Vous pensiez que la mécanique quantique était bizarre : consultez le temps enchevêtré


À l’été 1935, les physiciens Albert Einstein et Erwin Schrödinger s’engagèrent dans une correspondance riche, multiforme et parfois anxieuse sur les implications de la nouvelle théorie de la mécanique quantique.

Ce que Schrödinger appela plus tard l’enchevêtrement était au centre de leurs préoccupations : l’incapacité de décrire deux systèmes quantiques ou particules de façon indépendante, après qu’ils aient interagi.

Jusqu’à sa mort, Einstein restait convaincu que l’enchevêtrement montrait à quel point la mécanique quantique était incomplète. Schrödinger pensait que l’enchevêtrement était la caractéristique déterminante de la nouvelle physique, mais cela ne voulait pas dire qu’il l’acceptait à la légère. “Je sais bien sûr comment fonctionne mathématiquement le tour de passe-passe”, écrivit-il à Einstein le 13 juillet 1935. “Mais je n’aime pas une telle théorie.” Le célèbre chat de Schrödinger, suspendu entre la vie et la mort, apparaît pour la première fois dans ces lettres, un sous-produit de la lutte pour articuler ce qui dérangeait le couple.

Le problème, c’est que l’enchevêtrement viole la façon dont le monde devrait fonctionner. L’information ne peut pas voyager plus vite que la vitesse de la lumière, par exemple. Mais dans un article de 1935, Einstein et ses co-auteurs ont montré comment l’enchevêtrement mène à ce qu’on appelle maintenant la non-localité quantique, le lien étrange qui semble exister entre des particules enchevêtrées. Si deux systèmes quantiques se rencontrent puis se séparent, même sur une distance de plusieurs milliers d’années-lumière, il devient impossible de mesurer les caractéristiques d’un système (comme sa position, son élan et sa polarité) sans diriger instantanément l’autre vers un état correspondant.

Jusqu’à aujourd’hui, la plupart des expériences ont testé l’enchevêtrement sur des espaces vides. L’hypothèse est que la partie “non locale” de la non-localité quantique fait référence à l’enchevêtrement de propriétés dans l’espace. Mais que se passe-t-il si l’enchevêtrement se produit aussi à travers le temps ? Existe-t-il une non-localité temporelle ?

Il s’avère que la réponse est oui. Juste au moment où l’on pensait que la mécanique quantique ne pouvait être plus bizarre, une équipe de physiciens de l’Université hébraïque de Jérusalem a rapporté en 2013 qu’ils avaient réussi à enchevêtrer des photons qui n’avaient jamais coexisté. Des expériences précédentes impliquant une technique appelée “échange d’enchevêtrement” avaient déjà montré des corrélations quantiques dans le temps, en retardant la mesure de l’une des particules enchevêtrées coexistantes ; mais Eli Megidish et ses collaborateurs ont été les premiers à montrer un enchevêtrement entre des photons dont la durée de vie ne se chevauche pas du tout.

Voici comment ils ont fait. Tout d’abord, ils ont créé une paire de photons enchevêtrés, “1-2” (étape I dans le diagramme ci-dessous). Peu après, ils ont mesuré la polarisation du photon 1 (une propriété décrivant la direction de l’oscillation de la lumière) – le “tuant” ainsi (étape II). Le photon 2 a été envoyé sur une chasse à l’oie sauvage tandis qu’une nouvelle paire enchevêtrée, “3-4”, a été créée (étape III). Le photon 3 a ensuite été mesuré avec le photon 2 itinérant de telle sorte que la relation d’enchevêtrement des anciennes paires (“1-2” et “3-4”) a été “permutée” sur la nouvelle combinaison “2-3” (étape IV). Quelque temps plus tard (étape V), la polarisation du survivant isolé, le photon 4, est mesurée et les résultats sont comparés à ceux du photon 1 mort depuis longtemps (étape II).

Figure 1. Diagramme chronologique : (I) Naissance des photons 1 et 2, (II) détection du photon 1, (III) naissance des photons 3 et 4, (IV) projection en cloche des photons 2 et 3, (V) détection du photon 4.

Le résultat ? Les données ont révélé l’existence de corrélations quantiques entre les photons 1 et 4 “non locaux dans le temps”. Autrement dit, l’enchevêtrement peut se produire dans deux systèmes quantiques qui n’ont jamais coexisté.

Qu’est-ce que cela peut bien vouloir dire ? Prima facie, cela semble aussi troublant que de dire que la polarité de la lumière des étoiles dans un passé lointain – disons, plus de deux fois la durée de vie de la Terre – a néanmoins influencé la polarité de la lumière des étoiles tombant à travers votre télescope amateur cet hiver. Plus bizarre encore : cela implique peut-être que les mesures effectuées par votre œil sur la lumière des étoiles tombant à travers votre télescope cet hiver ont en quelque sorte dicté la polarité des photons vieux de plus de 9 milliards d’années.

De peur que ce scénario ne vous paraisse trop farfelu, Megidish et ses collègues ne peuvent s’empêcher de spéculer sur des interprétations possibles et plutôt effrayantes de leurs résultats. Peut-être que la mesure de la polarisation du photon 1 à l’étape II oriente en quelque sorte la polarisation future de 4, ou la mesure de la polarisation du photon 4 à l’étape V réécrit en quelque sorte l’état de polarisation passé du photon 1. Dans les deux sens, les corrélations quantiques couvrent le vide causal entre la mort d’un photon et la naissance de l’autre.

Juste une cuillerée de relativité aide à réduire l’effrayant, cependant. En développant sa théorie de la relativité spéciale, Einstein a déposé le concept de simultanéité de son socle newtonien. En conséquence, la simultanéité est passée d’une propriété absolue à une propriété relative. Il n’y a pas de chronométreur unique pour l’Univers ; le moment précis où quelque chose se produit dépend de votre position précise par rapport à ce que vous observez, ce qu’on appelle votre cadre de référence. La clé pour éviter un comportement causal étrange (orienter l’avenir ou réécrire le passé) dans les cas de séparation temporelle est donc d’accepter que le fait d’appeler des événements “simultanés” a peu de poids métaphysique. Il ne s’agit que d’une propriété spécifique au cadre, un choix parmi de nombreuses autres, mais tout aussi viables – une question de convention, ou de tenue de registres.

La leçon s’applique directement à la non-localité quantique spatiale et temporelle. Les mystères concernant les paires de particules enchevêtrées constituent des désaccords sur l’étiquetage, provoqués par la relativité. Einstein a montré qu’aucune séquence d’événements ne peut être métaphysiquement privilégiée – elle peut être considérée plus réelle – que toute autre. Ce n’est qu’en acceptant ce point de vue que l’on peut faire des progrès sur de telles énigmes quantiques.

Les différents cadres de référence de l’expérience de l’Université hébraïque (cadre du laboratoire, cadre du photon 1, cadre du photon 4, etc.) ont pour ainsi dire leurs propres “historiens”. Bien que ces historiens ne s’entendent pas sur la façon dont les choses se sont passées, aucun d’entre eux ne peut prétendre à un coin de vérité. Une séquence différente d’événements se déroule à l’intérieur de chacun d’eux, selon ce point de vue spatio-temporel. Il est donc clair que toute tentative d’attribuer des propriétés spécifiques à une base de sondage en général, ou de lier des propriétés générales à une base de sondage en particulier, causera des différends entre les historiens. Mais voici le problème : bien qu’il puisse y avoir un désaccord légitime sur les propriétés qui devraient être attribuées à quelles particules et quand, il ne devrait pas y avoir de désaccord sur l’existence même de ces propriétés, particules et événements.

Ces découvertes creusent un autre fossé entre nos intuitions classiques bien-aimées et les réalités empiriques de la mécanique quantique. Comme ce fut le cas pour Schrödinger et ses contemporains, le progrès scientifique va passer par l’étude des limites de certaines vues métaphysiques. Le chat de Schrödinger, à moitié vivant et à moitié mort, a été créé pour illustrer comment l’enchevêtrement des systèmes conduit à des phénomènes macroscopiques qui défient notre compréhension habituelle des relations entre les objets et leurs propriétés : un organisme comme un chat est mort ou vivant. Il n’y a pas de terrain d’entente.

La plupart des comptes rendus philosophiques contemporains de la relation entre les objets et leurs propriétés embrassent l’enchevêtrement uniquement du point de vue de la non-localité spatiale. Mais il reste encore beaucoup à faire pour intégrer la non-localité temporelle ; non seulement dans les discussions sur la propriété des objets, mais aussi dans les débats sur la composition matérielle (comme la relation entre un morceau d’argile et la statue qu’elle forme) et les relations partielles (comme la relation entre une main et un membre ou un membre et une personne). Par exemple, le “casse-tête” de la façon dont les parties s’intègrent dans un ensemble global suppose des limites spatiales bien définies entre les composantes sous-jacentes, mais la non-localité spatiale met en garde contre cette vision. La non-localité temporelle complique encore ce tableau : comment décrire une entité dont les parties constitutives ne sont même pas coexistantes ?

Discerner la nature de l’enchevêtrement peut parfois être un projet inconfortable. On ne sait pas très bien quelle métaphysique de fond pourrait émerger de l’examen minutieux de nouvelles recherches fascinantes menées par des physiciens comme Megidish et d’autres. Dans une lettre à Einstein, Schrödinger note avec ironie (et en utilisant une métaphore étrange) : “On a le sentiment que ce sont précisément les déclarations les plus importantes de la nouvelle théorie qui peuvent vraiment être intégrées à ces bottes espagnoles – mais seulement avec difficulté.” Nous ne pouvons pas nous permettre d’ignorer la non-localité spatiale ou temporelle dans la métaphysique du futur : que les bottes nous conviennent ou non, nous devrons les porter.

Lire aussi : Les phénomènes quantiques proviennent-ils de l’interaction entre des mondes multiples ?

Source : Aeon – Traduit par Anguille sous roche

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