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Après le chat, voici le virus de Schrödinger !

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Par Laurent Sacco, Futura

En 1996, une expérience analogue à celle du chat de Schrödinger, célébrité de la mécanique quantique, avait montré la solidité de la théorie de la décohérence. L'expérience avait été conduite avec des atomes mais aujourd'hui des chercheurs pensent qu'il est possible de se rapprocher de cette expérience de pensée de Schrödinger avec des virus et peut-être même des tardigrades !

Une vue d'artiste de l'expérience proposée pour réaliser, avec des lasers, un virus de Schrödinger. Crédit : Romero-Isart

La mécanique quantique prédit des phénomènes profondément choquants pour notre intuition habituée au comportement des objets macroscopiques dans l'espace et dans le temps. Si on la prend vraiment au sérieux, on est conduit à la conclusion que la réalité fondamentale fonctionne selon un schéma et un substratum au-delà de l'espace et du temps. Nous n'avons qu'un aperçu très indirect de ce réel voilé, selon l'expression de Bernard d’Espagnat.

L'un des aspects les plus troublants de la mécanique quantique concerne le passage d'un monde fondamentalement quantique à un monde qui apparaît comme classique. A l'échelle des atomes ou des noyaux, les particules peuvent se trouver simultanément dans plusieurs états à la fois, mais ce n'est visiblement pas le cas pour des objets macroscopiques, comme un chat ou la Lune.

Un électron peut ainsi se retrouver dans différents endroits à la fois et traverser des barrières qui semblent pourtant impénétrables d'un point de vue classique. Si un ballon de football se comportait comme un électron, il serait parfois simultanément dans et hors des buts et le tir d'un joueur pourrait par moments lui faire traverser un mur de béton sans que le mur lui-même ne présente le moindre trou et sans que le ballon ne soit affecté par un choc.

Ce genre de situation, décrit par des lois de probabilités, ne se rencontre jamais dans la vie de tous les jours. Or, tous les objets de l'Univers sont a priori décrits par la mythique équation que Schrödinger avait proposée sous une forme restreinte en 1926. Il y avait donc une énigme. Comment diable se fait le passage du quantique au classique ?

Pour Schrödinger et d'autres physiciens comme Albert Einstein, la théorie quantique devait être incomplète et n'être qu'un expédient provisoire pour décrire la dualité onde-corpuscule de la matière et de la lumière, bien que de façon extraordinairement précise.

Pour le prouver, Schrödinger avait proposé en 1935 une expérience de pensée montrant, selon lui, que la folie du monde quantique ne pouvait pas être maintenue en quarantaine dans le monde atomique.

En effet, si l'on prenait au sérieux la théorie, et l'interprétation qu'en faisaient Niel Bohr, Werner Heisenberg et Paul Dirac, un chat peut être à la fois mort et vivant. Cette prédiction en contradiction violente avec l'expérience de la vie de tous les jours consistait selon lui en une reductio ad absurdum de la position des tenants de l'école de Copenhague.

Ces derniers ne furent bien sûr pas d'accord et le débat continua pendant des décennies.

L'expérience du chat de Schrödinger. Soit un chat enfermé dans une boîte en compagnie d'un atome radioactif, donc susceptible de se désintégrer. Selon la mécanique quantique, il faut traiter l’objet macroscopique, c'est-à-dire le chat, comme constituant un seul objet quantique avec l’atome, à cause d’un phénomène appelé l’intrication quantique. Or, d’après les lois de la mécanique quantique, l’atome doit se retrouver dans une superposition d’états. Il peut ainsi, simultanément, se désintégrer ou pas. Seul un observateur cherchant à savoir si la désintégration a bien eu lieu provoquerait le passage dans l'un ou l'autre de ces deux états. Ajoutons un compteur Geiger dans la boîte, capable de déclencher le mouvement d’un marteau brisant une fiole contenant du cyanure en cas de désintégration de l’atome, on aboutit à une conclusion étonnante : tant qu’un observateur n’ouvre pas la boîte pour observer le chat de l’expérience de pensée proposée par Schrödinger, ce dernier est quantiquement dans une superposition d’états, à la fois vivant et mort ! Crédit : universe-review

Certains chercheurs firent même des propositions radicales. La mécanique quantique devrait subir des modifications spécifiques si on l'applique à des organismes vivants et encore plus à des organismes vivants doués de conscience. Von Neumann et Wigner ont émis des idées allant plus ou moins dans ce sens, plus précisément sur l'existence d'un lien mystérieux entre conscience et mécanique quantique. A l'inverse, des chercheurs comme Bohr et aujourd'hui Paul Davies se sont demandés si la mécanique quantique orthodoxe ne pouvait pas être une clé de certains processus biologiques.

Des chercheurs plus conservateurs et en particulier Wojciech Hubert Zurek ont suivi la piste dite de la théorie de la décohérence.

Point n'était besoin d'invoquer l'influence de l'esprit ou une modification de la théorie quantique selon eux. La simple influence de l'environnement physique macroscopique extérieur à un système quantique provoque le passage d'un objet du monde quantique au monde classique en le perturbant légèrement.

Spontanément, le chat de Schrödinger simultanément mort et vivant bascule dans un seul état à la manière d'un crayon en équilibre sur une pointe fine. Dans cette métaphore, aucun vide suffisamment poussé ne pourrait être réalisé, de sorte qu'il y a toujours un mouvement d'air ou de quelques molécules qui finit par entraîner la chute du crayon.

La théorie de la décohérence devait subir une confirmation spectaculaire avec les travaux de Serge Haroche et ses collègues en 1996. A l'époque ,des atomes de Rydberg avaient été utilisés mais tout récemment, ce sont des photons qui ont permis de montrer que là encore, la théorie de la décohérence était opérationnelle.

Et avec un virus ?

Aujourd'hui, Oriol Romero-Isart, du Max Plank Institute for Quantum Physics à Garching en Allemagne, analyse avec ses collègues dans un papier paru sur Arxiv, la possibilité de se rapprocher des conditions de l'expérience de pensée de Schrödinger. Les chercheurs pensent en effet qu'il est possible de placer un virus dans un état de superposition quantique.

A priori, un virus n'est pas considéré comme vivant par la grande majorité des biologistes mais il y a parfois débat. En tout état de cause, il s'agit d'un objet plus complexe et plus gros qu'un atome et on peut se demander ce qui se passera dans une telle expérience.

La théorie de la décohérence est formelle de ce point de vue, les lois de la mécanique quantique s'appliqueront et il n'y a pas de raison de penser que quoi que ce soit de nouveau n'émerge. Cela devrait cependant constituer une excellente illustration des principes de la mécanique quantique.

Le protocole de l'expérience décrit par les chercheurs est le suivant. On commence par placer des virus dans une cavité sous vide. Ce sont des objets chauds, ce qui veut dire que le temps de décohérence, ou pour reprendre l'image du crayon, le temps pendant lequel celui-ci restera en équilibre, est très très court. Pour voir les effets de superposition des états, il faut donc abaisser la température des virus, qui est liée à leur agitation, très similaire à celle d'un gaz de particules.

Pour refroidir les virus, on opère comme, par exemple, dans les expériences sur les condensats de Bose-Einstein, c'est-à-dire avec des faisceaux lasers. Les ondes électromagnétiques ralentissent donc le mouvement des virus un peu à la façon d'un objet en mouvement dans de la mélasse et leur température chute fortement. Le temps de décohérence peut alors devenir beaucoup plus long. Un autre rayon laser est ensuite utilisé pour mettre le virus dans un état de superposition de deux positions différentes simultanément. On est alors dans une situation identique à celle du chat de Schrödinger, à la fois mort et vivant.

En pratique, il faut un virus capable de supporter le vide et possédant des propriétés diélectriques telles qu'un rayon laser puisse le freiner sans le détruire. Le premier virus découvert, celui de la mosaïque du tabac (TMV pour Tobacco mosaic virus), un virus à ARN infectant les plantes, en particulier le tabac, semble faire l'affaire. Il se présente comme un long cylindre d'environ un micron de long et 50 nanomètres de diamètre.

Si cette expérience réussit, elle ne sera qu'une étape, selon Romero-Isart et ses collègues. On l'a dit, la majorité des biologistes ne considèrent pas les virus comme des êtres vivants. Il en existe cependant qui pourraient convenir. On pense aux tardigrades. Ce sont des organismes stupéfiants qui peuvent résister (entre autres désagréments) à de basses températures et à un vide poussé. Ils auraient aussi les bonnes propriétés optiques pour pouvoir être freinés par laser et ensuite être mis dans un état de superposition quantique.

Dans tous les cas, il n'y a cependant pas de raison que le processus de décohérence n'opère pas correctement, tout comme avec des atomes ou des molécules inorganiques. Si elles se révèlent réalisables, ce genre d'expériences n'en constituera pas moins une excellente illustration des principes de la théorie quantique et de la théorie de la décohérence, montrant que, malgré les apparences, nous vivons bel et bien dans un monde quantique...