Un nouveau paradoxe quantique remet en question les fondements de la réalité observée

Si un arbre tombe dans une forêt et que personne n’est là pour l’entendre, fait-il un bruit ? Peut-être pas, disent certains.

Et si quelqu’un est là pour l’entendre ? Si vous pensez que cela signifie qu’il a manifestement fait un bruit, vous devrez peut-être revoir votre opinion.

Nous avons trouvé un nouveau paradoxe dans la mécanique quantique – l’une de nos deux théories scientifiques les plus fondamentales, avec la théorie de la relativité d’Einstein – qui remet en question certaines idées de bon sens sur la réalité physique.

Mécanique quantique contre bon sens

Jetez un coup d’œil à ces trois déclarations :

1. Lorsque quelqu’un observe un événement, il est vraiment arrivé.
2. Il est possible de faire des choix libres, ou du moins des choix statistiquement aléatoires.
3. Un choix fait à un endroit ne peut pas affecter instantanément un événement distant. (Les physiciens appellent cela « localité »).

Ce sont toutes des idées intuitives, et elles sont largement acceptées, même par les physiciens. Mais nos recherches, publiées dans Nature Physics, montrent qu’elles ne peuvent pas toutes être vraies – ou que la mécanique quantique elle-même doit s’effondrer à un certain niveau.

C’est le résultat le plus important à ce jour d’une longue série de découvertes en mécanique quantique qui ont bouleversé nos idées sur la réalité. Pour comprendre pourquoi c’est si important, regardons cette histoire.

La bataille pour la réalité

La mécanique quantique fonctionne extrêmement bien pour décrire le comportement de minuscules objets, tels que les atomes ou les particules de lumière (photons). Mais ce comportement est … très étrange.

Dans de nombreux cas, la théorie quantique ne donne pas de réponses définitives à des questions telles que « où se trouve cette particule en ce moment ? » Elle ne fournit que des probabilités quant à l’endroit où la particule pourrait se trouver lorsqu’elle est observée.

Pour Niels Bohr, l’un des fondateurs de la théorie il y a un siècle, ce n’est pas par manque d’informations, mais parce que des propriétés physiques comme la « position » n’existent pas réellement tant qu’elles ne sont pas mesurées.

Et qui plus est, parce que certaines propriétés d’une particule ne peuvent pas être parfaitement observées simultanément – comme la position et la vitesse – elles ne peuvent pas être réelles simultanément.

Pas moins qu’Albert Einstein a trouvé cette idée intenable. Dans un article publié en 1935 avec ses collègues théoriciens Boris Podolsky et Nathan Rosen, il affirmait que la réalité devait être plus complexe que ce que la mécanique quantique pouvait décrire.

L’article considérait une paire de particules distantes dans un état spécial, aujourd’hui connu sous le nom d’état « enchevêtré ». Lorsque la même propriété (par exemple, la position ou la vitesse) est mesurée sur les deux particules enchevêtrées, le résultat sera aléatoire – mais il y aura une corrélation entre les résultats de chaque particule.

Par exemple, un observateur mesurant la position de la première particule pourrait parfaitement prédire le résultat de la mesure de la position de la particule distante, sans même la toucher. Ou bien l’observateur pourrait choisir de prédire la vitesse à la place. Cela s’expliquait naturellement, selon eux, si les deux propriétés existaient avant d’être mesurées, contrairement à l’interprétation de Bohr.

Cependant, en 1964, le physicien nord-irlandais John Bell a découvert que l’argument d’Einstein était vain si l’on effectuait une combinaison plus compliquée de différentes mesures sur les deux particules.

Bell a montré que si les deux observateurs choisissent de façon aléatoire et indépendante de mesurer l’une ou l’autre des propriétés de leurs particules, comme la position ou la vitesse, les résultats moyens ne peuvent être expliqués dans aucune théorie où la position et la vitesse étaient des propriétés locales préexistantes.

Cela semble incroyable, mais les expériences ont maintenant démontré de façon concluante que les corrélations de Bell existent bel et bien. Pour de nombreux physiciens, c’est la preuve que Bohr avait raison : les propriétés physiques n’existent pas tant qu’elles ne sont pas mesurées.

Mais cela soulève une question cruciale : qu’est-ce qu’une « mesure » a de si spécial ?

L’observateur, a observé

En 1961, le physicien théoricien hongro-américain Eugene Wigner a conçu une expérience de pensée pour montrer ce qui est si délicat dans l’idée de mesure.

Il a imaginé une situation dans laquelle son ami se rend dans un laboratoire hermétique et effectue une mesure sur une particule quantique – sa position, par exemple.

Cependant, Wigner a remarqué que s’il appliquait les équations de la mécanique quantique pour décrire cette situation de l’extérieur, le résultat était tout à fait différent. Au lieu que la mesure de l’ami rende la position de la particule réelle, du point de vue de Wigner, l’ami s’enchevêtre avec la particule et est infecté par l’incertitude qui l’entoure.

Cela ressemble au célèbre chat de Schrödinger, une expérience de pensée dans laquelle le destin d’un chat dans une boîte s’enchevêtre avec un événement quantique aléatoire.

Pour Wigner, cette conclusion était absurde. Il pensait plutôt qu’une fois que la conscience d’un observateur est impliquée, l’enchevêtrement « s’effondre » pour rendre l’observation de l’ami définitive.

Mais si Wigner avait tort ?

Notre expérience

Dans nos recherches, nous nous sommes appuyés sur une version étendue du paradoxe de l’ami de Wigner, proposée pour la première fois par Časlav Brukner de l’université de Vienne. Dans ce scénario, il y a deux physiciens – qu’on appelle Alice et Bob – chacun avec ses propres amis (Charlie et Debbie) dans deux laboratoires éloignés.

Autre rebondissement : Charlie et Debbie mesurent maintenant une paire de particules enchevêtrées, comme dans les expériences de Bell.

Comme dans l’argumentation de Wigner, les équations de la mécanique quantique nous disent que Charlie et Debbie devraient s’enchevêtrer avec leurs particules observées. Mais comme ces particules étaient déjà enchevêtrées l’une dans l’autre, Charlie et Debbie devraient eux-mêmes s’enchevêtrer – en théorie.

Mais qu’est-ce que cela implique sur le plan expérimental ?

Notre expérience se déroule comme suit : les amis entrent dans leur laboratoire et mesurent leurs particules. Quelque temps plus tard, Alice et Bob tirent chacun à pile ou face. Si c’est face, ils ouvrent la porte et demandent à leur ami ce qu’ils ont vu. Si c’est pile, ils effectuent une mesure différente.

Cette mesure différente donne toujours un résultat positif pour Alice si Charlie est empêtré avec sa particule observée de la manière calculée par Wigner. Il en va de même pour Bob et Debbie.

Cependant, dans toute réalisation de cette mesure, toute trace de l’observation de leur ami à l’intérieur du laboratoire est bloquée pour ne pas atteindre le monde extérieur. Charlie ou Debbie ne se souviendront pas d’avoir vu quoi que ce soit à l’intérieur du laboratoire, comme s’ils se réveillaient d’une anesthésie totale.

Mais est-ce vraiment arrivé, même s’ils ne s’en souviennent pas ?

Si les trois idées intuitives du début de cet article sont correctes, chaque ami a vu un résultat réel et unique pour sa mesure à l’intérieur du laboratoire, indépendamment du fait qu’Alice ou Bob aient décidé ou non d’ouvrir leur porte par la suite. De plus, ce que voient Alice et Charlie ne devrait pas dépendre de la façon dont la pièce de monnaie lointaine de Bob atterrit, et vice versa.

Nous avons montré que si tel était le cas, il y aurait des limites aux corrélations qu’Alice et Bob pourraient s’attendre à voir entre leurs résultats. Nous avons également montré que la mécanique quantique prévoit qu’Alice et Bob verront des corrélations qui dépassent ces limites.

Ensuite, nous avons fait une expérience pour confirmer les prédictions de la mécanique quantique en utilisant des paires de photons enchevêtrés. Le rôle de la mesure de chaque ami a été joué par l’un des deux chemins que chaque photon peut prendre dans la configuration, en fonction d’une propriété du photon appelée « polarisation ». C’est-à-dire que la trajectoire « mesure » la polarisation.

Notre expérience n’est qu’une preuve de principe, puisque les « amis » sont très petits et simples. Mais cela soulève la question de savoir si les mêmes résultats pourraient être obtenus avec des observateurs plus complexes.

Nous ne pourrons peut-être jamais faire cette expérience avec de vrais humains. Mais nous pensons qu’il sera peut-être possible un jour de faire une démonstration concluante si l'”ami” est une intelligence artificielle de niveau humain fonctionnant dans un énorme ordinateur quantique.

Qu’est-ce que tout cela signifie ?

Bien qu’un test concluant puisse être réalisé dans plusieurs décennies, si les prédictions de la mécanique quantique continuent de tenir, cela a de fortes implications pour notre compréhension de la réalité – plus encore que les corrélations de Bell. D’une part, les corrélations que nous avons découvertes ne peuvent pas être expliquées simplement en disant que les propriétés physiques n’existent pas tant qu’elles ne sont pas mesurées.

La réalité absolue des résultats des mesures elles-mêmes est maintenant remise en question.

Nos résultats obligent les physiciens à aborder le problème de la mesure de front : soit notre expérience ne passe pas à l’échelle, et la mécanique quantique cède la place à une « théorie de l’effondrement objectif », soit l’une de nos trois hypothèses de bon sens doit être rejetée.

Il existe des théories, comme celle de Broglie-Bohm, qui postulent une « action à distance », dans laquelle les actions peuvent avoir des effets instantanés ailleurs dans l’univers. Cependant, cela est en conflit direct avec la théorie de la relativité d’Einstein.

Certains recherchent une théorie qui rejette la liberté de choix, mais ils exigent soit une causalité inverse, soit une forme de fatalisme apparemment conspiratoire appelée « superdéterminisme ».

Une autre façon de résoudre le conflit pourrait consister à rendre la théorie d’Einstein encore plus relative. Pour Einstein, différents observateurs pouvaient ne pas être d’accord sur le moment ou le lieu où quelque chose se produit – mais ce qui se produit est un fait absolu.

Cependant, dans certaines interprétations, comme la mécanique quantique relationnelle, le QBism ou l’interprétation des mondes multiples, les événements eux-mêmes peuvent ne se produire que par rapport à un ou plusieurs observateurs. Un arbre tombé observé par l’un d’entre eux peut ne pas être un fait pour tous les autres.

Tout cela n’implique pas que vous puissiez choisir votre propre réalité. Tout d’abord, vous pouvez choisir les questions que vous posez, mais les réponses sont données par le monde. Et même dans un monde relationnel, lorsque deux observateurs communiquent, leurs réalités s’enchevêtrent. De cette façon, une réalité partagée peut émerger.

Ce qui signifie que si nous sommes tous les deux témoins de la chute d’un même arbre et que vous dites que vous ne l’entendez pas, vous pourriez avoir besoin d’une aide auditive.

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