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La théorie quantique est certainement la description la plus étrange que les physiciens de la réalité aient développée jusqu'ici; cependant, ils y croient parce que, malgré des décennies d'observations rigoureuses et quasi obsessives, aucune expérience n'a jamais réussi à prouver que la théorie quantique est fausse. Qui plus est, la théorie quantique a permis d'obtenir de nombreuses applications pratiques dont les dispositifs que nous utilisons tous les jours et qui ne fonctionneraient tout simplement pas sans ces activités quantiques étranges qui ont lieu à une échelle atomique. Le fait même que cette page s'affiche à l'écran de votre ordinateur serait impossible sans les effets quantiques. Les lois gouvernant les transistors permettant à votre ordinateur de fonctionner, ainsi que les effets magnétiques utilisés pour stocker cette page sur un disque dur, relèvent tous deux du domaine de la théorie quantique. Malgré ce succès, la contradiction avec notre vision du monde, fondée sur le bon sens, est si prononcée, que même si nous réussissons à l'utiliser pour décrire avec une grande précision les résultats d'une expérience donnée, cela ne permet pas de prétendre que nous comprenons réellement la théorie quantique. Voici ce que deux lauréats du prix Nobel ont dit au sujet de la théorie quantique : « Quiconque n'est pas choqué par la théorie quantique ne l'a pas comprise. » —Neils Bohr et, « Je pense que je peux affirmer sans risquer de me tromper que personne ne comprend la mécanique quantique. » —Richard Feynman. L'interprétation que la théorie quantique a proposée au sujet du « tissu quantique » représente un vrai défi pour les plus grands penseurs de la physique et de la philosophie depuis l'apparition de cette théorie dans les années 20. Cette recherche approfondie des fondements de la théorie quantique n'est toujours pas terminée. L'étrangeté quantique
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| | Au cœur de cette étrangeté est ce que l'on a appelé le principe de superposition. Supposons qu'une balle est cachée dans l'une de deux boîtes. Même si nous ne savons pas dans quelle boîte elle se trouve, nous sommes portés à croire qu'elle se trouve en fait dans l'une des deux boîtes, alors qu'il n'y a rien dans l'autre. Cependant, si au lieu d'une balle nous avons un objet très microscopique tel qu'un atome, il serait généralement erroné de supposer que l'atome était en fait dans l'une des boîtes et non dans l'autre. En théorie quantique, l'atome peut se comporter comme s'il se trouve, d'une certaine façon, dans les deux boîtes en même temps : une superposition de ce qui semblerait être deux possibilités mutuellement exclusives. Ce comportement bizarre est essentiel pour le fonctionnement de la nature à des échelles microscopiques – il est intimement lié au tissu même de la réalité. Que voulons-nous dire en déclarant « l'atome peut se comporter comme s'il se trouvait dans les deux boîtes en même temps »? Pensons à l'expérience classique de fentes d'Young dans laquelle un jet de particules identiques, ayant toutes la même vitesse et la même direction, est dirigé vers une barrière à deux fentes. Voir la figure. Ces particules peuvent être des électrons, des atomes et même de grosses molécules – cela n'a pas d'importance. Certaines particules seront éventuellement bloquées par la barrière, alors que d'autres parviendront à l'autre côté et frapperont un deuxième écran, celui d'observation. Nous présumerons aussi que l'intensité du jet est très faible, de sorte que les particules entrent le dispositif l'une après l'autre. L'une après l'autre, les particules frappent l'écran d'observation à des endroits aléatoires. Même si, au début, elles présentent toutes exactement le même « état », il est impossible de prédire le point où chacune d'entre elles frappera l'écran. Il existe un véritable élément aléatoire dans la nature, plus aléatoire qu'un roulement de dé. De plus, à mesure que de nouvelles particules atteignent l'écran, il devient de plus en plus évident que les particules ont tendance à frapper certaines régions de l'écran plutôt que d'autres. Cette tendance nous permet d'établir la probabilité qu'une particule donnée frappe l'écran à un endroit donné.
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Un dispositif à fentes d'Young indiquant la répartition des endroits de l'écran atteints par les particules sur une période de temps.
| Il se trouve que cette répartition de probabilités peut être calculée très précisément de plusieurs façons mathématiquement équivalentes, par exemple : A) Une façon est de ne plus penser aux particules, mais plutôt aux vagues imaginaires passant à travers le dispositif. Un front de vague donné passera alors à travers les deux fentes en même temps et les deux vagues émergeront de l'autre côté, chacune aura passé par une fente. Alors qu'elles s'approchent de l'écran d'observation, ces deux vagues s'étendront, se chevaucheront et se perturberont, comme des vagues d'eau qui s'entrecroisent sur un lac, ce qui a pour résultat une répartition des perturbations sur l'écran : les vagues seront plus intenses à certains endroits qu'à d'autres. En choisissant bien la distance entre les crêtes des vagues (la longueur d'onde de nos vagues), nous pourrons faire de sorte que cette répartition des perturbations corresponde à la répartition des probabilités, observée dans le cas de particules.
B) Une autre façon consiste à interpréter notre expérience strictement en termes de particules passant à travers le dispositif. Après tout, ce sont des particules qui entrent le dispositif et frappent l'écran d'observation. Dans ce cas, les mathématiques nous indiquent qu'en frappant l'écran d'observation à un point donné chaque particule individuelle existe sur deux trajectoires à la fois, celle qui passe par la fente de gauche et celle qui passe par la fente de droite. La probabilité que cette particule frappe l'écran près du point en question peut être calculée en fonction de certains nombres, associés avec les deux trajectoires, et nous obtiendrons alors la même répartition des probabilités des particules.
Les faits mathématiques, utilisés dans les deux cas, sont très simples, mais pour interpréter ces résultats quant à la nature de l'univers il faut accepter des idées fondamentalement étranges. Dans les cas (A) et (B) ci-dessus, cette étrangeté apparaît dans l'idée même que chaque particule individuelle, passant par le dispositif, entre en contact avec les deux fentes : nous constatons que notre vague imaginaire, associée avec la particule, ou la particule elle-même, passe à travers les deux fentes en même temps. Afin de mieux vous représenter ce phénomène, veuillez observer que lorsque les deux fentes sont ouvertes il existe certaines régions de l'écran où les particules ne frappent jamais (entre les bandes noires sur la figure). Cependant, des expériences plus poussées démontrent que les particules ne pourront plus ignorer ces régions lorsqu'elles sont obligées de passer par une seule fente (pendant que l'autre est temporairement bloquée). En d'autres mots, il existe des endroits que les particules peuvent frapper lorsque la fente gauche seulement est ouverte, mais qu'elles ne frapperont jamais lorsque les deux fentes sont ouvertes. Si nous considérons qu'une particule donnée passe en réalité par une seule fente (droite ou gauche), comment peut-elle « savoir » si l'autre fente (gauche ou droite) est ouverte ou non, et si elle « a le droit » de frapper l'écran entre les bandes noires? Aussi inexplicable que ce soit, la particule se comporte comme si elle peut être en même temps à deux endroits, dans la fente gauche et la fente droite. Revenons à notre atome et aux deux boîtes pour faire face à une situation semblable : dans le monde de tous les jours, nous nous attendons à ce qu'il y ait « un atome dans la boîte 1 » ou « un atome dans la boîte 2 ». Cependant, dans le monde quantique nous pouvons, et c'est souvent le cas, avoir en même temps « un atome dans la boîte 1 » et « un atome dans la boîte 2 ». Nous pouvons aussi l'exprimer de la manière suivante. La question centrale de la physique traditionnelle (non quantique) peut être formulée de la façon suivante : étant donné la vitesse et la position initiales (vitesse et direction) d'une balle de base-ball, quelle sera sa trajectoire? En physique quantique, le type de question est entièrement différent : étant donné que j'ai vu la particule ici et maintenant, quelle est la probabilité que je la voie à cet endroit et à ce moment-là? De plus, calculer cette probabilité comporte des idées plus ou moins bizarres, telles que : en se rendant d'un point à l'autre, les particules existent simultanément sur toutes les trajectoires possibles, même celles faisant escale sur la Lune! Au cours des dernières décennies, les scientifiques ont commencé à appliquer cette étrangeté quantique au développement des nouvelles technologies puissantes, telles que la cryptographie et le calcul quantique – voir information quantique. L'intrication |
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Si nous avons plus d'une particule, la superposition quantique peut entraîner un phénomène encore plus étrange, appelé intrication quantique. Deux particules, par exemple, des électrons, dans un « état d'intrication » manifestent un type de lien, ou de « corrélation », vraiment mystérieux. Si l'une d'elles est perturbée, l'autre en subit instantanément l'effet, même si la distance qui les sépare est énorme (p. ex., l'un des électrons pourrait être sur la Terre et l'autre sur Mars). Dans ce contexte, l'expression « subir l'effet » est utilisée de façon très subtile. L'intrication n'est pas suffisamment forte pour nous permettre d'envoyer l'information instantanément, c.-à-d. en dépassant la vitesse de la lumière (donc, il n'y a aucune violation de la théorie de la relativité d'Einstein), cependant l'intrication est suffisamment forte pour produire des résultats fascinants et mesurables (Einstein avait du mal à accepter ce fait qu'il avait qualifié « d'action effrayante à distance »). L'interaction entre la théorie de la relativité et la théorie quantique dans ce cas est profonde et fascinante. Nous sommes, par exemple, en droit de nous poser des questions telles que, « Si une particule, faisant partie d'une paire intriquée, tombe dans un trou noir tandis que l'autre est projetée dans un endroit où nous pouvons la voir, la deuxième particule (ou plusieurs particules semblables) peut-elle être utilisée pour extraire de l'information sur celle qui vient de tomber dans le trou noir ou même sur la façon dont le trou noir a été formé? »
Afin de mieux apprécier l'étrangeté de l'intrication quantique, effectuons une simple expérience mentale. Supposons que nous lancions une pièce de monnaie et que, sans la regarder, nous la coupions en deux (de manière à séparer les deux faces), cachions chaque moitié dans une boîte scellée, donnions une boîte à Alice et une autre boîte à Bob, puis envoyons Alice sur Venus et Bob sur Mars. Lorsqu'Alice ouvre sa boîte, elle trouve soit la moitié face, soit a moitié pile de la pièce tandis que Bob trouve la moitié opposée. Cela n'a rien de surprenant.
Maintenant, plutôt qu'une pièce de monnaie ayant deux faces, supposons que nous ayons deux électrons. Il est facile de mettre les deux électrons dans deux états opposés, un en « surgyration » et l'autre en « dégyration » (analogue à pile et face), et d'effectuer une expérience semblable. La différence est que dans le monde quantique, les deux cas – A) surgyration dans la boîte d'Alice et dégyration dans la boîte de Bob et B) dégyration dans la boîte d'Alice et surgyration dans la boîte de Bob – peuvent exister simultanément. Selon l'interprétation de la théorie quantique figurant ci-dessus, les choix A ou B ne s'excluent pas réciproquement, A et B peuvent désormais coexister. Avant qu'Alice n'examine le contenu, sa boîte contient un électron qui est ni uniquement en surgyration et ni uniquement en dégyration. Il s'agit d'un état indéfini qui peut être décrit uniquement en traitant les électrons dans les deux boîtes comme faisant partie d'un système unique : on ne peut pas les décrire séparément. Il en est de même de l'électron qui se trouve dans la boîte de Bob. Une fois qu'Alice ouvre sa boîte, la nature sera obligée de choisir l'un ou l'autre état défini (A ou B) et elle le fera de manière aléatoire. Supposons que l'état A a été choisi (surgyration pour Alice, dégyration pour Bob). Le fait remarquable est que ce choix a un effet simultané dans les deux boîtes, quelle que soit la distance qui les sépare. Au moment où Alice regarde dans sa boîte, elle oblige non seulement son électron de passer à l'état de surgyration, mais aussi celui de Bob (dont la boîte demeure scellée) à passer à l'état de dégyration. Le fait qu'Alice regarde son électron a instantanément un effet sur l'électron de Bob, quelle que soit la distance qui les sépare. Il peut sembler que nous sommes prêts à violer le principe de la vitesse de la lumière d'Einstein! Cependant, Alice ne peut pas contrôler l'état de son électron (celui-là est choisi de manière aléatoire), le processus ne peut donc pas être utilisé pour transmettre l'information de manière instantanée, et la limite de vitesse d'Einstein n'est pas, pour ainsi dire, violée. Même si cette situation nous paraît certainement bizarre! |
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 Cliquer pour agrandir Dans le texte principal, les deux électrons étaient dans un état intriqué : surgyration/dégyration et dégyration/surgyration [détails]
Figure offerte gracieusement par Boris Blinov, Université de Washington.
| En plus de poser des questions profondes et fascinantes au sujet de la nature de la réalité, l'intrication quantique a des répercussions importantes sur la cryptographie quantique. Elle rend aussi possible le transport de l'information quantique d'un caractère délicat (p. ex., l'état quantique des électrons dans un atome - voir la figure) d'un emplacement à l'autre grâce au processus, appelé « téléportation quantique », activement utilisé en calcul quantique. Les deux applications de la téléportation quantique sont discutées d'une manière plus détaillée dans la rubrique consacrée à l'information quantique. Interpréter le monde quantique Comment devons-nous interpréter ce monde quantique étrange? Comme nous l'avons annoncé plus haut, bien que les procédés mathématiques, utilisés dans la théorie quantique, soient bien simples, elle a mené à plusieurs interprétations différentes de la nature de la « réalité ». Revenons à notre atome qui est dans un état de superposition d'existence dans la boîte 1 et dans la boîte 2. Lorsque nous « regardons » dans les boîtes (p. ex., en utilisant un faisceau lumineux à l'intérieur et en cherchant de la lumière dispersée par un atome) nous trouverons toujours un seul atome dans la boîte 1 ou dans la boîte 2, jamais les deux, puisqu'il n'y a qu'un seul atome. Mais qu'est-ce qui constitue réellement prendre une mesure, telle que celle-ci? Y a-t-il une interaction physique par laquelle l'appareil de mesure force un système quantique à donner des résultats définis (une version puissante de ce qui est appelé l'« interprétation de Copenhague » et l'interprétation sous-jacente à notre discussion dans cet article)? Ou bien est-ce que le caractère défini est une illusion : est-ce que les deux appareils de mesure et la particule quantique font partie d'un système quantique plus vaste dans lequel tous les résultats des mesures possibles sont réalisés en même temps? C'est-à-dire, pour chaque résultat obtenu, y a-t-il des myriades de copies des appareils de mesure dans des « réalités parallèles », menant à tous les résultats possibles (la « théorie des mondes multiples »)? Ou bien cette imprévisibilité même est-elle une illusion, tandis que la théorie quantique est bâtie sur un fondement caché invisible qui suit une évolution prévisible (« l'interprétation Bohmienne de la mécanique »)? Les réponses aux questions relatives aux fondements de la théorie quantique deviennent essentielles dans le contexte de plusieurs questions fondamentales qui ont des répercussions de grande envergure. Par exemple, parce que l'univers primordial devrait être descriptible en tant que système quantique, les structures quantiques deviennent importantes pour la compréhension de l'origine de notre univers, c'est-à-dire, la cosmologie quantique. De plus, une meilleure compréhension des structures pourrait nous aider à résoudre l'une des grandes énigmes de la théorie quantique : comment incorporer la gravité dans ce cadre conceptuel pour obtenir une théorie de la gravité quantique. Pour en apprendre davantage sur les structures quantiques de l'Institut Perimeter et ses chercheurs, veuillez cliquer ici. |
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 Cliquer pour agrandir Un appareil de téléportation qui transfert l'état quantique d'un atome de calcium à un autre. [détails]
Photo de C. Lackner, offerte gracieusement par l'Université d'Innsbruck.
| Ressources de l'IP Conférences publiques
La sélection ci-dessous comprend les présentations multimédias de l'IP données par des scientifiques de pointe et particulièrement pertinentes aux structures quantiques. Cliquez sur le lien pour obtenir une description complète de chaque conférence et choisir le format d'affichage qui vous convient. À l'attention des professeurs et des étudiants
Les conférences ci-dessous ont été présentées aux jeunes et aux éducateurs par des chercheurs de l'IP et des scientifiques invités lors des activités SEIJP, EinsteinPlus et autres de l'IP. Ressources externes recommandées - Special Report: Quantum World publié par le journal New Scientist (débutant)
- Quantum physics news publié dans le ScienceDaily
- Double Slit Experiment. Description et vidéo d'une expérience réelle effectuée chez Hitachi
- Al-Khalili, Jim. Quantum: A Guide for the Perplexed. Weidenfeld & Nicolson, 2003. (débutant)
- Bell, John S. Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics. Cambridge University Press, 1989. Une collection d'articles scientifiques publiés par Bell. (débutant à avancé)
- Gribbin, John. Le chat de Schrödinger : physique quantique et réalité. Bantam, 1984. (débutant)
- Hey, Tony. The New Quantum Universe. Cambridge University Press, 2003. (intermédiaire)
- Polkinghorne, John. The Quantum World. Princeton University Press, 1986.
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