Une échappatoire fermée confirme l'irréalité du monde quantique

Après la découverte d'une faille dans la célèbre expérience, qui a prouvé l'absence de propriétés internes des objets quantiques, trois groupes d'expérimentateurs l'ont rapidement refermée. Cet épisode clôt le problème des théories des variables cachées.

Le physicien théorique John Wheeler a déjà utilisé l'expression "énorme dragon fumé" pour décrire une particule de lumière volant d'une source à un compteur de photons. "La bouche du dragon est tranchante là où elle mord le comptoir. La queue du dragon est tranchante d'où vient le photon », a écrit Wheeler. En d'autres termes, le photon a une certaine réalité au début et à la fin du chemin. Mais son état au milieu - le corps du dragon - est flou. "Nous n'avons pas le droit de parler de ce que fait le dragon, ni de ce à quoi il ressemble entre les deux."

Wheeler a soutenu le point de vue selon lequel les phénomènes quantiques élémentaires ne peuvent pas être appelés réels jusqu'à ce que nous fassions une observation - une position philosophique appelée anti-réalisme . Il a même proposé une expérience démontrant que si vous insistez sur le réalisme - dans lequel les objets quantiques tels que les photons ont toujours certaines propriétés internes, ce qui ressemble plus à une idée classique de la réalité - alors vous devez accepter que l'avenir puisse influencer au passé. En raison de l'absurdité de voyager dans le temps, l'expérience de Wheeler a plaidé pour l'anti-réalisme au niveau quantique.

Mais en mai 2018, Rafael Chavez et ses collègues de l'Institut international de physique ont trouvé une faille. Ils ont montré que l'expérience Wheeler, sous certaines hypothèses, peut être expliquée en utilisant le modèle classique, qui attribue les propriétés internes au photon. Ils ont fourni au dragon un corps clairement défini, caché du formalisme mathématique de la mécanique quantique standard.


Rafael Chavez

L'équipe de Chavez a proposé une modification de l'expérience de Wheeler pour tester les failles. Trois autres équipes d'une agilité inhabituelle se sont empressées de mener une expérience modifiée. Leurs résultats, publiés en juin, ont montré que les modèles classiques qui promeuvent le réalisme ne fournissent pas une interprétation significative des résultats. La mécanique quantique peut être étrange, mais elle reste l'explication la plus simple disponible.

Piège à dragon

Wheeler a proposé son expérience en 1983 pour souligner l'un des principaux mystères conceptuels de la mécanique quantique: la dualité onde-particule . Les objets quantiques se comportent soit comme des particules, soit comme des ondes, mais pas simultanément et ainsi de suite. De cette propriété de la mécanique quantique, il semble qu'il s'ensuit que les objets n'ont pas de réalité interne jusqu'à ce qu'ils soient observés. «Les physiciens ont dû accepter le dualisme comme une caractéristique inhérente et étrange de la théorie quantique pendant près de cent ans», a déclaré David Kaiser , physicien et historien des sciences au Massachusetts Institute of Technology. "Cette idée est venue avant d'autres caractéristiques étranges typiques de la théorie quantique, telles que le principe d'incertitude de Heisenberg et le chat Schrödinger ."

Ce phénomène est accentué par un cas particulier de la fameuse expérience à deux fentes appelée interféromètre de Mach - Zehnder .

Dans une expérience, un photon est lancé vers un miroir translucide ou un séparateur de faisceau. Un photon avec une probabilité égale le réfléchit ou le traverse - à la suite de quoi il suit finalement l'un des deux chemins. Dans ce cas, il ira soit le long du chemin 1, soit le long du chemin 2, et sera soit dans le détecteur D1 soit dans D2, avec une probabilité égale. Un photon se comporte comme un tout invisible, démontrant sa nature corpusculaire.

Mais il y a une nuance. À l'intersection des chemins 1 et 2, vous pouvez ajouter un autre séparateur de faisceau qui change tout. Dans ce cas, la mécanique quantique dit qu'un photon, pour ainsi dire, passe simultanément par deux chemins comme une onde. Ces deux ondes convergent ensemble sur un deuxième séparateur de faisceau. L'expérience peut être configurée de manière à ce que les ondes soient combinées de manière constructive - crête à crête, échec à échec - uniquement si elles se dirigent vers le détecteur D1. Et le chemin vers le compteur D2 indique une interférence destructrice. Dans cette situation, le photon peut toujours être trouvé en D1, et jamais en D2. Dans ce cas, le photon démontre sa nature ondulatoire.


Ci-dessus: un photon sous forme de particule. Chacun des détecteurs enregistre un photon dans 50% des cas.
Au milieu: un photon comme une onde. Le photon n'enregistre que D1.
Ci-dessous: en attente de sélection. Nous commençons sans un deuxième séparateur de faisceau et l'ajoutons au dernier moment. Le photon, qui s'est d'abord comporté comme une particule, commence soudainement à se comporter comme une onde.
Conclusion: soit l'introduction d'un deuxième séparateur de faisceau envoie un signal au photon dans le passé, soit le photon n'a pas de propriétés internes.

Le génie de Wheeler s'est manifesté dans la question: que se passe-t-il si nous retardons le choix d'ajouter ou non un deuxième séparateur de faisceau? Supposons qu'un photon pénètre dans un interféromètre lorsqu'il n'y a pas de deuxième séparateur de faisceau à cet endroit. Il doit se comporter comme une particule. Mais vous pouvez ajouter un deuxième séparateur de faisceau dans la toute dernière nanoseconde. La théorie et l'expérience démontrent qu'un photon, qui devait auparavant se comporter comme une particule et pénétrer soit dans le détecteur D1 soit vers D2, commence à se comporter comme une onde et n'entre que dans D1. Pour ce faire, il semble devoir emprunter deux voies simultanément, et non l'une d'elles. Au sens classique, tout se passe comme si un photon revenait dans le temps et changeait son essence de particule en onde.

Une façon d'éviter une telle rétrocausalité [l'influence des événements du futur sur le passé] consiste à nier que le photon a une réalité interne et à déclarer que le photon ne devient réel que lorsqu'il est mesuré. Ensuite, nous n'avons plus rien à retenir.

Un tel anti-réalisme, souvent associé à l' interprétation de Copenhague de la mécanique quantique , a reçu un coup théorique après la publication des travaux de Chavez, du moins dans le cadre de cette expérience. Son équipe a décidé d'expliquer les propriétés contre-intuitives de la mécanique quantique en utilisant un nouvel ensemble d'idées, la modélisation causale [causale], dont la popularité s'est accrue au cours de la dernière décennie avec l'aide de l'informaticien Jude Perle et d'autres. La modélisation causale détermine une relation causale entre divers éléments d'une expérience. Souvent, lorsque nous étudions des événements interdépendants - appelons-les A et B - nous ne pouvons pas dire avec certitude que A est la cause de B, ou que B est la cause de A, il est possible que la cause des deux soit l'événement imprévu ou «caché» B. Dans de tels cas, la modélisation causale peut aider à révéler ce B.

Chavez et ses collègues, Gabriela Lemos et Jacques Pienard , se sont concentrés sur l'expérience retardée de Wheeler, s'attendant à ne pas trouver un modèle avec un processus caché qui donnerait au photon une réalité interne et expliquerait son comportement sans aucune rétrocausalité. Ils pensaient qu'ils prouveraient que l'expérience du choix différé était "extrêmement contre-intuitive, en ce sens qu'aucun modèle causal ne peut l'expliquer", a déclaré Chavez.


Gabriela Lemos

Mais une surprise les attendait. La tâche était assez simple. Ils ont commencé par suggérer que le photon, immédiatement après avoir traversé le premier séparateur de faisceau, avait un état interne défini par une «variable cachée». Dans ce contexte, une variable cachée est quelque chose qui n'est pas disponible dans la mécanique quantique standard, mais qui affecte en quelque sorte le comportement d'un photon. L'expérimentateur a alors décidé d'ajouter ou de retirer un deuxième séparateur de faisceau. La modélisation causale interdisant le voyage dans le passé garantit que le choix de l'expérimentateur n'affecte pas l'état passé du photon.

Étant donné une variable cachée qui prend en charge le réalisme, l'équipe a montré qu'il est possible d'écrire des règles qui utilisent la valeur de la variable et la présence ou l'absence d'un deuxième séparateur de faisceau pour conduire un photon vers D1 ou D2 d'une manière qui répète les prédictions de la mécanique quantique. Ils ont obtenu une explication classique, causale et réaliste. Ils ont trouvé une nouvelle échappatoire.

Cela a surpris plusieurs physiciens, a déclaré Tim Burns , spécialiste en physique théorique quantique de l'Université de New York à Shanghai. "Ce que les gens n'ont pas apprécié, c'est que ce type d'expérience permet une explication classique qui répète parfaitement les résultats de l'expérience", a déclaré Burns. "Vous pouvez créer une théorie avec une variable cachée, sans aucune mécanique quantique."

"Ce n'était pas un pas", a déclaré Chavez. L'étape suivante consiste à déterminer comment modifier l'expérience Wheeler afin de pouvoir faire une distinction entre la théorie classique des variables cachées et la mécanique quantique.

Dans l'expérience modifiée, l'interféromètre Mach-Zehnder est resté inchangé; un deuxième séparateur de faisceau est toujours présent. Au lieu de cela, le rôle des ajustements expérimentaux, que le chercheur peut modifier à sa guise, est joué par deux déphasages - l'un au début de l'expérience, l'autre à la fin.

L'effet combiné des deux déphasages modifie la longueur de trajet relative. Cela change l'image de l'interférence, et avec elle le comportement supposé des ondes ou des particules du photon. Par exemple, la valeur du premier décalage de phase peut être telle que le photon se comporte comme une particule à l'intérieur de l'interféromètre, et le second décalage peut le faire se comporter comme une onde. Les chercheurs avaient besoin du second quart de travail pour s'accorder après le premier.

Avec une telle configuration expérimentale, l'équipe Chavez a trouvé un moyen de faire la distinction entre le modèle causal classique et la mécanique quantique. Supposons que la première transition de phase puisse prendre l'une des trois variables et la deuxième des deux. Il s'avère que six paramètres possibles de l'expérience. Et ici, les prédictions du modèle classique des variables cachées et de la mécanique quantique standard sont différentes. Ensuite, les scientifiques ont élaboré une formule. La formule reçoit à son entrée les probabilités calculées sur la base du nombre de fois où un photon arrive sur un détecteur particulier (basé sur une formulation à deux transitions de phase). Si la formule est nulle, le modèle causal classique est capable d'expliquer les statistiques. Mais si l'équation donne un nombre supérieur à zéro, alors, en raison de certaines restrictions imposées aux variables cachées, il n'y a pas d'explication classique des résultats expérimentaux.

Chavez s'est associé à Fabio Sciarino, spécialiste en physique quantique de l'Université Sapienza de Rome, et ses collègues pour tester les inégalités. Dans le même temps, deux équipes chinoises, l'une dirigée par Jean-Wei Pan, un physicien expérimental de l'Université des sciences et technologies de Hefei, et la seconde, dirigée par Guang-Kang Guo, de la même université, ont mené leurs expériences.

Chaque équipe a mis en œuvre le programme un peu différemment. Le groupe de Guo a adhéré à une option simple en utilisant un véritable interféromètre Mach-Zehnder. "Cette expérience, à mon avis, est la plus proche de la proposition originale de Wheeler", a déclaré Howard Wiseman, physicien théoricien à l'Université Griffith qui n'a pas participé aux expériences.

Les trois équipes ont montré que le résultat du calcul de la formule dépasse zéro avec une signification statistique irréfutable. Ils ont exclu les modèles causaux classiques qui pouvaient expliquer l’expérience de Wheeler avec un choix différé. L'échappatoire s'est refermée. "Notre expérience a sauvé la célèbre expérience de pensée de Wheeler", a déclaré Pan.

Ces variables cachées qui restent encore

Kaiser a été impressionné par le travail théorique "élégant" de Chavez et les expériences qui ont suivi. "Le fait que dans chaque expérience des signes clairs d'inégalité soient trouvés est une preuve convaincante que les modèles" classiques "de tels systèmes ne décrivent pas réellement le schéma réel du travail du monde, tandis que les prédictions quantiques-mécaniques correspondent parfaitement aux derniers résultats" Il a dit.

La formule est utilisée avec certaines hypothèses. L'une des plus grandes - la variable cachée classique utilisée dans le modèle causal, peut prendre l'une des deux valeurs, codées dans un bit d'information. Chavez considère cela comme raisonnable, car un système quantique - un photon - ne peut également coder qu'un seul bit d'information (il va soit dans un bras de l'interféromètre, soit dans l'autre). "Il sera naturel de déclarer que le modèle des variables cachées devrait également être bidimensionnel", a déclaré Chavez.


David kaiser

Mais une variable cachée avec la capacité supplémentaire de transporter des informations peut restaurer la capacité du modèle causal à expliquer les statistiques observées dans une expérience modifiée avec un choix retardé.

De plus, ces expériences ne réfutent pas la théorie des variables cachées la plus populaire. La théorie de Broglie-Bohm , alternative déterministe et réaliste à la mécanique quantique standard, est capable d'expliquer une expérience avec un choix différé. Selon cette théorie, les particules ont toujours un emplacement (qui sont des variables cachées), et donc une réalité objective, mais en même temps elles sont guidées par une onde. Par conséquent, la réalité est à la fois ondulatoire et corpusculaire. Une onde se déplace le long des deux trajets et une particule se déplace le long d'un des deux trajets. La présence ou l'absence d'un deuxième séparateur de faisceau affecte l'onde qui conduit la particule aux détecteurs - et ce résultat coïncide avec la mécanique quantique standard.

Pour Wiseman, le débat sur la confrontation entre l'interprétation de Copenhague et la théorie de Broglie-Bohm est loin d'être achevé. "Dans l'interprétation de Copenhague, il n'y a pas de circulation étrange du temps précisément parce que nous n'avons pas le droit de parler du passé d'un photon", a-t-il écrit dans un e-mail. Dans l'interprétation de de Broglie-Bohm, il y a une réalité indépendante de nos connaissances, mais il n'y a pas de problème, car il n'y a pas d'inversion temporelle - mais il y a une description causale (prospective) unique. »

Kaiser, louant les tentatives faites, veut avancer. Dans les expériences actuelles, le choix d'ajouter ou non un deuxième déphasage ou un deuxième séparateur de faisceau a été fait par un générateur de nombres aléatoires quantiques. Mais dans cette expérience, la mécanique quantique elle-même est testée, à cause de laquelle elle a un arrière-goût de dépendance circulaire. "Il serait bon de vérifier si les résultats expérimentaux restent cohérents même avec des conceptions basées sur des sources de hasard complètement différentes", a déclaré Kaiser.

À cette fin, Kaiser et ses collègues ont créé une telle source de hasard en utilisant des photons provenant de quasars éloignés, dont beaucoup ont traversé plus de la moitié de l'Univers [observable]. Les photons ont été collectés par le télescope d'un mètre de haut de l'observatoire de Table Mountain en Californie. Si la longueur d'onde des photons ne dépasse pas un certain seuil, le générateur de nombres aléatoires donne 0, sinon 1. En principe, ce bit peut être utilisé pour sélectionner aléatoirement des conditions expérimentales. Si les résultats continuent de soutenir la déclaration initiale de Wheeler, "cela nous donnera une autre raison de dire que la dualité onde-particule ne peut pas être expliquée en physique classique", a déclaré Kaiser. - La gamme d'alternatives conceptuelles à la physique quantique a encore diminué et a déjà été acculée. Et c'est précisément ce que nous recherchons. »

Entre-temps, le corps du dragon, qui est apparu à la vue pendant quelques semaines, est redevenu enfumé et obscur.

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