L’incertitude du monde quantique


Héléna Sliwinska nous invite à découvrir un principe au centre de la physique quantique : l'incertitude quant à l'état d'une particule. En matière de mesure, comment mettre en évidence cette superposition d'états ?

Physical formulas and equations

Le prix Nobel de physique pour l'année 2012 a été décerné à Serge Haroche et David J. Wineland et a récompensé leurs méthodes expérimentales qui permettent la mesure et la manipulation des systèmes quantiques individuels.

Ces résultats expérimentaux s'inscrivent dans la compréhension du monde par l'homme. Ils mettent en évidence l'étrange comportement des particules qui nous constituent et pointent explicitement la vision réduite que nous avons de notre monde, construite au fil du temps grâce à des expériences. Notre volonté d'atteindre une vérité objective est limitée par un conditionnement obligatoire, le fait même de devoir choisir oriente ce que nous voyons. Il semble que la subjectivité soit intrinsèque à l'homme. Mais la limite de compréhension, même si elle existe, est repoussable, au prix d'un intense sentiment de vertige. Les résultats expérimentaux des équipes de Serge Haroche et de David Wineland repoussent les limites de notre entendement et nous amènent à porter un nouveau regard sur notre réalité. Dans ce monde, les particules ne sont plus dans un état unique mais dans plusieurs états à la fois, on dit que la particule quantique (*) est dans une superposition d'états.

Le monde quantique est régi par l'incertitude quant à l'état d'une particule. Cet effet disparaît dans le monde macroscopique car la particule choisit un état lorsqu'elle est en interaction avec ses particules voisines. Ce phénomène d'effondrement de l'ambiguïté quantique se nomme décohérence. L'équipe de l’École Normale Supérieure, dirigée par Serge Haroche, a pu suivre en temps réel ce phénomène et a montré que le temps de décohérence est d'autant plus court que le nombre de particules est grand. Ce qui explique le caractère classique des systèmes macroscopiques.

Lors d'une expérience, nous observons le comportement d'une particule grâce à ses interactions avec le système de mesure, constitué lui même d'un nombre inconsidérable de particules. C’est pour cela que toutes nos expériences effectuées jusqu'à maintenant n'ont pas pu observer ces états superposés.

Le procédé d'observation d'états quantiques de Serge Haroche permet de mesurer l'état des particules quantiques en contrôlant les interactions avec le système de mesure de façon à réduire au maximum la décohérence induite par la mesure. L'équipe a par exemple réussi à compter des photons sans qu'ils se retrouvent absorbés par la matière, on parle de détection transparente.

Mon but est que nous comprenions le principe des expériences de l'équipe de Serge Haroche qui ont mené à l'observation de superpositions d'états quantiques.

Pour comprendre ces expériences complexes mais compréhensibles, nous nous devons de passer par plusieurs étapes. Dans un premier temps, nous expliquerons le plus simplement possible ce qu'est un état quantique et plus précisément nous révélerons la logique qui est derrière la notion de superposition d'états.

Considérons une expérience ayant comme sujet la mesure de l'état d'une seule particule quantique. En reproduisant plusieurs fois l'expérience avec des conditions initiales identiques, les résultats pourront être différents.

Nous sommes donc incapables de prédire de manière exacte l'état d'un système quantique. Nous pouvons seulement avoir accès à la probabilité qu'un système quantique se trouve dans tel ou tel état. Les résultats se présentent sous forme de distribution probabiliste.

Par exemple, si l'on observe la désintégration d'un noyau atomique (**), la physique théorique permet de prédire combien de noyaux se désintégreront sur une durée donnée mais elle ne permet absolument pas de savoir exactement quel noyau se désintégrera. L'information que l'on a pour un noyau correspond donc à sa probabilité de désintégration. La loi physique probabiliste prédit avec justesse le comportement de l'ensemble des particules. Elle assigne à chaque particule plusieurs états possibles, chacun ayant une probabilité associée. Ainsi, l'état d'une particule (***) se formalise mathématiquement par une somme des états possibles pondérés par un coefficient qui donne l'information sur la probabilité que l'état a de se produire.

Considérons la désintégration d'un noyau. Son état correspond à la somme des deux états possibles : état Désintégré et état Non Désintégré. Chaque état est précédé par un coefficient qui dépend de la probabilité de désintégration. La somme des probabilités est égale à 1, c'est à dire 100 % car, comment pourrait-il en être autrement ? Soit le noyau reste stable, soit il se désintègre.

Etat = Coeff (Désintégré )* Etat (Désintégré ) + Coeff (Non Désintégré )* Etat (Non Désintégré )

avec

Proba (Désintégré)+Proba (Non Désintégré) = 1

Proba (Désintégré)+Proba (Non Désintégré) = [Coeff (Désintégré)] ² + [Coeff (Non Désintégré)] ²

Définir les états quantiques ainsi ne pose aucun problème car l'on traduit l'information complète que l'on a d'une particule quantique. Une interprétation simple et directe consiste à dire qu'avant la mesure, la particule est dans un état que nous ne savons pas prédire avec certitude. C'est donc le manque d'informations qui mène à cette théorie probabiliste. Cela est en fait loin d'être évident. L'interprétation la plus partagée dans la communauté scientifique qui se nomme l'interprétation de Copenhague, va à l'encontre de cette première interprétation : le point de vu probabiliste ne découle pas d'un manque d'informations car, tant qu' aucune mesure n'a été faite, il est impossible de conclure. Autrement dit, cette interprétation nous interdit de considérer que la particule était dans un unique état avant la mesure. Selon cette pensée, on se doit de considérer les états quantiques comme étant superposés. Une solution unique n’apparaissant qu'à l'instant de la mesure.

Grâce aux expériences menées par l'équipe de Serge Haroche, il est possible d’observer l'état non défini de la particule quantique qu'est le photon. Dans un article du 9 octobre 2012, le journaliste scientifique Sylvestre Huet revenait sur les recherches fascinantes de Serge Haroche, et les mettait en perspective avec les travaux et intuitions des fondateurs de la physique quantique, remontant aux années 1920.

La "boîte à photons", utilisée par l'équipe de Serge Haroche. Ce dispositif permet de piéger un photon afin de le manipuler et de le mesurer, sans le détruire, durant un dixième de seconde. C'est-à-dire très longtemps, à l'échelle quantique.  Source : http://sciences.blogs.liberation.fr/home/2012/10/serge-haroche-prix-nobel-de-physique-2012.html

La "boîte à photons", utilisée par l'équipe de Serge Haroche. Ce dispositif permet de piéger un photon afin de le manipuler et de le mesurer, sans le détruire, durant un dixième de seconde. C'est-à-dire un temps très long, à l'échelle quantique.
Source : http://sciences.blogs.liberation.fr/home/2012/10/serge-haroche-prix-nobel-de-physique-2012.html

Depuis 1996, des expériences sont menées pour mettre en évidence la présence de ces états superposés. Pour cela, il faut être capable de mesures si légères qu'elles laissent intact ce comportement quantique. Le prix Nobel récompensant les expériences sur les phénomènes de décohérence manifeste de la reconnaissance scientifique accordée à ces résultats.

Dans les deux prochains articles, nous expliquerons comment créer et observer les état superposés.

(*) Dans ce texte, les particules quantiques correspondent aux particules fondamentales de la matière (électrons, neutrinos, quarks, photons, gluons, etc ...) ainsi qu’à des éléments composés de ces particules fondamentales, d’échelle nanométrique ou en dessous, comme les protons, les neutrons, les atomes, etc ...

(**) Tous les noyaux se désintègrent mais pour certains, le temps de désintégration est beaucoup plus important, ils sont considérés comme étant stables.

(***) Nous venons de prendre comme exemple la désintégration d'un noyau. Or, pour définir l'état complet de ce noyau, il est nécessaire de connaître les autres quantités qui lui donnent son identité. Ainsi, généralement, le scientifique caractérise l'état en définissant l'énergie et le mouvement de la particule.

Bibliographie :

  • Cohen-Tannoudji Claude, Diu Bernard, Laloë Franck, 1997, Mécanique Quantique I et II, Hermann. Livres de référence pour comprendre les principes de la Mécanique Quantique.

L'auteure :

PhotoHelenaG

Après trois années de thèse en physique nucléaire théorique, Héléna Sliwinska a décidé d’intégrer le Master Histoire, Médiation et Philosophie des Sciences à l'Université de Strasbourg. Considérant que la connaissance s’inscrit dans notre société, plus généralement encore, qu'elle est inhérente à la condition d'être humain, Héléna est intimement convaincue que l'étudier à travers l’histoire et la philosophie des sciences permet d’avoir une démarche réflexive, indispensable à l'atteinte d'une compréhension profonde.


6 commentaires pour “L’incertitude du monde quantique”

  1. hippocrate | Permalink

    Fort intéressant, mais à vrai dire, comment parler de probablité ou d'incertitude sans tenit compte du fait que l'équation de Schrödinger, qui fournit une théorie quantique complète à l'heure actuelle, n'est en rien probabiliste.
    Je veux dire par là que "l'incertitude quantique", la "probabilité de présence", sont des descriptions empiriques et non des causes efficientes, a priori organisatrices,comme tout ce qui est probabilité d'ailleurs ( on peut en dire autant de l'utilisation du terme "entropie" en mécanique statistique).

    "Observer une superposition d'états" est un oxymore, car la fonction d'onde n'existe littéralement pas, n'est qu'un intermédiaire de calcul, une fonction introduite comme indispensable au formalisme, mais hors de toute "mesure", puisque purement abstraite

    Ces travaux, certes cruciaux et passionnants pour les connaisseurs, tournent en réalité autour de ce thème passionnant qu'est la décohérence de phase, le caractère probabiliste de l'interaction , qui d'ailleurs obéit à cette hypothèse empirique qu'est l'ergodicité, étant la conséquence de notre ignorance quant à "qu'est ce qui détermine le choix de tel ou tel état au cours de l'interaction", en admettant que cette question ait un sens.
    La théorie d'Everet a au moins le mérite de fournir des pistes cohérentes à cette question, et en évitant tous les délires mystiques autour du quantique...
    " pourquoi les résultats de l'interaction ne peuvent t'ils être empiriquement appréhendés que de façon probabiliste, alors que l'équation d'évolution des états ne contient aucun élément probabiliste ?"

    La notion d'incertitude elle-même doit être employée avec prudence: il n'y a rien d'aussi certain ( exact et précis) que les transitions entre niveaux d'énergie

    Ces travaux permettront t'ils, à votre avis, de fonder "microscopiquement" la non réversibilité du temps?

  2. Quark | Permalink

    Le terme "incertitude" n'est pas bon (comme suggéré au dessus).
    Je pense "qu'indétermination" est beaucoup plus exact pour décrire l'état - indéterminé - des particules isolées.
    D'ailleurs on parle bien de "principe d'incertitude" de Heinsenberg.
    Le titre devrait donc être "L'indétermination du monde quantique".
    Au delà de ça, c'est une bonne présentation compréhensible du monde quantique.

  3. Sliwinska | Permalink

    Bonjour,

    Merci beaucoup pour votre commentaire.

    Effectivement, l'équation de Schrödinger permet de décrire l'évolution continue d'un état dans le temps. Cette évolution est applicable à la suite d'une mesure nous donnant l'état de la particule. Ainsi, si la particule est mesurée dans l'état A(t=0), l'équation de Schrödinger définie l'état A(t). Le passage de A(t=0) à A(t) est en effet déterministe. Maintenant, si on effectue une nouvelle mesure de la quantité B au temps t_m. Faisant l'hypothèse que l'on a, A(t_m)= a B_1 + b B_2. Cette mesure va projeter l'état A(t_m) sur l'état B_1 ou sur l'état B_2 avec des probabilités respectives égales à |a|^2 et |b|^2. Cette mesure est le résultat d'un processus aléatoire, nous sommes dans un espace probabiliste.

    En résumé, lors d'un mesure, le résultat trouvé suit les règles probabilistes. Nous sommes dans une caractérisation indéterminée du phénomène. Après
    la mesure, l'équation de Schrödinger nous donne l'évolution de l'état (ou fonction d'onde). Cette évolution est continue et déterministe. Pour être complète, la théorie quantique repose sur les probabilités et sur l'équation de Schrödinger.

    Les lois probabilistes ne sont pas seulement empiriques, elles relèvent d'un espace mathématique. Il en est de même lorsque l'on se réfère à l'évolution spacio-temporelle d'un système macroscopique en mécanique classique:
    l'espace est l'espace euclidien à trois dimensions (dans le cas non relativiste). Il est vrai que cet espace nous paraît plus naturel qu'un espace infini (espace de Hilbert) régulé par des lois probabilistes. Mais il n'y a aucune raison de privilégier un espace à un autre. Tous deux tendent à généraliser les phénomènes physiques observés. Pour reprendre vos termes, ces deux espaces sont "à priori" organisateurs des phénomènes physiques.

    Comme je le démontrerai dans mon dernier article, l'observation de la superposition d'états ne se fera pas grâce à une mesure "directe", projetant l'état mesuré et détruisant ainsi cette superposition d'états. De plus, il me semble difficile de séparer l'information théorique de l'information expérimentale. Ainsi, ce que l'on voit, est en lien directe avec les prémisses théoriques. Autrement dit, "ce qui existe" doit être pensé. Surtout en physique ...

    Pouvez-vous, s'il vous plait, m'expliquer comment, précisément, vous reliez le principe d'ergodicité et les lois probabilistes? J'aimerais grandement
    connaître votre point de vue. De plus, je suis bien d'accord qu'il serait bien d'arrêter "tous les délires mystiques autour de la physique quantique". La compréhension précise permettant cela.

    Comprendre pourquoi les résultats mesurés, pour être prédits, utilisent les probabilités alors que l'évolution de l'état dans le temps est déterministe, est une question très intéressante!

    De mon point de vue, la notion d'incertitude exprime le fait que les phénomènes ne puissent être parfaitement déterminés. Cela ne signifie pas que le degré de détermination est nul. Preuve en est par l'existence des "lois" probabilistes.

    Votre dernière question est très intéressante. Intuitivement, je pense qu'il serait intéressant de chercher sous quelles conditions le temps est réversible: condition de conservation de la symétrie du système ...

  4. claudio | Permalink

    La mécanique quantique, c'est fascinant, d'autant plus que je n'y comprends rien.
    Ceci dit, je me demande souvent (disons parfois...) pourquoi les différents états possibles d'une situation quantique n'ont pas les mêmes probabilités d'occurence lors de la mesure : cela me semble aller à l'encontre du vrai hasard , que j'associe peut-être à tort à une probabilité de 1/n pour n états possibles.

  5. Hadrien | Permalink

    Pourquoi dit-on que le monde quantique est constitué de particules ?

    Cela rend la physique quantique difficile à comprendre. En particulier, cela nous oblige à formuler des explications peu intuitives comme "la particule quantique est dans une superposition d'états."

    Un nuage, par exemple, n'est pas localisé en un seul point. On ne dit pas que la position d'un nuage est une superposition de coordonnées !
    Je sais bien qu'après la décohérence, le "nuage quantique" se concentre en un seul point/particule, mais ça me semble être une raison un peu légère pour justifier la terminologie actuelle, qui est (inutilement?) confuse.

  6. Quark | Permalink

    Hadrien : vous touchez une des raisons principale de l'incompréhension de ce qui est quantique à mon avis.On entend souvent (avec la métaphore du chat) que les objets quantiques sont ondes et particules en même temps. En réalité elles semblent êtres ni l'une ni l'autre jusqu'à ce qu'une mesure soit faite, mais nous n'avons absolument pas de représentation évidente de ce qu'elles pourraient êtres. Donc un nuage, pourquoi pas, ou superposition d'états... Je me suis fais à seconde, mais c'est peut-être une mauvaise habitude !

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