Cet article est la traduction résumée et discutée de « Where quantum weirdness hides » de Tom Rivlin, New Scientist 3 february 2024, p. 39
Comment les particules quantiques qui se trouvent dans un nuage d’états possibles, peuvent-elles donner naissance au monde solide et bien défini dans lequel nous vivons ?
La réponse à cette question se trouve-t-elle dans la thermodynamique, comme le pensait le physicien autrichien Ludwig Boltzmann au 19e siècle ? Cette théorie était centrée sur l’entropie qui cherche à mesurer le niveau de désordre dans lequel se trouvent les composants du monde.
L’entropie est une grandeur physique qui caractérise le degré de désorganisation d’un système. Introduite en 1865 par Rudolf Clausius, elle est nommée à partir du grec ἐντροπή, littéralement « action de se retourner » pris au sens de « action de se transformer »2. La thermodynamique statistique fournit un nouvel éclairage à cette grandeur physique abstraite : elle peut être interprétée comme la mesure du degré de désordre d’un système au niveau microscopique. Plus l’entropie du système est élevée, moins ses éléments sont ordonnés, liés entre eux, capables de produire des effets mécaniques, et plus grande est la part de l’énergie inutilisable pour l’obtention d’un travail, c’est-à-dire libérée de façon incohérente. Wikipedia
L’entropie explique aussi la mécanique quantique dont les règles ont été développées au début du 20e siècle pour comprendre comment la lumière et la matière peuvent parfois se comporter comme des ondes et parfois des particules . En 1936 Erwin Schrödinger montra comment les traiter d’une façon cohérente dans le cadre mathématique de la fonction d’onde .
Historiquement, la notion de fonction d’onde fut introduite de façon implicite par Louis de Broglie dans sa thèse en 1924. Son nom s’explique par le fait qu’elle revenait à donner à toute particule les propriétés d’interférence typiques d’une onde, généralisant la dualité onde-corpuscule introduite pour la lumière par Albert Einstein. C’est Erwin Schrödinger qui approfondit cette notion, en proposant en 1926 l’équation (portant désormais son nom) qui permet de déterminer la fonction d’onde Wikipedia.
Les lois de la mécanique quantique décrivent avec une grande précision le monde microscopique. Mais elles sont étranges. Elles permettent à une particule d’exister dans plusieurs endroits à la fois, par exemple. Dans le monde macroscopique, on ne voit jamais rien de tel .
Parmi ses concepts, on peut citer la dualité onde corpuscule, la superposition quantique, l’intrication quantique ou encore la non-localité.
De plus, le fait d’observer (mesurer) une particule quantique la reconduit immédiatement dans le monde classique. C’est ce que l’on nomme parfois le measurement mystery. Quel que soit le nombre d’endroits où ait pu se trouver un électron quantique, le fait de l’observer, c’est-à-dire d’interagir avec lui en utilisant n’importe quel instrument le réintroduit immédiatement dans le monde classique.
Des débats pour comprendre cette étrangeté se sont déroulés pendant plus d’un siècle . En 1920, Von Neuman et d’autres physiciens introduisirent l’idée que l’observation faisait s’ « effondrer » la fonction d’onde, en fonction du phénomène dit « réduction du paquet d’ondes » Ceci fut appelé l’interprétation de Copenhague
Elle est basée sur le principe de complémentarité de Bohr. Ce principe tire son inspiration de l’exemple de la théorie de la relativité, dans lequel la solution des contradictions de la mécanique newtonienne avec l’électromagnétisme de Maxwell a consisté à remettre en cause l’existence d’un temps absolu et d’une existence indépendante de l’espace et du temps. De la non-mesure d’un mouvement absolu et de l’existence d’une vitesse limite pour tous les signaux causaux dans l’univers, on en déduisait la vacuité du concept de mouvement absolu, et une fusion de l’espace et du temps en la géométrie de l’espace-temps de Minkowski.
L’effondrement de la fonction d’onde est dit aussi « décohérence ». Dans les années 2000, les physiciens Robert Blume-Koout, alors au California Institute of Technology et Wojciech Zurek du Los Alamos National Laboratory à New Mexico montrèrent que la décohérence ne se produisait pas seulement en laboratoire. Une molécule d’air ordinaire heurtant une particule chargée répandait dans l’environnement toute l’information quantique dont elle était porteuse . Cette information quantique permet la propriété de « superposition », « deux emplacements en même temps ou « two places at one ». Mais elle permet aussi d’autres curieux effets quantiques, tels que l’intrication grâce à laquelle à tout moment une interaction instantanée entre deux objets quantiques peut s’établir, quelle que soit la distance dans l’univers les séparant.
Les deux physiciens précités affirment que ce sont seulement certains types d’informations qui peuvent être retrouvés après le processus de diffusion résumé ci-dessous . Il s’agit pour eux de l’information classique. L’information quantique est bien là, il est seulement impossible d’y accéder. Ils emploient dans ce cas le terme de darwinisme quantique. Selon ce terme, l’environnement autour d’un objet quantique le sélectionne comme le mieux à même de porter et diffuser le message quantique. Mais jusqu’à ce jour les détails de ce processus étaient restés vagues.
C’est ici qu’intervient l’auteur de l’article et son groupe de travail. Leur hypothèse est que chaque étape du processus décrit ci-dessus peut être au mieux expliqué par la thermodynamique. Ils s’intéressent à ce que deviennent les états quantiques quand apparemment ils disparaissent, question que ne se pose pas le darwinisme quantique.
Or pour eux la thermodynamique propose des réponses à cette question. A ses yeux, l’énergie ne peut pas être créée ou détruite. Par ailleurs, l’univers devient de plus en plus désordonné avec le temps. Or le concept de mesure semble contredire ce qui précède. elles sous-entend une destruction de l’information. Quand une particule se trouvant simultanément dans deux emplacement se retrouve dans un seul emplacement, que devient l’information concernant l ‘autre emplacement ? Pour répondre à ces questions et à d’autres de même, ils élaborèrent un cadre de réflexion qu’ils nommèrent « MEH, measurement equilibration hypothesis »
MEH décrit la mesure comme un processus dans lequel un objet quantique interagit avec un instrument de mesure. L’instrument de mesure n’est pas nécessairement un instrument au sens propre, mais tout objet non quantique en relation avec l’objet quantique. Ce processus permet à l’information quantique de diffuser dans l’instrument jusqu’à ce qu’un point d’équilibre soit atteint.
L’article dont on trouvera ci-dessous les références est l’un des deux articles publiés sur ce sujet. Ils sont tous deux soumis à relecture par leurs pairs.
Il faudra attendre la discussion de ces articles pour juger de leur pertinence. On notera seulement qu’ils pourraient commencer à expliquer d’une façon scientifiquement discutable toutes les interprétations dites du monde multiple
Référence
[Submitted on 22 Feb 2023]
Quantum measurements and equilibration: the emergence of objective reality via entropy maximisation
Emanuel Schwarzhans, Felix C. Binder, Marcus Huber, Maximilian P. E. Lock
Textbook quantum physics features two types of dynamics, reversible unitary dynamics and irreversible measurements. The latter stands in conflict with the laws of thermodynamics and has evoked debate on what actually constitutes a measurement. With the help of modern quantum statistical mechanics, we take the first step in formalising the hypothesis that quantum measurements are instead driven by the natural tendency of closed systems to maximize entropy, a notion that we call the Measurement-Equilibration Hypothesis. In this paradigm, we investigate how objective measurement outcomes can emerge within an purely unitary framework, and find that: (i) the interactions used in standard measurement models fail to spontaneously feature emergent objectivity and (ii) while ideal projective measurements are impossible, we can (for a given form of Hamiltonian) approximate them exponentially well as we collect more physical systems together into an « observer » system. We thus lay the groundwork for self-contained models of quantum measurement, proposing improvements to our simple scheme.
| Comments: | 7+6 pages, 1 figure |
| Subjects: | Quantum Physics (quant-ph) |
| Cite as: | arXiv:2302.11253 [quant-ph] |
| (or arXiv:2302.11253v1 [quant-ph] for this version) |
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