Leçons de niveau 16

Introduction à la mécanique quantique/Interprétations de la mécanique quantique.

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Interprétations de la mécanique quantique.
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Chapitre no 6
Leçon : Introduction à la mécanique quantique
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Interprétations du formalisme quantique

L'interprétation de la théorie quantique est difficile car cette théorie introduit de nouveaux objets qui échappent au sens commun. C'est une théorie très mathématisée. En mécanique quantique, les objets ne sont ni des ondes, ni des corpuscules mais ce sont « autre chose ».

Ce formalisme conduit à représenter tous les systèmes par des entités mathématiques. Les vecteurs d'état peuvent s'ajouter, i.e. la somme de 2 états possibles est aussi un état possible. ( principe de superposition )

La mécanique quantique est relativement difficile à concevoir car sa description du monde repose sur des amplitudes de probabilité (fonctions d'onde). Ces fonctions d'ondes peuvent se trouver en combinaison linéaire, donnant lieu à des « états superposés ». Cependant, lors d'une opération dite de « mesure » l'objet quantique sera trouvé dans un état déterminé ; la fonction d'onde donne les probabilités de trouver l'objet dans tel ou tel état.


Au début du XXe siècle il y a eu de nombreux débats sur la nature de la mécanique quantique en particulier entre Albert Einstein et Niels Bohr en 1935.

Si on compare avec la théorie de la relativité qui introduit aussi des concepts qui sont hors du sens commun, celle-ci ne fait pas l'objet à présent de plusieurs interprétations.

Le Chat de Schrödinger est enfermé dans une boîte avec un flacon de gaz mortel et une source radioactive. Si un compteur Geiger détecte un certain seuil de radiations, le flacon est brisé et le chat meurt. Selon l'interprétation de Copenhague, le chat est à la fois vivant et mort. Pourtant, si on ouvre la boîte, alors on va voir si le chat est mort ou bien vivant.

Chat de Schrödinger[modifier | modifier le wikicode]

Le chat de Schrödinger est une expérience de pensée imaginée en 1935, par provocation, par Erwin Schrödinger afin de mettre en évidence des lacunes supposées de l'interprétation de Copenhague de la physique quantique, et particulièrement mettre en évidence le problème de la mesure. C'est pour faire apparaître le caractère paradoxal de cette position et pour poser de manière frappante le problème que Schrödinger a imaginé cette expérience de pensée, également connue sous le nom de « paradoxe de Schrödinger ».

L'équation de Schrödinger autorise des superpositions d'états. Cette équation est linéaire ce qui entraîne que pour deux états possibles d'une particule, la combinaison de ces deux états est également un état possible. C'est l'observation qui provoque la réduction à un seul état. Le chat et l'atome forment un système couplé (« intrication ») et le chat devrait donc être dans un état superposé, à la fois mort et vivant, jusqu'à l'observation qui le réduira à un seul état (phénomène de décohérence).

Principe d'indétermination de Heisenberg ( ou dit aussi principe d'incertitude )[modifier | modifier le wikicode]

On ne peut connaitre simultanément la position et la vitesse d'une particule quantique. Le formalisme mathématique fait que l'on ne peut pas attribuer ces deux caractéristiques en même temps.

Ce principe vient de la non-commutativité des opérateurs liés à la mesure.

Intrication quantique[modifier | modifier le wikicode]

L'intrication quantique ( ou enchevêtrement quantique ) est un phénomène dans lequel deux particules (ou groupes de particules) ont des états quantiques dépendant l'un de l'autre quelle que soit la distance qui les sépare. Un tel état est dit « intriqué » ou « enchevêtré » parce qu'il existe des corrélations entre les propriétés physiques observées de ces particules distinctes : cet état semble contredire le principe de localité. Ainsi, deux objets intriqués O1 et O2 ne sont pas indépendants même séparés par une grande distance, et il faut considérer {O1+O2} comme un système unique.

Les états intriqués prévus par la mécanique quantique ont, depuis, été observés en laboratoire et leur comportement correspond à celui que prévoit la théorie. La mécanique quantique est donc une théorie physique non-locale.

En physique, le principe de localité, connu également sous le nom de principe de séparabilité, est un principe selon lequel des objets distants ne peuvent avoir une influence directe l'un sur l'autre ; dans ce cas, un objet ne peut être influencé que par son environnement immédiat.

Dans le paradoxe du chat de Schrödinger, on pourrait dire que le chat et l'atome sont intriqués dans un système couplé. Le chat est vivant et mort en même temps tant que le phénomène de décohérence ( mesure ) ne détruit pas cette intrication.

Les interprétations[modifier | modifier le wikicode]

Pour interpréter le monde quantique, faut-il faire appel au hasard ou au déterminisme ?

Les équations de la mécanique quantique comme l'équation de Schrödinger, sont déterministes mais l'interprétation des phénomènes physiques est envisagée de plusieurs manières.

Parmi ces différentes interprétations, on peut citer en particulier:

  • Interprétation de Copenhague
  • Interprétation de Bohm (1952)
  • Interprétation des mondes multiples (ou d'Everett) (1957)

Ces différentes interprétations quantiques ne sont pas compatibles.

Ces interprétations doivent répondre aux questions suivants :

  • quelle réalité donner aux vecteurs d'état dans des espaces mathématiques abstraits ?
  • est-ce qu' une particule existe même quand on ne l'observe pas ?
  • quel est le rôle de l'observateur pour comprendre le réel ?
  • une particule peut se trouver dans plusieurs états à la fois (principe de superposition) , alors est-ce que le monde est fondamentalement aléatoire ?
  • deux particules se comportent comme un seul système (principe d' intrication). L'état intriqué décrit l'ensemble de plusieurs particules quelle que soit les distances qui les séparent. Quand on fait une mesure sur une des particules alors la règle de la réduction de la fonction d' onde s'applique-t-elle à l' état intriqué ?


Interprétation standard[modifier | modifier le wikicode]

Niels Bohr a défendu cette interprétation dite orthodoxe ou encore interprétation de l' école de Copenhague. c'est une attitude positiviste; seule l'efficacité de la science est importante et la « réalité » n'a pas de sens. La mécanique quantique a introduit un hasard fondamental. L' univers est un ensemble de probabilités. Une particule peut être ici et là en même temps.

Les particules ne sont pas toujours bien localisées dans l'espace et elles n'ont pas une trajectoire bien définie. Il faut attendre une mesure pour attribuer des propriétés aux particules.

Interprétation de Bohm[modifier | modifier le wikicode]

Le monde est déterministe. La physique quantique n'est qu'une théorie approchée. Si le hasard semble intervenir, c'est en fait que la théorie quantique est incomplète. On pourrait prévoir le résultat d'un jeu de pile ou face si on connaissait toutes les conditions initiales (mais en fait il y en a trop...). Le caractère aléatoire correspond donc au fait que l'on ne connait pas des « variables cachées » comme l'indiquait Louis de Broglie.

Le réalisme local = Les propriétés d'un objet localisé lui appartiennent entièrement indépendamment de toute observation mais les travaux d'Alain Aspect ont montré que le réalisme local n'existe pas dans la théorie quantique. une théorie dite à variables cachées locales n'est donc plus envisageable ( non-séparabilité quantique )

David Bohm a proposé une théorie dite à variables cachées non locales. Il estime qu'il n'existe aucun bien-fondé aux objections au concept de Non-localité. Dans le monde macroscopique, cette science est possible, puisque les effets de non-localité ne sont pas significatifs.

Interprétation des mondes multiples[modifier | modifier le wikicode]

L'équation de Schrödinger décrit un électron comme étant superposé dans toute les positions possibles. Mais on en observe qu'une (réduction de la fonction d' onde) alors que Hugh Everett pense que toutes les possibilités sont réalisées simultanément dans des mondes différents.

Pour Everett, la particule a une trajectoire mais il a une trajectoire différente dans chacun des mondes.

Cette interprétation est à rapprocher de la théorie multivers de la cosmologie.

Conclusion[modifier | modifier le wikicode]

Il n'existe pas pour le moment (en 2018) de consensus sur la réalité physique du monde quantique.

La notion de mesure ou de bifurcation n'apparaît pas explicitement ni même indirectement dans le formalisme quantique. En conséquence, certains physiciens n'accordent aucune réalité physique au concept de mesure ou d'observation. Pour eux, les états superposés ne s'effondrent pas ou ne « bifurquent » pas et l'état mesuré n'existe pas réellement.


Notes et références[modifier | modifier le wikicode]

  • Parmi ces différentes interprétations, on peut citer en plus: l'interprétation relationnelle, la théorie de la décohérence, la réduction du paquet d'onde objective
  • La physique quantique repense le réel, dossier , La recherche, p. 38 , n° 520, février 2017.