Une sorte d`effet EPR temporel dans les oscillations des

Une sorte d'effet EPR temporel dans les oscillations des
neutrinos
Les corrélations quantiques étranges qui se manifestent à travers « l’effet EPR
» entre deux objets séparés dans l’espace ont des analogues dans l’écoulement
du temps pour un seul système quantique. C’est ce que montre le phénomène
d’oscillation des neutrinos sur des centaines de kilomètres.
Le 18/07/2016 à 11:25 - Laurent Sacco, Futura-Sciences
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Main Injector Neutrino Oscillation Search (Minos) est une expérience conduite aux États-
Unis avec des faisceaux de neutrinos produits non loin de Chicago, au Fermilab. Ces
faisceaux sont envoyés à travers le sol en direction du détecteur photographié ici,
installé dans une mine à 735 kilomètres de distance. L’expérience permet d’explorer la
physique des oscillations de neutrinos. © Reidar Hahn, Fermilab
Il se dit parfois que si le comportement quantique au niveau des atomes et des particules
élémentaires existait à notre échelle, un objet macroscopique pourrait se trouver dans une
superposition d’états, si bien qu'il pourrait être en deux endroits à la fois. On explique aussi que la
mécanique quantique, dans son interprétation orthodoxe, c’est-à-dire celle dite de Copenhague, du
Danois Niels Bohr, interdit de penser qu’un objet possède certaines propriétés avant qu’on ne les
mesure. Admettre cette idée surprenante semble bel et bien une nécessité pour réaliser des
prédictions cohérentes et précises dans le monde quantique. À notre échelle, cela reviendrait à dire

qu’il n’est pas possible de décrire le monde sans contradiction si l’on suppose, par exemple, qu’une
chaise existe dans une pièce même si on n’est pas là pour l’observer.
Albert Einstein, et d’autres avec lui, n’aimait pas cette description de la réalité. Il pensait que la
théorie quantique n’était qu’une méthode effective, efficace dans beaucoup de situations, comme
en mécanique des fluides où, par exemple, l'eau est censément continue, mais pas fondamentale.
Selon lui, le flou probabiliste inhérent à la théorie quantique doit pouvoir être éliminé grâce à une
théorie plus profonde, faisant intervenir des paramètres cachés et redonnant à un objet des
propriétés bien déterminées avant une mesure. Selon ce point de vue, l’interprétation de
Copenhague et l’usage du calcul des probabilités n'étaient que le reflet d’un manque de
connaissance sur ces paramètres cachés.
Pour le montrer, Einstein et deux de ses collègues développèrent une expérience de pensée qui
allait devenir célèbre sous le nom de paradoxe EPR. Elle fut analysée plus finement par le physicien
irlandais John Bell. En 1964, il montra que cette expérience conduisait à une inégalité avec les
résultats de certaines mesures, permettant ainsi de départager les conceptions de Bohr et
d’Einstein ou, plus précisément, de savoir si la théorie quantique pourrait être remplacée par une
certaine classe de théories à variables cachées.
Niels Bohr et Albert Einstein étaient en désaccord sur le statut de la mécanique quantique. Le père
de la Relativité générale ne pensait pas qu'elle était fausse, mais simplement qu'elle se limitait à
une description effective de la dualité onde-corpuscule. Avec le paradoxe EPR, il avait tenté de
montrer que les idées de Bohr conduisaient à admettre l'existence de signaux plus rapides que la
lumière, en contradiction avec la théorie de la relativité. © Ehrenfest, Wikipédia
Du paradoxe EPR à l’expérience d’Aspect en passant par l’inégalité
de Bell
Pour comprendre cette idée, considérons une machine capable de fournir des paires de boîtes
initialement fermées. On sait que chaque boîte contient une boule noire ou une boule blanche et
qu’il y a toujours une boule noire et une boule blanche dans chaque paire de boîtes. Il n’est pas
possible de prédire à l’avance dans laquelle se trouve l’une des boules, la répartition semblant tirée
au sort. Supposons que la machine se trouve à Paris et que l’une des boîtes soit emportée à
Montréal par Alice qui peut l’ouvrir sur place et envoyer un SMS à Bob, resté à Paris, pour lui dire
d’ouvrir l’autre boîte après elle. Si Alice trouve une boule noire, elle peut prédire avec certitude que
Bob trouvera une boule blanche et inversement.
La physique classique admet que la répartition des boules était déterminée avant l’ouverture, dans
la machine. La théorie quantique fait toutefois des prédictions plus sophistiquées, comme l’a
montré Bell. En dressant la liste de multiples résultats obtenus par Alice et Bob pour un grand

nombre de boîtes emportées de l’autre côté de l’Atlantique, on peut montrer que la théorie
orthodoxe implique que la répartition des boules n’est pas fixée par la machine mais intervient
aléatoirement au moment où Alice ouvre sa boîte. Cette ouverture influe à une vitesse supérieure à
celle de la lumière sur le résultat que va trouver Bob. Bell a montré que les résultats des mesures
doivent violer une inégalité si la théorie quantique orthodoxe est correcte. Ce ne serait pas le cas
pour des théories à variables cachées, dites locales, qui ne font pas intervenir de mystérieuses
corrélations non locales entre deux mesures séparées dans l’espace. Restait à passer de la théorie
à la pratique.
Alain Aspect et ses collègues ont réalisé une expérience similaire en 1982. Ils ont effectivement
trouvé des résultats violant l’inégalité de Bell, prouvant qu’il existe d’étranges corrélations
quantiques entre des objets séparés dans l’espace (les idées d’Einstein peuvent survivre cependant
avec des théories à variables cachées dites non locales).
Anthony Leggett est un physicien américano-britannique spécialiste de la physique des basses
températures, comme celle impliquée dans la supraconductivité et la superfluidité. Il est colauréat
avec Vitaly Ginzburg et Alekseï Abrikossov du prix Nobel de physique de 2003. © Lehigh University
De l’inégalité de Leggett-Garg aux oscillations des neutrinos
Quelques années plus tard, en 1985, le prix Nobel de physique Anthony Leggett a poussé le débat
entre Einstein et Bohr un cran plus loin en compagnie de son collègue Anupam Garg. Les deux
chercheurs ont proposé un autre test de la mécanique quantique avec une nouvelle inégalité
portant leur nom. Leur travail est parfois considéré comme l’analogue du théorème de Bell mais
dans le temps et non plus dans l’espace. Il suppose des mesures non pas de deux systèmes
physiques en état d’intrication quantique mais plusieurs mesures à des moments différents d'un
même système en état de superposition quantique évoluant dans le temps. Pour être plus précis,
l’inégalité s'applique par exemple aux mesures de l’état d’une boule qui pourrait être dans un état
de superposition quantique entre deux couleurs, blanche et noire. Lors d'une mesure de la couleur,
la probabilité d'obtenir l'une ou l'autre changerait avec le temps. (en résumé, états propres d’un
seul système intriquées entre eux au cours du temps qui s’écoule.)
L'inégalité de Legget-Garg concerne d'ailleurs également des systèmes pouvant se trouver dans un
état macroscopique de superposition, alors que l’expérience d’Aspect mesurait la polarisation de
photons. Concrètement, on peut l'appliquer à un anneau supraconducteur dans lequel un courant
électrique peut circuler dans deux sens opposés, et qui serait placé dans une superposition
quantique de ces deux états. La situation est alors analogue à celle d’un autre paradoxe, celle du
chat de Schrödinger, qui fait intervenir la théorie de la décohérence.

Des expériences sur des systèmes microscopiques ont été réalisées, qui violaient l'inégalité de
Leggett-Garg conformément aux prédictions de la théorie quantique orthodoxe. Aujourd’hui, une
équipe de physiciens de particules vient d’en réaliser une autre, à partir du phénomène d’oscillation
des neutrinos, comme l’explique un article déposé sur arXiv.
Les neutrinos existent sous trois formes (donc trois états quantiques superposés), encore appelées
saveurs, et se transforment en oscillant sans cesse de l’une à l’autre. Ce processus dépend de
l’énergie des neutrinos, de sorte que pour une valeur donnée, un faisceau composé initialement
d’une saveur en contiendra une autre selon une proportion dont la valeur oscille avec le temps,
donc la distance entre la source et l’endroit de la mesure. La situation est donc semblable à celle
imaginée par Leggett et Garg. Ce qui permet de tester les fondations de la théorie quantique dans
un domaine particulier, celui des neutrinos à hautes énergies.
Pour cela, plutôt que d'effectuer plusieurs mesures séparées dans le temps sur un neutrino
individuel, ce qui n’est pas réaliste car elles font disparaître la particule, on peut réaliser une
expérience avec plusieurs neutrinos possédant des énergies différentes. C’est ce que les chercheurs
ont fait avec des faisceaux de neutrinos produits au Fermilab et qui ont été envoyés à travers la
croûte terrestre en direction du fameux détecteur de l’expérience Main Injector Neutrino Oscillation
Search, Minos, à une distance de 735 km.
Les neutrinos initialement de type muonique peuvent devenir « électroniques » dans le détecteur
de Minos. Comme on s’y attendait, les corrélations mesurées violent l’inégalité de Leggett-Garg en
plein accord avec les prédictions de la mécanique quantique. Ce ne serait donc en effet qu’au
moment de la mesure que la nature des neutrinos prendrait une réalité bien définie au sens
classique, alors qu’elle resterait une superposition oscillante durant le trajet. Il ne faut donc pas
voir dans cette oscillation un neutrino qui passerait constamment d’un état à un autre pendant son
voyage. Même à ce niveau-là, le monde quantique n’a pas la réalité décrite par la physique
classique. Ce qui n’aurait pas surpris Bohr, mais peut-être Einstein...