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Chat de Schrödinger

DéfinitionClassé sous :physique

Le chat de Schrödinger est une expression désignant ordinairement en physique une expérience de pensée proposée en 1935 par le Prix Nobel Erwin Schrödinger. Un chat, un objet macroscopique en fait, se retrouvait malgré tout soumis aux règles étranges du monde microscopique de la mécanique quantique, ceci afin d'illustrer les difficultés à connecter le monde quantique avec le monde classique. Pour comprendre de quoi il s'agit, il est nécessaire de faire un détour pour se rappeler quelques idées de base de la mécanique quantique

En mécanique quantique, à tout processus physique correspond une amplitude de probabilité, une fonction mathématique complexe dont le carré donne la probabilité d'obtenir un événement physique caractérisé par un ensemble de nombres : position d'un atome, quantité de mouvement d'un électron, polarisation d'un photon ou émission d'un rayon bêta par désintégration radioactive d'un noyau etc...

Ces probabilités ne se calculent pas selon les règles classiques, il faut partir des amplitudes de probabilité. Chaque amplitude est décrite mathématiquement par un vecteur dans un espace vectoriel donné. La somme de ces amplitudes correspond au vecteur d'état d'un système physique considéré. Cela conduit à une révision radicale des concepts d'évolutions dans le temps et l'espace de toutes les grandeurs physiques possibles. Celles-ci peuvent se trouver réduites à un ensemble discret de valeurs, comme l'énergie des électrons dans un atome, et ne possèdent pas de valeurs classiques réelles en l'absence d'observations. Elles conduisent à une situation rappelant celle du dilemme philosophique de Berkeley : « Comment puis-je être sûr que mon bureau existe quand je ne suis pas dans la pièce pour l'observer ? ».

D'après la MQ, à l'échelle atomique, un objet n'existe pas au sens classique tant qu'il n'est pas soumis à une observation, une mesure en fait, par un observateur macroscopique (pas nécessairement humain initialement). Dans la fameuse expérience des fentes d'Young avec un électron, celui-ci n'existe en tant que particule qu'au moment de l'impact avec un écran, entre-temps, il passe simultanément sous forme d'ondes à travers les deux fentes mais ne peut être considéré malgré tout comme une charge continuellement étalée dans l'espace. Toute tentative d'observation de sa trajectoire le projettera effectivement dans un état classique. Tout ceci est développé ici.

Profondément insatisfait par l'interprétation standard de la mécanique quantique, l'un de ses créateurs, Erwin Schrödinger, avait proposé une expérience de pensée montrant que ces bizarreries quantiques, si on les prenait au sérieux, ne pouvaient pas être confinées par un cordon sanitaire au monde des atomes mais qu'elles devaient se manifester dans la vie de tous les jours en contradiction avec les observations de tout un chacun. Il espérait ainsi prouver la faillite de l'interprétation orthodoxe de Bohr, Born et Heisenberg dite interprétation de Copenhague.

En plaçant un atome radioactif avec un chat dans une boîte close, on aboutit à une situation physique où, d'après la mécanique quantique, il faut associer un seul vecteur d'état au système quand bien même le chat doit-il être considéré comme un objet classique. En effet, si l'on associe une fiole de cyanure avec un détecteur capable de déclencher un dispositif libérant le cyanure en cas de désintégration de l'atome, on aboutit à une situation identique à celle des fentes d'Young où le vecteur d'état est la somme vectorielle de deux amplitudes de probabilité, une pour chaque processus physique. Dans le cas d'Young, on avait le passage d'un électron ou d'un photon soit par une fente droite, soit par une fente gauche, ici c'est l'alternative chat mort / chat vivant.

La mécanique quantique standard INTERDIT au système de se projeter spontanément dans un des deux états précédents sans l'action d'un observateur ouvrant la boîte pour déterminer laquelle des deux alternatives s'est réalisée. C'est évidemment choquant, à une échelle encore plus grande cela signifie que la Lune ne possède pas de trajectoire réelle tant qu'il n'y a pas quelqu'un pour l'observer !

Les fondateurs de la MQ orthodoxe avaient déjà répondu à ces paradoxes mais d'une façon qui laissait encore à désirer. Aujourd'hui, on a réussi à préciser leurs arguments avec ce qu'on appelle la théorie de la décohérence. Le système chat + atome n'est pas complètement isolé et une faible perturbation provenant de l'extérieur suffit à faire sauter le système dans un des deux états avant qu'un être humain ne l'observe.

Par extension, on appelle parfois chat de Schrödinger un ensemble de particules quantiques intriquées se raprochant d'un objet macroscopique et utilisé à la place du chat dans une expérience analogue à celle proposée par Schrödinger. On se sert par exemple de photons pouvant interagir avec un atome dans un état quantique donné, c'est ce qui a été fait dans les fameuses expériences de l'ENS de Brune, Raimond et Haroche en 1996. L'atome se trouvait dans deux états possibles, excité ou non excité suite à l'émission d'un photon. On retrouve bien le cas d'un atome se désintégrant ou non, alors que le chat de Schrödinger photonique pouvait se trouver dans deux états de polarisation correspondant bien à l'état mort ou vivant du chat dans l'expérience initiale de Schrödinger. Cette expérience et les autres qui l'ont suivie ont montré que le mécanisme de décohérence proposé était effectivement opérationnel.

Il ne faut cependant pas se faire d'illusions, il reste encore bien des mystères en MQ. La solution du problème de la mesure et du passage quantique/classique n'est toujours pas complète !

Liens

Cours de S Haroche 

L'article de Schrödinger