Le nouveau paradoxe quantique clarifie dans quel cas nos idées sur la réalité s'avèrent fausses

Une nouvelle expérience de pensée a excité le monde des fondements de la physique quantique et a amené les physiciens à clarifier comment les différentes interprétations de la théorie quantique (multi-monde ou Copenhague) obligent à abandonner des hypothèses apparemment raisonnables concernant la réalité.

Si une pièce ne peut pas tomber à la fois par la tête et par la queue, les physiciens doivent abandonner des hypothèses simples sur la nature de la réalité.

Personne ne prétend que la mécanique quantique est une théorie réussie. Elle fait des prédictions incroyablement précises sur la nature du monde à l'échelle microscopique. Le débat, qui dure depuis près de cent ans, concerne ce qu'elle nous dit sur l'existence et la réalité des objets. Il y a tout un tas d'interprétations qui donnent leur réponse à cette question, chacune nécessitant certaines déclarations, non confirmées - c'est-à-dire des hypothèses - concernant la nature de la réalité.

Une nouvelle expérience de pensée remet en question ces hypothèses et ébranle les fondements de la physique quantique. Bien sûr, il est lui-même étrange. Par exemple, cela nécessite des mesures qui peuvent effacer tous les souvenirs d'une observation récente. Ce n'est pas possible avec les gens, et les ordinateurs quantiques pourraient mener une expérience aussi étrange et, théoriquement, trouver les différences entre les différentes interprétations de la physique quantique.

"Parfois, il y a des travaux qui génèrent d'intenses débats, réflexions et discussions - et c'est juste le cas", a déclaré Matthew Leifer , spécialiste en physique quantique à l'Université Chapman à Orange, en Californie. "Cette expérience de pensée sera ajoutée au canon des choses étranges trouvées dans les bases de la physique quantique."

L'expérience a été développée par Daniela Frauhiger et Renato Rener de l'Institut fédéral suisse de technologie et comprend un ensemble d'hypothèses qui, à première vue, sont tout à fait raisonnables. Cependant, cela conduit à des contradictions, ce qui suggère qu'au moins une des hypothèses est incorrecte. Choisir la mauvaise hypothèse affecte notre compréhension du monde quantique et indique la possibilité que la mécanique quantique ne soit pas une théorie universelle, non applicable à des systèmes complexes, tels que les personnes.

La physique quantique est connue pour ses interprétations divergentes des équations utilisées pour décrire ce qui se passe dans le monde quantique. Mais dans une nouvelle expérience de pensée, toutes les interprétations souffrent immédiatement. Chacun d'eux contredit l'une ou l'autre hypothèse. Pouvons-nous nous attendre à quelque chose de complètement nouveau à la recherche d'une description cohérente de la réalité?



La théorie quantique fonctionne très bien à l'échelle des photons, des électrons, des atomes, des molécules et même des macromolécules. Mais est-il applicable à des systèmes dépassant de loin la taille des macromolécules? "Nous n'avons pas confirmé expérimentalement l'applicabilité de la mécanique quantique à une plus grande échelle - grand se réfère à la taille de l'ordre d'un virus ou d'une petite cellule", a déclaré Renner. "En particulier, nous ne savons pas s’il s’applique à des objets de la taille de personnes, ou plus encore à des objets de la taille de trous noirs."

Malgré le manque de preuves empiriques, les physiciens pensent que la mécanique quantique peut être utilisée pour décrire les systèmes à toutes les échelles - c'est-à-dire qu'elle est universelle. Pour tester cette hypothèse, Frauhiger et Rener ont proposé leur propre expérience de pensée, étendant le travail d' Eugene Wigner dans les années 1960. Une nouvelle expérience montre que dans le monde quantique, deux personnes peuvent être en désaccord sur un résultat apparemment incontestable, disons qu'une pièce tombe, ce qui suggère qu'il manque quelque chose dans les hypothèses sur la réalité quantique.

En mécanique quantique standard, un système quantique, tel qu'une particule subatomique, est représenté par une abstraction mathématique appelée fonction d'onde. Les physiciens calculent l'évolution de la fonction d'onde d'une particule dans le temps.


Eugene Wigner, physicien et mathématicien américain d'origine hongroise, lauréat du prix Nobel de physique en 1963, est l'une des figures clés du développement de la théorie quantique.

Cependant, la fonction d'onde ne nous donne pas la valeur exacte des propriétés de la particule, par exemple, son emplacement. Même si nous voulons savoir où se trouve la particule, la valeur de sa fonction d'onde à tout moment dans l'espace et le temps nous permet de calculer uniquement la probabilité de détecter une particule à cet endroit. Et avant de la chercher à cet endroit, la fonction d'onde est distribuée et attribue différentes probabilités de trouver la particule à différents endroits. On dit que la particule est en superposition quantique, étant présente à plusieurs endroits en même temps.

Dans le cas général, un système quantique peut être dans une superposition d'états, où l '«état» se réfère à d'autres propriétés, par exemple, au spin d'une particule. L'expérience de pensée de Frauchiger-Rener manipule des objets quantiques complexes - peut-être même des personnes - qui sont en superposition.

Il y a quatre personnages dans l'expérience: Alice, l'amie d'Alice, Bob et l'ami de Bob. L'ami d'Alice est dans le laboratoire, prenant des mesures du système quantique, et Alice se tient à l'extérieur, regardant le laboratoire et l'autre. L'ami de Bob est dans un autre laboratoire et Bob le supervise, lui et le laboratoire, en les considérant comme un seul système.

Dans le premier laboratoire, l'ami d'Alice mesure les résultats d'une expérience en lançant une pièce, conçue pour que la pièce soit lâchée par un aigle dans un tiers des cas et une queue dans deux tiers des cas. Si un aigle tombe, l'ami d'Alice fait une particule avec la rotation pointant vers le bas, et si par queues, il prépare la particule dans une superposition, dans laquelle les dos sont dirigés de haut en bas simultanément dans des proportions égales.

L'ami d'Alice envoie une particule à l'ami de Bob, et il mesure sa rotation. Sur la base du résultat, l'ami de Bob peut conclure ce que l'ami d'Alice a vu après le tirage au sort. Si, par exemple, il découvre une particule avec une rotation dirigée vers le haut, il sait que les queues sont tombées.



L'expérience continue. Alice mesure l'état de son ami et de son laboratoire, les considérant comme un seul système quantique et utilise la théorie quantique pour faire des prédictions. Bob fait de même avec son ami et le laboratoire. Première hypothèse: l'acteur peut analyser un autre système, même complexe, auquel d'autres personnes participent, en utilisant la mécanique quantique. En d'autres termes, la théorie quantique est universelle, et tout dans l'univers, y compris l'ensemble du laboratoire (et les scientifiques qui s'y trouvent) fonctionne selon les règles de la mécanique quantique.

Cette hypothèse permet à Alice de considérer son ami et le laboratoire comme un seul système et d'effectuer certaines mesures qui mettent l'ensemble du laboratoire, y compris son contenu, dans une superposition d'états. Ce n'est pas une simple mesure, ce qui rend l'expérience étrange.

La façon la plus simple de comprendre ce processus consiste à examiner un seul photon dans une superposition de polarisations horizontales et verticales. Supposons que nous mesurions la polarisation et constations qu'elle est verticale. Maintenant, si nous continuons à mesurer la polarisation du photon, elle sera toujours verticale. Mais si nous mesurons un photon polarisé verticalement afin de savoir s'il est polarisé dans une autre direction, disons à 45 degrés par rapport à la verticale, nous constaterons qu'il y a une probabilité de 50% qu'il l'est et une probabilité de 50% que ce n'est pas le cas. Maintenant, si nous revenons à mesurer ce que nous pensions être un photon polarisé verticalement, nous constatons qu'il y a une chance qu'il ne soit plus polarisé verticalement et ait acquis une polarisation horizontale. Une mesure de polarisation à 45 degrés a renvoyé le photon à une superposition de polarisations horizontales et verticales.

Tout cela fonctionne très bien pour une seule particule, et de telles mesures ont été confirmées avec succès dans des expériences réelles. Mais dans une expérience de pensée, Frauhiger et Rener veulent faire quelque chose de similaire avec des systèmes complexes.

À ce stade de l'expérience, l'ami d'Alice a déjà vu comment la pièce était tombée par un aigle ou une queue. Mais les mesures complexes d'Alice plongent le laboratoire, y compris son amie, dans un état de superposition d'aigle et de queue. Dans un état aussi étrange, rien de plus n'est requis de l'ami d'Alice.


Renato Rener, physicien dans un institut suisse, a trouvé un paradoxe avec Daniela Frauhiger, qui a quitté l'institution peu de temps après leur travail conjoint

Mais Alice n'a pas encore fini. Sur la base de sa mesure complexe, dont le résultat peut être représenté simplement par «oui» ou «non», elle peut en apprendre davantage sur le résultat des mesures faites par l'ami de Bob. Supposons qu'Alice obtienne un oui. En utilisant la mécanique quantique, elle peut calculer que l'ami de Bob a trouvé la particule tourner vers le haut, et donc, l'ami d'Alice a vu les queues tomber.

Cette observation d'Alice implique une autre hypothèse sur son utilisation de la théorie quantique. Non seulement elle connaît ce résultat, mais elle sait exactement comment l’ami de Bob a utilisé la théorie quantique pour arriver à sa conclusion sur le résultat du tirage au sort. Alice tire également cette conclusion. L'hypothèse de cohérence stipule que les prédictions faites par différents individus en utilisant la théorie quantique ne se contredisent pas.

En attendant, Bob peut prendre le laboratoire de son ami avec la même dimension complexe en les plaçant dans une superposition quantique. La réponse peut encore être oui ou non. Si Bob obtient «oui», la mesure lui permet de conclure que l'ami d'Alice aurait dû voir l'aigle sur la pièce.

Il est clair qu'Alice et Bob peuvent prendre des mesures et comparer leurs hypothèses sur le résultat du tirage au sort. Mais ici, une autre hypothèse est utilisée: si les mesures de la face indiquent que la pièce est tombée, alors le fait contraire - la perte d'un aigle - ne peut pas être vrai.

Maintenant, tout est prêt pour une contradiction. Lorsqu'Alice reçoit «oui» dans la dimension, elle suppose que la pièce est tombée, et lorsque Bob reçoit «oui», il suppose que la pièce est tombée avec un aigle. La plupart du temps, Alice et Bob obtiennent des résultats opposés. Mais Frauhiger et Rener ont montré que dans un cas sur douze, Alice et Bob recevraient «oui» dans le même cas, à la suite de quoi ils ne seraient pas d'accord si l'ami d'Alice voyait un aigle ou une queue. "En conséquence, tous deux parlent de l'événement, tous deux sont sûrs du résultat, mais leurs déclarations sont opposées", a déclaré Rener. - C'est une contradiction. Cela suggère que quelque chose ne va pas. "

Cela a permis à Frauhiger et Rener d'affirmer que l'une des trois hypothèses sous-jacentes à l'expérience de pensée est incorrecte.



«Et ici, la science s'arrête. Nous savons simplement que l'un des trois a tort et nous ne pouvons pas prouver de manière convaincante laquelle est violée », a déclaré Rener. "C'est une question d'interprétation et de goût."

Heureusement, il existe une voiture d' interprétations de la mécanique quantique , et presque tous parlent de ce qui arrive à la fonction d'onde au moment de la mesure. Prenez la position de la particule. Avant la mesure, nous ne pouvons parler que de la probabilité de la trouver quelque part. Après la mesure, la particule prend une certaine position. Dans l'interprétation de Copenhague, la mesure provoque l'effondrement de la fonction d'onde, et nous ne pouvons pas parler de propriétés d'une particule comme sa position avant la mesure. Certains physiciens pensent que l'interprétation de Copenhague prétend que les propriétés ne sont réelles qu'au moment de la mesure.

Cette forme d '«anti-réalisme» était étrangère à Einstein, comme certains physiciens modernes. Comme le concept d'une dimension qui fait s'effondrer la fonction d'onde, surtout parce que l'interprétation de Copenhague ne dit pas exactement ce qui peut être considéré comme une dimension. Les interprétations alternatives de la théorie essaient principalement soit de proposer une approche réaliste - où les systèmes quantiques ont des propriétés indépendantes des observateurs et des mesures - soit d'éviter l'effondrement causé par la mesure, ou les deux à la fois.

Par exemple, une interprétation multi-monde prend pour argent comptant l'évolution d'une fonction d'onde et nie son effondrement. Si un tirage quantique d'une pièce peut conduire à un aigle ou à des queues, alors dans le cas multi-monde, l'un et l'autre se produisent, juste dans des mondes différents. Ensuite, l'hypothèse qu'il y a un résultat de l'expérience, que si une pièce tombe par la queue, elle ne peut pas tomber simultanément par un aigle, devient insolvable. Dans une interprétation mondiale, le résultat d'un tirage au sort est à la fois un aigle et une queue, donc le fait qu'Alice et Bob obtiennent parfois des réponses opposées n'est pas une contradiction.


L'hypothèse de l'universalité de la théorie quantique est violée par des interprétations dans lesquelles les fonctions quantiques de systèmes complexes s'effondrent spontanément.
Les hypothèses d'interprétation sont violées par des interprétations telles que le bayésianisme quantique , dans lequel les résultats de mesure dépendent du point de vue de l'observateur.
L'hypothèse de l'impossibilité de résultats opposés est violée par les interprétations multi-mondes.

"Je dois admettre que si vous me l'aviez demandé il y a deux ans, je dirais que notre expérience montre simplement que l'interprétation multivariée fonctionne bien, et qu'il vous suffit de la laisser tomber", l'exigence que les mesures donnent un résultat unique, a déclaré Rener.

Le même point de vue est partagé par le physicien théoricien David Deutsch de l'Université d'Oxford, qui a découvert le travail de Frauhiger-Rener lorsqu'elle est apparue sur le site arxiv.org . Dans cette version de l'ouvrage, les auteurs se sont orientés vers un scénario avec de nombreux mondes (la dernière version de l'ouvrage, qui a été révisée par des pairs et publiée en septembre dans Nature Communications, adopte une approche plus agnostique). Deutsch pense qu'une expérience de pensée soutient toujours une interprétation multi-monde. "Je crois qu'il est susceptible de tuer des options avec l'effondrement de la fonction d'onde ou d'un seul univers, mais elles sont déjà mortes", a-t-il déclaré. "Je ne sais pas quel est l'intérêt de les attaquer à nouveau avec une artillerie plus importante."



Rener a changé son point de vue. Il pense que très probablement, l'hypothèse de l'universalité de la mécanique quantique sera incorrecte.

Cette hypothèse, par exemple, est violée par le soi-disant les théories de l'effondrement spontané, qui préconisent - comme leur nom l'indique - l'effondrement aléatoire spontané de la fonction d'onde, indépendamment des mesures. Ces modèles garantissent que les petits systèmes quantiques tels que les particules peuvent rester en superposition presque pour toujours, mais plus les systèmes deviennent massifs, plus la probabilité de leur effondrement spontané dans un état classique est grande. Les mesures détectent simplement l'état d'un système effondré.

Dans les théories de l'effondrement spontané, la mécanique quantique ne peut pas être appliquée aux systèmes avec une masse supérieure au seuil. Et bien que ces modèles restent à vérifier empiriquement, personne ne les a encore réfutés.

Nicholas Gizin de l'Université de Genève préfère les théories de l'effondrement spontané comme moyen de résoudre la contradiction dans l'expérience Frauhiger-Rener. «Mon moyen de sortir de leur difficulté est de dire: non, à un moment donné, le principe de superposition ne fonctionne plus», dit-il.

Si vous voulez adhérer à l'hypothèse de l'applicabilité universelle de la théorie quantique et d'une version unique des mesures, vous devez abandonner la dernière hypothèse - de la cohérence: "les prédictions de divers acteurs utilisant la théorie quantique ne peuvent pas se contredire".

En utilisant une version légèrement modifiée de l'expérience Frauchiger-Rener, Leifer a montré que cette dernière hypothèse, ou sa variante, devrait être abandonnée si les théories de Copenhague étaient correctes. Dans son analyse, ces théories ont des attributs communs - elles sont universellement applicables, anti-réalistes (c'est-à-dire qu'elles parlent de l'absence de certaines certaines propriétés des systèmes quantiques, telles que la position, avant la mesure) et sont complètes (il n'y a pas de réalité cachée que la théorie ne peut pas décrire). Compte tenu de ces attributs, son travail affirme que la dimension donnée n'a pas un seul résultat qui est objectivement vrai pour tous les observateurs. Donc, si un détecteur cliquait sur le laboratoire d'un ami d'Alice, ce serait un fait objectif pour elle - mais pas pour Alice, qui était à l'extérieur du laboratoire et a simulé tout cela en utilisant la théorie quantique. Les résultats des mesures dépendent du point de vue de l'observateur.

"Si vous souhaitez soutenir le point de vue de Copenhague, alors le meilleur moyen serait de passer à cette version de perspectives différentes", a déclaré Leifer. Il souligne que certaines interprétations, telles que le bayésianisme quantique, ou KBism, ont déjà porté l'approche de subjectivité du résultat de mesure à l'observateur.

Rener estime que l'abandon de cette hypothèse détruira la capacité des acteurs à découvrir ce que les autres savent; une telle théorie peut simplement être écartée comme solipsisme . Toute théorie allant dans le sens de la subjectivité des faits doit en quelque sorte redéfinir la méthode de transfert des connaissances pour qu'elle satisfasse à deux limites opposées. Elle devrait être suffisamment faible pour ne pas provoquer le paradoxe observé dans l'expérience Frauhiger-Rener. Mais il doit être suffisamment fort pour ne pas être accusé de solipsisme. Jusqu'à présent, personne n'a pu formuler une théorie similaire qui satisfasse tout le monde.



L'expérience Frauhiger-Rener donne lieu à des contradictions entre trois hypothèses apparemment raisonnables. Les tentatives d'expliquer comment différentes interprétations de la théorie quantique violent ces hypothèses étaient «des exercices extrêmement utiles», a déclaré Rob Speckens de l'Institut de physique théorique, Périmètre du Canada.

"Cette expérience de pensée est une excellente lentille à travers laquelle vous pouvez explorer les différences d'opinion entre les différents camps professant des interprétations de la théorie quantique", a déclaré Speckens. - Je ne pense pas qu'il ait en fait éliminé les options soutenues par les gens auparavant, mais il a découvert exactement ce que les différents camps d'interprétation devraient croire afin d'éviter les contradictions. Il a aidé à clarifier les attitudes des gens face à certains de ces problèmes. »

Étant donné que les théoriciens ne peuvent pas séparer les interprétations, les expérimentateurs réfléchissent à la façon de mettre en œuvre cette expérience de pensée, dans l'espoir de clarifier le problème. Mais ce ne sera pas une tâche facile, car l'expérience présente des exigences étranges. Par exemple, quand Alice prend une dimension spéciale de son ami et laboratoire, elle met tout, y compris le cerveau de son ami, dans une superposition d'états.

Mathématiquement, cette mesure complexe équivaut au fait que nous inversons d'abord le développement temporaire du système - c'est-à-dire que la mémoire de l'acteur est effacée et que le système quantique (la particule qu'il a mesurée) revient à son état d'origine - puis nous effectuons une mesure plus simple d'une seule particule, a déclaré Howard Wisemande l'Université Griffith d'Australie. La mesure peut être simple, mais, comme le souligne très poliment Gizin, "Inverser le personnage, y compris son cerveau et sa mémoire, est une partie sensible de l'expérience."

Néanmoins, Gizin ne nie pas que, peut-être, un jour cette expérience puisse être réalisée à l'aide d'ordinateurs quantiques complexes, en tant qu'acteurs à l'intérieur de laboratoires (jouant le rôle d'amis d'Alice et Bob). En principe, le développement temporaire d'un ordinateur quantique peut être inversé. Une possibilité est qu'une telle expérience reproduise les prédictions de la mécanique quantique standard en même temps que les ordinateurs quantiques deviennent plus complexes. Ou peut-être pas."Une autre alternative est qu'à un moment donné, tout en développant des ordinateurs quantiques, nous nous heurterons à la restriction du principe de superposition, et nous constaterons que la mécanique quantique n'est pas universelle", a déclaré Gizin.

Leifer plaide pour quelque chose de nouveau. «Je pense que l'interprétation correcte de la mécanique quantique ne sera similaire à aucune des précédentes», a-t-il déclaré.

Il compare la situation actuelle avec la mécanique quantique avec les temps précédant l'apparition d'Einstein avec sa théorie spéciale de la relativité. Les expérimentateurs n'ont trouvé aucun signe de l' éther lumineux "- le moyen par lequel on pensait que les ondes lumineuses se propageaient dans l'univers newtonien. Einstein a fait valoir que l'éther n'existe pas. Il a montré que l'espace et le temps sont modifiables." Avant Einstein, il était impossible de penser que la structure de l'espace et du temps changerait ", - dit Leifer.

Il pense que la mécanique quantique se trouve maintenant dans une situation similaire. "Il est possible que nous fassions des hypothèses inconditionnelles sur la façon dont le monde devrait être construit, ce qui est en fait faux", a-t-il déclaré. "Quand nous les changerons, quand nous changerons nos hypothèses, tout se mettra soudainement en place." Je l'espère. Toute personne sceptique quant à toutes les interprétations de la mécanique quantique devrait raisonner ainsi. Puis-je vous parler d'un candidat approprié pour une telle hypothèse? Si je le pouvais, je travaillerais sur cette théorie. »