Un pauvre chat est enfermé dans une boîte

Le XXe siècle a été riche en événements pour les sciences physiques :
 La découverte de la structure de l'atome et la mécanique quantique ont
permis une meilleure compréhension de la matière et l'essor de
l'électronique.
 De nombreuses particules ont été identifiées, et une nouvelle représentation
des forces et des champs a vu le jour.
 La théorie du chaos et l'étude des systèmes dynamiques ont connu leur
apogée.
 A partir d'une révision de la mécanique de Newton, la relativité d'Einstein a
débouché sur une représentation de l'espace et du temps en une seule entité,
l'espace-temps.
 La compréhension des étoiles et du cosmos s'en est trouvé changée : le
concept de « Big bang » en particulier a renouvelé notre vision des origines
de l'Univers.
 Enfin, la physique de la Terre, avec la confirmation de l'hypothèse de la
dérive des continents, et l'exploration du Système solaire ont littéralement
explosé.
Erwin Schrödinger :
 Il est né en 1887 à Erdber.
 Schrödinger est le fils de Rudolf Schrödinger (botaniste et fabricant de
suaires) et de Georgine Emilia Brenda (fille du professeur de Chimie
Alexander Bauer).
 Il obtient son doctorat en physique théorique, à l'Université de Vienne en
1910.
 Il fut également l'auteur de « Qu'est-ce que la vie ? ».
 Mais mobilisé comme officier d'artillerie, il ne commence véritablement sa
carrière qu'après la guerre.
 Le 6 avril 1920, il épouse Anne-Marie.
 En 1933, Il entre à l'université d'Oxford, y reçoit son prix Nobel avec Paul
Dirac, mais n'y reste pas longtemps : sa vie privée, peu conventionnelle (il
vivait avec deux femmes) ne fait pas l'unanimité.
 En 1940 il devient directeur de l'école de Physique Théorique où il restera
en poste pendant 17 ans et se verra attribuer la nationalité irlandaise.
 Il publie à peu près 50 nouveaux articles sur des sujets variés, dont son
exploration de la théorie unifiée des champs.
 Il meurt le 4 janvier 1961 dans sa ville natale
La physique quantique :
En mécanique classique, un système tel que par exemple une balle que l'on lance
en l'air est dans un état bien défini, caractérisé (dans le cas de l'exemple de la
balle) par sa position x ou encore sa vitesse v.
Cette physique, initiée par Galilée, développée par Newton et affinée par
Einstein, permet de décrire très correctement les systèmes macroscopiques, mais
ne suffit plus dès que l'on s'intéresse aux petites échelles :
en particulier, elle prévoit que l'atome devrait être très instable et que son
rayonnement devrait être continu alors que c'est exactement l'inverse que l'on
observe.
Pour de telles échelles, il existe une description spécifique des phénomènes
physiques :
c'est la mécanique quantique.
En mécanique quantique, les systèmes étudiés ne sont plus dans un état
unique, mais dans une superposition d'états différents décrits par ce que
l'on appelle la fonction d'onde y.
Par exemple, un photon solitaire que l'on envoie sur une plaque percée de deux
trous crée des franges d'interférences en interagissant avec lui-même,
exactement comme s'il était passé par les deux trous à la fois, tout simplement
parce que sa trajectoire n'est pas définie :
elle est la superposition de deux trajectoires distinctes correspondant à chacun
des deux trous.
Par contre, de la même façon qu'en mécanique classique, l'évolution de cette
superposition d'états est décrite par une équation différentielle on ne peut plus
déterministe, l'équation de Schrödinger.
L'un des aspects les plus fascinants de la mécanique quantique est que le passage
de cette superposition d'états, qui évolue selon l'équation de schrödinger, à l'état
unique et bien défini du système après sa mesure n'est plus du tout déterministe.
Il est en effet bien évident que la mesure de l'état du système ne peut conduire
qu'à un seul et unique état : dans l'expérience décrite plus haut, si l'on place un
détecteur derrière chacun des deux trous pour savoir par lequel est passé le
photon, on obtiendra un résultat unique (et imprévisible !), à savoir le trou de
droite ou le trou de gauche, mais pas les deux.
D'un ensemble d'états superposés, le système, par le seul fait de la mesure qui en
est faite, " choisit " un état particulier.
On appelle cela la réduction de la fonction d'onde.
Bien évidemment, puisque après sa mesure le photon est dans un état bien défini
(trajectoire de droite ou trajectoire de gauche), il ne peut plus passer par les deux
trous à la fois et interagir avec lui-même comme précédemment.
Et de fait, le simple fait de placer un capteur pour savoir par quel trou est passé
le photon fait disparaître les franges d'interférences ! Cela peut paraître
complètement fou : si le système s'avère être dans un état donné après la mesure,
on est en droit de penser qu'il était dans le même état juste avant et que toute
cette histoire de superposition d'états n'est que de la poudre aux yeux. Et
pourtant.
En mécanique quantique, le monde microscopique est décrit en termes de
probabilités et le déterminisme classique n'existe plus. On ne peut plus parler de
la position d'une particule, mais seulement de sa probabilité de se trouver en un
endroit donné. Ce concept est plutôt étrange, en tout cas très éloigné de notre
expérience de la vie quotidienne. Mais comme la mécanique quantique a passé
avec succès tous les tests expérimentaux inventés à ce jour, nous sommes bien
obligés de l'accepter comme description de la réalité. Cependant, s'il est possible
d'admettre que le monde microscopique est régi par les lois quantiques, cela
devient plus difficile lorsque l'on parle de la vie de tous les jours.
L’expérience du chat:
 Un pauvre chat est enfermé dans une boîte.
 Dans un coin de la boîte, on place un atome d'uranium radioactif et un
détecteur conçu pour ne fonctionner qu'une minute (très important).
 Pendant cette minute, il y a 50% de chance pour que l'atome U se
désintègre en éjectant un électron; lequel électron ira frapper le détecteur;
lequel détecteur actionnera alors un marteau qui brisera une fiole de poison
mortel placée dans la boîte du pauvre matou...
 Si nous fermons la boîte et déclenchons l'expérience, soit :
L’atome ne se désintègre pas ; il n’éjecte pas d’électron ; le détecteur
n’actionnera alors pas le marteau qui ne brisera pas la fiole de poison mortel
= CHAT VIVANT !
L’atome se désintègre ; il éjecte un électron qui déclenche le détecteur ;
celui-ci actionne alors le marteau qui brise la fiole de poison mortel
=CHAT MORT
Après expérience, demandons-nous AVANT d’y regarder si le chat est vivant ou
mort...
Évident me direz-vous, il a 50% de chance d'être vivant et autant d'être mort.
Eh bien figurez-vous que la physique quantique a un doute : elle vous dira que le
chat, AVANT observation, est vivant ET mort à la fois!
Absurde! Et pourquoi ??????????
Rapidement, l'état (vivant / mort) du chat ne dépend en fait que de l'état
(émission d'un électron / non) de l'atome d'Uranium.
Or la physique quantique affirme que l'atome U est un être quantique auquel est
applicable le principe de superposition: les particules atomiques peuvent
exister dans plusieurs états superposés et simultanés.
Interprétation de l’expérience :
Plus profondément, Le nœud de l'affaire, c'est l'atome d'uranium. Vous l'aurez
bien compris, c'est lui qui tue ou laisse en vie le chat. Un atome radioactif
d'uranium peut exister dans deux états superposés: intact et désintégré.
Le problème, c'est qu'aucun physicien ne pourra vous dire QUAND l'atome va
se fissurer. La seule chose que l'on peut faire est de calculer la probabilité pour
que cela arrive. Et cette probabilité vaut 50 %. Il y a donc autant de chances que
le chat soit mort ou vivant. Cette situation paradoxale vient du fait que l'atome
d'uranium est un être quantique. De ce fait, il se trouve dans les deux états
(fissuré et intact) en même temps, donc le chat aussi. Les deux probabilités se
chevauchent réellement. Ni l'un ni l'autre, mais les deux à la fois.
L'interprétation traditionnelle de la mécanique quantique pose donc un
problème. Il est possible d'imaginer qu'une particule se trouve dans une
superposition d'états, chacun affecté d'une certaine probabilité. Cela devient en
revanche très difficile lorsque l'on considère un objet macroscopique comme le
chat en question. L'idée d'un animal ni mort, ni vivant, mais dans une
superposition de ces états est plutôt difficile à accepter. C'est à ce problème que
la théorie des univers parallèles vient apporter une solution élégante.
Jusque là, on n’a pas regardé le chat à travers le hublot, le fait de regarder étant
l'acte important. L’état de superposition cesse immédiatement dès qu'il y a
observation, et donc interaction, de la particule; on dit alors qu'il y a
décohérence lorsqu'un système A et B devient un système A ou B.
Mais alors que devient le chat ? Il existe plusieurs solutions :
Une première évoquée par quelques scientifiques propose ceci : puisque rien
d'autre que la vue ne peut influencer le chat et déterminer s'il est mort OU
vivant, c'est notre curiosité qui l'aurait tué. On comprend mieux alors le
paradoxe du chat: L'état "superposé" de l'atome U devrait se transmettre à notre
félin macroscopique et le transformer en une sorte de mort-vivant! Evidemment,
lorsque l'on observe le chat à travers le hublot, il y aurait décohérence de son
état et choix d'un seul état.
Une telle explication n'est bien sûr que difficilement acceptable pour notre
monde macroscopique et elle montre les difficultés d'interprétation que soulève
le formalisme mathématique quantique (car ces états superposés sont faciles à
concevoir lorsque ces systèmes sont définis par des fonctions d'onde; les ondes
s'additionnent sans problèmes).
La superposition d'état concerne en fait des particules totalement isolées. A
l'échelle quantique, les particules évoluent dans un grand vide et les rencontres
sont assez rares. A notre échelle, c'est très différent: notre chat respire les
milliards de molécules d'air qui sont dans la boîte, sans compter tout ce qui
inonde notre univers: les ondes radio, infrarouges ou les rayons cosmiques...Ces
milliards d'êtres quantiques incontrôlables percutent notre matou et interagissent
des milliards de fois par seconde avec lui. L'état superposé "vivant ET mort"
dans lequel se trouve le chat est détruit à la moindre interaction.
(Optionnel)
Mais les scientifiques proposent une autre interprétation, plus métaphysique, en
disant que le nerf optique qui achemine l'image vers le cerveau est parcouru par
un flux électrique, lequel est un flux de particules quantiques. De là, qu'est-ce
qui prouve que le flux n'a pas les deux états lui aussi ?
Explication : le flux transporte l'état "chat mort" ET l'état "chat vivant" !
Mais alors qui décide ? Les scientifiques proposent la conscience.
Notre conscience fonctionne toujours sur un mode binaire : oui / non, ou j'aime
/ je n'aime pas,... Le fait est qu'on ne peut pas avoir les deux états superposés.
Notre conscience opte donc pour l'un ou pour l'autre. Elle force le réel à
adopter une tournure. Mais attention, on ne sait toujours pas qui choisit ! En
fait, cela est assez inquiétant car cela signifie que rien n'existe en dehors de
notre conscience.
Le problème se corse si on ne croit pas au choix de la conscience, car c'est dire
que les deux états sont bien séparés lors de la mesure. Comme rien ne vient
trancher, le chat se trouve dans deux univers parallèles. Dans l'un il est mort,
dans l'autre vivant.
En fait, chaque fois que vous faites un choix, le choix opposé est aussi fait dans
un univers parallèle. Et vu que nous faisons des milliards de choix tous les
jours, nous nous dupliquons autant de milliards de fois que nous faisons de
choix dans des univers parallèles.
Une telle vision du monde est non seulement peu économique (imaginez un peu
le nombre d'univers qui existeraient à l'heure actuelle, chacun représentant un
chemin particulier parmi toutes les bifurcations qui se sont présentées depuis le
big bang !)
Plus scientifiquement des chercheurs français ont déterminé que la période
d'incertitude est inversement proportionnelle à la complexité d'un objet. Ce qui
pour le chat, qui est un objet "complexe", revient à une période tellement courte
qu'elle est négligeable.
Ce que l’expérience cherche à montrer :
L'expérience du chat de Schrödinger fut imaginée en 1935 par le physicien
Erwin Schrödinger, afin de mettre en évidence des lacunes supposées de la
physique quantique, et particulièrement mettre en évidence le problème de la
mesure.
Rappel : La physique quantique permet de décrire très correctement les systèmes
macroscopiques, mais ne suffit plus dès que l'on s'intéresse aux petites échelles
Pour de telles échelles, il existe une description spécifique des phénomènes
physiques :
c'est la mécanique quantique.
Un chat, un objet macroscopique en fait, se retrouvait malgré tout soumis aux
règles étranges du monde microscopique de la mécanique quantique, ceci afin
d'illustrer les difficultés à connecter le monde quantique avec le monde
classique.