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Quatre idées fausses mais répandues sur la physique quantique

par Alessandro Fedrizzi et Mehul Malik Professors of Physics, Heriot-Watt University, Royaume-Uni

La mécanique quantique, théorie qui régit le monde microscopique 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 sur la mécanique quantique, il a suscité enthousiasme et 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 s’embrouiller en raison 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 réflexion, le chat de Schrödinger, atteindrait le statut de mème sur Internet au XXIe siècle.

Elle suggère qu’un félin malchanceux coincé dans une boîte dotée d’un interrupteur 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 des doubles fentes, où une seule particule quantique, comme un photon ou un électron, peut passer simultanément par deux fentes différentes dans un mur. Comment le savons-nous ?

En physique quantique, l’état de chaque particule est également 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 situé derrière la fente. Comme chaque photon n’a pas eu d’autres photons avec lesquels interférer lorsqu’il a traversé les fentes, cela signifie qu’il a dû traverser simultanément les deux fentes – en interférant avec lui-même (image ci-dessous).

Lumière de diffraction

Expérience de la double-fente (théorie des ondes de Young)

Schéma d’interferénce. grayjay

Cependant, pour que cela fonctionne, les états (ondes) de la superposition de la particule qui traverse les deux fentes doivent être « cohérents« , c’est-à-dire avoir une relation bien définie entre eux.

Ces expériences de superposition peuvent être réalisées avec des objets de taille et de complexité toujours plus grandes. Une expérience célèbre réalisée par Anton Zeilinger en 1999 a démontré la superposition quantique avec de grandes molécules de carbone 60 connues sous le nom de « buckyballs« .

Que cela signifie-t-il pour notre pauvre chat ? Est-il vraiment à la fois vivant et mort tant que nous n’ouvrons 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 grand et plus complexe. Toute cohérence que les trillions de trillions d’atomes qui composent le chat pourraient avoir entre eux est extrêmement brève.

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.

2. Des analogies simples peuvent expliquer l’intrication

L’intrication est une propriété quantique qui relie deux particules différentes de sorte que si on en mesure une, on connaît automatiquement et instantanément l’état de l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare.

Les explications courantes de cette propriété font généralement appel à des objets du quotidien de notre monde macroscopique classique, tels que des dés, des cartes ou même des paires de chaussettes de couleur différente. Par exemple, imaginez que vous dites à un ami que vous avez placé une carte bleue dans une enveloppe et une carte orange dans une autre. Si votre ami emporte et ouvre l’une des enveloppes et trouve la carte bleue, il saura que vous avez gardé la carte orange.

Mais pour comprendre la mécanique quantique, il faut imaginer que les deux cartes contenues dans les enveloppes sont dans une superposition conjointe, c’est-à-dire qu’elles soient 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 liée de manière « effrayante » à la première carte.

On pourrait forcer les cartes à apparaître dans une autre série de couleurs, ce qui reviendrait à effectuer un autre type de mesure. On pourrait ouvrir une enveloppe en posant la question suivante : « Es-tu une carte verte ou rouge ? ». La réponse serait à nouveau aléatoire : verte ou rouge. Mais surtout, si les cartes étaient intriquées, l’autre carte donnerait toujours le résultat opposé à cette même question.

Albert Einstein a tenté d’expliquer ce phénomène à l’aide de l’intuition classique, en suggérant que les cartes pourraient avoir reçu un ensemble d’instructions internes cachées leur indiquant la couleur à afficher pour une question donnée. Il a également rejeté l’apparente action « effrayante » entre les cartes qui leur permettrait de s’influencer instantanément, ce qui impliquerait 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 menées par les lauréats du prix Nobel de 2022. L’idée que la mesure d’une carte intriquée modifie l’état de l’autre n’est pas vraie. Les particules quantiques sont juste 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 le pensait Einstein. En conséquence, vous pouvez oublier les objets du quotidien lorsque vous pensez à l’intrication.

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 Influencé uniquement directement par son environnement immédiat. Une autre interprétation courante est qu’il implique que les propriétés des objets quantiques ne sont pas « réelles », qu’elles n’existent pas avant la mesure.

Mais le théorème de Bell ne nous permet de dire que la physique quantique signifie que la nature n’est pas à la fois réelle et locale que 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 s’écoulent dans le temps et que nous ne vivons pas dans un « univers mécanique » dans lequel tout est prédéterminé depuis la nuit des temps.

4. Personne ne comprend la mécanique quantique

Une citation classique (attribuée au physicien Richard Feynman, mais sous cette forme paraphrasant également Niels Bohr) postule : « Si vous pensez comprendre la mécanique quantique, vous ne la comprenez pas. »

Cette opinion est largement répandue dans le public. La physique quantique est supposée impossible à comprendre, y compris par les physiciens. Mais en se plaçant au XXIe siècle, la physique quantique n’est ni mathématiquement ni conceptuellement particulièrement difficile pour les scientifiques. Nous la comprenons extrêmement bien, à tel point 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 pas plus que des mathématiques de niveau secondaire. Le théorème de Bell ne nécessite pas du tout de physique quantique. Il peut être dérivé en quelques lignes à l’aide de la théorie des probabilités et de l’algèbre linéaire.

La véritable difficulté réside peut-être dans la manière de concilier la physique quantique avec notre réalité intuitive. Le fait de ne pas avoir toutes les réponses ne nous empêchera pas de faire de nouveaux progrès en matière de technologie quantique. Il suffit de nous taire et calculer.

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 contribuer à réconcilier les bizarreries quantiques avec notre expérience de la réalité.

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 relevant du bon sens, comme le temps qui avance. Et la poursuite des recherches permettra, 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 s’écoulant à rebours, ou l’absence de libre arbitre – sont au moins aussi absurdes que l’abandon du concept de réalité locale.

Pour aller plus loin

Texte paru initialement en anglais dans The Conversation, traduit par la Rédaction. La traduction étant protégée par les droits d’auteur, cet article traduit n’est pas libre de droits. Nous autorisons la reproduction avec les crédits appropriés : « Citizen4Science/Science infuse » pour la version française avec un lien vers la présente page.

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