Le fantôme quantique d’Einstein est là pour rester

Ceci est le huitième d’une série d’articles explorant la naissance de la physique quantique.

Les scientifiques ont des visions du monde. Ce n’est pas trop surprenant, étant donné qu’ils sont humains et que les humains ont une vision du monde. Vous avez une façon de penser à la politique, à la religion, à la science et à l’avenir, et cette façon de penser informe sur la façon dont vous vous déplacez dans le monde et les choix que vous faites.

On dit souvent que vous connaissez les vraies couleurs de quelqu’un en voyant comment il réagit à une menace. Cette menace peut être de plusieurs types différents, allant du cambriolage de votre maison à une menace intellectuelle contre votre système de croyances. Au cours des dernières semainesnous avons exploré comment la physique quantique a changé le monde, en examinant ses débuts et le nouveau monde étrange de lois et de règles inattendues qui dictent ce qui se passe au niveau des molécules et des composants matériels plus petits. Aujourd’hui, nous examinons l’impact de cette nouvelle science sur la vision du monde de certains de ses propres créateurs, en particulier Albert Einstein et Erwin Schrödinger. L’enjeu pour ces physiciens n’était rien de moins que la vraie nature de la réalité.

La perte de sens

Dans une lettre à Schrödinger de décembre 1950, Einstein écrit :

« Si l’on veut considérer la théorie quantique comme définitive (en principe), alors il faut croire qu’une description plus complète serait inutile car il n’y aurait pas de lois pour elle. S’il en était ainsi, la physique ne pourrait revendiquer que l’intérêt des commerçants et des ingénieurs ; tout cela serait un gâchis misérable.

Jusqu’à la fin de sa vie, Einstein n’a pas pu se résigner à la nouvelle vision du monde issue de la physique quantique – cet ensemble de croyances qui nous disait, en substance, que la réalité n’était que partiellement connaissable pour nous, les humains, et que le cœur même de la nature était caché de nos facultés de raisonnement. Werner de Heisenberg Principe incertain scellé le destin de la physique déterministe. Contrairement à une pierre qui tombe ou à une planète en orbite autour d’une étoile, dans le monde quantique, nous ne pouvons connaître que le début et la fin d’une histoire. Tout ce qui se trouve entre les deux est inconnaissable.

Le physicien Richard Feynman a créé une belle façon d’exprimer ce fait bizarre avec son approche intégrale de chemin de la physique quantique. Dans la formulation de Feynman, pour calculer la probabilité qu’une particule commence ici et se termine là, vous devez additionner tous les chemins disponibles qu’elle peut suivre jusqu’à cette fin. Chaque chemin est possible, et chacun a une probabilité d’être celui-là. Mais contrairement à une pierre qui tombe ou à une planète qui orbite autour d’une étoile, nous ne pouvons pas savoir quel chemin la particule emprunte. La notion même de chemin entre deux points perd son sens.

Einstein n’aurait rien de tout cela. Pour lui, la nature devait être rationnelle, c’est-à-dire qu’elle devait se prêter à une description qui avait du sens. Par donner du sens, il voulait dire qu’un objet suivait un comportement causal simple dicté par une évolution déterministe. Il croyait qu’il manquait quelque chose d’essentiel à la physique quantique et qu’il trouvait que quelque chose rendrait la raison à la physique.

Ainsi, en 1935, avec ses collègues Boris Podolsky et Nathan Rosen – collectivement ils sont devenus connus sous le nom d’EPR – Einstein a publié un papier essayer d’exposer les absurdités de la mécanique quantique. Le titre dit tout : « La description mécanique quantique de la réalité physique peut-elle être considérée comme complète ? »

L’EPR a reconnu que la physique quantique fonctionnait, car elle pouvait expliquer les résultats des expériences avec une grande précision. Leur problème concernait le complétude de la description quantique du monde.

Ils ont proposé un critère opérationnel pour déterminer les éléments de notre réalité physique perçue : elle ne pouvait être décrite que par les quantités physiques qui pouvaient être prédites avec certitude (une probabilité de un), et sans perturber le système. Autrement dit, il devrait y avoir une réalité physique qui est entièrement indépendante de la façon dont nous la sondons. Par exemple, votre taille et votre poids sont des éléments de la réalité physique. Ils peuvent être mesurés avec certitude, au moins dans la précision de l’appareil de mesure. Ils peuvent également être mesurés simultanément, du moins en principe, sans aucune interférence mutuelle. Vous ne gagnez ni ne perdez de poids lorsque votre taille est mesurée.

Lorsque les effets quantiques dominent, cette indépendance nette n’est pas possible pour certains couples de grandeurs très importants, comme l’exprime le principe d’incertitude d’Heisenberg. EPR a rejeté cela. Ils ne pouvaient pas accepter que l’acte de mesurer compromette la notion d’une réalité indépendante de l’observateur. L’acte de mesurer crée la réalité d’une particule se trouvant à un emplacement donné dans l’espace, selon la mécanique quantique, mais l’EPR a trouvé cette idée absurde. Ce qui est réel ne doit pas dépendre de qui ou de ce qui regarde, ont-ils insisté.

Pour illustrer leur propos, EPR a considéré une paire de particules identiques, disons A et B, se déplaçant à la même vitesse mais dans des directions opposées. Les propriétés physiques des particules ont été fixées lorsqu’elles ont interagi pendant un certain temps avant de s’éloigner l’une de l’autre. Supposons qu’un détecteur mesure la position de la particule A. Puisque les particules ont les mêmes vitesses, nous savons également où se trouve la particule B. Si un détecteur mesure maintenant la vitesse de la particule B à cet endroit, nous connaissons à la fois sa position et sa vitesse. Cela semblait entrer en conflit avec le principe d’incertitude de Heisenberg, puisque des informations étaient apparemment obtenues simultanément sur la position et la vitesse d’une particule. De plus, nous connaissons la propriété d’une particule (position de B) sans l’observer. Selon la définition de l’EPR, cette propriété fait alors partie de la réalité physique même si la physique quantique insiste sur le fait qu’on ne pourrait pas la connaître avant de la mesurer. De toute évidence, a soutenu EPR, la mécanique quantique doit être une théorie incomplète de la réalité physique. EPR a clos son article en espérant qu’une meilleure théorie (plus complète) redonnerait du réalisme à la physique.

Niels Bohr, le champion de la vision du monde selon laquelle la physique quantique est bizarre et ce n’est pas grave, a répondu en six semaines. Bohr a invoqué sa notion de complémentaritéqui affirme que dans le monde quantique, nous ne pouvons pas séparer ce qui est détecté du détecteur. L’interaction de la particule avec le détecteur induit une incertitude dans la particule mais aussi dans le détecteur, puisque les deux sont corrélés. L’acte de mesure établit alors la propriété mesurée de la particule de manière imprévisible. Avant la mesure, nous ne pouvons pas dire que la particule avait une quelconque propriété. Cela étant, nous ne pouvons pas non plus attribuer de réalité physique à cette propriété au sens défini par EPR.

Comme l’écrit Bohr,

« L’interaction finie entre l’objet et les agents de mesure entraîne la nécessité d’un renoncement définitif à l’idéal classique de causalité et une révision radicale de notre attitude face au problème de la réalité physique. Essentiellement, une particule n’acquiert une propriété concrète telle que la position ou la quantité de mouvement qu’en raison de son interaction avec un appareil de mesure. Avant la mesure, nous ne pouvons rien dire sur cette particule. Donc, nous ne pouvons rien dire sur la réalité physique de la particule avant qu’elle n’interagisse avec quelque chose.

Le fantôme quantique d’Einstein

Einstein voulait une réalité connaissable jusqu’au niveau quantique. Bohr a insisté sur le fait qu’il n’y avait aucune raison de s’attendre à cela. Pourquoi le monde des tout petits obéirait-il à des principes similaires au monde auquel nous sommes habitués ? Schrödinger était également bouleversé. En réponse à l’article de Bohr, il a écrit le sien où il a présenté son célèbre chat, que nous allons bientôt rencontrer.

Plus intelligent, plus rapide : la newsletter Big Think

Abonnez-vous pour recevoir des histoires contre-intuitives, surprenantes et percutantes dans votre boîte de réception tous les jeudis

La pièce manquante reliant les points ici est la notion de enchevêtrementun concept clé de la physique quantique. C’est une idée assez difficile à avaler, affirmant que deux objets ou plus peuvent être connectés, ou enchevêtrés, d’une manière qui défie l’espace et le temps. Dans ce cas, savoir quelque chose sur un élément d’une paire nous dira quelque chose sur l’autre, avant même que quiconque ne le mesure. Et cela se produit instantanément, ou du moins plus rapidement que la lumière n’aurait pu voyager entre les deux. C’était ce qu’Einstein appelait “une action effrayante à distance”. Nous pouvons voir d’où il venait. Il avait spectaculairement exorcisé l’action à distance de la gravité newtonienne, montrant que l’attraction de la gravité pouvait s’expliquer comme le résultat d’une géométrie d’espace-temps courbe autour d’un objet massif. Einstein voulait faire de même pour la physique quantique. Mais le fantôme quantique, nous le savons maintenant, est là pour rester. On verra pourquoi la prochaine fois.

Leave a Comment