science Comment fonctionne le suicide quantique ?

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Un homme s'assied devant un fusil pointé sur sa tempe. Ce n'est pas une arme ordinaire; il est relié à une machine qui mesure le spin d'une particule quantique. Chaque fois que la gâchette est actionnée, le spin de la particule quantique - ou quark - est mesuré. Selon la mesure, le pistolet tirera ou non. Si la particule quantique est mesurée comme tournant dans le sens des aiguilles d'une montre, le pistolet tirera. Si le quark tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, le pistolet ne se déclenchera pas. Il n'y aura qu'un clic.

Nerveux, l'homme prend une inspiration et appuie sur la gâchette. Le pistolet clique. Il appuie à nouveau sur la gâchette. Cliquez sur. Et encore : cliquez. L'homme continuera d'appuyer sur la gâchette encore et encore avec le même résultat : le pistolet ne tirera pas. Bien qu'il fonctionne correctement et qu'il soit chargé de balles, peu importe le nombre de fois qu'il appuie sur la gâchette, le pistolet ne tirera jamais. Il poursuivra ce processus pour l'éternité, devenant immortel.

Remontez dans le temps jusqu'au début de l'expérience. L'homme appuie sur la gâchette pour la toute première fois, et le quark est maintenant mesuré comme tournant dans le sens des aiguilles d'une montre. Le pistolet tire. L'homme est mort. Mais attendez. L'homme a déjà appuyé sur la gâchette une première fois - et un nombre infini de fois par la suite - et nous savons déjà que l'arme n'a pas tiré. Comment l'homme peut-il être mort ? L'homme n'est pas au courant, mais il est à la fois vivant et mort. A chaque fois qu'il appuie sur la gâchette, l'univers est divisé en deux. Il continuera à se diviser, encore et encore, à chaque fois que la gâchette est appuyée.

Cette expérience de pensée s'appelle le suicide quantique . Il a été posé pour la première fois par Max Tegmark, alors théoricien de l'Université de Princeton, en 1997 (maintenant professeur au MIT). Une expérience de pensée est une expérience qui se déroule uniquement dans l'esprit. Le niveau quantique est le plus petit niveau de matière que nous ayons détecté jusqu'à présent dans l'univers. La matière à ce niveau est infinitésimale et il est pratiquement impossible pour les scientifiques de la rechercher de manière pratique en utilisant les méthodes traditionnelles d'enquête scientifique.

La physique quantique​

Au lieu d'utiliser la méthode scientifique - enquêter sur des preuves empiriques - pour étudier le niveau quantique, les physiciens doivent utiliser des expériences de pensée. Bien que ces expériences ne soient menées qu'hypothétiquement, elles sont ancrées dans les données observées en physique quantique.

Ce que la science a observé au niveau quantique a soulevé plus de questions qu'il n'a apporté de réponses. Le comportement des particules quantiques est erratique et notre compréhension de la probabilité devient discutable. Par exemple, il a été démontré que les photons - la plus petite mesure de la lumière - existent à la fois sous forme de particules et d'ondes. Et on pense que la direction des particules se déplace dans les deux sens en même temps, plutôt que dans une seule direction à des moments différents. Ainsi, lorsque nous examinons le monde quantique, nous sommes étrangers à la connaissance qu'il détient. En conséquence, notre compréhension de l'univers tel que nous le connaissons est remise en question.

Cela a conduit certains à croire que notre compréhension de la physique quantique est aussi fondamentale que la compréhension des anciens astronomes égyptiens il y a des siècles, qui affirmaient que le soleil était un dieu. Quelques scientifiques pensent qu'une enquête plus approfondie sur les systèmes quantiques révélera l'ordre et la prévisibilité dans ce que nous considérons actuellement comme le chaos. Mais est-il possible que les systèmes quantiques ne puissent pas être compris dans les modèles traditionnels de la science ?

Dans cet article, nous examinerons ce que le suicide quantique révèle sur notre univers, ainsi que d'autres théories qui le soutiennent ou le contredisent.

Mais d'abord, pourquoi un physicien ne peut-il pas simplement mesurer les particules qu'il essaie d'étudier ? Dans la section suivante, nous découvrirons ce défaut fondamental de l'observation quantique, comme l'explique le principe d'incertitude de Heisenberg.

Principe d'incertitude de Heisenberg​

heinseberg.jpegL'un des plus gros problèmes des expériences quantiques est la tendance apparemment inévitable des humains à influencer la situation et la vitesse des petites particules. Cela se produit simplement en observant les particules, et cela a frustré les physiciens quantiques. Pour lutter contre cela, les physiciens ont créé d'énormes machines élaborées comme des accélérateurs de particules qui suppriment toute influence humaine physique du processus d'accélération de l'énergie de mouvement d'une particule.

Pourtant, les résultats mitigés que les physiciens quantiques trouvent en examinant la même particule indiquent que nous ne pouvons tout simplement pas nous empêcher d'affecter le comportement des quanta - ou des particules quantiques. Même la lumière que les physiciens utilisent pour les aider à mieux voir les objets qu'ils observent peut influencer le comportement des quanta. Les photons , par exemple - la plus petite mesure de lumière, qui n'a ni masse ni charge électrique - peuvent toujours faire rebondir une particule, modifiant sa vitesse et sa vitesse.

C'est ce qu'on appelle le principe d'incertitude de Heisenberg . Werner Heisenberg, un physicien allemand, a déterminé que nos observations ont un effet sur le comportement des quanta. Le principe d'incertitude de Heisenberg semble difficile à comprendre - même le nom est un peu intimidant. Mais c'est en fait facile à comprendre, et une fois que vous l'aurez compris, vous comprendrez le principe fondamental de la mécanique quantique.

Imaginez que vous êtes aveugle et que vous avez développé au fil du temps une technique pour déterminer à quelle distance se trouve un objet en lui lançant un médecine-ball. Si vous lancez votre médecine-ball sur un tabouret à proximité, le ballon reviendra rapidement et vous saurez qu'il est proche. Si vous lancez la balle sur quelque chose en face de vous, cela prendra plus de temps pour revenir et vous saurez que l'objet est loin.

Le problème est que lorsque vous lancez une balle - en particulier une balle lourde comme un médecine-ball - sur quelque chose comme un tabouret, la balle fera tomber le tabouret à travers la pièce et peut même avoir assez d'élan pour rebondir. Vous pouvez dire où était le tabouret, mais pas où il se trouve maintenant. De plus, vous pouvez calculer la vitesse du tabouret après l'avoir frappé avec la balle, mais vous n'avez aucune idée de sa vitesse avant de le frapper.

C'est le problème révélé par le principe d'incertitude de Heisenberg. Pour connaître la vitesse d'un quark, il faut la mesurer, et pour la mesurer, il faut l'affecter. Il en va de même pour l'observation de la position d'un objet. L'incertitude sur la position et la vitesse d'un objet rend difficile pour un physicien de déterminer grand-chose sur l'objet.

Bien sûr, les physiciens ne lancent pas exactement des médecine-balls sur les quanta pour les mesurer, mais même la moindre interférence peut amener les particules incroyablement petites à se comporter différemment. C'est pourquoi les physiciens quantiques sont obligés de créer des expériences de pensée basées sur les observations des expériences réelles menées au niveau quantique. Ces expériences de pensée sont destinées à prouver ou à réfuter des interprétations - des explications pour l'ensemble de la théorie quantique.

Dans la section suivante, nous examinerons la base du suicide quantique - l'interprétation multimonde de la mécanique quantique.

La théorie des mondes multiples​

L'expérience de pensée suicidaire quantique est basée sur et cherche à prouver ce qui est devenu une interprétation de plus en plus acceptée de la physique quantique, la théorie des mondes multiples. Cette théorie a été proposée pour la première fois en 1957 par un doctorant de l'Université de Princeton nommé Hugh Everett III. La théorie a été méprisée pendant des décennies jusqu'à ce que son compatriote de Princeton Max Tegmark crée l'expérience de suicide quantique, qui appuie l'interprétation

Selon la théorie des mondes multiples, pour chaque résultat possible d'une action, le monde se divise en une copie de lui-même. Il s'agit d'un processus instantané qu'Everett appelle décohésion. C'est un peu comme un livre à choisir soi-même, mais plutôt que de choisir entre explorer la grotte ou s'enfuir avec le trésor, l'univers se divise en deux pour que chaque action soit entreprise.

Un aspect essentiel de la théorie des mondes multiples est que lorsque l'univers se divise, la personne n'est pas consciente d'elle-même dans l'autre version de l'univers. Cela signifie que le garçon qui s'est enfui avec le trésor et finit par vivre heureux pour toujours ignore complètement la version de lui-même qui est entrée dans la grotte et fait maintenant face à un grand péril, et vice versa.

C'est le même cas avec le suicide quantique. Lorsque l'homme appuie sur la gâchette, il y a deux issues possibles : soit l'arme tire, soit elle ne tire pas. Dans ce cas, soit l'homme vit, soit il meurt. Chaque fois que la gâchette est enfoncée, l'univers se divise pour s'adapter à chaque résultat possible. Lorsque l'homme meurt, l'univers n'est plus capable de se diviser en appuyant sur la gâchette. L'issue possible de la mort est réduite à une seule : la mort continue. Mais avec la vie, il reste encore deux chances : l'homme continue à vivre ou l'homme meurt.

Lorsque l'homme appuie sur la gâchette et que l'univers est divisé en deux, cependant, la version de l'homme qui a vécu ignorera que dans l'autre version de l'univers divisé, il est mort. Au lieu de cela, il continuera à vivre et aura à nouveau la chance d'appuyer sur la gâchette. Et chaque fois qu'il appuie sur la gâchette, l'univers se divise à nouveau, la version de l'homme qui vit continue et ignore toutes ses morts dans des univers parallèles . En ce sens, il pourra exister indéfiniment. C'est ce qu'on appelle l'immortalité quantique.

Alors pourquoi toutes les personnes qui ont tenté de se suicider ne sont-elles pas immortelles ? Ce qui est intéressant dans l'interprétation des mondes multiples, c'est que selon la théorie, dans un univers parallèle, ils le sont. Cela ne nous semble pas être le cas, car la division de l'univers ne dépend pas de notre propre vie ou de notre propre mort. Nous sommes des spectateurs ou des observateurs dans le cas du suicide d'une autre personne, et en tant qu'observateurs, nous sommes soumis à la probabilité. Lorsque l'arme a finalement explosé dans l'univers - ou la version - que nous habitons, nous étions coincés avec ce résultat. Même si nous prenons l'arme et continuons à tirer sur l'homme, l'univers restera dans un seul état. Après tout, une fois qu'une personne est morte, le nombre de résultats possibles pour tirer sur une personne décédée est réduit à un.

Mais la théorie des mondes multiples est en contradiction avec une autre théorie quantique, l'interprétation de Copenhague. Dans la section suivante, nous examinerons cette théorie et verrons pourquoi elle modifie les règles du suicide quantique.

L'interprétation de Copenhague​

La théorie des mondes multiples de la mécanique quantique suppose que pour chaque résultat possible d'une action donnée, l'univers se divise pour s'adapter à chacun. Cette théorie sort l'observateur de l'équation. Nous ne sommes plus en mesure d'influencer le résultat d'un événement simplement en l'observant, comme l'indique le principe d'incertitude de Heisenberg.

Mais la théorie des mondes multiples renverse une théorie largement acceptée de la mécanique quantique sur son oreille. Et dans l'univers quantique imprévisible, cela veut vraiment dire quelque chose.

Pendant la majeure partie du siècle dernier, l'explication la plus acceptée pour expliquer pourquoi la même particule quantique peut se comporter de différentes manières était l' interprétation de Copenhague . Bien que l'interprétation de plusieurs mondes en ait pour son argent ces derniers temps, de nombreux physiciens quantiques supposent toujours que l'interprétation de Copenhague est correcte. L'interprétation de Copenhague a été proposée pour la première fois par le physicien Niels Bohr en 1920. Il dit qu'une particule quantique n'existe pas dans un état ou un autre, mais dans tous ses états possibles à la fois. Ce n'est que lorsque nous observons son état qu'une particule quantique est essentiellement forcée de choisir une probabilité, et c'est l'état que nous observons. Puisqu'elle peut être forcée dans un état observable différent à chaque fois, cela explique pourquoi une particule quantique se comporte de manière erratique.

Cet état d'exister dans tous les états possibles à la fois s'appelle la superposition cohérente d'un objet . Le total de tous les états possibles dans lesquels un objet peut exister - par exemple, sous forme d'onde ou de particule pour les photons qui se déplacent dans les deux sens à la fois - constitue la fonction d'onde de l'objet . Lorsque nous observons un objet, la superposition s'effondre et l'objet est forcé dans l'un des états de sa fonction d'onde.

L'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique par Bohr a été théoriquement prouvée par ce qui est devenu une célèbre expérience de pensée impliquant un chat et une boîte. C'est ce qu'on appelle le chat de Schrödinger, et il a été introduit pour la première fois par le physicien viennois Erwin Schrödinger en 1935. Dans son expérience théorique, Schrödinger a mis son chat dans une boîte, avec un peu de matière radioactive et un compteur Geiger - un appareil pour détecter les radiations . Le compteur Geiger a été conçu de telle sorte que lorsqu'il a détecté la désintégration de la matière radioactive, il a déclenché un marteau qui était sur le point de briser un flacon contenant de l'acide cyanhydrique, qui, une fois libéré, tuerait le chat.

Pour éliminer toute certitude concernant le sort du chat, l'expérience devait avoir lieu en moins d'une heure, suffisamment longtemps pour qu'une partie des matières radioactives puisse éventuellement se désintégrer, mais suffisamment courte pour qu'il soit également possible que personne ne le fasse.

Dans l'expérience de Schrödinger, le chat était enfermé dans la boîte. Pendant son séjour là-bas, le chat est venu à exister dans un état inconnaissable. Puisqu'il ne pouvait pas être observé, on ne pouvait pas dire si le chat était vivant ou mort. Il existait plutôt à l'état de vie et de mort. C'est un peu comme la réponse de la physique quantique à la vieille question zen : si un arbre tombe dans les bois et que personne n'est là pour l'entendre, fait-il un son ?

Puisque l'interprétation de Copenhague dit que, lorsqu'il est observé, un objet est forcé de prendre un état ou un autre, l'expérience de suicide quantique ne fonctionne pas selon cette théorie. Étant donné que la direction du quark mesurée par la gâchette peut être observée, le quark finira par être forcé de prendre le sens des aiguilles d'une montre qui tirera le pistolet et tuera l'homme.

Mais tout cela n'est-il pas idiot ? Ces expériences de pensée et ces interprétations quantiques nous apprennent-elles vraiment quelque chose ? Dans la section suivante, nous examinerons certaines des implications possibles de ces idées.

Les implications de la physique quantique​

Comparées à la science classique et à la physique newtonienne, les théories proposées pour expliquer la physique quantique semblent insensées. Erwin Schrödinger lui-même a qualifié son expérience de chat de « tout à fait ridicule ». Mais d'après ce que la science a pu observer, les lois qui régissent le monde que nous voyons tous les jours ne sont pas vraies au niveau quantique.

La physique quantique est une discipline relativement nouvelle, qui ne date que de 1900. Les théories qui ont été posées sur le sujet ne sont que des théories. De plus, il existe des théories concurrentes qui donnent différentes explications aux événements particuliers qui se produisent au niveau quantique. Lequel l'histoire montrera-t-il qu'il est le bon ? Peut-être que la théorie qui s'avère être la véritable explication de la physique quantique n'a pas encore été posée. La personne qui la pose n'est peut-être même pas encore née. Mais étant donné la logique que ce domaine d'étude a établie, est-il possible que toutes les théories expliquant la physique quantique soient toutes également vraies en même temps, même celles qui se contredisent ?

L'interprétation de Copenhague de la physique quantique par Niels Bohr est peut-être la théorie la plus réconfortante avancée. En expliquant que les particules existent dans tous les états à la fois - en superposition cohérente - notre compréhension de l'univers est légèrement biaisée, mais reste encore quelque peu compréhensible. La théorie de Bohr est en outre réconfortante car elle fait de nous, les humains, la cause pour laquelle un objet prend une forme déterminée. Bien que les scientifiques trouvent frustrante la capacité d'une particule à exister dans plus d'un état, nos observations affectent la particule. Au moins, il ne continue pas d'exister dans tous les États pendant que nous l'examinons.

Beaucoup moins réconfortante est l'interprétation des mondes multiples d'Everett. Cette théorie nous enlève tout pouvoir sur l'univers quantique. Au lieu de cela, nous ne sommes que des passagers des scissions qui ont lieu avec chaque résultat possible. Essentiellement, selon la théorie des mondes multiples, notre idée de cause à effet passe par la fenêtre.

Cela rend l'interprétation de plusieurs mondes quelque peu dérangeante. Si c'est vrai, alors dans un univers parallèle à celui que nous habitons actuellement, Adolf Hitler a réussi sa campagne pour conquérir le monde. Mais de la même manière, dans un autre univers, les États-Unis n'ont jamais largué de bombes atomiques sur Hiroshima et Nagasaki.

La théorie des mondes multiples contredit aussi certainement l'idée du rasoir d'Occam , selon laquelle l'explication la plus simple est généralement la bonne. Encore plus étrange est l'implication de la théorie des mondes multiples selon laquelle le temps n'existe pas dans un mouvement cohérent et linéaire. Au lieu de cela, il se déplace par sauts et départs, existant non pas comme une ligne, mais comme des branches. Ces branches sont aussi nombreuses que le nombre de conséquences de toutes les actions qui ont jamais été prises.

Il est difficile de ne pas imaginer ce que sera notre compréhension du monde quantique. Le champ théorique a déjà énormément progressé depuis sa création il y a plus d'un siècle. Bien qu'il ait eu sa propre interprétation du monde quantique, Bohr a peut-être accepté la théorie ultérieure que Hugh Everett a introduite concernant les nombreux mondes. Après tout, c'est Bohr qui a dit : "Quiconque n'est pas choqué par la théorie quantique ne l'a pas comprise."




Étienne Klein
Comprendre la physique quantique grâce au principe d'incertitude

 

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Fabrice

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Rien que d'affirmer que deux particules sont à plusieurs endroits en même temps jusqu'au moment où on les observe me fascine ! L'expérience du chat de Heisenberg est célèbre, je ne connaissais pas celle beaucoup plus récente de Tegmark.
 

WilliamG

Membre
"Quiconque n'est pas choqué par la théorie quantique ne l'a pas comprise."
Je l'aurais donc comprise ? :unsure:

Je suis fasciné, aussi. L'expérience du chat est tout à fait déroutante : la théorie quantique affirme que le chat est vivant et mort à la fois mais si on ouvre la boîte il est soit l'un soit l'autre. (j'espère que je dis pas de conneries !) Donc je ne saisis pas très bien pourquoi le physique quantique qui régit l'infiniment petit pourrait expliquer des choses qui ne sont pas dans de son domaine.

Pourquoi les scientifiques tentent d'extrapoler cette théorie ailleurs ?
 
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