Les mesures produisent-elles la réalité qu’elles nous montrent ?

Deux physiciens quantiques de l’Université d’Hiroshima ont récemment analysé la dynamique d’une interaction de mesure, où la valeur d’une propriété physique est identifiée avec un changement quantitatif de l’état du compteur. Il s’agit d’un problème difficile, car la théorie quantique n’identifie pas la valeur d’une propriété physique à moins que le système ne soit dans ce qu’on appelle un « état propre » de cette propriété physique, un très petit ensemble d’états quantiques spéciaux pour lesquels la propriété physique a un valeur fixe. Les chercheurs ont résolu ce problème fondamental en combinant des informations sur le passé du système avec des informations sur son avenir dans une description de la dynamique du système lors de l’interaction de mesure, démontrant ainsi que les valeurs observables d’un système physique dépendent de la dynamique de la mesure. interaction par laquelle ils sont observés.

L’équipe a publié les résultats de son étude le 31 juillet dans Recherche sur l’examen physique.

“Il existe de nombreux désaccords sur l’interprétation de la mécanique quantique, car différents résultats expérimentaux ne peuvent pas être conciliés avec la même réalité physique”, a déclaré Holger Hofmann, professeur à la Graduate School of Advanced Science and Engineering de l’Université d’Hiroshima, au Japon.

“Dans cet article, nous étudions comment les superpositions quantiques dans la dynamique de l’interaction de mesure façonnent la réalité observable d’un système vu dans la réponse d’un compteur. Il s’agit d’une étape majeure vers l’explication de la signification de la “superposition” en mécanique quantique.” dit Hofmann.

En mécanique quantique, une superposition décrit une situation dans laquelle deux réalités possibles semblent coexister, même si elles peuvent être clairement distinguées lorsqu’une mesure appropriée est effectuée. L’analyse de l’étude de l’équipe suggère que les superpositions décrivent différents types de réalité lorsque différentes mesures sont effectuées. La réalité d’un objet dépend des interactions de l’objet avec son environnement.

“Nos résultats montrent que la réalité physique d’un objet ne peut être séparée du contexte de toutes ses interactions avec l’environnement, passé, présent et futur, fournissant ainsi une preuve solide contre la croyance largement répandue selon laquelle notre monde peut être réduit à une simple configuration matérielle. éléments de base”, a déclaré Hofmann.

Selon la théorie quantique, le décalage du compteur qui représente la valeur de la propriété physique observée lors d’une mesure dépend de la dynamique du système provoquée par les fluctuations de l’action inverse par laquelle le compteur perturbe l’état du système. Les superpositions quantiques entre les différentes dynamiques possibles du système façonnent la réponse du compteur et lui attribuent des valeurs spécifiques.

Les auteurs ont en outre expliqué que les fluctuations de la dynamique du système dépendent de la force de l’interaction de mesure. Dans la limite des interactions faibles, les fluctuations de la dynamique du système sont négligeables et le décalage métrique peut être déterminé à partir de l’équation de Hamilton-Jacobi, une équation différentielle classique exprimant la relation entre une propriété physique et la dynamique qui lui est associée.

Lorsque l’interaction de mesure est plus forte, des effets d’interférence quantique complexes entre différentes dynamiques de systèmes sont observés. Les mesures entièrement résolues nécessitent une randomisation complète de la dynamique du système. Cela correspond à une superposition de toutes les dynamiques de système possibles, où les effets d’interférence quantique sélectionnent uniquement les composants du processus quantique qui correspondent aux valeurs propres de la propriété physique. Les valeurs propres sont les valeurs que les manuels de mécanique quantique attribuent aux résultats des mesures : nombres précis de photons, rotation vers le haut ou vers le bas, etc. Comme le montrent les nouveaux résultats, ces valeurs résultent de la randomisation complète de la dynamique. Différentes valeurs doivent être prises en compte lorsque la dynamique du système n’est pas complètement randomisée par la mesure.

Il est intéressant de noter que cette observation offre une nouvelle perspective sur l’utilisation des résultats de mesure dans les descriptions de la réalité. Il est courant de supposer que les particules localisées ou les valeurs entières de spin sont des éléments de la réalité indépendants des mesures, mais ces résultats de recherche suggèrent que ces valeurs ne sont créées que par des interférences quantiques dans des mesures suffisamment fortes. Notre compréhension de la signification des données expérimentales a peut-être besoin d’une révision fondamentale.

Hofmann et son équipe ont hâte de clarifier davantage les résultats contradictoires observés dans de nombreuses expériences quantiques. “Les réalités dépendantes du contexte peuvent expliquer un large éventail d’effets quantiques apparemment paradoxaux. Nous travaillons actuellement sur de meilleures explications de ces phénomènes. À terme, l’objectif est de développer une compréhension plus intuitive des concepts fondamentaux de la mécanique quantique qui évite les malentendus causés par une croyance naïve en la réalité des objets microscopiques”, a déclaré Hofmann.

Tomonori Matsushita de la Graduate School of Advanced Science and Engineering de l’Université d’Hiroshima à Hiroshima, au Japon, a également contribué à cette étude.

Ce travail a été soutenu par le numéro de subvention JST JPMJFS2129.