Physique quantique: Notre étude suggère que la réalité objective n'existe pas

Physique quantique: Notre étude suggère que la réalité objective n'existe pas
Gearoid Hayes / Flickr, CC BY-SA

Les faits alternatifs sont se répandre comme un virus à travers la société. Maintenant, il semble qu'ils aient même infecté la science - du moins le domaine quantique. Cela peut sembler contre-intuitif. La méthode scientifique est après tout fondée sur des notions d’observation, de mesure et de répétabilité fiables. Un fait, établi par une mesure, doit être objectif et pouvoir être accepté par tous les observateurs.

Mais dans un papier récemment publié dans Science AdvancesNous montrons que, dans le micro-monde des atomes et des particules soumis aux règles étranges de la mécanique quantique, deux observateurs différents ont droit à leurs propres faits. En d’autres termes, selon notre meilleure théorie des éléments constitutifs de la nature elle-même, les faits peuvent en réalité être subjectifs.

Les observateurs sont des acteurs puissants dans le monde quantique. Selon la théorie, les particules peuvent se trouver à plusieurs endroits ou états à la fois - on parle de superposition. Mais curieusement, ce n'est le cas que lorsqu'elles ne sont pas observées. À la seconde où vous observez un système quantique, il choisit un emplacement ou un état spécifique - brisant la superposition. Le fait que la nature se comporte de cette manière a été prouvé à plusieurs reprises en laboratoire - par exemple, dans le célèbre expérience à double fente (voir la vidéo ci-dessous).

En 1961, physicien Eugene Wigner a proposé une expérience de pensée provocante. Il s'est interrogé sur ce qu'il adviendrait de l'application de la mécanique quantique à un observateur observé.

Imaginez qu'un ami de Wigner lance une pièce de monnaie quantique (superposition de têtes et de queues) dans un laboratoire fermé. Chaque fois que l'ami lance la pièce, il constate un résultat définitif. Nous pouvons dire que l'ami de Wigner établit un fait: le résultat du tirage au sort est certainement la tête ou la queue.

Wigner n’a pas accès à ce fait de l’extérieur et, selon la mécanique quantique, doit décrire l’ami et la pièce pour superposer tous les résultats possibles de l’expérience. C'est parce qu'ils sont «empêtrés» - spookily connecté de sorte que si vous manipulez l'un, vous manipulez également l'autre. Wigner peut maintenant en principe vérifier cette superposition à l’aide de ce que l’on appelle «expérience d'interférence”- un type de mesure quantique qui vous permet de démêler la superposition d'un système entier, en confirmant que deux objets sont enchevêtrés.


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Lorsque Wigner et son ami comparent leurs notes plus tard, cet ami insistera pour dire qu'ils ont constaté des résultats concrets pour chaque tirage au sort. Wigner, cependant, sera en désaccord chaque fois qu'il observera un ami et mettra une pièce de monnaie en superposition.

Ceci présente une énigme. La réalité perçue par l'ami ne peut pas être réconciliée avec la réalité extérieure. À l'origine, Wigner ne considérait pas cela comme un paradoxe, il a expliqué qu'il serait absurde de décrire un observateur conscient en tant qu'objet quantique. Cependant, il a plus tard quitté cette vueet selon les manuels officiels de mécanique quantique, la description est parfaitement valide.

L'expérience

Le scénario est resté longtemps une expérience de pensée intéressante. Mais cela reflète-t-il la réalité? Scientifiquement, il y a eu peu de progrès à ce sujet jusqu'à très récemment, quand Časlav Brukner à l'Université de Vienne a montré que, sous certaines hypothèses, l'idée de Wigner peut être utilisé pour prouver formellement que les mesures en mécanique quantique sont subjectives pour les observateurs.

Brukner a proposé un moyen de tester cette notion en traduisant le scénario des amis de Wigner dans un cadre premier établi par le physicien John Bell dans 1964. Brukner a envisagé deux paires de Wigners et d'amis, dans deux boîtes séparées, effectuant des mesures sur un état partagé - à l'intérieur et à l'extérieur de leur boîte respective. Les résultats peuvent être résumés pour finalement servir à évaluer un soi-disant «Inégalité de Bell». Si cette inégalité est violée, les observateurs pourraient avoir d'autres faits.

Pour la première fois, nous avons effectué ce test expérimentalement à l’université Heriot-Watt d’Édimbourg sur un ordinateur quantique à petite échelle composé de trois paires de photons enchevêtrés. La première paire de photons représente les pièces de monnaie et les deux autres servent à effectuer le tirage au sort - mesurer la polarisation des photons - à l'intérieur de leur boîte respective. En dehors des deux cases, il reste deux photons qui peuvent également être mesurés.

Physique quantique: Notre étude suggère que la réalité objective n'existe pas
Des chercheurs expérimentés. Auteur fourni

Malgré l'utilisation de la technologie quantique à la pointe de la technologie, il a fallu des semaines pour recueillir suffisamment de données à partir de six photons pour générer suffisamment de statistiques. Mais finalement, nous avons réussi à montrer que la mécanique quantique pourrait bien être incompatible avec l'hypothèse de faits objectifs - nous avons violé l'inégalité!

La théorie repose toutefois sur quelques hypothèses. Celles-ci incluent le fait que les résultats de mesure ne sont pas influencés par les signaux voyageant au-dessus de la vitesse de la lumière et que les observateurs sont libres de choisir les mesures à effectuer. Cela peut être ou ne pas être le cas.

Une autre question importante est de savoir si les photons uniques peuvent être considérés comme des observateurs. Dans la proposition de théorie de Brukner, les observateurs n'ont pas besoin d'être conscients, ils doivent simplement pouvoir établir des faits sous la forme d'un résultat de mesure. Un détecteur inanimé serait donc un observateur valide. Et la mécanique quantique des manuels scolaires ne nous donne aucune raison de croire qu'un détecteur, qui peut être fabriqué aussi petit que quelques atomes, ne devrait pas être décrit comme un objet quantique au même titre qu'un photon. Il est également possible que la mécanique quantique standard ne s'applique pas aux grandes échelles de longueur, mais que le test pose un problème distinct.

Physique quantique: Notre étude suggère que la réalité objective n'existe pas
Il peut y avoir beaucoup de mondes là-bas.
Nikk / Flickr, CC BY-SA

Cette expérience montre donc que, du moins pour les modèles locaux de mécanique quantique, nous devons repenser notre notion d'objectivité. Les faits dont nous faisons l'expérience dans notre monde macroscopique semblent rester sûrs, mais une question majeure se pose: comment les interprétations existantes de la mécanique quantique peuvent-elles s'adapter aux faits subjectifs?

Certains physiciens voient dans ces nouveaux développements des interprétations qui permettent à plusieurs observations de se produire, par exemple l'existence d'univers parallèles dans lequel chaque résultat se produit. D'autres y voient une preuve irréfutable de théories intrinsèquement dépendantes de l'observateur, telles que Bayésianisme quantique, dans lequel les actions et expériences d'un agent sont des préoccupations centrales de la théorie. Mais d’autres encore prennent cela pour un puissant indicateur que la mécanique quantique s’effondrera peut-être au-delà de certaines échelles de complexité.

Il est clair que ce sont toutes des questions profondément philosophiques sur la nature fondamentale de la réalité. Quelle que soit la réponse, un avenir intéressant nous attend.La Conversation

À propos des auteurs

Alessandro Fedrizzi, professeur de physique quantique, Université Heriot-Watt et Massimiliano Proietti, doctorant en physique quantique, Université Heriot-Watt

Cet article est republié de La Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.

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