à la fois orange et bleue (plus précisément orange/bleu et bleu/orange). L’ouverture d’une enveloppe révèle une couleur déterminée au hasard. Mais l’ouverture de 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 jeu de couleurs différent, ce qui revient à faire un autre type de mesure. On pourrait ouvrir une enveloppe en posant la question : « Es-tu un carton vert ou un carton rouge ? ». La réponse serait à nouveau aléatoire : vert ou rouge. Mais surtout, si les cartes étaient enchevêtrées, 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 munies d’un jeu d’instructions interne caché qui leur disait de quelle couleur apparaître compte tenu d’une certaine question. Il a également rejeté l’action « effrayante » apparente 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 Théorème de Bell (un test théorique créé par le physicien John Stewart Bell) et des expériences par les lauréats du prix Nobel de 2022. L’idée que la mesure d’une carte intriquée change l’état de l’autre n’est pas vraie. Les particules quantiques sont simplement mystérieusement corrélées d’une manière que nous ne pouvons pas décrire avec la logique ou le langage de tous les jours – elles ne communiquent pas tout en contenant un code caché, comme l’avait pensé Einstein. Oubliez donc les objets du quotidien lorsque vous pensez à l’enchevêtrement.
3. La nature est irréelle et « non locale »
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 quelques autres choses en même temps. Ces hypothèses incluent l’idée que les mesures n’ont qu’un seul résultat (et non plusieurs, peut-être dans des mondes parallèles), que la cause et l’effet avancent dans le temps et que nous ne vivons pas dans un « univers mécanique » dans lequel tout est prédéterminé depuis l’aube des temps.
Malgré le théorème de Bell, la nature peut bien être réelle et locale, si vous avez permis de casser d’autres choses nous considérons le bon sens, comme le temps qui avance. Et d’autres recherches permettront, espérons-le, de réduire le grand nombre d’interprétations potentielles de la mécanique quantique. Cependant, la plupart des options sur la table – par exemple, le temps qui s’écoule en arrière ou l’absence de libre arbitre – sont au moins aussi absurdes que l’abandon du concept de réalité locale.
4. Personne ne comprend la mécanique quantique
UN citation classique (attribué au physicien Richard Feynmannmais sous cette forme aussi en paraphrasant Niels Bohr) présume : « Si vous pensez comprendre la mécanique quantique, vous ne la comprenez pas. »
Cette opinion est largement répandue 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 où 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 pas plus que les mathématiques du 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 faire de nouveaux progrès avec la technologie quantique. Nous pouvons tout simplement tais-toi et calcule.
Heureusement pour l’humanité, les lauréats du prix Nobel Aspect, Clauser et Zeilinger ont refusé de se taire et ont continué à demander pourquoi. D’autres comme eux pourraient un jour aider à réconcilier l’étrangeté quantique avec notre expérience de la réalité.
Cet article est republié de La conversation sous licence Creative Commons. Lis le article original.