Physique quantique : Notre étude suggère que la réalité objective n’existe pas


Les faits alternatifs se propagent comme un virus dans la société. Maintenant, il semble qu’ils aient même infecté la science – du moins le domaine quantique.

Cela peut sembler contre-intuitif. La méthode scientifique est en effet fondée sur des notions fiables d’observation, de mesure et de répétabilité. Un fait, tel qu’établi par une mesure, doit être objectif, de sorte que tous les observateurs puissent l’accepter.

Mais dans un article récemment publié dans Science Advances, nous montrons que, dans le micro-monde des atomes et des particules régi par les étranges règles de la mécanique quantique, deux observateurs différents ont droit à leurs propres faits. En d’autres termes, selon notre meilleure théorie des éléments constitutifs de la nature elle-même, les faits peuvent être subjectifs.

Les observateurs sont des acteurs puissants dans le monde quantique. Selon la théorie, les particules peuvent se trouver à plusieurs endroits ou états à la fois – c’est ce qu’on appelle une superposition. Mais bizarrement, c’est seulement lorsqu’elles ne sont pas observées. À la seconde où vous observez un système quantique, il choisit un endroit ou un état spécifique – brisant la superposition. Le fait que la nature se comporte de cette façon a été prouvé à plusieurs reprises en laboratoire – par exemple, dans la célèbre expérience de la double fente (voir la vidéo ci-dessous).

En 1961, le physicien Eugène Wigner propose une expérience de pensée provocante. Il s’est demandé ce qui se passerait si l’on appliquait la mécanique quantique à un observateur lui-même observé. Imaginez : un ami de Wigner lance une pièce de monnaie quantique – qui est dans une superposition de pile et face – dans un laboratoire fermé. Chaque fois où l’ami tire à pile ou face, il observe un résultat précis. On peut dire que l’ami de Wigner établit un fait : le résultat du tirage au sort est définitivement pile ou face.

Wigner n’a pas accès à ce fait de l’extérieur, et selon la mécanique quantique, doit décrire l’ami et la pièce pour être en superposition de tous les résultats possibles de l’expérience. C’est parce qu’ils sont “enchevêtrés”, c’est-à-dire qu’ils sont liés de façon sinistre, de sorte que si vous manipulez l’un, vous manipulez aussi l’autre. Wigner peut maintenant en principe vérifier cette superposition à l’aide d’une expérience d’interférence – un type de mesure quantique qui vous permet de démêler la superposition d’un système entier, confirmant que deux objets sont enchevêtrés.

Lorsque Wigner et l’ami comparent leurs notes plus tard, l’ami insistera sur le fait qu’ils ont vu des résultats précis pour chaque tirage au sort. Wigner, cependant, ne sera pas d’accord chaque fois où il a observé ami et pièce de monnaie dans une superposition.

C’est une énigme. La réalité perçue par l’ami ne peut être réconciliée avec la réalité extérieure. Au départ, Wigner ne considérait pas cela comme un paradoxe, il a fait valoir qu’il serait absurde de décrire un observateur conscient comme un objet quantique. Toutefois, plus tard, il s’est écarté de ce point de vue, et selon les manuels officiels sur la mécanique quantique, la description est parfaitement valide.

L’expérience

Le scénario est longtemps resté une expérience de pensée intéressante. Mais reflète-t-elle la réalité ? Scientifiquement, il y a eu peu de progrès à ce sujet jusqu’à très récemment, quand Časlav Brukner à l’Université de Vienne a montré que, sous certaines hypothèses, l’idée de Wigner peut être utilisée pour prouver formellement que les mesures en mécanique quantique sont subjectives aux observateurs.

Brukner a proposé un moyen de tester cette notion en traduisant le scénario de l’ami de Wigner dans un cadre établi par le physicien John Bell en 1964. Brukner a considéré deux paires de Wigners et d’amis, dans deux boîtes séparées, effectuant des mesures sur un état partagé – à l’intérieur et à l’extérieur de leur boîte respective. Les résultats peuvent être résumés pour être utilisés en fin de compte pour évaluer une soi-disant inégalité de Bell. Si cette inégalité est violée, les observateurs pourraient avoir d’autres faits.

Nous avons pour la première fois effectué ce test expérimentalement à l’Université Heriot-Watt d’Edimbourg sur un ordinateur quantique à petite échelle composé de trois paires de photons enchevêtrés. La première paire de photons représente les pièces de monnaie et les deux autres servent à effectuer le tirage au sort – mesure de la polarisation des photons – dans leur boîte respective. À l’extérieur des deux boîtes, il reste deux photons de chaque côté qui peuvent également être mesurés.

Les chercheurs avec l’expérience.

Malgré l’utilisation d’une technologie quantique de pointe, il a fallu des semaines pour recueillir suffisamment de données à partir de seulement six photons afin de produire suffisamment de statistiques. Mais finalement, nous avons réussi à montrer que la mécanique quantique pourrait bien être incompatible avec l’hypothèse de faits objectifs – nous avons violé l’inégalité.

La théorie, cependant, repose sur quelques hypothèses. Il s’agit notamment du fait que les résultats des mesures ne sont pas influencés par des signaux se déplaçant au-dessus de la vitesse de la lumière et que les observateurs sont libres de choisir les mesures à effectuer. Cela peut être le cas ou non.

Une autre question importante est de savoir si les photons individuels peuvent être considérés comme des observateurs. Dans la proposition théorique de Brukner, les observateurs n’ont pas besoin d’être conscients, ils doivent simplement être capables d’établir des faits sous la forme d’un résultat de mesure. Un détecteur inanimé serait donc un observateur valide. Et la mécanique quantique classique ne nous donne aucune raison de croire qu’un détecteur, pouvant être fabriqué à partir de quelques atomes, ne devrait pas être décrit comme un objet quantique tout comme un photon. Il est également possible que la mécanique quantique standard ne s’applique pas aux grandes échelles de longueur, mais les essais constituent un problème distinct.

Il peut y avoir beaucoup de mondes là-bas.

Cette expérience montre donc que, du moins pour les modèles locaux de mécanique quantique, nous devons repenser notre notion d’objectivité. Les faits que nous vivons dans notre monde macroscopique semblent demeurer sûrs, mais une question majeure se pose : comment les interprétations actuelles de la mécanique quantique peuvent-elles s’adapter aux faits subjectifs ?

Certains physiciens considèrent ces nouveaux développements comme des interprétations renforçantes qui permettent à plus d’un résultat de se produire pour une observation, par exemple l’existence d’univers parallèles dans lesquels chaque résultat se produit. D’autres le considèrent comme une preuve convaincante pour les théories qui dépendent intrinsèquement de l’observateur, comme le bayésianisme quantique, dans lequel les actions et les expériences d’un agent sont au cœur des préoccupations de la théorie. Mais d’autres encore y voient une indication forte que la mécanique quantique va peut-être se décomposer au-dessus de certaines échelles de complexité.

Il s’agit clairement de questions profondément philosophiques sur la nature fondamentale de la réalité. Quelle que soit la réponse, un avenir intéressant nous attend.

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Source : The Conversation – Traduit par Anguille sous roche

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