Que font les particules quantiques avant de les mesurer? Apparaître avec ce débat centenaire nous amène au cœur de savoir s'il y a une réalité objective
Il y a toujours un «aspect d'indignation» sur les visages des étudiants lorsqu'ils découvrent la superposition quantique, explique le physicien Marcelo Gleiser. Il a enseigné la mécanique quantique, la théorie régissant le monde microcosmique des atomes et des particules, pendant des décennies, et la consternation de ses élèves émerge inévitablement directement sur le signal: quand il atteint la partie sur les objets quantiques apparemment à plusieurs endroits à la fois.
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Le problème est que des mots comme «apparemment» apparaissent énormément autour de ce sujet. En effet, au cours du siècle environ, depuis que l'idée de superposition a émergé, sa véritable signification est restée contestée. La seule chose sur laquelle les physiciens sont d'accord, c'est que cela nous emmène au cœur de ce que cela signifie que quelque chose soit «réel».
Un bon point de départ est avec l'équation de Schrödinger. Développé par Erwin Schrödinger dans les années 1920, c'est une pierre de base de la théorie quantique qui nous indique la probabilité de trouver une particule dans un état donné lorsque nous la mesurons. Le fait est que la mécanique quantique concerne la prévision de l'issue d'une situation – il ne dit rien de concret sur ce que faisait une particule avant qu'elle ne soit mesurée.
Cependant, l'équation de Schrödinger fonctionne en décrivant tous les endroits possibles qu'une particule pourrait être mesurée à l'aide d'un morceau de mathématiques connu sous le nom de fonction d'onde. Cela nous donne une définition mathématique d'une superposition: c'est une somme de différents états quantiques possibles.
Nous savons certainement que les particules peuvent exister dans une superposition. Dans l'expérience à double fente, par exemple, un seul photon, une particule de lumière, est tiré vers un réseau avec deux lacunes étroites devant un écran. Si un détecteur regarde, le photon «choisira» une fente et apprendra une place spécifique à l'écran. Mais s'il n'y a pas de détecteur, un «modèle d'interférence» apparaîtra à l'écran, suggérant que la particule s'est comportée comme une vague et a traversé les deux fentes à la fois, interagissant avec lui-même.
Ce que nous ne savons pas avec certitude, c'est ce que signifie «être en superposition». D'une manière générale, il y a deux vues. On dit que la fonction d'onde est un outil mathématique utile et pas plus. C'est certainement là que Gleiser, qui est basé au Dartmouth College, New Hampshire, descend. «Rien dans le formalisme de la mécanique quantique ne nous dit que la fonction des vagues doit faire partie de la réalité physique», dit-il. « La croyance en les mathématiques alors que la vérité devient un peu comme un culte. »
Gleiser soutient une interprétation de la mécanique quantique appelée bayésianisme quantique (ou qbisme), qui dit que la théorie ne décrit pas la réalité en soi, mais plutôt ce que nous en savons. En fin de compte, ce qui change lorsque nous mesurons un état quantique, ce sont nos informations à ce sujet, pas la réalité elle-même.
Mais il y a un camp qui réfute catégoriquement cette vue. Simon Saunders, philosophe de l'Université d'Oxford, pense que la fonction des vagues est réelle. Pour lui, une particule dans une superposition est physiquement dans plus d'un endroit simultanément. «C'est un objet étendu», dit-il. «C'est délocalisé.» Selon cette perspective, nous devons accepter que le monde des particules ne ressemble pas à la réalité au fur et à mesure que nous en faisons. Les électrons en orbite autour d'un atome, par exemple, existent comme un nuage de probabilité avant de les mesurer.
Les critiques de cette position demandent souvent ce qui arrive à ces autres possibilités lorsqu'une mesure prend une particule en un seul endroit. Saunders est heureux d'embrasser la réponse radicale qu'ils se manifestent tous dans leur propre branche d'un multivers infini.
Une résolution à cette question ne viendra pas de si tôt. En attendant, les chercheurs sont allés bien au-delà de placer des particules uniques dans la superposition – elle a été réalisée pour les grandes molécules et même un cristal de 16 microgrammes. Si cela nous dit quelque chose, c'est que la réalité est bien plus étrange qu'il n'y paraît.
