Choix retardé : quand la mécanique quantique « agit » sur le passé

Choix retardé : quand la mécanique quantique « agit » sur le passé

Par Laurent Sacco, Futura-Sciences

La magie de la mécanique quantique semble inépuisable si on la prend vraiment au sérieux. Une expérience récente, effectuée par Jean François Roch et ses collègues de l’ENS Cachan, a permis de réaliser, bien mieux qu’auparavant, l’expérience dite du choix retardé proposée il y a moins de 30 ans par le grand John Wheeler. Tout en vérifiant les prédictions de la mécanique quantique, elle montre que celle-ci est encore plus folle que ses créateurs avaient pu l’imaginer en 1927.

De gauche à droite Einstein, Yukawa et John Wheeler
De gauche à droite Einstein, Yukawa et John Wheeler

 De quoi s’agit-il ?

Pour le comprendre, il faut revenir à l’expérience de la double fente avec des électrons et qui sert d’introduction aux concepts quantiques dans tous les bons ouvrages comme ceux de Landau, Penrose et évidemment Feynman. On considère, pour cela, une fente double séparant une source d’électrons en haut et un écran en bas. Si les électrons étaient des ondes, et passaient donc simultanément par les deux fentes, on aurait sur l’écran une alternance de bandes claires et sombres, les fameuses franges d’interférence que l’on obtient aussi avec de la lumière dans le cas de l’expérience des trous d’Young. Cette situation est représenté sur le schéma ci-dessous.

Crédit : Doris Jeanne Wagner
Crédit : Doris Jeanne Wagner

Si les électrons étaient comme des balles tirées par une mitrailleuse et passant par une seule fente ouverte, on aurait une série d’impacts discrets distribués selon une courbe continue. L’ouverture d’une autre fente ne changeant que peu cette courbe mais donnant un résultat très différent du cas ondulatoire comme on le voit sur le schéma suivant.

Crédit : Doris Jeanne Wagner
Crédit : Doris Jeanne Wagner

En réalité, comme l’expérience le démontre dans des conditions appropriées et en reprenant les mots de Feynman, les électrons et les photons sont complètement cinglés. Si les deux fentes sont ouvertes, et que l’on s’assure que les électrons passent un par un au travers, on enregistre sur l’écran une série d’impacts discrets mais dont la distribution avec suffisamment d’électrons se fait selon les franges d’interférence d’une onde !

Crédit : Doris Jeanne Wagner
Crédit : Doris Jeanne Wagner


Enregistrement des impacts d’électrons créant au final une figure d’interférence

C’est la fameuse fonction d’onde psi de Schrödinger qui permet de décrire quantiquement un système physique et dont le carré donne la probabilité d’observer un état donné de ce système. La conclusion semble inévitable. Bien qu’indivisible, l’électron est passé par les deux fentes à la fois ! Maintenant, si l’on essaye de savoir par quelle fente l’électron est passé, en fermant l’une d’entre elles, par exemple, ou en essayant de détecter avec une faible lumière un électron sortant des fentes, ceci afin de le perturber le moins possible, les franges d’interférence disparaissent et on retrouve un comportement purement corpusculaire pour l’électron.

Le carré de la fonction d'onde psi donne la probabilité d'observer une particule en un point. A gauche on a déterminé par quelle fente est passée la particule, à droite non.
Le carré de la fonction d’onde psi donne la probabilité d’observer une particule en un point. A gauche on a déterminé par quelle fente est passée la particule, à droite non.
Crédits :
nanotech.sc.mahidol.ac.th

Ceci est bien sûr une conséquence des inégalités de Heisenberg et du principe de Complémentarité de Bohr. Les électrons et autres « particules » quantiques ne sont en réalité ni des ondes ni des particules mais quelque chose d’autre dont les attributs classiques, trajectoire, vitesse, localisation, n’apparaissent qu’en fonction du dispositif expérimental donné. Pour être provocateur, la réalité n’existerait donc fondamentalement pas dans l’espace et le temps et les objets au sens classique n’existeraient pas sans un observateur (peut-être pas nécessairement humain) pour les observer ! C’est en tous cas une interprétation possible de la mécanique quantique.

Ce trop court aperçu des phénomènes quantiques suffit déjà pour se rendre compte à quel point la mécanique quantique choque l’intuition et soulève d’importantes questions presque métaphysiques. John Wheeler et d’autres, comme Bryce De Witt, W.H Zurek et John Bell, ont beaucoup réfléchi sur les paradoxes de la mécanique quantique. Il en est sorti le livre suivant, « J. Wheeler and W. Zurek, (eds.) Quantum Theory and Measurement, 1983« , où l’on peut trouver la proposition de Wheeler d’une expérience avec double fente mais choix retardé. Tournons-nous donc maintenant vers celle-ci.

A la base, il s’agit de reprendre l’expérience de la double fente, dans les conditions les plus idéales possibles, et de ne considérer que le passage d’un électron ou d’un photon à travers cette double fente. On prendra le cas avec des photons. Au lieu de déterminer le passage d’un photon au moment où il traverse les fentes, on attend que l’onde lumineuse du photon ait largement dépassé celles-ci. Au dernier moment, l’observateur se donne le choix soit de laisser l’écran E pour obtenir des franges d’interférence, soit de le remplacer par une série de deux télescopes T1 et T2 focalisés sur chacune des fentes. Dans ce dernier cas, on peut montrer que cela revient à observer une trajectoire pour le photon.


Schéma de l’expérience de Wheeler. Au dernier moment on choisit soit un écran E soit deux télescopes T.
Crédits :
www.npl.washington.edu

C’est là que l’expérience devient stupéfiante. Bien qu’ayant dépassé les deux fentes, c’est le choix de l’observateur qui va déterminer dans le passé par quelle fente le photon a voyagé, par une ou par les deux en même temps ! Si vous vous sentez pris de vertige, tant mieux ! C’est le critère que Niels Bohr avait adopté pour déterminer si quelqu’un avait vraiment pris conscience de ce qu’est la mécanique quantique.

Si vous pensez que c’est complètement absurde alors il va vous falloir rendre les armes. De telles expériences avaient déjà été faites par le passé mais elles souffraient toujours d’imperfections. Elles donnaient toujours raison à la mécanique quantique cependant. Or, dans le papier aujourd’hui publié par Jean François Roch et Alain Aspect (dont on se souvient qu’il avait été l’auteur d’une expérience retentissante sur l’effet EPR) ceux-ci et leurs collègues décrivent une variante de l’expérience de Wheeler avec cette fois-ci un interféromètre de Mach-Zender. Bien qu’apparemment différente, cette expérience conserve le principe de choix retardé de Wheeler, et surtout elle permet d’obtenir des mesures beaucoup plus proches d’une situation idéale.

Le résultat est tombé, la mécanique quantique fonctionne impeccablement et donne exactement ce que John Wheeler avait prédit !

Au vertige va peut-être maintenant succéder la folie, alors accrochez-vous !

Jusqu’à présent, les notions de temps et d’espace viennent de se briser avec cette expérience, à l’échelle humaine. C’est peut être encore acceptable. Passons maintenant avec John Wheeler à l’échelle des galaxies ! Plus précisément, observons avec deux télescopes un effet de lentille gravitationnelle où une galaxie à un milliard d’années-lumière dédouble l’image d’un quasar situé à deux milliards d’années-lumière. On est encore dans un cas avec deux trajectoires possibles pour les photons émis par le quasar. En répétant l’expérience de Wheeler c’est, cette fois-ci, au niveau des galaxies et à un milliard d’années dans le passé qu’un observateur humain va déterminer le chemin pris par un photon !

Plus fort encore, et toujours selon Wheeler. Si j’imagine qu’il y a une fonction d’onde de l’Univers, alors, peut être que ce qui a provoqué sa réduction, et la naissance de notre Univers classique à partir d’une « particule quantique » de la taille de la longueur de Planck il y a 13,7 milliards d’année, c’est justement le fait qu’il y aurait plus tard des systèmes classiques collecteurs d’informations, comme les êtres humains, et effectuant une observation sur celui-ci ! Après tout, EPR nous avait déjà habitué à une non-localité dans l’espace, dans un Univers avec espace-temps il est somme toute logique que la non-localité soit aussi dans le temps !

Cette théorie peut sembler complètement folle, mais elle l’est assez pour être exacte, et comme le fait remarquer Andrei Linde, qui peut savoir le rôle exact de la conscience dans la structure physique de l’Univers ?

http://www.futura-sciences.com/fr/sinformer/actualites/news/t/physique-1/d/choix-retarde-quand-la-mecanique-quantique-agit-sur-le-passe_10413/

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9 réponses à Choix retardé : quand la mécanique quantique « agit » sur le passé

  1. Cento dit :

    Pour être provocateur, la réalité n’existerait donc fondamentalement pas dans l’espace et le temps et les objets au sens classique n’existeraient pas sans un observateur (peut-être pas nécessairement humain) pour les observer ! C’est en tous cas une interprétation possible de la mécanique quantique.

    Ca c’est ce que le neuropsychiatre aurait du essayé de nous expliquer au lieu de dire n’importequoi n’importe comment!

  2. eclos dit :

    Il y a longtemps, en OBSERVANT l’horizon, nos anciens on déterminé que a terre était plate.

    Aujourd’hui, en OBSERVANT on se dit que la réalité n’existe pas.

    Alors, pour ma part, je vais attendre demain …

  3. Cento dit :

    C’est marrant parceque il y a 2500 ans, en observant les grecs avaient dit que la terre était ronde. Puis un mec qui a mal fini sur une croix a dit qu’elle était plate parceque son père l’avait créée ainsi. Après il a fallu 2000 ans pour faire plus confiance à l’observation qu’à un charpentier…

  4. job dit :

    Bon c’est parti, je m’étais promis de ne jamais remettre les pieds dans la mécanique quantique, étant donné les "tôles" que j’avais pris lors de mes partiels. Mais je vais pas te laisser jouer tout seul.
    Donc pour les fentes de Young avec de la lumière je te suis encore. Je ma rappelle avoir fait le TP est d’avoir vu ces franges d’interférences. Ca me convient car j’ai encore une explication classique (électromagnétique) du phénomène. Par contre avec le petit électron tout seul, je suis largué.
    Jusqu’au "balles de mitrailleuse" et un peu après ça me va, Il est ecrit :"Si les deux fentes sont ouvertes, et que l’on s’assure que les électrons passent un par un au travers, on enregistre sur l’écran une série d’impacts discrets mais dont la distribution avec suffisamment d’électrons se fait selon les franges d’interférence d’une onde !"
    Là encore je suis d’accord avec les franges d’interference, car le flux d’électrons est interprété comme une onde (comme dans mon TP) mais après cette phrase je suis largué. En gros dès que ce devient quantique 😉 "La conclusion semble inévitable. Bien qu’indivisible, l’électron est passé par les deux fentes à la fois !"
    Elle est ou la démonstration ?????: Les franges d’interférences n’apparaissent qu’après le passage d’un certain nombre d’électrons . Dire que l’électron est passé par les deux trous à la fois c’est vouloir interpréter l’expérience en terme de particule ce qui ne marche pas car dans ce cas là on devrait avoir le graphique de mitrailleuse ce qui n’est pas le cas.
    éclaircit moi le point .

  5. Cento dit :

    En fait ce qui est fou, c’est que les électrons se comportent d’abord comme des particules :"Si les deux fentes sont ouvertes, et que l’on s’assure que les électrons passent un par un au travers, on enregistre sur l’écran une série d’impacts discrets". Mais au lieu de s’écraser en deux paquets (chaque paquet correspondant à une fente) comme toute particule qui se respecte le ferait, "la distribution avec suffisamment d’électrons se fait selon les franges d’interférence d’une onde !". C’est à dire qu’on observe se former petit à petit sur l’écran cinq ou sept paquets. Et ces paquets correspondentau franges d’interférence d’une onde! En gros la répartition statistique de chaque particule correspond à celle d’une onde! D’où la conclusion : "La conclusion semble inévitable. Bien qu’indivisible, l’électron est passé par les deux fentes à la fois !". Comme chaque électron est tiré individuelement, il est considéré comme une particule (on ne voit qu’un unique impact sur l’écran par électron). Donc il ne peut passer que par une seule des deux fentes (une balle, deux trous, une seule possibilité). Or visiblement il interfère quand même avec lui même car l’acumulation des impacts de tous les électrons tirés un par un donne des bandes d’interférence! D’où le fait qu’il doit passer par les deux fentes en même temps pour pouvoir interférer avec lui-même! Ce qui est impossible pour une particule.
    Ce qui manque ici est un schéma qui montre que si on met une seule fente, l’électron se comporte à 100% comme une particule et n’obéie pas aux lois des ondes. Une onde qui traverse une seule fente se reconstitue de l’autre coté du mur troué (demi-cercles concentriques) et se diffuse sur tout l’écran uniformément. Une série de particules va s’accumuler en une seule bande sur l’écran en droite ligne de la source et de la fente (source-fente-bande sont sur une même droite).

    Donc avec un trou on a une particule, avec deux trous on a une onde. Et si on bouche alternativement une des deux fentes, on a alternativement un comportement corpusculaire ou ondulatoire!

  6. job dit :

    Et non cher professeur quand tu dis "Ce qui manque ici est un schéma qui montre que si on met une seule fente, l’électron se comporte à 100% comme une particule et n’obéie pas aux lois des ondes. Une onde qui traverse une seule fente se reconstitue de l’autre coté du mur troué (demi-cercles concentriques) et se diffuse sur tout l’écran uniformément."
    C’est pas tout a fait vrai, tu oublies la diffraction.
    Pour certaine largeur de la fente, il se crée des franges explicables uniquement par un modèle ondulatoire.
    Dans tous les cas Onde ou particule on est encore dans la physique classique (loi de l’électromagnétique) et pas encore dans la mécanique quantique.
    C’est justement la passage à la mécanique quantique qui me largue.
    Je crains que pour l’expliquer tu sois obligé de passer aux mathématiques et si mes souvenirs sont bons à un truc qui s’appelle les équations de Shrödinger. Et là va falloir que tu sois très pédagogique, parce que mes neurones et les "densités de probabilités" font pas bon ménage.

  7. job dit :

    Compléments:
    En suivant les liens wikipedia de ton article j’ai trouvé un truc qui explique bien ce que je veux dire quand je fais un différence entre physique classique et physique quantique.
    Ca parle de la fameuse expérience des fentes de Young (Mon TP)
    http://fr.wikipedia.org/wiki/Fentes_de_Young

    On voit d’ailleurs que l’expérience a été réalisée et expliquée en 1801 bien avant que la mécanique quantique n’existe.

  8. Cento dit :

    Désolé pour mon erreur, ça remonte à loin ces cours de physiques! C’est cette image qui m’a induit surement en erreur car le "Individual count" sugère qu’on obtienne une seule bande par fente (il ne parle pas de diffraction).
    Le carré de la fonction d'onde psi donne la probabilité d'observer une particule en un point. A gauche on a déterminé par quelle fente est passée la particule, à droite non.

    Mais pour en revenir à ta première question, je dirais que ce qui est bizarre là dedans c’est que individuelement les électrons se comportent en particules. Mais si on regarde l’ensemble des impacts individuels, cela forme une figure ondulatoire! La seule chose à voir ici c’est que ce n’est pas logique.
    Personnelement ce que je remettrais en doute, ce sont plutot les conditions d’expérience. Quand on voit qu’ils écrivent "A la base, il s’agit de reprendre l’expérience de la double fente, dans les conditions les plus idéales possibles, et de ne considérer que le passage d’un électron ou d’un photon à travers cette double fente. On prendra le cas avec des photons. Au lieu de déterminer le passage d’un photon au moment où il traverse les fentes, on attend que l’onde lumineuse du photon ait largement dépassé celles-ci. Au dernier moment, l’observateur se donne le choix soit de laisser l’écran E pour obtenir des franges d’interférence, soit de le remplacer par une série de deux télescopes T1 et T2 focalisés sur chacune des fentes. Dans ce dernier cas, on peut montrer que cela revient à observer une trajectoire pour le photon." Ben là je dis "p’être ben que non"! Je vais lire le papier d’Aspect et si j’y comprends quelque chose, je te dirais si je trouve cela acceptable.

  9. Cento dit :

    http://www.quantum-physics.polytechnique.fr/
    Il y a une applet sur ce site en français qui motre en dynamique les figues statiques de l’article peu parlantes.

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