VII. Mesure et décohérence
La mesure est le sujet le plus épineux de la théorie quantique.
La mesure en trois temps :
- La fonction d’onde.
Avant la mesure, l’objet quantique se comporte comme une onde. L’onde évolue au cours du temps de façon totalement déterministe et prévisible par l’équation de Schrödinger. - La décohérence.
Lors de la détection, l’onde entre en contact avec un outil de mesure ce qui la force à se réduire (ie perdre son caractère ondulatoire ). C’est le phénomène de décohérence. - Le choix.
L’onde quantique choisit alors aléatoirement parmi tous les états possibles. La forme de la fonction d’onde à la fin du premier temps, dicte sa probabilité d’apparaître ici ou là.
Lors e la mesure, la décohérence vient de l’interaction de la particule avec l’instrument de mesure macroscopique c’est-à-dire avec une multitude d’autres particules.
Serge Haroche a montré que plus les objets avec lesquels la particule interagit sont nombreux, plus la décohérence a lieu rapidement.
Le moindre désordre ou la moindre interaction suffisent à provoquer la décohérence : variation de champ électrique, modification de l’environnement, excitation par des lasers (Wineland article de 2000).
Pourquoi nous ne sommes pas quantiques
Pour que nous soyons quantiques, il faudrait que tous nos atomes se mettent « à l’unisson » sous forme d’onde. Cela n’arrive pas car la chaleur produite par notre corps, son grand nombre d’atomes et leurs mouvements incessants provoquent la décohérence et empêchent toute manifestation quantique à grande échelle.
Pourquoi la particule choisit-t-elle un état plutôt qu’un autre ?
En physique classique, le hasard n’existe pas, même pour un lancer de dé. En quantique, le hasard semble intrinsèque, au point de remettre en cause la notion de causalité.
Voici les trois théories les plus célèbres pour expliquer ce « choix d’état au hasard » :
- L’interprétation de Copenhague (Niels Bohr)
Le monde est divisé en deux : un côté quantique et un côté classique. Avant que la particule ne soit mesurée on peut la représenter par une fonction d’onde imaginée par les physiciens, sans réalité en soi. On peut utiliser tous les formalismes requis (probabilités, vecteurs d’état, matrices…) : ce sont des outils efficaces mais qui ne disent rien de la réalité. Suite à la mesure, les propriétés de la particule se trouvent bien définies, et elle devient subitement réelle, tangible. Cette approche évite de penser le réel quantique. Adoptée par une bonne partie des physiciens, elle ne dit rien de la place de la frontière entre quantique et classique. - L’interprétation des ondes pilotes (Louis de Broglie puis David Bohm)**
Les objets quantiques sont réels dès le début. Un électron par exemple est, à la fois et au même moment, une onde et une particule. La fonction d’onde guiderait la particule, comme une vague guide un surfeur vers la plage, selon certains trajets plutôt que d’autres, suivant sa propre forme. La mesure révèlerait la position finale de la particule mais il n’y aurait jamais de réduction. Ce modèle a une faiblesse : il impose qu’au moment précis de la mesure, l’onde puisse agir sur la particule à distance de façon instantanée. Cela est difficilement conciliable avec la théorie de la relativité d’Einstein, dans laquelle aucune particule ou information ne peut se propager plus vite que la lumière. - L’interprétation des mondes multiples (Hugh Everett en 1957)**
Dans cette interprétation, pas de réduction de l’onde et pas d’onde pilote. Au moment de la mesure, la particule évolue vers tous les états possibles à la fois, dans des univers parallèles. L’univers se dupliquerait ainsi à chaque instant en un nombre astronomique de branches. Ces univers vivraient ensuite en parallèle sans liens possibles entre eux. La notion de probabilité n’a plus de sens, puisque tout ce qui peut survenir survient dans l’un des mondes parallèles.
La plupart des physiciens refusent de choisir parmi les nombreuses interprétations. Le but de la physique est de décrire comment le monde fonctionne et non pas pourquoi .