{"partition": "head_middle", "source_domain": "www.larecherche.fr", "digest": "sha1:UV52BMPUMNGEFKAJ6IRELXOJJK7BH6FJ", "path": "/lustre/fsn1/projects/rech/qgz/uzq54wg/processed_redpajama/base_processing/output/fr/2014-15/000_00048.parquet"}
La Recherche Actualités
autreLe chat de schrödinger se prête à l'expérienceautre - 01/09/1997 par Serge Haroche, Jean-Michel Raimond, Michel Brune dans mensuel n°301 à la page 50 (4260 mots) | Gratuit
l'échelle des atomes, un objet peut se trouver dans plusieurs états à la fois. Cette ambiguïté fondamentale, inhérente à la physique quantique, est manifestement étrangère au monde macroscopique. Pourquoi ? Cette question a suscité soixante-dix ans de débats théoriques, particulièrement féconds depuis les années 1980. Une expérience récente leur fait écho ; elle permet pour la première fois d'observer la disparition progressive de l'ambiguïté quantique dans un système constitué de plusieurs particules.
Une bombe peut-elle être à la fois intacte et désintégrée ? Un chat simultanément vivant et mort ? Ces questions burlesques ont été posées dans les années 1930, non par des poètes surréalistes, mais par Albert Einstein et Erwin SchrödingerI qui cherchaient à appliquer directement à notre monde les concepts de la mécanique quantique alors naissante1,2. Depuis, les succès de cette théorie ne se sont pas démentis, mais son caractère étrange demeure. Elle décrit à l'échelle microscopique un monde où la logique classique n'a pas cours, où des particules peuvent se trouver simultanément à plusieurs endroits, exister en même temps sous plusieurs identités différentes.
A l'échelle macroscopique, en revanche, le monde paraît banal ; les portes sont ouvertes ou fermées, les chats vivants ou morts. Il semble y avoir deux univers. L'un, microscopique, étrange, caché à nos sens, mais essentiel à la compréhension de la nature ; l'autre, classique, dans lequel nous évoluons avec les objets qui nous entourent. Comment s'effectue la transition entre ces mondes ? La frontière floue qui sépare le quantique du classique a longtemps été un no man's land expérimental et le problème est resté théorique. Ce n'est plus le cas. Progrès techniques aidant, on peut aujourd'hui manipuler des atomes ou des photons un à un et les coupler de façon contrôlée avec un appareil macroscopique. Ce sont des expériences de ce type qui ont récemment permis d'explorer, pour la première fois, la transition entre comportements quantique et classique.
Le côté déroutant de la mécanique quantique vient de son principe fondamental de superposition des états. Il nous dit que si un système possède plusieurs états distincts possibles exemple : un atome et ses niveaux d'énergie, il peut être à la fois dans tous c e s états, comme suspendu entre des réalités différentes. A chacun des états, la théorie associe un nombre complexe appelé « amplitude » qui, comme l'amplitude d'une onde classique, possède un module et une phase. Pour une superposition d'états, la probabilité d'obtenir tel ou tel résultat lorsqu'on mesure une quantité physique se présente en g énéral comm e le carré d'une somme d'amplitudes voir l'encadré « Superposition quantique ou mélan g e statistique ? ». Suivant les cas, elles se renforcent si elles sont en phase ou se soustraient si leurs phases sont opposées, ce qui conduit à l'observation d'interférences étran g es.
La fameuse expérience des fentes de Youn g * illustr e bi e n ce phénomène. D'habitude effectuée avec de la lumière des photons, elle a été réalisée é g alement avec des électrons et des neutrons, et récemment avec des atomes3. Ceux-ci sont envoyés sur une plaque percée de deux fentes proches, et disposent donc de deux chemins possibles pour parvenir à un écran placé au-delà des fentes. Les impacts des atomes se répartissent au sein de bandes « claires », séparées par des bandes « sombres » où aucun atome ne parvient : ce sont les fran g e s d'int e rférences. Au centre d'une frange sombre, les amplitudes associées à l'arrivée de l'atome en provenance de chacune des deux fentes s'annulent exactement. Ces interférences indiquent que chaque atome a dû se comporter comme une superposition de deux ondes ayant chacune traversé sa fente respective. Des interférences analogues se produisent dans de nombreux phénomènes microscopiques. Leurs effets, directs ou indirects, jouent un rôle essentiel dans notre compréhension de la nature.
Le principe de superposition conduit à des situations encore plus surprenantes dans des systèmes constitués de deux ou plusieurs parties, qui interagissent, puis se séparent, une situation analysée par Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen EPR en abrégé dans un article célèbre en 19354. Considérons, par exemple, une collision entre deux atomes qui possèdent deux niveaux d'énergie e et g. Supposons qu'avant la collision l'un des atomes soit dans le niveau e, et l'autre dans le niveau g. Nous dirons que la paire d'atomes est dans l'état ¶e, g> cette notation des états quantiques, avec une barre verticale et un crochet, est universellement employée. Après la collision, les atomes soit conservent leurs énergies respectives, soit les échangent, passant dans l'état ¶g, e>. Il se peut aussi - selon les détails de la collision - que la paire se trouve dans une superposition des deux configurations ¶e, g> et ¶g, e>. Chacun des atomes a une certaine probabilité de se trouver dans l'état e ou g ; mais si l'on fait un e mesure, et que l'on trouve le premier dans l'état e, le second est dans l'état g e t inversement. On dit alors que les atomes sont « intriqués ». Toute action sur l'un a un effet instantané - à distance - sur l'autre, qui s'explique par l'existence d'interférences quantiques entre les amplitudes associées aux deux confi g urations ¶e, g > e t ¶g, e >. Des corrélations analo g u e s peuvent exister sur les états de polarisation de deux photons émis conjointement par une source lumineuse. Aussi bizarres qu'elles paraissent, ces corrélations ont été observées dans de belles expériences effectuées sur des systèmes variés5. Elles confirment le caractère fondamentalement non classique de la nature à l'échelle microscopiqueII.
Le principe de superposition étonne car nul n'a jamais vu une boule de billard passer par deux trous, ou encore deux boules s'éloi g n e r après une collision en tournant sur elles-mêmes à la fois dans deux sens opposés. Comment les superpositions quantiques, omniprésentes dans le monde microscopique, échappent-elles à notre perception quotidienne ? Après tout, nous sommes nous-mêmes constitués d'atomes obéissant aux lois quantiques ! Poser la question ainsi revient à considérer, paradoxalement, que c'est la physique classique, à laquelle notre intuition est habituée, qui est étran g e puisqu'elle ne semble pas découler directement des lois fondamentales de la nature. Ce point de vue peut sembler provocant mais, si nous parvenons à comprendre comment la physique quantique s'efface de notre perception immédiate, alors nous aurons contribué à éclairer son caractère contre-intuitif et serons peut-être moins choqués par ses prévisions.
Le problème de la transition classique/quantique se pose d'une façon particulièrement aiguë quand on décrit une mesure effectuée sur un système microscopique à l'aide d'un appareil macroscopique. Supposons, par exemple, que l'on mesure l'énergie d'un atome possédant deux niveaux e et g. L'instrument de mesure est un objet de grande dimension dont l'un des éléments macroscopiques aiguille, chiffre sur un cadran digital dépend de l'état de l'atome nous donnerons plus loin un exemple de processus physique réalisant cette corrélation. Si l'atome est dans l'état e, l'aiguille du détecteur va, par exemple, pointer vers la droite alors qu'elle va s'orienter vers la gauche si l'atome est dans g fig. 1.
Lorsque l'atome est dans une superposition des états e et g, le système évolue a priori v e rs une superposition de l'état atomique e corrélé à la position droite de l'ai g uill e et de l'état atomique g corrélé à la position gauche de l'aiguille, une véritable superposition du type EPR ! Pourtant, de telles superpositions d'objets macroscopiques ne sont jamais détectées. Ce que l'on observe, c'est une aiguille pointant soit vers la droite, soit vers la gauche. Si l'on recommence la même expérience un grand nombre de fois, à partir d'un même état atomique initial contenant à amplitudes égales les états e et g, on trouvera, dans 50 % des cas, chacune des deux positions de l'aiguille. La théorie quantique de la mesure contient ainsi un principe de « réduction » instantanée, qui remplace les superpositions associées aux différents états de mesure par la réalisation aléatoire de chacun des états possibles, avec une probabilité égale au carré de l'amplitude de l'état correspondant.
Cette description, due entre autres au Danois Niels Bohr et connue sous le nom d'« interprétation de Copenhague », rend compte avec un succès remarquable de toutes les mesures effectuées sur des systèmes microscopiques. Elle reste cependant troublante à au moins deux titres. D'une part, elle renonce au déterminisme tel que le comprend la physique classique. Il est impossible, même en principe , de prévoir le résultat d'une mesure unique et la théorie ne répond qu'à des questions portant sur la statistique d'un ensemble de mesures effectuées sur des systèmes identiques. D'autre part, l'interprétation de Copenhague postule que lors d'une mesure, un processus mystérieux de « réduction » efface les superpositions d'états ; l'appareil de mesure apparaît donc comme un objet qui interrompt le cours quantique des choses. Postuler le processus de réduction revient alors à attribuer un caractère classique à l'instrument de mesure et à lui dénier le statut d'objet quantique.
Pour illustrer de façon frappante ce problème, Schrödinger remplaça par la pensée en 1935 l'aiguille inanimée d'un instrument de mesure par un chat enfermé avec l'atome dans une boîte2. L'état de vie V ou de mort M du chat e st corrélé à l'état de l'atome par un processus physique explicite. Initialement, l'atome est dans l'état e et le chat dans l'état vivant V . Lorsque l'atome se désexcite vers l'état g , l'éner g ie qu'il émet, sous forme radioactive par exemple, provoque la mort de l'animal, corrélant ainsi l'état final g de l'atome à l'état M du chat. A un instant donné, on d e vrait avoir dans la boîte une superposition de « paires » e, V et g , M , donnant lieu à des interférences quantiques bizarres entre les amplitudes associées aux états « vivant » et « mort » du chat. Or de telles interférences ne sont jamais observées, que ce soit avec un chat, une aiguille ou tout autre objet macroscopique.
Bien sûr, l'absence d'interférences est expliquée par la réduction qui transforme la superposition schizophrénique en une réalisation aléatoire soit d'un chat vivant en présence d'un atome excité, soit d'un chat mort en présence d'un atome désexcité. On dit alors que le chat est dans un mélange statistique d'états voir l'encadré « Superposition quantique ou mélange statistique ? ». Mais quand et comment se produit cette réduction ? Est-elle réellement instantanée ? N'y a-t-il pas un temps - même très court - durant lequel les interférences restent observables ? De façon plus générale, pourquoi les relations de phase entre les amplitudes quantiques tendent-elles à disparaître lorsque la taille des objets observés dépasse un certain seuil ?
Les pères fondateurs de la mécanique quantique ont largement discuté ces problèmes, analysant notamment le rôle de l'environnement dans lequel tout appareil de mesure est immergé l'observateur en fait d'ailleurs partie. Depuis les années 1980, plusieurs théoriciens ont étudié des situations modèles assez simples pour être décrites explicitement6. Ces modèles permettent de comprendre l'émergence des comportements classiques à partir des lois quantiquesIII. Elle résulterait d'un « brouillage » des interférences quantiques, brouillage dû aux interactions avec l'environnement et qui se manifesterait systématiquement dans des systèmes formés d'un grand nombre de particules. Le nom de « décohérence » a été choisi pour définir ce phénomène.
Une explication de la décohérence fait appel au concept de complémentarité . Revenons un instant à l'expérience de Young. Cherchons à observer par laquelle des deux fentes l'atome est passé. On les éclaire pour voir l'atome les traverser en observant la lumière qu'il diffuse. Il passe alors bien par une seule fente, mais les franges disparaissent ! Les aspects particule classique et onde quantique de l'atome sont ainsi complémentaires et ne peuvent se révéler ensemble. La schizophrénie de la nature a ses limites !
En fait, il n'est pas nécessaire d'observer la position de l'atome pour éliminer les franges. Il suffit que cette observation soit virtuellement possible. C'est le cas si l'on éclaire les fentes, sans disposer d'un détecteur. Le simple fait que des pho- tons diffusés emportent une informa- tion, même ignorée, sur la trajectoire de l'atome suffit à brouiller son aspect ondulatoire.
En quoi cela nous éclaire-t-il sur la décohérence ? Avec des objets complexes, formés d'un grand nombre de particules, il est difficile d'éviter que l'environnement n'emporte une information sur le système. L'aiguille d'un appareil de mesure, par exemple, subit des interactions incontrôlées avec le gaz qui la baigne et avec le rayonnement ambiant. Suivant sa position, elle subit des chocs avec des molécules ou des photons différents qui emportent une infor