La décohérence quantique - Institut UTINAM

Institut UTINAM – UMR CNRS 6213
UFR Sciences et Techniques - 16, Route de Gray
25030 BESANCON Cedex
Groupe Dynamique des Structures Complexes
Contacts :
POUTHIER Vincent et YALOUZ Saad
Tél.: (33) 03 81 66 64 77
[email protected]
Objet : Travail d’étude : Licence Physique/Chimie 3ième année
La décohérence quantique : comment l’apparence classique du
monde émerge-t-elle d’une description quantique.
La mécanique quantique repose sur des postulats qui, mis les uns ou bout des autres,
forment une recette de cuisine pour appréhender les phénomènes physiques à l’échelle
atomique et/ou moléculaire. Depuis plus d’un siècle, l’utilisation de cette recette quantique fut
couronnée par de nombreux succès et l’on peut citer à titre d’exemple l’explication de la
stabilité atomique, la formation des édifices moléculaires, la super-fluidité, la supraconductivité, l’étude des semi-conducteurs, l’effet transistor, le laser… Ces succès ont
bouleversé la société humaine et permis une multitude de progrès dans des domaines tels que
les technologies de l’information (téléphonie, informatique …) et la médecine (IRM). Dans
ces conditions, on pourrait penser que la mécanique quantique ne possède plus de secrets pour
la personne qui connaît les fameuses recettes sur le bout des doigts. Mais ce serait oublier le
lourd problème que pose l’interprétation des postulats fondamentaux de la physique
quantique. A ce sujet, Richard Feynman1 disait d’ailleurs : « Je crois pouvoir affirmer sans
me tromper que personne ne comprend la mécanique quantique ».
Cachés derrière un cadre mathématique plus ou moins abstrait (espace des états, kets,
équation de Schrödinger…), les postulats fondamentaux montrent qu’une description
quantique conduit souvent à des idées non intuitives apparemment en opposition avec la
vision classique du monde qui nous entoure. L’exemple le plus frappant est bien sûr le
principe de superposition : ne serait-il pas surprenant de décrire l’état d’un enfant comme
étant à la fois en classe et en récréation ! De la même manière, comment concevoir un monde
dans lequel un objet ne serait ni une onde, ni une particule mais plutôt soit l’une ou soit l’autre
selon comment on le regarde. Enfin, même si la notion de hasard se retrouve dans la
description classique du monde, ce hasard est souvent perçu comme la mesure de notre
ignorance. En revanche, même pour le plus simple des systèmes traité de manière quantique,
on ne peut prédire le résultat d’une mesure : le hasard est inhérent à la théorie quantique.
Albert Einstein lui-même n’a jamais admis ce caractère absolu du hasard ce qu’il exprima à
Max Born en lui disant : « Tu crois en un Dieu qui joue aux dés, et moi en une loi et un ordre
complet ».
1
Prix Nobel de Physique en 1965 et père de l’électrodynamique quantique
Dans ce contexte, la théorie de la décohérence, relativement jeune dans sa formulation
moderne, permet de faire le lien entre théorie quantique et théorie classique. Elle montre en
particulier comment notre vision classique du monde émerge bel et bien d’une description
quantique d’un système lorsque l’on prend soin de considérer le couplage de celui-ci avec son
environnement.
Dans ce stage de nature plutôt bibliographique, nous proposons aux étudiants de
redécouvrir (ou de découvrir) la mécanique quantique à travers des textes simples. Tout
d’abord, il s’agira de revenir sur les postulats fondamentaux et de prendre conscience des
conséquences étranges de ces derniers (hasard, principe de superposition, principe
d’incertitude, réduction du paquet d’onde, intrication). Ensuite, le problème posé par l’acte de
mesure sera analysé (le fameux chat de Schrödinger mort et vivant à la fois !). Enfin, nous
verrons comment la théorie de la décohérence permet d’expliquer la destruction des
superpositions d’états et ainsi de réconcilier théorie quantique et vision classique (le chat est
soit mort soit vivant, mais pas les deux !).