et son impact sur la physique quantique

Le chat de Schrödinger
et son impact sur la physique quantique
Sophie DUC, classe 5C

Table des matières
1. Introduction : ................................................................................................................................... 3
2. Partie 1 : Expériences et concepts fondateurs .................................................................................... 4
2.1. Fentes de Young .......................................................................................................................... 4
2.1.1 Contexte historique ................................................................................................................ 4
2.1.2 Expérience .............................................................................................................................. 4
2.2 Interprétations : ........................................................................................................................ 4
2.3. Einstein : L’effet photoélectrique ................................................................................................. 5
2.3.1 Contexte historique ................................................................................................................ 5
2.3.2 Expérience .............................................................................................................................. 5
2.3.3 Interprétation ......................................................................................................................... 5
2.4 Max Planck..................................................................................................................................... 6
2.4.1 La constante de Planck ........................................................................................................... 6
3. Partie 3 : La révolution quantique ....................................................................................................... 6
3.1 Atome de Bohr .............................................................................................................................. 6
3.2 Heisenberg et le principe d’incertitude ......................................................................................... 6
3.3 Les physiciens ayant contribué à l’avancée de la physique quantique ......................................... 6
3.3.1Wolfgang Pauli et le principe d’exclusion ............................................................................... 6
3.3.2 Dirac 1928 ............................................................................................................................... 7
3.3.3 Louis de Broglie Matière et dualisme onde-corpuscule ......................................................... 7
3.3.4 Schrödinger fonction d’onde .................................................................................................. 7
4. Partie 3 : Le chat de Schrödinger et paradoxe .................................................................................... 7
4.1 Contexte historique et biographie ............................................................................................ 7
4.2 Le baril d’Einstein : .................................................................................................................... 8
4.3 Expérience ................................................................................................................................. 8
4.4 Paradoxe .................................................................................................................................... 8
4.5 Interprétation ............................................................................................................................ 8
4.6 Débat Einstein-Bohr et EPR ....................................................................................................... 9
4.7 EPR : ........................................................................................................................................... 9
4.8 Expérience : ............................................................................................................................... 9
4.9 Conclusions d’Einstein : ............................................................................................................. 9
5. Partie 4 :Philosophie : .......................................................................................................................... 9
5.1 Réalisme ........................................................................................................................................ 9
5.2 ........................................................................................................................................................ 9
Idéalisme ............................................................................................................................................. 9
6. Partie 5 : Nouvelles découvertes et hypothèse (2ème révolution) ..................................................... 10

6.1 Intrication quantique, expérience du paradoxe EPR, téléportation quantique .......................... 10
6.2 Téléportation quantique ............................................................................................................. 10
6.3 Interprétation de Copenhague .................................................................................................... 10
6.4.La théorie des mondes multiples : .............................................................................................. 10
6.5 Théorie de la décohérence .......................................................................................................... 11
7. Conclusion ......................................................................................................................................... 11

1. Introduction :
Depuis toujours l’homme s’est intéressé à ce qui se passait autour de lui. Depuis
Aristote en passant par Newton ou Einstein jusqu’à nos jours, des centaines
d’expériences de physique plus ou moins célèbres ont été réalisées. Grâce au travail
de ces scientifiques nous pouvons aujourd’hui différencier 2 types de physique, la
physique dite classique et la physique quantique (ou mécanique quantique). Celle-ci
commence a se développer au 19ème siècle avec quelques grands noms de la
physique comme Planck ou Einstein. La révolution quantique est compliquée et tous
les scientifiques ne s’entendent pas. Les nouvelles découvertes se font des fois dans
un climat politique compliqué avec les grandes guerres, mais petit à petit. Cette
nouvelle physique beaucoup moins intuitive que l’ancienne, traite du monde
microscopique de particules ou encore de quantas. Le but de ce travail sera d’abord
de présenter les concepts fondamentaux qui ont été découverts au début du 20ème
siècle et qui nous amènent à la compréhension de la physique quantique pour en
suite se pencher sur un des paradoxes les plus troublant de la physique quantique :
‘’le chat de Schrödinger’’ pour voir comment, grâce aux découvertes récentes, nous
pouvons le résoudre en partie et quel impact ce paradoxe a eu sur la physique et
comment il a fait évoluer celle-ci. Pour enfin arriver aux nouvelles perspectives
d’avenir pour la physique quantique. La physique quantique est loin d’avoir révélé
tous ses mystères.
Dans ce travail nous nous intéresserons à cette expérience du chat de Schrödinger
en commençant par résumer ce qui a permis à la physique quantique de naître puis
après avoir expliqué cette expérience nous discuterons ses différentes interprétations
et explications pour pouvoir au mieux répondre à la problématique suivante : peut-on
vraiment expliquer certains phénomènes de la physique quantique tel que celui-ci ?
2. Partie 1 : Expériences et concepts fondateurs
2.1. Fentes de Young
2.1.1 Contexte historique
Thomas Young naît en 1773 et va réaliser son expérience des fentes en 1805. A
cette époque seule la physique dite classique est bien connue, c’est grâce en partie
à son expérience que la physique quantique va voir le jour.
2.1.2 Expérience
L’expérience met en place deux fentes par lesquelles passent deux rayons lumineux
issus d’une même source qui vont ensuite se projeter sur un écran. Le résultat que
l’on observe est celui-ci : sur l’écran des zones d’ombres et de lumières s’alternent.
Cette expérience a par la suite été réalisée avec des particules élémentaires le
résultat est étonnant : de la même façon qu’avec les rayons de lumière, les particules
se retrouvent sur l’écran de manière à former la figure d’interférence.
2.2 Interprétations :

2.2.1 Interprétation classique
Pour l’expérience réalisée avec les deux rayons lumineux, la physique classique
fournit l’explication suivante : la lumière a une nature ondulatoire et comme des
vagues sur l’eau, les différents rayons peuvent interagirent entre eux. Les rayons qui
sortent des deux fentes différentes vont donc interagirent entre eux. Par cette
expérience, il a pu donc être déduit que les rayons lumineux pouvaient s’additionner
entre eux ou bien s’annuler, c’est donc en se croisant que les rayons peuvent
s’annuler ou s’additionner et c’est donc pour cela que l’on retrouve une alternance de
bande lumineuses et sombres sur l’écran final.
2.2.2 Interprétation quantique
Pour ce qui est de l’électron
1
, la physique classique n’est pas en mesure d’expliquer
le phénomène. Dans cette expérience, l’électron se comporte comme une onde alors
que jusque-là on l’avait toujours considéré comme une particule. On remarque alors
que les électrons peuvent interférer entre eux mais également qu’un électron peut
interférer avec lui-même. C’est à cause de ces interférences que l’on voit également
la zone d’interférence sur l’écran. Ici apparaît la dualité onde-corpuscule qui sera un
fondement de la physique quantique. Nous pouvons mesurer dans quelle fente va
passer l’électron mais en faisant cela l’électron ne sera plus en état d’interférence
(superposition d’état). Ce phénomène met en évidence le problème de la mesure
quantique sur lequel on reviendra plus tard et qui est très important dans le paradoxe
du chat de Schrödinger.
2.3. Einstein : L’effet photoélectrique
2.3.1 Contexte historique
Einstein est né le 14 Mars 1879 à Ulm en Allemagne. En 1896, il entre à l’Ecole
polytechnique fédérale de Zurich et obtient son diplôme en 1900. En 1900 démarre
la première révolution quantique avec la découverte du corps noir par Max Planck ;
c’est à ce moment-là qu’Einstein va découvrir l’effet photo-électrique qui reprendra la
dualité onde-corpuscule de la lumière mise en lumière 100 ans plus tôt pas
l’expérience de Young. Il va reprendre l’expérience de Lennart et va contredire la
théorie classique. C’est lui qui va pouvoir pour la première fois expliquer cet effet. Il
recevra le prix Nobel de physique 1921 pour cette expérience.
2.3.2 Expérience
On projette de la lumière sur une plaque en métal ; on remarque alors que des
électrons sont éjectés de cette plaque. Lorsque l’on baisse l’intensité de la lampe le
nombre d’électrons diminue mais la vitesse d’éjection reste la même, mais le nombre
d’électrons éjectés est diminué, alors que si la lumière était une onde, si l’on baisse
l’intensité de la lumière, les électrons devraient être éjectés moins vite.
2.3.3 Interprétation
Avec la théorie classique qui dit que la lumière est une onde, il est impossible de
donner une explication cohérente à cette expérience.
L’interprétation d’Einstein est que la lumière est constituée de quantas d’énergie
(photons), une de ces particules est alors envoyée avec une énergie suffisante sur le
1
Nous verrons le cas du photon plus loin avec Einstein et l’effet photoélectrique qui reprend
la dualité onde-corpuscule de la lumière.