Les physiciens identifient les incertitudes négligées dans les expériences du monde réel

Les règles de la physique statistique traitent de l'incertitude quant à l'état d'un système qui survient lorsque ce système interagit avec son environnement. Mais ils en ont manqué depuis longtemps un autre type, disent le professeur David Wolpert et Jan Korbel, chercheur postdoctoral au Complexity Science Hub de Vienne, en Autriche. Dans un nouvel article publié dans Recherche sur l'examen physiqueles deux physiciens soutiennent que l'incertitude des paramètres thermodynamiques eux-mêmes – intégrés aux équations qui régissent le comportement énergétique du système – peut également influencer le résultat d'une expérience.

“À l'heure actuelle, on ne sait presque rien des conséquences thermodynamiques de ce type d'incertitude, malgré son caractère inévitable”, explique Wolpert. Dans le nouvel article, lui et Korbel étudient les moyens de modifier les équations de la thermodynamique stochastique pour s'y adapter.

Lorsque Korbel et Wolpert se sont rencontrés lors d’un atelier en 2019 sur l’information et la thermodynamique, ils ont commencé à parler de ce deuxième type d’incertitude dans le contexte des systèmes hors équilibre.

« Nous nous sommes demandé : que se passe-t-il si vous ne connaissez pas exactement les paramètres thermodynamiques régissant votre système ? » se souvient Korbel. “Et puis nous avons commencé à jouer.” Les équations qui décrivent les systèmes thermodynamiques incluent souvent des termes définis avec précision pour des éléments tels que la température et les potentiels chimiques. “Mais en tant qu'expérimentateur ou observateur, vous ne connaissez pas nécessairement ces valeurs” avec une très grande précision, explique Korbel.

Plus frustrant encore, ils ont réalisé qu'il était impossible de mesurer avec précision des paramètres tels que la température, la pression ou le volume, à la fois en raison des limites de mesure et du fait que ces quantités changent rapidement. Ils ont reconnu que l’incertitude concernant ces paramètres influence non seulement les informations sur l’état initial du système, mais également son évolution.

C'est presque paradoxal, dit Korbel. “En thermodynamique, vous supposez une incertitude concernant votre état, vous le décrivez donc de manière probabiliste. Et si vous avez la thermodynamique quantique, vous le faites avec une incertitude quantique”, dit-il. “Mais d'un autre côté, vous supposez que tous les paramètres sont connus avec une précision exacte.”

Korbel affirme que les nouveaux travaux ont des implications pour une gamme de systèmes naturels et artificiels. Si une cellule a besoin de détecter la température pour effectuer une réaction chimique, par exemple, sa précision sera alors limitée. L'incertitude dans la mesure de la température pourrait signifier que la cellule effectue plus de travail et consomme plus d'énergie. “La cellule doit payer ce coût supplémentaire pour ne pas connaître le système”, dit-il.

Les pinces optiques offrent un autre exemple. Il s’agit de faisceaux laser à haute énergie configurés pour créer une sorte de piège pour les particules chargées. Les physiciens utilisent le terme « rigidité » pour décrire la tendance de la particule à résister au déplacement du piège. Pour déterminer la configuration optimale des lasers, ils mesurent la rigidité aussi précisément que possible. Pour ce faire, ils prennent généralement des mesures répétées, en supposant que l'incertitude provient de la mesure elle-même.

Mais Korbel et Wolpert proposent une autre possibilité : l'incertitude vient du fait que la rigidité elle-même peut changer à mesure que le système évolue. Si tel est le cas, des mesures identiques et répétées ne permettront pas de le capturer, et trouver la configuration optimale restera difficile à atteindre. “Si vous continuez à suivre le même protocole, alors la particule ne se retrouve pas au même point, vous devrez peut-être pousser un peu”, ce qui signifie un travail supplémentaire qui n'est pas décrit par les équations conventionnelles.

Cette incertitude pourrait se manifester à toutes les échelles, dit Korbel. Ce qui est souvent interprété comme une incertitude dans les mesures peut être une incertitude déguisée dans les paramètres. Peut-être qu’une expérience a été réalisée près d’une fenêtre où le soleil brillait, puis répétée par temps nuageux. Ou peut-être que le climatiseur s'est mis en marche entre plusieurs essais. Dans de nombreuses situations, dit-il, « il est pertinent d’examiner cet autre type d’incertitude ».