Selon la physique quantique, certaines particules exercent une influence instantanée les unes sur les autres, quelle que soit leur distance les unes des autres. Cependant, la relativité restreinte ne permet pas aux informations de se déplacer plus rapidement que la lumière. Après une bataille de plusieurs décennies, la physique quantique gagne dans ce bras de fer avec la théorie de la relativité.
"Je pense que je peux dire en toute sécurité que personne ne comprend la mécanique quantique." Le lauréat du prix Nobel Richard Feynman a écrit cet aphorisme il y a plus d'un demi-siècle. Pourtant, ses paroles ont à peine perdu toute validité. Dans ce blog en deux parties, la partie 1 décrit ce qui se passe dans le monde quantique queer. La partie 2 fait le point sur les preuves empiriques.
La physique quantique s'est développée approximativement entre 1900 et 1930. Elle décrit le fonctionnement de la nature à très petite échelle, où l'on trouve des atomes et des particules élémentaires. Ce micro-monde semble présenter des comportements qui ne correspondent pas à notre expérience quotidienne de la réalité. L'attraction la plus populaire du parc à thème de la physique quantique est sans aucun doute le chat de Schrödinger, un peu mort et vivant à la fois.
Mais en termes de valeur de spectacle, l'intrication quantique, que nous voulons souligner ici, ne devrait pas être inférieure. La description mathématique de la physique quantique indique qu'il doit exister des particules fortement connectées - intriquées - les unes avec les autres. Cela signifie qu'ils ne peuvent pas simplement supposer indépendamment une valeur pour l'énergie, la charge ou d'autres quantités physiques. Les particules intriquées sont présentes dans la nature, mais les scientifiques peuvent également les produire de manière contrôlée en laboratoire.
Élaborons un scénario où nous gardons tout aussi simple et clair que possible. On limite l'intrication à deux particules, un électron et un positon. Un positron est une particule qui ressemble à un électron en tout, mais avec une charge positive (tout aussi grande mais). De plus, nous examinons une propriété appelée spin. C'est une quantité typique du micromonde. Nous pouvons les considérer comme une forme de moment cinétique.
Son avantage dans ce contexte est que l'électron et le positron ne peuvent prendre que deux valeurs de spin, +1/2 et -1/2, de sorte que la paire intriquée a toujours un spin total de 0. Si le spin de l'électron est de +1/2, celui du positron doit être de -1/2. Si l'électron s'avère avoir une valeur de spin de -1/2, c'est +1/2 pour le positron intriqué. L'image ci-dessous montre schématiquement à quoi ressemble notre paire de particules.
Jusqu'à présent, aucune trace d'étrangeté. Vous imaginez que les deux valeurs de spin sont fixées à la formation de la paire intriquée. Mais cela dépasse la physique quantique. Après tout, dans l'interprétation de Copenhague du formalisme mathématique de la théorie quantique, qui est aussi la teneur dominante, la valeur du spin (ou autre quantité) d'une particule est indéterminée tant qu'aucune mesure n'a été effectuée sur celle-ci. Cette indétermination n'exprime pas une déficience de nos facultés cognitives, mais une caractéristique fondamentale de la nature à petite échelle. Vous ne pouvez décrire que les probabilités de tous les résultats possibles. L'état de la particule est alors une superposition de celui-ci.
Ce n'est qu'au moment de la mesure qu'une particule prend effectivement l'une de ces valeurs possibles et toutes les probabilités disparaissent. Avant la mesure de notre paire intriquée, chaque particule a une probabilité de 50 % pour le spin +1/2 et de 50 % pour -1/2. Dès que l'on mesure le spin de l'un des deux, disons l'électron, (par exemple +1/2), la probabilité du résultat +1/2 passe de 50% à 100% (certitude), tandis que la valeur -1 / 2 effectue le mouvement inverse, c'est-à-dire de 50% de chance à 0%. De plus, du fait de l'intrication, le spin du positron est immédiatement fixé, soit -1/2, même sans avoir à soumettre le positron à une mesure.
Mais comment le positon peut-il "savoir" que l'électron a été mesuré et doit passer lui-même de son nuage de valeurs probables au résultat -1/2 ? En physique classique, cela n'est possible que via une sorte de messager qui se déplace de l'électron au positon et transfère cette information. Mais l'attribution de la valeur -1/2 pour le positron a lieu simultanément avec la mesure du résultat +1/2 pour l'électron, alors que selon la théorie de la relativité d'Einstein, le messager ne peut jamais voyager plus vite que la lumière. Parce que l'intrication peut persister dans les bonnes conditions lorsque les deux particules se trouvent dans les points les plus éloignés de l'univers, le messager peut même voyager arbitrairement longtemps.
Quelqu'un aurait pu déjà mesurer le spin du positon avant que le messager ne vienne rapporter la valeur du spin de l'électron. Et ce pas par hasard car vous avez encore 50% de chance, mais à chaque fois. Impossible, non ? À moins que des fantômes n'existent, car comment pouvez-vous appeler un transfert d'informations instantané autre qu'une "opération fantasmagorique à distance" (littéralement "spukhafte Fernwirkung" ), Einstein a ajouté avec une touche de venin.
Pour le dire de manière plus neutre, la physique quantique se heurte au principe de réalisme local. "Localité" signifie que les propriétés d'une particule à un endroit ne peuvent pas avoir un effet instantané sur les propriétés d'une particule à un autre endroit. Le « réalisme » exprime que les caractéristiques observables d'une particule sont toujours là, que nous les mesurions ou non. Vous ne voulez pas que l'existence des particules, ou même du cosmos entier, dépende de la présence ou non d'un observateur à proximité.
Doit-on tout de suite jeter la physique quantique à la poubelle ? Certainement pas pour Einstein. Après tout, il était l'un de ses pionniers. De plus, il est difficile d'ignorer les succès impressionnants de la théorie. Mais elle considère le « camp d'Einstein » comme incomplet, comme un tremplin vers une description plus profonde et inconnue de la nature.
Vous pouvez alors exorciser les fantômes quantiques en supposant l'existence de "variables cachées". Ils contiennent des informations sur le comportement de chacune des deux particules intriquées lors d'une mesure et ne sont pas eux-mêmes soumis aux lois de la physique quantique. De cette façon, cette théorie est en effet incomplète - les variables cachées ne sont pas sur le radar quantique. Dans la partie 2, nous décrivons une expérience de pensée qu'Einstein a développée en 1935 avec ses collègues Podolsky et Rosen.
Ceci nous amène à la fin de notre excursion à travers la jungle quantique. Deux options s'offrent à nous. Ou nous entrons dans l'histoire quantique. Les succès de la physique quantique, ainsi que la relativité, la théorie la plus réussie que la physique nous ait donnée, nous donnent une telle confiance que nous tenons pour acquis ses aspects contre-intuitifs. Après tout, nos attentes sont entièrement déterminées par notre familiarité avec le macroscopique. Mais est-ce une bonne ligne directrice pour interpréter le monde microscopique ?
L'option 2 nous place dans le camp d'Einstein. Une théorie qui ne se concilie pas avec le réalisme local est incomplète. Cela n'enlève rien aux mérites de la physique quantique, mais il doit y avoir une théorie plus profonde dans laquelle elle est intégrée. Cela peut être fait, par exemple, en supposant des variables cachées.
La partie 2 de "Halloween en physique quantique" décrit comment la science expérimentale recherche la bonne option.
