Chat et choix : enfin comprendre la physique quantique
- Élanore
- 23 avr. 2018
- 5 min de lecture
Dernière mise à jour : 7 août 2018
d’entre vous ont déjà dû entendre parler du fameux chat de Schrödinger, ce célèbre animal qui serait à la fois mort et vivant. Cela paraît impossible : il suffit d’un peu de bon sens pour comprendre qu’aucun être vivant (pas même un chat) ne peut être vivant et mort en même temps, il faut choisir. Alors comment ce chat évite-t-il ce choix ? Est-ce réellement possible ? Afin de comprendre un peu mieux l’expérience de Schrödinger sur ce pauvre chat, il va falloir comprendre tout d’abord ce qu’est la physique quantique et comment elle fonctionne (rassurez-vous, rien de bien compliqué).
Certains d’entre vous ont déjà dû entendre parler du fameux chat de Schrödinger, ce célèbre animal qui serait à la fois mort et vivant. Cela paraît impossible : il suffit d’un peu de bon sens pour comprendre qu’aucun être vivant (pas même un chat) ne peut être vivant et mort en même temps, il faut choisir. Alors comment ce chat évite-t-il ce choix ? Est-ce réellement possible ? Afin de comprendre un peu mieux l’expérience de Schrödinger sur ce pauvre chat, il va falloir comprendre tout d’abord ce qu’est la physique quantique et comment elle fonctionne (rassurez-vous, rien de bien compliqué).
La physique quantique est très différente de la physique classique que nous apprenons au lycée (celle de Newton). Souvenez-vous des billes qui roulent sur un plan incliné, de toutes ces balles lancées avec une vitesse initiale et dont il fallait trouver le point de chute… Tout cela, c’est de la physique classique, de la mécanique de Newton. Cette physique décrit très bien les forces en action et les mouvements à notre échelle, sur Terre. Elle devient incomplète lorsqu’il faut passer dans le monde des particules qui, à la différence des balles et des billes, n’ont pas de masse. C’est à ce moment là que la physique quantique entre en jeu.
Commençons par un peu d’histoire. En 1805, l’expérience des fentes de Young permet de mettre en évidence l’aspect ondulatoire de la lumière : la lumière est une onde. Cependant, à la fin du XIXième siècle, les physiciens rencontrent des incohérences dans leurs observations. Afin de solutionner ces problèmes, Max Planck introduit un nouveau concept : les « quanta » d’énergie. Il suggère que la lumière s’exprime sous forme de paquets d’énergie, les quanta. Cette hypothèse semble parfaitement coller avec les précédentes observations : c’est la quantification de l’énergie, et les début de la physique quantique.
Dès 1924, Louis de Broglie pense que si la lumière, qui est une onde, peut aussi s’exprimer sous la forme de particules d’énergie (les quanta), alors l’inverse doit être possible. C’est-à-dire que certaines particules (comme les électrons) ont aussi un comportement ondulatoire, comme la lumière. Partant de là, Erwin Schrödinger arrive en 1926 à définir les fonctions d’onde, qui permettront ensuite de déterminer la probabilité de trouver une particule au voisinage d’une position à un instant t. Grâce à cela, nous savons maintenant qu’une particule peut exister sous deux formes : onde et particule. C’est le principe de superposition.
Vous voyez maintenant que la physique quantique est avant tout une physique dite probabiliste : qui se base sur les probabilités. Une particule est à la fois une particule et une onde. Il est difficile de donner la position exacte d’un objet qui est aussi une onde. Werner Heisenberg introduit donc, en 1927, le principe de superposition. Selon ce principe, plus précise est la mesure de la position d’une particule, moins précise est celle de sa vitesse, et inversement. C’est comme ça, nous ne pouvons pas connaître vitesse et position avec précision. Et cette incertitude vient du fait que nous essayons de mesurer…
En physique quantique, la mesure influe sur le système. En réalité, une particule n’a pas choisi de position quand on ne la mesure pas : elle est partout, dans tous ses états. Mais au moment de la mesure, la particule est forcée de choisir une position, et elle le fait de façon totalement aléatoire. C’est difficile à imaginer, mais c’est bien ce qu’il se passe. Et certains scientifiques n’étaient pas vraiment d’accord avec cette façon de voir les choses. Comment les convaincre ? Comment traduire le comportement d’une particule quantique à notre échelle ? Laissons le chat de Erwin Schrödinger nous le montrer.
Cette expérience veut traduire les superpositions d’états en physique quantique de l’échelle microscopique (les particules) à l’échelle macroscopique (notre échelle). Autrement dit, elle veut répondre à la question « comment se passerait la physique quantique des particules si on devait la transposer à notre échelle ? ». Pour cela, en 1935, Schrödinger va placer un chat dans une boite noire totalement hermétique : il est impossible de savoir ce qu’il s’y passe. Il met aussi dans cette boite un dispositif composé d’une particule radioactive, d’un marteau, d’un détecteur de radioactivité et d’une fiole de poison. Comment tout cela fonctionne ? La particule radioactive a la particularité d’avoir une chance sur deux de se désintégrer en une minute. Si nous ne regardons pas, selon la théorie quantique, la particule est à la fois intacte ET désintégrée. Vous suivez ? C’est la partie microscopique du système. Le détecteur de radioactivité permet de détecter la désintégration de la particule. Il est relié à un marteau prêt à écraser la fiole de poison. Celle-ci va libérer un gaz toxique qui tuera le chat. Si la particule reste dans son état initial (pas de désintégration), alors il ne se passe rien. Mais si la particule se désintègre, le détecteur déclenche la chute du marteau sur la fiole de poison. C’est la partie macroscopique.
Ici, l’état de la particule a un lien direct avec celui du chat : si elle se désintègre, le chat meurt ; sinon, il vit. La particule obéit aux lois de la physique quantique et, comme il a été dit plus haut, elle est dans les deux état en même temps, tant que la boite n’a pas été ouverte. Si nous ouvrons la boite, la particule choisira une des deux options, entraînant (ou non) la mort du chat. Mais tant que la boite reste fermée, la particule n’a pas choisi, ce qui implique que l’état du chat n’a pas non plus été choisi : il est simultanément mort ET vivant, au même titre que la particule est intacte ET désintégrée. Ces résultats sont en totale contradiction avec ce que nous savons, ils nous forcent à nous remettre en question et à comprendre que la physique quantique ne peut pas être prédite par notre intuition naturelle.
L’expérience du chat de Schrödinger est avant tout une expérience de pensée, ce qui veut dire qu’elle ne sera jamais réalisée. Il est impossible de mettre en évidence les résultats de cette expérience car la mesure perturbe les résultats. Cette expérience est là pour montrer à quel point la physique quantique est contre toutes nos intuitions. Schrödinger voulait montrer une incohérence sur la théorie quantique. Le physicien Hugh Everett expose, en 1957, une nouvelle théorie que pourrait solutionner cette incohérence de chat à la fois mort et vivant. Selon lui, lorsque la boite est ouverte, l’univers ne choisit pas : il se divise.
Nous sommes ici dans le cas du chat qui, selon la théorie quantique, serait mort et vivant tant que la boite n’a pas été ouverte. Si la boite est ouverte, une des possibilités est choisie, l’autre est effacée. Everett croit aussi que le chat est mort et vivant. Cependant, sa théorie dit que l’ouverture ne force pas l’univers à choisir. Dans la théorie des univers multiples, lorsque l’observateur ouvre la boite, il voit une des deux possibilités ; mais cela ne veut pas dire que l’autre est effacée. La théorie dit que l’autre possibilité se produit mais dans un autre univers qui n’est pas celui du premier observateur. Donc quand la boite est ouverte, le chat est mort dans un univers et vivant dans un autre. Everett voit la physique quantique comme une infinité d’univers qui voient le jour lorsqu’un choix doit être fait.
La physique quantique est une science récente, qui ne cesse d’évoluer. Elle a la particularité de réunir toutes les disciplines de la physique. Cependant, elle défie toutes nos certitudes, même celles sur l’état d’un chat dans une boite. Les théories sur la physique quantique essaient toujours de mieux la définir, mais il est encore difficile aujourd’hui de pouvoir les vérifier avec des expériences. Qui sait comment vérifier l’existence des univers multiples d’Everett ? La prochaine fois que vous aurez un choix à faire, pensez à tous les autres « vous » qui ont choisi une possibilité différente dans une autre réalité…
Images :
https://www.babelio.com/auteur/Max-Planck/135282
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