jeudi , 17 août 2017

Une vision alternative de la physique quantique

La théorie de l’onde pilote est une explication alternative sur la superposition qui est l’un des piliers de la physique quantique. Cette théorie avait été invalidée depuis plusieurs années, mais une nouvelle expérience prétend que cette invalidation est incorrecte et que la théorie de l’onde pilote mérite une autre chance.


Une vision alternative de la physique quantique

Traduction de l’article de Quanta Magazine.

Parmi les nombreuses caractéristiques contre-intuitives de la mécanique quantique, l’une des plus difficiles est que les particules n’ont pas de positions tant qu’on ne les a pas observés. Et c’est une interprétation standard de la mécanique quantique qu’on connait comme l’interprétation de Copenhague. Plutôt que d’avoir des positions et des mouvements précis typiques de la physique de Newton, nous avons un nuage de probabilité décrit par une structure mathématique connue comme une fonction d’onde. La fonction d’onde évolue au fil du temps et cette évolution est régie par des règles précises qui sont codifiées dans quelque chose qu’on appelle l’équation de Schrödinger.

Ces mathématiques sont claires, mais les particules le sont moins. Tant qu’une particule n’a pas été observée, un acte qui provoque l’effondrement de la fonction d’onde, nous ne pouvons rien dire sur sa localisation. Albert Einstein, parmi tant d’autres, protestait contre cette idée. Et son biographe Abraham Pais écrit : Nous avons souvent discuté de cette notion sur la réalité objective. Une fois, je me rappelle qu’Einstein s’est arrêté net pendant que nous marchions et il m’a demandé si je croyais que la lune existait uniquement lorsque je l’observais.

Mais il y a une autre vision qui existe depuis près d’un siècle dans laquelle les particules ont des positions précises à n’importe quel moment. Cette vision alternative, connue comme la théorie de l’onde pilote ou les mécaniques Bohmiennes, n’est jamais devenue populaire par rapport à la vision de Copenhague, car elle implique que le monde doit être étrange dans d’autres manières. Mais c’est une étude de 1992 qui lui a décroché une flèche mortelle, car cette étude a cristallisé des conséquences très bizarres. Les auteurs de ce papier ont conclu qu’une particule, qui suivrait les lois de la mécanique Bohmienne, aurait une trajectoire qui serait tellement peu crédible, même selon les normes déformées de la mécanique quantique, qu’ils ont considéré cette trajectoire comme étant surréelle.

Presque un quart de siècle plus tard, un groupe de scientifiques a mené une expérience à Toronto pour tester cette idée. Et si leurs résultats, publiés au début de 2016, résistent à l’analyse, alors la vision Bohmienne de la mécanique quantique, moins floue dans certains aspects, mais plus étrange que la vision traditionnelle, pourrait revenir sur le devant de la scène.

Enregistrer la position des particules

Les mécaniques Bohmiennes ont été calculées par Louis de Broglie en 1927 et ensuite par David Bohm de manière indépendante en 1952. Bohm l’a développé jusqu’à sa mort en 1992. Cette théorie est parfois appelée comme la théorie de Broglie-Bohm. Comme dans la vision de Copenhague, il y a une fonction d’onde gouvernée par l’équation de Schrödinger. Mais en plus, chaque particule possède une position actuelle et définie même quand elle n’est pas observée. Les changements dans les positions des particules sont fournis par une autre équation, connue comme l’onde pilote (ou l’équation de guide). La théorie est totalement déterministe, à savoir, si vous connaissez l’état initial d’un système et que vous avez la fonction d’onde, alors vous pouvez calculer la destination de chaque particule.

Cela peut sembler un retour en arrière dans les mécaniques classiques, mais il y a une différence cruciale. Les mécanismes classiques sont purement locales. Une chose peut affecter une autre chose uniquement quand elle est proche (ou via l’influence d’une sorte de champ telle que le champ électrique qui peut envoyer des impulsions moins rapides que la vitesse de la lumière). Par contraste, les mécaniques quantiques sont intrinsèquement non locales. Le meilleur exemple de cette non-localité est l’inévitable intrication quantique, une propriété considérée par Einstein dans les années 1930. Une paire de particules sont connectées de telle manière qu’une mesure sur une particule semble affecter l’état de l’autre sans qu’il y ait une connexion ou une proximité apparente. L’idée a été ridiculisée par Einstein comme étant une action terrifiante à distance. Mais des centaines d’expériences, à partir des années 1980, ont confirmé que cette action terrifiante est une caractéristique tout à fait réelle de notre univers.

Dans la vision Bohmienne, la non-localité est encore plus visible. La trajectoire de n’importe quelle particule dépend du comportement des autres particules décrites par la même fonction d’onde. Et le point critique est que la fonction d’onde n’a pas de limites géographiques et donc, en principe, elle pourrait couvrir tout l’univers. Cela signifie que l’univers est étrangement interdépendant même sur de grandes distances. La fonction d’onde combine ou associe les particules distantes dans une seule réalité irréductible selon Sheldon Goldstein, un mathématicien et physicien à l’université de Rutgers.

Les différences entre Bohm et Copenhague deviennent claires lorsqu’on regarde l’expérience classique de la double fente. Dans cette dernière, des particules (par exemple des électrons) passent à travers une paire de fentes étroites et atteignent un écran où on enregistre chaque particule. Quand on mène l’expérience, les électrons se comportent comme des ondes et ils créent un pattern particulier appelé le pattern d’interférence. De manière remarquable, ce pattern apparait même quand on envoie les électrons un par un suggérant que chaque électron passe simultanément par les 2 fentes.

Les partisans de la vision de Copenhague adorent cette expérience, car il n’y a pas de sens à parler d’une position de particule tant qu’on ne l’a pas mesuré. Certains physiciens choisissent l’interprétation des mondes parallèles de la mécanique quantique dans laquelle les observations dans un premier univers voient l’électron qui passe à travers la fente de gauche tandis que dans les autres univers, les observateurs la voient qui passe à travers la fente de droite. C’est une explication qui tient la route si vous êtes à l’aise avec un nombre infini d’univers invisibles.

En comparaison, la vision Bohmienne est moins sauvage. Les électrons agissent comme des particules et leur vélocité, à n’importe quel moment, est déterminée par l’onde pilote. L’onde pilote dépend de la fonction d’onde. Dans cette vision, chaque électron est comme un surfeur. Il occupe une place particulière à chaque moment dans le temps, mais son mouvement est dicté par celui de l’onde qui se propage. Bien que chaque électron prenne un chemin déterminé pour passer à travers une seule fente, l’onde pilote passe à travers les 2 fentes. Et le résultat correspond au pattern qu’on voit dans la mécanique quantique standard.

Explication de la théorie de l'onde pilote dans la mécanique quantique

Explication de la théorie de l’onde pilote dans la mécanique quantique

Pour certains théoriciens, l’interprétation Bohmienne possède une attirance irrésistible. Tout ce qu’on a besoin de dire, pour donner un sens à la mécanique quantique, est de se dire : Quand nous parlons de particules, ce sont vraiment des particules et tous les problèmes disparaissent selon Goldstein. Les choses ont des positions et elles sont quelque part. Et si vous considérez sérieusement cette idée, alors vous allez tout droit vers Bohm. C’est une version beaucoup plus simple de la mécanique quantique que celle qu’on voit dans les livres. Howard Wiseman, un physicien à l’université de Griffith en Australie, a déclaré que la vision Bohmienne vous donne une explication simple sur l’apparence du monde. Vous n’avez pas à vous plonger dans des noeuds philosophiques sur la vraie apparence des choses.

Mais peu de personnes acceptent la vision de Bohm et sa théorie n’a pas été acceptée comparée à la vision de Copenhague et elle est même derrière l’interprétation des mondes parallèles. Le principal missile est venu d’un papier connu comme ESSW, un acronyme basé sur ses auteurs. Le papier ESSW a prétendu que les particules ne peuvent pas suivre de simples trajectoires Bohmienne dans l’expérience de la double fente. Supposez que quelqu’un place un détecteur à côté de chaque fente, selon ESSW, pour enregistrer laquelle des particules passe à travers une fente donnée. ESSW a montré qu’un photon pouvait passer à travers la fente gauche, mais dans la vision Bohmienne, on devait l’enregistrer comme ayant passé par la fente de droite. Cela semble impossible, car si c’est le cas, alors les photons doivent suivre une trajectoire surréelle selon les mots des auteurs. L’argument d’ESSW est une objection philosophique à toute épreuve contre la vision de Bohm selon Aephraim Steinberg, un physicien à l’université de Toronto. Elle a endommagé mon amour pour les mécaniques Bohmiennes.

Mais cet amour pourrait être ressuscité. Dans un papier publié dans Science Advances, Steinberg et ses collègues, mais l’équipe incluait aussi Wiseman ainsi que 5 chercheurs canadiens, décrivent ce qui se passe lorsqu’on effectue l’expérience ESSW. Ils ont trouvé que les trajectoires du photon ne semblent pas si surréelles ou plus précisément, le chemin semble surréel, mais uniquement si on ne compte pas la non-localité intrinsèque de la théorie de Bohm.

L’expérience de Steinberg est similaire à celle de la double fente. Mais ils ont utilisé des photons plutôt que des électrons. Et au lieu d’envoyer ces photons à travers une paire de fentes, ils l’ont fait passer par un séparateur de faisceau, un appareil qui dirige un photon le long d’un des 2 chemins dépendant de la polarisation du photon. Les photons ont atteint une caméra à un seul photon (équivalent à l’écran dans l’expérience traditionnelle) pour enregistrer le résultat final. La question : La particule est passée par laquelle des 2 fentes est devenue : Entre les 2 chemins, quel est celui qui a été pris par la particule ?

De plus, les chercheurs ont utilisé des paires de photons intriqués. Le résultat est qu’ils pouvaient interroger un photon pour obtenir l’information sur l’autre. Quand le premier photon passe à travers le séparateur de faisceau, le second photon connait le chemin pris par ce premier photon. L’équipe pouvait ensuite utiliser l’information du second photon pour traquer le chemin du premier. Chaque mesure indirecte a donné une valeur approximative, mais les scientifiques pouvaient utiliser une moyenne à partir de nombreuses mesures pour reconstruire la trajectoire du premier photon.

Et effectivement, l’équipe a trouvé que les chemins du photon semblent surréels comme prédit par ESSW. Un photon pouvait frapper un côté de l’écran même quand la polarisation du partenaire intriqué stipule que le photon a pris l’autre chemin. Mais est-ce qu’on peut croire en l’information du second photon ? Et le point crucial est que Steinberg et ses collègues ont trouvé la réponse à la question : Le chemin pris par le premier photon dépend du moment où on pose cette question.

Immédiatement après que le premier photon soit passé à travers le séparateur de faisceau, le second photon est fortement corrélé avec le chemin du premier photon. Quand une particule passe à travers la fente, la sonde (le second photon) connait précisément la fente par laquelle le premier photon est passé selon Steinberg.

Mais lorsque le premier photon s’éloigne de plus en plus, alors le rapport du second photon devient moins fiable. Et la raison est la non-localité. Étant donné que les 2 photons sont intriqués, le chemin du premier photon va affecter la polarisation du second photon. Au moment où le premier photon atteint l’écran, la polarisation du second photon est également orientée dans une manière ou une autre. En gros, le second photon n’avait plus rien à dire, comme si le premier photon avait pu prendre la première ou la seconde route (ce qui est équivalent à savoir par laquelle des deux fentes le photon est passé).

Le problème n’est pas que les trajectoires de Bohm sont surréelles selon Steinberg. Le problème est que c’est le second photon qui nous dit que les trajectoires de Bohm sont surréelles et grâce à la non-localité, on ne peut pas croire ce qu’il nous dit. Et il n’y a pas de contradiction selon Steinberg. Vous devez toujours penser à la non-localité sinon vous manquerez quelque chose de vraiment important.

Plus rapide que la lumière

Certains physiciens, qui s’en fichaient d’ESSW, et qui avaient embrassé la vision Bohmienne n’ont pas été surpris par les résultats de Steinberg. Il y a eu de nombreuses attaques contre la vision Bohmienne au fil des années et elles ont avorté parce qu’elles n’ont pas compris le sens de l’approche de Bohm selon Basil Hiley, un physicien à l’université de Londres et qui a collaboré avec Bohm sur son dernier livre intitulé The Undivided Universe. Owen Maroney, un physicien à l’université d’Oxford, qui était étudiant d’Hiley, a décrit ESSW comme un petit argument qui ne présente pas un nouveau défi pour Broglie-Bohm. Sans surprise, Maroney est excité par les résultats expérimentaux qui supportent sa vision pendant toutes ces années. C’est une expérience intéressante et cela donne une motivation pour considérer sérieusement Broglie-Bohm.

Dans l’autre camp, Berthold-Georg Englert, l’un des auteurs d’ESSW (avec Marlan Scully, George Süssman et Herbert Walther), maintient que leur papier reste toujours une flèche mortelle contre la vision Bohmienne. Selon Englert, les trajectoires de Bohm existent comme des objets mathématiques, mais elles manquent de significations physiques. Sur une note historique, Einstein a vécu assez longtemps pour entendre parler de la résurrection par Bohm de la proposition de Broglie et il n’était pas impressionné la considérant comme étant trop simpliste pour être correcte. Dans une lettre au physicien Max Born au printemps 1952, Einstein écrit sur les travaux de Bohm :

Avez-vous noté que Bohm pense (ce que Broglie a déjà fait il y a 25 ans) qu’il peut interpréter la théorie quantique en des termes déterministes ? Cela semble trop facile pour moi. Mais vous, bien sûr, pourrez en juger bien mieux que moi.

Et même pour ceux qui embrassent la vision Bohmienne, des questions persistent. Et la première sur la liste est la tension apparente avec la relativité qui interdit une communication plus rapide que la lumière. Bien sûr, les physiciens ont noté depuis longtemps que la non-localité associée avec l’intrication quantique ne viole pas un signal plus rapide que la lumière (et donc, ce n’est pas un risque pour le paradoxe du grand-père et d’autres violations de causalité). Mais même dans l’état, de nombreux physiciens estiment qu’on a besoin de plus de clarification, notamment le rôle prédominant de la vision Bohmienne. La dépendance apparente sur ce qui se produit ici sur ce qui peut se produire là-bas nécessite une explication.

L’univers semble parler à lui-même à une vitesse plus rapide que celle de la lumière selon Steinberg. Je pourrais comprendre un univers où rien ne peut aller plus vite que la lumière, mais un univers où des tâches internes fonctionnent plus vite que la vitesse de la lumière et que nous ne pouvons pas les utiliser à des niveaux macroscopiques. C’est très difficile à comprendre.

 

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A propos de Jacqueline Charpentier

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Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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