Le miroir souverain

« Un être, c’est une foule, il s’en dégage des choses inanalysables. Il y a des éclaircies, certes, mais à certains moments, on ne distingue rien. » (Daudet)

 

Deux physiciens autrichiens – Johannes Kofler et Časlav Brukner – ont récemment proposé une nouvelle approche du célèbre paradoxe dit du « chat de Schrödinger », approche qui contredit le « macroréalisme ». Voici notre traduction de l'articulet de Ph. Ball qui la présente brièvement, paru dans la revue Nature.

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Le chat de Schrödinger entre dans le monde classique

Les particules qui composent le monde suivent les lois de la physique quantique, qui les autorise à se comporter de manière contre-intuitive comme, par exemple, être à plusieurs endroits ou dans différents états à la fois. Pourquoi, alors, n’observons-nous pas cette espèce de comportement bizarre dans le monde qui nous entoure ? L’explication communément avancée par les livres de physique consiste à dire que les effets quantiques ne se produisent qu’à de très petites échelles, et disparaissent à la nôtre.

Mais, selon deux physiciens autrichiens, il n’en est pas nécessairement ainsi. Ils prétendent que nous devrions à chaque instant faire l’expérience de l’étrangeté quantique – des balles qui ne suivent pas de trajectoires définies, ou des objets s’échappant par « effet tunnel » de leurs conteneurs scellés - à la condition expresse, toutefois, que nous ayons des pouvoirs de perception plus aigus.

Johannes Kofler et Časlav Brukner, de l’Université de Vienne et de l’Institute of Quantum Optics and Quantum Information, également à Vienne, affirment que l’émergence des lois « classiques » de la physique, telles que celles de Galilée et de Newton, déduites des lois quantiques, n’a pas lieu parce que les objets deviennent plus grand, mais plutôt en raison de la manière dont nous mesurons ces objets (1). Selon ces deux physiciens, si nous pouvions effectuer chaque mesure avec autant de précision que nous le voulions, le monde classique n’existerait pas du tout.

Le physicien autrichien Erwin Schrödinger a illustré d’une façon célèbre ce conflit apparent entre les descriptions quantiques et classiques du monde. Il imagina une situation dans laquelle un chat était enfermé dans une boîte avec une petite fiole de poison qui se briserait si telle particule quantique se trouvait dans un certain état, et resterait intact si elle était dans un autre.

La théorie quantique affirme qu’une telle particule peut exister sous la forme d’une superposition de deux états jusqu’à ce qu’elle soit observée, moment à partir duquel la superposition quantique « s’effondre » dans un état ou dans l’autre. Schrödinger remarqua que ceci signifie que le chat n’est ni mort ni vivant jusqu’à ce que quelqu’un ouvre la boîte pour regarder – conclusion apparemment absurde.

Les physiciens résolvent généralement ce paradoxe en invoquant un processus appelé « décohérence » : la destruction d’une superposition quantique dès lors que les particules interagissent avec leur environnement. Plus il y a de particules dans un système, plus il est difficile d’empêcher la décohérence. Ainsi, quelque part au sein du processus de couplage entre une seule particule et un objet macroscopique comme une fiole de poison, la décohérence se produit et la superposition est détruite. Ce qui implique que le chat de Schrödinger se trouve toujours sans ambiguïté dans un état « réaliste », soit mort soit vivant, et pas les deux à la fois.

Mais, selon Kofler et Brukner, ce n’est pas le cas. En effet, même si, en pratique, la décohérence a typiquement lieu, ils pensent que, en principe, elle n’est pas nécessaire.

Le sort du chat de Schrödinger est un exemple de ce qu’en 1985 les physiciens Anthony Legget et Anupam Garg ont appelé macroréalisme (2). Dans un monde macroréaliste, les objets sont toujours dans un état unique et il nous est possible d’en effectuer des mesures sans altérer cet état. Et notre monde quotidien semble obéir à ces lois. Selon le point de vue du macroréalisme, « les chats de Schrödinger ne sont pas autorisés », affirme Kofler.

Kofler et Brukner ont toutefois prouvé qu’un état quantique peut devenir aussi « grand » que l’on veut, et ce, sans avoir à se conformer au macroréalisme.

Les deux chercheurs considèrent un système apparenté à l’aiguille d’une boussole placée dans un champ magnétique. Dans notre monde classique, l’aiguille tourne avec un mouvement caractéristique qui peut être décrit par la physique classique. Mais dans le monde quantique, l’aiguille pourrait se trouver dans un état de superposition de différents alignements, et sauterait instantanément à un alignement particulier lorsque l’on tente d’effectuer la mesure.

Pourquoi alors ne voyons-nous pas de tels sauts quantiques ? Les chercheurs montrent que cela dépend de la précision de la mesure. Si les mesures sont un peu floues, et que l’on ne peut distinguer un état quantique de plusieurs autres similaires, les particularités quantiques disparaissent alors pour laisser place à un schéma classique. Kofler et Brukner montrent qu’une fois le flou introduit dans les valeurs mesurées, les équations quantiques qui décrivent le comportement d’un objet deviennent classiques. Ceci survient qu’il y ait ou non une décohérence causée par l’interaction avec l’environnement.

Kofler pense que nous devrions être capables de voir cette transition entre comportements classique et quantique. Cette transition serait curieuse : un comportement classique serait ponctué par des sauts quantiques occasionnels, de telle sorte que l’aiguille de la boussole devrait la plupart du temps tourner doucement mais parfois « sauterait » instantanément.

Mais observer de tels sauts quantiques entre vie et mort du chat de Schrödinger devrait nécessiter que nous puissions mesurer précisément un nombre d’états quantiques immensément grand. Pour un « chat » contenant 10 puissance 20  particules quantiques, nous aurions besoin de faire la différence entre 10 puissance 10 états – ce qui est trop pour être faisable.

Nos outils expérimentaux seraient pourtant déjà suffisamment précis, disent les chercheurs, pour observer cette transition dans le cas de plus petits « chatons de Schrödinger » : des objets constitués d’un nombre moins grand de particules. Dans quel état ces « chatons » se trouveraient-ils ? « Nous préférons dire qu’ils ne sont ni morts ni vivants, mais dans un nouvel état qui n’a pas de contrepartie en physique classique » affirment Kofler et Brukner. Personne n’a encore explicitement cherché à observer de tels effets.

(1) Kofler, J. & Brukner, Č. Phys. Rev. Lett. 99, 180403 (2007) 

(2) Leggett, A. J. & Garg, A. Phys. Rev. Lett. 54, 857-860 (1985)