Physique quantique: qu'est-ce qui est vraiment réel?

Selon Owen Maruni, physicien à l'Université d'Oxford, depuis l'avènement de la théorie quantique dans les années 1900, tout le monde a parlé de l'étrangeté de cette théorie. Comment permet-il aux particules et aux atomes de se déplacer dans plusieurs directions simultanément ou de tourner simultanément dans le sens horaire et antihoraire. Mais vous ne pouvez rien prouver avec des mots. «Si nous disons au public que la théorie quantique est très étrange, nous devons vérifier cette affirmation expérimentalement», explique Maruni. "Sinon, nous ne faisons pas de science, mais parlons de toutes sortes de gribouillis au tableau."

C'est ce qui a conduit les associés de Maruni à développer une nouvelle série d'expériences pour découvrir l'essence de la fonction d'onde - l'essence mystérieuse qui sous-tend les bizarreries quantiques. Sur le papier, la fonction d'onde n'est qu'un objet mathématique, désigné par la lettre psi (Ψ) (un de ces mêmes gribouillis), et est utilisée pour décrire le comportement quantique des particules. Selon l'expérience, la fonction d'onde permet aux scientifiques de calculer la probabilité d'observer un électron à un endroit particulier, ou les chances que son spin soit orienté vers le haut ou vers le bas. Mais les mathématiques ne disent pas ce qu'est réellement une fonction d'onde. Est-ce quelque chose de physique? Ou tout simplement un outil informatique qui vous permet de travailler avec l'ignorance des observateurs sur le monde réel?

Les tests utilisés pour répondre à la question sont très subtils et doivent encore donner une réponse définitive. Mais les chercheurs sont optimistes quant à la proximité du dénouement. Et enfin, ils pourront répondre à des questions qui ont tourmenté toutes les décennies. Une particule peut-elle vraiment se trouver à plusieurs endroits en même temps? L'Univers est-il constamment divisé en mondes parallèles, dans chacun desquels existe notre version alternative? Y a-t-il quelque chose du tout appelé réalité objective?

«De telles questions se posent tôt ou tard à n'importe qui», explique Alessandro Fedricci, physicien à l'Université du Queensland (Australie). "Qu'est-ce qui est vraiment réel?"

Le débat sur l'essence de la réalité a commencé même lorsque les physiciens ont découvert que l'onde et la particule n'étaient que les deux faces d'une même médaille. Un exemple classique est une expérience avec deux fentes, où des électrons individuels tirent sur une barrière à deux fentes: l'électron se comporte comme s'il traversait deux fentes en même temps, créant un motif d'interférence rayé de son autre côté. En 1926, le physicien autrichien Erwin Schrödinger a inventé une fonction d'onde pour décrire ce comportement et a dérivé une équation qui a permis de le calculer pour n'importe quelle situation. Mais ni lui ni personne d'autre ne pouvait rien dire sur la nature de cette fonction.

Grace dans l'ignorance

D'un point de vue pratique, sa nature n'est pas importante. L'interprétation de Copenhague de la théorie quantique, créée dans les années 1920 par Niels Bohr et Werner Heisenberg, utilise la fonction d'onde simplement comme un outil pour prédire les résultats des observations, vous permettant de ne pas penser à ce qui se passe dans la réalité. "Vous ne pouvez pas blâmer les physiciens pour un tel modèle de comportement, taire et compter, car il a conduit à des percées importantes dans la physique nucléaire et atomique, la physique du solide et la physique des particules élémentaires", explique Gene Brickmont, spécialiste en physique statistique à l'Université catholique de Belgique. "Par conséquent, il est conseillé aux gens de ne pas s'inquiéter des problèmes fondamentaux."

Mais certains sont toujours inquiets. Dans les années 1930, Einstein a rejeté l'interprétation de Copenhague, notamment parce qu'elle permettait à deux particules de confondre leurs fonctions d'onde, ce qui a conduit à une situation dans laquelle les mesures de l'une d'entre elles pouvaient instantanément donner l'état de l'autre, même si elles étaient séparées par d'énormes les distances. Afin de ne pas supporter cette «interaction effrayante à distance», Einstein a préféré croire que les fonctions d'onde des particules étaient incomplètes. Il a dit qu'il est possible que les particules aient des variables cachées qui déterminent le résultat de la mesure, qui n'ont pas été remarquées par la théorie quantique.

Des expériences ont depuis démontré la performance d'interactions effrayantes à distance, ce qui rejette le concept de variables cachées. mais cela n'a pas empêché les autres physiciens de les interpréter à leur manière. Ces interprétations sont divisées en deux camps. Certains conviennent avec Einstein que la fonction d'onde reflète notre ignorance. C'est ce que les philosophes appellent les modèles psi-épistémiques. Et d'autres voient la fonction d'onde comme la vraie chose - les modèles psi-ontiques.

Pour comprendre la différence, imaginez l'expérience mentale de Schrodinger décrite en 1935 dans une lettre à Einstein. Le chat est dans une boîte en acier. La boîte contient un échantillon de matière radioactive, qui a 50% de chances d'émettre un produit de décomposition en une heure, et un appareil qui empoisonne un chat si ce produit est détecté. Puisque la désintégration radioactive est un événement de niveau quantique, écrit Schrödinger, les règles de la théorie quantique disent qu'au bout d'une heure, la fonction d'onde de l'intérieur de la boîte devrait être un mélange de chat mort et de chat vivant.

"Grosso modo", dit gentiment Fedricci, "dans le modèle psi-épistémique, le chat dans la boîte est vivant ou mort, et nous ne le savons tout simplement pas parce que la boîte est fermée." Et dans la plupart des modèles psi-ontiques, il y a accord avec l'interprétation de Copenhague: jusqu'à ce que l'observateur ouvre la boîte, le chat sera à la fois vivant et mort.

Mais ici, l'argument est au point mort. Laquelle des interprétations est vraie? Cette question est difficile à répondre expérimentalement, car la différence entre les modèles est très subtile. En substance, ils doivent prédire le même phénomène quantique que l'interprétation très réussie de Copenhague. Andrew White, physicien à l'Université du Queensland, a déclaré que pendant ses 20 ans de carrière dans la technologie quantique, "cette tâche était comme une énorme montagne lisse sans rebords, qui ne pouvait pas être abordée."

Tout a changé en 2011, avec la publication du théorème sur les mesures quantiques, qui semble avoir éliminé l'approche de la «fonction d'onde comme ignorance». Mais en y regardant de plus près, il s'est avéré que ce théorème laisse suffisamment d'espace pour leur manœuvre. Cependant, cela a inspiré les physiciens à réfléchir sérieusement aux moyens de résoudre le différend en testant la réalité de la fonction d'onde. Maruni a déjà développé une expérience, qui est en principe réalisable, et lui et ses collègues ont rapidement trouvé un moyen de le faire fonctionner dans la pratique. L'expérience a été menée l'année dernière par Fedricci, White et d'autres.

Pour comprendre l'idée du test, imaginez deux jeux de cartes. Dans l'un il n'y a que des rouges, dans l'autre seulement des as. «Ils vous donnent une carte et vous demandent de déterminer de quel paquet elle provient», explique Martin Ringbauer, physicien de la même université. S'il s'agit d'un as rouge, "une intersection se produit, et vous ne pouvez pas le dire avec certitude." Mais si vous savez combien de cartes dans chaque deck, vous pouvez calculer la fréquence de cette situation ambiguë.

La physique est en danger

La même ambiguïté se produit dans les systèmes quantiques. Il n'est pas toujours possible de découvrir avec une seule mesure, par exemple, comment un photon est polarisé. «Dans la vraie vie, il est facile de distinguer l'ouest de la direction juste au sud de l'ouest, mais dans les systèmes quantiques, ce n'est pas si simple», explique White. Selon l'interprétation standard de Copenhague, cela n'a aucun sens de poser des questions sur la polarisation, car la question n'a pas de réponse - jusqu'à ce qu'une autre mesure détermine exactement la réponse. Mais selon le modèle de la «fonction d'onde comme ignorance», la question est logique - c'est juste que l'expérience, ainsi que celle avec les jeux de cartes, manque d'informations. Comme pour les cartes, il est possible de prédire combien de situations ambiguës peuvent être expliquées par une telle ignorance et de comparer avec le grand nombre de situations ambiguës permises par la théorie standard.

C'est exactement ce que Fedricci a vérifié avec l'équipe. Le groupe a mesuré la polarisation et d'autres propriétés dans le faisceau de photons, et a trouvé le niveau des intersections, qui ne peut pas être expliqué par des modèles d '"ignorance". Le résultat soutient une théorie alternative - si la réalité objective existe, alors il y a une fonction d'onde. «Il est impressionnant que l'équipe ait pu résoudre une tâche aussi difficile avec une expérience aussi simple», explique Andrea Alberti, physicien à l'Université de Bonn (Allemagne).

La conclusion n'est pas encore gravée dans le granit: puisque les détecteurs n'ont capturé qu'un cinquième des photons utilisés dans le test, nous devons supposer que les photons perdus se sont comportés exactement de la même manière. Il s'agit d'une hypothèse forte, et maintenant le groupe s'efforce de réduire les pertes et de produire un résultat plus spécifique. À l'heure actuelle, l'équipe Maruni d'Oxford travaille avec l'Université de Nouvelle-Galles du Sud (Australie) pour répéter cette expérience avec des ions plus faciles à suivre. «Au cours des six prochains mois, nous aurons une version indéniable de cette expérience», explique Maruni.

Mais même si le succès les attend et que les modèles «fonction d'onde comme réalité» l'emportent, ces modèles ont différentes options. Les expérimentateurs devront en choisir un.

L'une des premières interprétations a été faite dans les années 1920 par le Français Louis de Broglie, et développée dans les années 1950 par l'Américain David Bohm. Selon les modèles de Broglie-Bohm, les particules ont un emplacement et des propriétés spécifiques, mais elles sont entraînées par une certaine «onde pilote», qui est définie comme une fonction d'onde. Cela explique l'expérience avec deux fentes, car une onde pilote peut traverser les deux fentes et donner une image d'interférence, bien que l'électron lui-même, attiré par lui, ne traverse qu'une seule des deux fentes.

En 2005, ce modèle a reçu un soutien inattendu. Les physiciens Emanuel Fort, qui travaillent maintenant à l'Institut Langevin à Paris, et Yves Kodier de l'Université de Paris Didro ont demandé aux étudiants une tâche simple, à leur avis: mener une expérience dans laquelle des gouttes d'huile tombant sur un plateau vont fusionner en raison des vibrations du plateau. À la surprise de tout le monde autour des gouttes, des vagues ont commencé à se former lorsque le plateau a vibré à une certaine fréquence. «Les gouttes ont commencé à se déplacer indépendamment le long de leurs propres vagues», explique Fort. "C'était un double objet - une particule tirée par une vague."

Depuis lors, Fort et Codier ont montré que de telles ondes peuvent conduire leurs particules dans une expérience avec deux fentes exactement comme le prédit la théorie des ondes pilotes, et peuvent reproduire d'autres effets quantiques. Mais cela ne prouve pas l'existence d'ondes pilotes dans le monde quantique. «On nous a dit que de tels effets sont impossibles en physique classique», explique Fort. "Et puis nous avons montré qu'ils étaient possibles."

Un autre ensemble de modèles basés sur la réalité, développé dans les années 1980, tente d'expliquer la forte différence de propriétés entre les grands et les petits objets. "Pourquoi les électrons et les atomes peuvent être à deux endroits en même temps, mais les tables, les chaises, les gens et les chats ne le peuvent pas", explique Angelo Basi, physicien à l'Université de Trieste (Italie). Connues sous le nom de «modèles d'effondrement», ces théories disent que les fonctions d'onde des particules individuelles sont réelles, mais peuvent perdre leurs propriétés quantiques et amener la particule dans une certaine position dans l'espace. Les modèles sont construits de telle sorte que les chances d'un tel effondrement sont extrêmement faibles pour une particule individuelle, de sorte que les effets quantiques dominent au niveau atomique. Mais la probabilité d'effondrement augmente rapidement lorsque les particules sont combinées, et les objets macroscopiques perdent complètement leurs propriétés quantiques et se comportent selon les lois de la physique classique.

Une façon de vérifier cela est de rechercher des effets quantiques dans de grands objets. Si la théorie quantique standard est vraie, il n'y a aucune restriction de taille. Et les physiciens ont déjà mené une expérience avec deux fentes en utilisant de grosses molécules. Mais si les modèles d'effondrement sont vrais, les effets quantiques ne seront pas visibles si une certaine masse est dépassée. Différents groupes prévoient de rechercher cette masse à l'aide d'atomes froids, de molécules, d'amas métalliques et de nanoparticules. Ils espèrent découvrir des résultats au cours des dix prochaines années. «Ce qui est cool avec ces expériences, c'est que nous soumettrons la théorie quantique à des tests rigoureux là où elle n'a pas encore été testée», explique Maruni.

Mondes parallèles

Un modèle «la fonction d'onde en tant que réalité» est déjà connu et apprécié des auteurs de science-fiction. Il s'agit d'une interprétation mondiale développée dans les années 1950 par Hugh Everett, qui était alors étudiant à l'Université de Princeton dans le New Jersey. Dans ce modèle, la fonction d'onde détermine le développement de la réalité si fortement que, à chaque mesure quantique, l'Univers se divise en mondes parallèles. En d'autres termes, en ouvrant une boîte avec un chat, nous donnons naissance à deux univers - l'un avec un chat mort et l'autre avec un chat vivant.

Il est difficile de séparer cette interprétation de la théorie quantique standard, car leurs prédictions coïncident. Mais l'année dernière, Howard Wiseman de l'Université de Griffith à Brisbane et ses collègues ont proposé un modèle de multivers qui peut être vérifié. Il n'y a pas de fonction d'onde dans leur modèle - les particules obéissent à la physique classique, aux lois de Newton. Et les effets étranges du monde quantique apparaissent parce qu'il existe des forces répulsives entre les particules et leurs clones dans des univers parallèles. «La force de répulsion entre eux génère des vagues se propageant à travers tous les mondes parallèles», explique Wiseman.

En utilisant une simulation informatique dans laquelle 41 univers ont interagi, ils ont montré que le modèle reproduit grossièrement plusieurs effets quantiques, y compris les trajectoires des particules dans une expérience avec deux fentes. Avec une augmentation du nombre de mondes, le schéma d'interférence tend vers le réel. Étant donné que les prédictions de la théorie varient en fonction du nombre de mondes, dit Wiseman, vous pouvez vérifier si le modèle multivers est correct - c'est-à-dire qu'il n'y a pas de fonction d'onde, mais la réalité fonctionne selon les lois classiques.

Comme la fonction d'onde n'est pas nécessaire dans ce modèle, elle restera viable même si les expériences futures excluent les modèles avec «ignorance». En plus de cela, d'autres modèles survivront, par exemple, l'interprétation de Copenhague, qui affirme qu'il n'y a pas de réalité objective, mais seulement des calculs.

Mais alors, comme le dit White, cette question fera l'objet d'une étude. Et bien que personne ne sache encore comment le faire, «ce qui serait vraiment intéressant, c'est de développer un test qui vérifie si nous avons une réalité objective».

Source: https://habr.com/ru/post/fr388179/