Une brève histoire des alternatives quantiques

La mécanique quantique de «Copenhague» dit que la réalité n'existe pas tant qu'elle n'est pas mesurée, donc beaucoup continuent de chercher des alternatives à cette interprétation

En 1915, Albert Einstein, avec l'aide de ses amis, a développé la théorie de la gravité , qui a transformé tout ce que nous considérions comme le fondement même de la réalité physique. L'idée que l'espace que nous habitons ne peut pas être complètement décrit par la géométrie euclidienne était incompréhensible; à tel point que le philosophe Emmanuel Kant, à bien des égards un penseur radical, a déclaré qu'aucune théorie de la physique ne pouvait y faire face.

Le physicien Werner Heisenberg a plus tard souligné le sens de l'erreur de Kant. Le grand philosophe a postulé que notre compréhension intuitive de la géométrie ancienne d'Euclide signifiait que c'était une base nécessaire de la réalité physique. En fait, cela s'est avéré faux, remettant en cause tout le système philosophique de Kant.

Malgré une rupture radicale avec les idées passées sur l'espace et le temps, les théories d'Einstein se sont rapidement jointes aux idées de Newton dans le cadre de la « physique classique ». L'humanité a été forcée de le faire parce que la révolution de la pensée scientifique s'est avérée si profonde qu'elle a créé une trace lumineuse dans l'histoire des sciences: le développement de la théorie de la physique quantique.

Que peut-on appeler une révolution scientifique plus profonde que la théorie générale de la relativité? Qu'est-ce qui pourrait créer un changement tectonique plus puissant que l'idée que l'espace et le temps eux-mêmes sont courbés par la matière?

Pour comprendre cela, nous devons d'abord essayer de comprendre: telle est l'étrangeté inhérente inhérente à la mécanique quantique. Dès que nous commencerons à nous sentir mal à l'aise dans le monde quantique, nous commencerons à comprendre pourquoi, après l'apparition de KM sur la scène, les physiciens ont essayé de lui créer des alternatives - des alternatives qui recréent les mêmes correspondances fantastiques avec des expériences, tout en préservant en même temps une partie du noyau classique compatible avec notre profonde une compréhension intuitive du comportement de la nature.

Tout ce que tu sais est faux

Notre profonde compréhension intuitive de la nature de la réalité découle de l'observation et de l'interaction avec le monde qui nous entoure, à partir de l'enfance. Avant même de pouvoir l'exprimer, nous commençons à comprendre les relations de cause à effet. La cause de tout événement qui se produit est un autre événement qui s'est produit. Le monde est prévisible.

Plus tard, nous devenons plus sophistiqués. Nous reconnaissons que notre compréhension des causes est limitée et nous sommes conscients de l'incertitude de leurs conséquences. Peut-être que nous étudions même la théorie des probabilités et les statistiques et apprenons à exprimer les limites de nos connaissances sous forme mathématique. Mais nous pensons que ce ne sont que nos limites et que la nature invisible en coulisses continue à utiliser les règles exactes de cause à effet. Lorsque nous lançons une pièce, ce n'est que le manque d'informations sur le mouvement de la pièce et l'air qui nous fait dire que la probabilité de chute d'un aigle est d'une seconde. Nous supposons que si nous connaissions tous les détails et que nous avions un ordinateur suffisamment grand pour effectuer les calculs, nous n'aurions pas à nous fier aux probabilités.

Cependant, une telle vue «réaliste» des choses ne peut survivre (et n'a pas survécu) aux données dures obtenues lors d'expériences sur des photons et d'autres particules subatomiques. Ce ne sont pas les physiciens qui, en raison de leur intransigeance obstinée, ont décidé de créer une théorie qui contredit nos sentiments intuitifs les plus précieux sur la réalité: en fait, ces résultats expérimentaux ont obstinément refusé de correspondre à des interprétations classiques. L'invention du formalisme quantique était un acte de désespoir - le seul qui ait fonctionné. Si nous nous limitons à poser des questions permises par la théorie quantique, nous serons récompensés par les bonnes réponses. Mais si nous persistons à essayer de clarifier ce que la théorie nous dit, en utilisant les concepts du monde classique, alors nous serons confus.

En tant qu'étudiant en physique, j'ai vu une démonstration de formation de ce qui m'a permis de jeter un bref regard sur l'étrangeté invisible du monde qui nous entoure. Vous pouvez répéter cette expérience à la maison, en utilisant simplement une lampe de poche ou un pointeur laser, ainsi que trois filtres polarisants (vous pouvez également utiliser des lunettes de lunettes de soleil cassées avec polarisation). Placez les deux filtres dans une rangée, en laissant un espace entre eux. Faites passer la lumière à travers cette paire et tournez un filtre jusqu'à ce que la lumière cesse de passer; leurs axes de polarisation sont devenus perpendiculaires. Insérez maintenant le troisième filtre entre les deux premiers. Vous verrez que la lumière commence à traverser cette structure: d'une certaine manière, l'ajout d'un filtre supplémentaire permet à la lumière de passer.

Cette démonstration faisait partie de la partie introductive du cours de mécanique quantique. Pendant plusieurs semaines, nous avons été plongés dans le formalisme de la théorie quantique, dont ce comportement apparemment paradoxal résulte comme une conséquence triviale.

Il y a des gens qui prétendent qu'il n'y a pas de paradoxe et qu'un tel comportement peut s'expliquer avec l'approche classique. Et dans un sens, ils ont absolument raison. Mais les résultats de la démonstration de bureau, d'étonnants étudiants déjà familiarisés avec la physique classique, découlent évidemment du formalisme quantique. Et cela signifie quelque chose.


Expérience à deux intervalles avec des électrons.

Les scientifiques des premières décennies du siècle dernier ont été confrontés à des résultats expérimentaux beaucoup plus étonnants et inexplicables. Mentionnez souvent l'expérience ci-dessus avec deux emplacements. En effectuant cette expérience avec des électrons ou des photons, nous obtiendrons les mêmes résultats: motif d'interférence, comme si deux ondes interférentes provenaient de deux fentes. Cela montre que la lumière est une onde et que même les particules de masse, comme les électrons, semblent se comporter dans des conditions telles que les ondes.

Mais l'expérience peut être modifiée de deux manières curieuses. Premièrement, si vous ralentissez la fréquence d'émission de particules (photons, électrons ou même des molécules entières) de sorte qu'une seule particule passe à travers les fentes à la fois, le résultat ne changera pas. Cela devrait signifier que la particule est en quelque sorte divisée en deux, traverse les deux fentes et interagit avec elle-même! Deuxièmement, si vous apportez des modifications à la configuration afin qu'elle fixe à travers quel intervalle la particule passe, le motif d'interférence disparaît et est remplacé par le motif qui serait attendu si les particules étaient des particules ordinaires sans propriétés d'onde: seulement deux distributions symétriques, centré par rapport à chacune des fentes.

Il était difficile de trouver une théorie qui expliquerait les résultats et conviendrait à tout le monde. Il semblait que les photons ou les électrons décidaient parfois de se comporter comme des ondes, et parfois comme des particules, selon ce que l'expérimentateur voulait regarder.

Puis tout est devenu encore plus étrange. Les technologies se sont développées à un point tel que nous pouvons choisir le type de mesure à faire une fois que la particule a commencé son voyage. Les résultats de ces expériences de «choix différé» sont restés les mêmes. Si nous regardons dans quelle direction la particule a choisi, alors l'interférence est détruite. Si nous nous détournons, pour ainsi dire, le motif d'interférence familier revient. Néanmoins, la particule devait «décider» de se comporter comme une particule ou comme une onde avant de passer à travers les fissures et avant de créer la configuration finale de l'expérience.

Les résultats d'expériences avec sélection différée ont conduit plus d'un physicien à faire l'hypothèse que les informations sur le choix du comportement d'une particule ou d'une onde sont retransmises dans le temps, à partir du moment du choix à un certain moment avant que la particule ne traverse l'appareil. Le fait que cette hypothèse ait été discutée avec sérieux devrait vous donner une idée de la difficulté d'expliquer les résultats d'expériences dans le micromonde en utilisant un ensemble de concepts (tels que la causalité ), tirés de nos vues réalistes du monde. L'explication du retour dans le temps a duré jusqu'à un moment récent où nous avons mené une expérience avec des atomes d'hélium lents et froids dans un schéma similaire. Les atomes ont traversé l'appareil sous l'influence de la seule gravité, donc un temps considérable s'est écoulé entre le moment du passage et le choix de la méthode pour les observer. Bien que les physiciens décrivent parfois certains processus subatomiques très rapides comme utilisant une forme limitée de voyage dans le temps, la longue durée des expériences avec l'hélium a rendu une telle explication impossible.

Que nous reste-t-il? Les résultats de ces expériences et de nombreuses autres sont tout simplement impossibles à décrire en utilisant des concepts traditionnels basés sur la réalité: que les objets existent avec un certain ensemble de propriétés; que si nous décidons de ne pas mesurer une propriété individuelle, cela a encore un sens. Les physiciens avaient l'expérience de travailler avec l'incertitude bien avant la révolution quantique, mais cette incertitude était d'un type complètement différent. C'était une incertitude de la connaissance , impliquant un niveau de réalité déterminée inconnu, mais existant, sous ce que nous percevons directement.

Si nous rejetons tous ces concepts qui sont si fondamentaux pour notre compréhension du monde, alors pourquoi devrions-nous les remplacer? Après tout, ils sont non seulement devenus une partie intuitive de notre expérience quotidienne, mais ils servent également de fondement à d'autres domaines de la science.

Ce que nous ne voyons pas

Au XIXe siècle, le déterminisme au niveau microscopique a conduit au premier grand succès du raisonnement probabiliste en physique: la théorie cinétique des gaz . Il était basé sur la vieille idée que la matière consiste en un grand nombre d'atomes simples qui se repoussent comme des balles de ping-pong submicroscopiques. Grâce à quelques hypothèses simples, ainsi qu'à une bonne partie des mathématiques qui ont créé la théorie cinétique, les scientifiques ont pu dériver les lois de la thermodynamique que nous connaissons comme valeurs moyennes du comportement des atomes idéaux. La théorie cinétique a montré comment les phénomènes que nous observons peuvent résulter du comportement moyen de nombreux processus que nous ne pouvons pas observer directement. Néanmoins, ces comportements moyens agissaient conformément aux lois déterministes bien connues de la mécanique classique - toute la théorie était basée sur eux.


Particules montrant un mouvement brownien.

Même au XXe siècle, de nombreux scientifiques ne croyaient pas à la réalité des atomes. Le tournant a été l'article d'Einstein sur le mouvement brownien, publié en 1905. Il a utilisé un raisonnement statistique, qui a montré que le mouvement aléatoire des particules de pollen en suspension dans l'eau peut s'expliquer par le bombardement d'un ensemble invisible de particules.

Einstein a reçu son prix Nobel non pas pour ce travail, ni pour un autre article en 1905, dans lequel il a introduit le concept de relativité E = mc ² . Le prix lui a été décerné pour un autre ouvrage publié la même année et dédié à l'effet photoélectrique. Cette publication a involontairement lancé un processus qui a conduit à l'effondrement de notre réalité classique.

L'article primé d'Einstein a expliqué de nombreux résultats mystérieux d'expériences sur l'interaction de la lumière et de la matière. Il est postulé que la lumière est absorbée et émise par la matière par des quantités discrètes d'énergie appelées quanta . Ce travail a marqué la naissance de la physique quantique - et cet enfant d'Einstein a commencé à se développer dans une direction qui a irrité même son propre père.

Les deux décennies suivantes ont vu une explosion de recherches expérimentales dans un nouveau domaine de la physique et de la chimie atomiques. L'électron a été libéré des chaînes de l'atome et a commencé à l'expérimenter directement avec lui. Des phénomènes plus étranges ont commencé à apparaître dans les résultats des expériences, un certain nombre de théories et de modèles incomplets, des interprétations mathématiques pour décrire le micromonde sont apparues. Petit à petit, tout s'est mis en place et les physiciens ont enfin pu prédire les résultats expérimentaux. Mais cela nécessitait une structure mathématique abstraite et inhabituelle et un ensemble de règles la reliant aux aspects mesurés de la nature, à savoir la mécanique quantique. (Cette histoire est racontée dans un livre très bien écrit par David Lindley.)

À la troisième décennie du XXe siècle, presque tous les scientifiques ont accepté la réalité des atomes et des particules encore plus petites. Mais ils les représentaient comme de minuscules versions invisibles d'objets familiers: des planètes, des boules de billard et des grains de sable étaient utilisés à des fins de comparaison. La plupart des scientifiques qui n'appartenaient pas au petit cercle qui a créé ou compris la nouvelle théorie ont supposé qu'il s'agissait d'une autre version de quelque chose comme une théorie cinétique des gaz. Et aujourd'hui, la plupart des gens pensent probablement de la même manière: les atomes et d'autres composants du micromonde peuvent avoir des propriétés exotiques et suivre d'étranges règles mathématiques, mais au moins ils participent à la réalité que nous connaissons. Cependant, la mécanique quantique prétend le contraire.

L'une des figures clés de son développement est Niels Bohr (avec une influence notable de Max Born et Werner Heisenberg), qui fut également l'une des figures les plus étranges de l'histoire de la physique. Bohr était un physicien-philosophe, ennuyait ses collègues en prononçant des phrases longues, détaillées, parfois incompréhensibles. Bien qu'il connaissait sans aucun doute parfaitement la théorie et était connu pour résoudre plusieurs énigmes au stade initial de la recherche atomique, il préférait souvent les conversations inutiles et inutiles à la manipulation d'équations. Il a insisté sur la nécessité de comprendre le sens de tout. (Sa quête de sens n'était pas partagée par certains des autres pionniers de la physique quantique, car ils avaient déjà commencé des recherches avec l'approche Shut Up and Calculate .)


Armoiries de la famille de Niels Bohr.

Inspiré en partie par la théorie de la physique, qu'il a contribué à créer, Bohr a progressivement commencé à développer son côté mystique, et a même ajouté le symbole "yin-yang" à ses armoiries.

Cette première compréhension ou interprétation de la mécanique quantique est devenue plus tard connue sous le nom d ' «interprétation de Copenhague» en l'honneur de l'Université de Bohr. C'est toujours la vue standard de la mécanique quantique, même s'il n'y a pas de définition formelle. Il s'agit plutôt d'un ensemble de règles pratiques universellement approuvées concernant les parties de la théorie qui peuvent être observées en laboratoire. Ils peuvent être formulés de différentes manières; Voici une version qui reflète une compréhension moderne des principaux aspects:

• L'état (position, momentum, etc.) du système est entièrement déterminé par sa «fonction d'onde» - un objet mathématique qui est transformé de façon déterministe selon les équations de la mécanique quantique. La fonction d'onde ne peut pas être observée directement; cependant, cela nous donne la probabilité qu'au moment de la mesure, nous trouverons le système dans un état spécifique. De tels "systèmes" peuvent être des particules élémentaires, par exemple des électrons et des protons, des atomes ou même de grosses molécules. En cours de mesure, la fonction d'onde et ses probabilités se «contractent» à la valeur mesurée.
• Il n'y a pas de «réalité» autre que le calcul des probabilités. Il n'y a pas de couche sous-jacente de déterminisme; Il n'y a aucun mécanisme caché qui enregistre ce qui sera mesuré avant de prendre des mesures. Ces probabilités ne reflètent pas le manque de connaissances, comme en physique statistique classique, car il n'y a rien à savoir. Il n'y a qu'une probabilité.
• Il existe des limites fondamentales à ce qui peut être mesuré, décrites par des relations d'incertitude: certaines paires de quantités peuvent être mesurées simultanément avec un certain degré de précision (position-momentum et temps-énergie en sont des exemples). Cela n'a rien à voir avec la technologie ou les méthodes expérimentales; ces limitations font partie de la nature et ne peuvent être évitées.

L'interprétation de Copenhague résiste bien à toutes les subtilités entourant les phénomènes tels que les expériences de sélection différée décrites ci-dessus. Il n'est pas nécessaire d'envoyer des signaux mystérieux remontant dans le temps ou de créer des théories complexes conçues pour préserver nos idées sur la réalité. Il suffit d'abandonner ces idées et d'accepter le fait que les propriétés n'existent pas quelle que soit leur mesure. Les valeurs ne deviennent réelles que lorsqu'elles sont mesurées, et la mécanique quantique nous dit qu'elles ne sont que les probabilités de diverses réalités.

N'y a-t-il pas d'issue?

Les conséquences de la mécanique quantique, ainsi que l'interprétation de Copenhague, ne sont pas intuitives, bizarres et métaphoriquement inacceptables. C'est la primauté des probabilités et la destruction de la causalité déterminée qui ont fait Einstein objecter que Dieu "ne joue pas aux dés avec le monde". Alors pourquoi les physiciens sont-ils heureux d'accepter cette théorie? Pourquoi ne pouvons-nous pas dire qu'il peut y avoir des "paramètres cachés" déterministes qui sont devenus les causes des probabilités du monde quantique?

La raison la plus importante et immédiate est le théorème de Bell.Ce théorème, prouvé par John Stuart Bell en 1964, montre que s'il existe une couche de paramètres cachés que nous ne pouvons pas mesurer, alors certaines expériences devraient donner certains résultats. À ce jour, il existe de nombreuses preuves d' expériences extrêmement précises que les mesures ne produisent pas de tels résultats. La logique nécessite de reconnaître que dans le micromonde il n'y a pas de couche déterministe inconnue.

Le théorème de Bell peut permettre à nos résultats expérimentaux et à nos paramètres déterministes cachés de ne coexister que sous une condition: l'influence de ces paramètres doit se propager plus rapidement que la vitesse de la lumière. Cependant, une telle influence ne peut pas être un véritable transfert classique d'informations, car cette possibilité est exclue par la théorie spéciale de la relativité. Comme l'a souligné Einstein, déplacer des informations plus rapidement que la vitesse de la lumière violera davantage nos idées sur les causes et les effets: cela permettra aux effets de précéder les causes, même au niveau du macrocosme.

Une autre possibilité est de permettre à des paramètres cachés de transmettre l'effet éphémère de la mécanique quantique, qui se propage instantanément, mais ne transfère pas d'informations au sens classique. Einstein appelait de façon moqueuse ces influences mystérieuses «une action terrible à longue portée», mais c'est avec elles que nous expliquons les résultats des mesures des particules enchevêtrées. Pour eux, mesurer l'état d'une particule peut nous dire quel sera le résultat de la mesure d'une autre particule située à une distance arbitraire. Les théories qui évitent l'influence du théorème de Bell, permettant l'existence de variables cachées qui transmettent un effet instantané à distance, sont appelées "théories non locales des paramètres cachés". Mais ils sont le seul moyen de rendre la mécanique quantique plus confortable pour nous.


Expérience moins connue avec le tuyau Schrödinger.

La liberté a un prix

Vous ne devriez pas être surpris que les physiciens aient cherché un moyen de sortir de la situation dès les premiers jours de la mécanique quantique. Mais comment quelque chose d'autre pourrait-il être possible si le théorème de Bell ne nous laisse aucune issue?

Tout théorème est toujours basé sur des hypothèses, explicites et implicites. La preuve de Bell utilise des mathématiques assez simples, et il semble qu'aucune hypothèse ne soit appliquée que nous n'accepterions déjà comme vraie. Mais des problèmes désespérément complexes incitent les gens à prendre des mesures désespérées. Les théoriciens quantiques ont cherché des alternatives à l'interprétation de Copenhague en examinant certaines de ces hypothèses tacites - celles qui sont rarement remises en question parce que personne ne peut imaginer qu'elles ne sont pas vraies.

Logique quantique

L'une de ces hypothèses inexplorées affecte les règles de logique sur lesquelles repose tout type de raisonnement, y compris les mathématiques. Les interprétations de la mécanique quantique qui changent la logique elle-même, essayant de remplacer quelque chose, sont appelées logique quantique . Ce domaine de connaissances a un pedigree respectable et provient de John von Neumann, un savant formidable qui a écrit la première formulation mathématique de la théorie quantique. Dans les années 1930, il a montré que la structure mathématique de la théorie est liée à une logique différente de la physique sous-jacente de la logique aristotélicienne. La recherche dans ce domaine continue d'être un domaine d'étude exotique (et agréable); jusqu'à présent, personne n'a créé une alternative pleinement fonctionnelle et satisfaisante à l'interprétation de Copenhague.

Bien que ce domaine soit très profond et plutôt mystérieux, il existe des exemples simples de la façon dont la logique familière ne s'intègre pas bien dans le monde quantique et comment créer une alternative à celui-ci. L'une des premières dans la littérature, il existe une idée quantique unique de superposition d'états. Dans le monde quantique, nos notions habituelles de réalité sont remplacées par une fonction d'onde, ce qui nous donne les probabilités de détecter un système dans différents états. Si le système ne peut être que dans l'un des deux états, alors avant que les mesures elles-mêmes ne soient effectuées, il se trouve dans un état qui n'est ni l'un ni l'autre, ou les deux, en superposition. Un exemple populaire de ceci est une expérience de pensée avec le chat Schrödinger, qui est considéré à la fois vivant et mort jusqu'à ce que la boîte dans laquelle il se trouve soit ouverte. Une expérience est un conflit dramatique avec la mécanique classique et nos idées quotidiennes sur la réalité: un «chat» exige que le système soit réellement dans l'un des deux états possibles, et seul l'acte de mesure nous révèle ce que l'état a été pendant tout ce temps.


Erwin Schrödinger

L'une des façons possibles de donner un sens à la superposition est d'appliquer d'autres règles de logique. Dans notre logique habituelle, si la déclaration p (par exemple, "l'électron est dans l'état avec le spin orienté vers le haut") est fausse, et la déclaration q ("l'électron est dans l'état avec le spin orienté vers le bas") est fausse, alors p ∨ q (où ∨ signifie " ou ") doit également être faux. C'est exactement ce qui se passe avec les mesures classiques. En mécanique quantique, p ne peut être vrai que s'il est mesuré. Que ce soit considéré comme «faux» au sens classique, ou autre chose, c'est une autre question. De même, q ne peut pas non plus être vrai. Cependant, la combinaison p ∨ q doit être vraie, car il s'agit de la définition de la superposition dans laquelle se trouve l'électron avant la mesure. Par conséquent, notre logique quantique devrait permettre à p ∨ q d'être vrai lorsque ni p ni q ne sont vrais, contrairement à la logique d'Aristote.

Il peut sembler étrange de s’appuyer sur un changement des règles de la logique elle-même. Mais de cette façon, nous pouvons réduire l'étrangeté de la mécanique quantique à un ou deux niveaux, du niveau de la physique au niveau des règles, que nous pouvons utiliser pour le raisonnement.

Mécanique stochastique

Cette interprétation, ou explication de la mécanique quantique, laisse la logique intacte, mais ajoute un nouveau processus physique. La branche moderne et prometteuse de la mécanique stochastique a commencé avec un article d' Edward Nelson de 1966 , qui déclarait hardiment:

"Dans cet article, nous devons montrer qu'une déviation radicale de la physique classique causée par l'émergence de la mécanique quantique il y a quarante ans n'était pas nécessaire."

Le résultat principal de l'article est impressionnant: l'auteur dérive l'équation de Schrödinger - l'équation centrale de la mécanique quantique - en supposant que les particules sont exposées à des forces aléatoires oscillant rapidement. Par conséquent, les particules microscopiques, telles que les électrons, présentent quelque chose de similaire au mouvement brownien. Dérivant l'équation, Nelson utilise activement les mathématiques de la physique statistique.

Depuis l'article de Nelson, ce domaine n'a cessé de se développer et a attiré une grande communauté de chercheurs. Certains de ses succès intrigants comprennent l' explication du moment angulaire quantifié («retour»), les statistiques quantiques et la célèbre expérience en deux parties . Cependant, la mécanique stochastique est encore loin de remplacer l'interprétation de Copenhague ou la mécanique quantique traditionnelle. Il utilise ce qui ressemble à une action instantanée non physique à distance et donne des prédictions incorrectes dans certains types de mesures. Cependant, ses apologistes n'abandonnent pas. Comme Nelson le dit en analysant de ce sujet, "comment une théorie peut-elle être si correcte et en même temps si erronée?"

Théorie de l'onde pilote

Cette version de la mécanique quantique revient aux tout débuts du domaine. Si la première pièce d'un puzzle quantique a été mise en place en 1905 par Einstein, lorsqu'il a expliqué comment la lumière est absorbée et émise par la matière en quantités discrètes, alors le deuxième fragment a été mis en place en 1924 par Louis de Broglie. De Broglie a déclaré que si les ondes lumineuses peuvent se comporter comme des particules, des particules comme les électrons peuvent se comporter comme des ondes.

L'année suivante, de Broglie expose sa théorie de l'onde pilote , dans laquelle les ondes de matière observées dans des objets physiques réels sont générées par le mouvement des particules. D'une certaine manière, c'était l'interprétation initiale de la mécanique quantique, mais elle a rapidement été vaincue par l'interprétation de Copenhague. Les idées de De Broglie ont été redécouvertes dans les années 1950 par David Bohm, qui leur a donnédéveloppement ultérieur . Dans cette formulation, la fonction d'onde est également contrôlée par l'équation de Schrödinger, mais la théorie du pilote d'onde ajoute une équation qui en dérive qui affecte directement le mouvement des particules. Les particules sont considérées comme ayant des trajectoires réelles qui existent indépendamment des mesures; les effets quantiques caractéristiques, tels que les interférences dans une expérience à deux fentes, résultent de trajectoires complexes le long desquelles des électrons ou des photons suivent pendant l'expérience. Cette interprétation recrée une grande partie du comportement du monde quantique, tout en conservant le réalisme. Elle ramène la probabilité à notre place habituelle, c'est-à-dire que la probabilité redevient un indicateur de notre connaissance incomplète et non une partie intégrante de la nature.


Louis de Broglie

Un obstacle sérieux à la théorie du pilote d'onde est que les trajectoires des particules qu'elle crée sont complexes et souvent bizarres; un autre obstacle est qu'il nécessite une non-localité extrême, qui décrit en principe le mouvement d'une particule comme dépendant de l'état de toutes les autres particules dans l'univers. Cependant, cette théorie est considérée par de nombreux physiciens comme l'alternative la plus prometteuse à l'interprétation de Copenhague et est activement étudiée .

Une caractéristique intrigante de la théorie des ondes pilotes est la possibilité d'observer des analogues de certains des comportements prédits caractéristiques du microliveau à l'échelle macroscopique. Vidéo d'expérimentation les gouttelettes répulsives d'huile présentent un comportement étonnant dans lequel les gouttelettes jouent le rôle de particules subatomiques, et le bain d'huile sur lequel elles sont suspendues remplit certaines des fonctions d'une onde pilote.

Mondes multiples

L'interprétation "multi-monde" de la mécanique quantique a fait beaucoup de bruit dans la presse populaire. Par conséquent, de nombreuses personnes, y compris certains physiciens, ont acquis des opinions incorrectes sur cette théorie.

Cette interprétation n'insiste pas sur la création d'un nouvel univers pour chaque dimension, comme on le croit généralement. Elle prend simplement au sérieux la mécanique quantique traditionnelle comme une description de notre univers et de tout ce qu'il contient. La mécanique quantique décrit une particule, par exemple un électron, comme existant dans une superposition de tous les états possibles; lors de la mesure, la superposition est remplacée par l'état mesuré. Le point de vue multi-monde étend l'idée de superposition pour tout contrôler, y compris l'installation de mesure et ses opérateurs. Elle défend l'idée que, pour garantir l'intégrité, le monde entier doit exister en superposition.

Le concept de «plusieurs mondes» fait référence à une superposition d'états appliquée au monde entier; chaque état potentiel, ou l'Univers, existe déjà au sens de la mécanique quantique, dans lequel chaque état possible d'une particule subatomique a une existence potentielle. La mesure de l'état d'une particule sélectionne un résultat possible et le rend réel. En même temps, la mesure choisit un résultat possible pour l'Univers: celui que l'expérimentateur a obtenu avec cette mesure particulière.

Les mondes multiples sont considérés comme déterministes et éliminent le besoin de contraction de la fonction d'onde. Ses critiques affirment qu'elle ne peut toujours pas se débarrasser du rôle central de la probabilité et qu'elle est incapable de contenir la gravité.

Il existe de nombreuses autres approches alternatives que nous n'avons tout simplement pas assez d'espace pour décrire. Ils sont souvent plus proches de la métaphysique que de la physique. L'une de ces idées, située entre science et philosophie, est le surdéterminisme . Bien que cette idée n'ait pas encore pu recréer les résultats de la mécanique quantique, elle a attiré une attention constante, peut-être en raison de la réputation de son principal apologiste, le prix Nobel de physique, Gerard 't Hooft. Le surdéterminisme était censé être une faille dans le théorème de Bell et était en fait décrit comme possible par Bell lui-même. La théorie évite les hypothèses de base du théorème de Bell en considérant tout dans l'univers, y compris le choix des mesures de l'expérimentateur, tel que défini depuis le début des temps. Naturellement, il nie toute possibilité de libre arbitre. Un développement intéressant de la théorie dans ce domaine est la tentative de 't Hooft de mettre en œuvre ses idées en créant un modèle de mécanique quantique dans un automate cellulaire.

Anxiété métaphysique métaphysique

Einstein avait une bonne maîtrise du mot et une nature profondément comprise. Il nous a laissé deux phrases colorées que nous continuons à citer pour exprimer notre mécontentement à l'égard des aspects pertinents de la mécanique quantique: «une action terrible à long terme» et «Dieu [...] ne joue pas aux dés avec le monde».

Bien que l'interprétation de Copenhague reste dominante et accepte calmement ces deux phrases, l'insatisfaction atroce qu'elles génèrent continuera de motiver les nouvelles générations de physiciens à rechercher des alternatives. Cette alternative peut être un développement ultérieur de l'un des modèles décrits ici, l'un de ces projets que nous n'avons pas pu considérer, ou une idée complètement nouvelle. Mais personne ne peut dire avec certitude si l'un d'eux gagnera une reconnaissance universelle à l'avenir.

À propos de l'auteur: Lee Phillips est physicien et collaborateur régulier d'Ars Technica. Il a précédemment écrit sur des sujets tels que l' héritage du langage de programmation Fortran et l'évolution de la physique d' Emmy Noether .