Quantique

Fentes de Young

La mécanique quantique est la théorie mathématique et physique décrivant la structure et l'évolution dans le temps et l'espace des phénomènes physiques à l'échelle atomique et subatomique.

L'expérience la plus convaincante, et la plus simple à saisir, est celle des fentes de Young qui consiste à envoyer des électrons, un par un, vers deux fentes taillées dans un panneau. 

Une fois les fentes franchies, l'électron arrive sur un détecteur où il est transformé en signal lumineux (mesure).

1. Avant la mesure, chaque électron se comporte comme une onde. La densité de probabilité de son état (composé de position, vitesse, direction, spin..) est décrite par sa fonction d'onde formalisée par l'équation de Schrödinger. 

2.  Au fur et à mesure que les électrons arrivent sur l'écran détecteur situé derrière les fentes, un spectre d'interférence apparait.  (fig.(c) ci dessous). Conformément aux calculs, et ainsi que le montre l'expérience, cela signifie que l'onde traverse les deux fentes à la fois, et se superpose à elle même pour donner un spectre à bandes multiples . En effet, si les électrons passaient aléatoirement par une fente ou l'autre, le résultat de la mesure se limiterait à deux bandes. Chaque électron est donc passé par les deux fentes à la fois en se comportant comme une onde qui interfère avec elle-même.

3. Quand l'électron rencontre l'écran détecteur, il produit un spot lumineux en déclenchant l'émission de photons. Chaque point lumineux matérialise la position de l'électron lors de son arrivée sur l'écran.  L'intégration de l'ensemble de ces points lumineux résulte en un spectre d'interférence. 

Ce qui est remarquable c'est qu'à partir du moment où il est 'mesuré' l'électron se comporte comme une particule, et non plus comme une onde. La position de l'électron au moment de la mesure (ici lors de l'arrivée sur l'écran) est 'déterminée' au hasard (principe d'incertitude), et selon la densité de probabilité propre à la fonction d'onde qu'avait l'électron. 

Je recommande particulièrement l'animation ci-dessous qui visualise bien le phénomène :

https://youtu.be/JlsPC2BW_UI

Il semble qu'au cours de sa mesure, l'électron, interagit avec une multitude d'autres particules, et que cela provoque l'écroulement de sa fonction d'onde (décohérence) que modélisait l'équation de Schrödinger. Une fois détecté l'électron perd sa nature ondulatoire et se matérialise en particule. La mesure agit comme un brouilleur qui empêche l'onde quantique de rester onde.

 La mesure est Le problème de la mécanique quantique. Toute mesure effondre la fonction d'onde. L'onde se transforme alors en particule qui choisit(?) aléatoirement(?) un 'état' (position, vitesse, spin ...) parmi plusieurs possibles .  

Mais alors, que se passe t'il pendant la mesure ? A vrai dire, compte tenu du caractère non intuitif du phénomène, il n'y a pas de consensus sur les explications et les conséquences de cette dualité onde/corpuscule, mais plutôt diverses interprétations :

A. Interprétation de Copenhague (l'onde imaginaire):

L'interprétation de Niels Bohr (1920) est très pragmatique et très répandue. La fonction d'onde imaginée par les physiciens est une modélisation mathématique sans réalité propre. En revanche, suite à la mesure les propriétés de la particules sont définies et sa réalité devient tangible.  En somme, la réalité est ce que je mesure. La particule n'a pas d'existence quantique en soi, mais seulement une probabilité de présence.

Le principal revers de cette théorie est de ne pouvoir expliquer ce qui se passe lors du passage du quantique au comportement classique.

B. Interprétation des ondes pilotes (coexistence onde/particule) :

Dans cette interprétation l'électron n'est ni une onde, ni une particule, mais les deux à la fois et au même moment. La particule coexiste avec l'onde qui la guide. La fonction d'onde 'guide la particule' comme la vague porte un surfeur. Dans le dispositif des fentes de Young l'électron passerait par une seule fente tandis que l'onde passerait par les deux fentes à la fois ce qui explique le profil d'interférence. 

Le revers de ce modèle c'est que au moment précis de la mesure l'onde doit agir de façon instantanée sur la particule à distance, or ce point n'est guère conciliable avec la relativité qui considère indépassable la vitesse de la lumière.

C. Interprétation 'QBiste' : "La conscience provoque l'effondrement" :

Du point de vue QBiste, tout l'appareil mathématique de la mécanique quantique est un manuel d'utilisation réservé à un utilisateur unique et permettant aux expérimentateurs d'être guidés dans leurs anticipations de mesure. L'état quantique qui d'après la règle de Born, génère des probabilités, ne concerne alors plus l'état du microsystème lui-même, mais plutôt les degrés de croyance qu'un agent a sur les résultats possibles des mesures .

«L' effondrement de la fonction d'onde » - est simplement l'agent qui met à jour ses croyances en réponse à une nouvelle expérience.

D. Interprétation des mondes multiples (multivers) :

Ce qui intrigue Hugh Everett, c'est justement le passage du classique au quantique : Comment la particule fait elle pour choisir un état parmi plusieurs possibles ? 

Dans cette interprétation la particule ne choisit pas, mais elle évoluerait vers tous les états à la fois dans des univers parallèles. Notre univers se dupliquerait ainsi, à chaque instant en un nombre astronomique de branches. Ces univers vivraient ensuite en parallèle, sans lien possible entre eux.  

Pour Everett les solutions de l'équation de Schrödinger décrivent une multiplicité de destinées des appareils de mesure et des observateurs humains. Everett avance dans sa thèse que la réduction du paquet d'ondes est une sorte d'illusion qui résulte du postulat d'évolution unitaire et de l'intrication entre le système observé et le système observateur. Le principal revers de cette théorie est de ne pas bien expliquer pourquoi la probabilité observée semble suivre le carré de la fonction d'onde(*)..

Il existe bien d'autres interprétations (ondes pilotes, stochastiques, etc, mais pour les physiciens la position la mieux partagée est le "shut up and calculate" car la science se préoccupe plus des 'comment' que du 'pourquoi'. 

Une certaine spiritualité "new-age" invoque les propriétés quantiques pour expliquer les mystères de la conscience et proposer des thérapies à base de méditation etc.  Même si ces extrapolations paraissent séduisantes, à la température de 37°C et composés de milliards de milliards de molécules, nos corps ne peuvent être dans une superposition d'états globale quantique, et donc nous n'échapperons pas aux règles de la mécanique classique.

Je trouve capitales ces questions d'interprétations relatives à l'effondrement de la fonction d'onde. Cet exemple montre bien l'impact que la mesure et les observateurs ont dans un phénomène. Certains auteurs parlent ici 'd'objectivité contextuelle'.

D'un point de vue très global, et hors du champ scientifique, il semble qu'épistémologiquement il n'est plus possible de considérer un phénomène sans prendre en compte son contexte. Intuitivement, je pense parfois que l'incompatibilité des approches intersectionnelles versus universalistes s'apparente aux divergences d'interprétations suscitées par l'effondrement de la fonction d'onde.  

Pour résumer ma pensée, je dirais que L'électron -en tant que particule-  est, en quelque sorte, une post-vérité de la fonction d'onde (lol).

Ozias

Liens :

https://scienceetonnante.com/2018/04/13/lexperience-des-fentes-dyoung-en-mecanique-quantique/

Comprendre la réduction de la fonction d'onde :

https://www.franceculture.fr/emissions/la-methode-scientifique/cherie-jai-reduit-le-parquet-donde  (début à 6mn30s)

https://www.franceculture.fr/emissions/la-methode-scientifique/la-methode-scientifique-emission-du-mardi-17-novembre-2020 (début à 6mn15s)

https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-video-mecanique-quantique-844/

https://www.franceculture.fr/emissions/la-conversation-scientifique/comment-raconter-le-monde-quantique

Cours de physique et rappels mathématiques

http://www.phys.ens.fr/~sinatra/cours.pdf

La Quantique autrement. Julien Bobroff Flammarion 2020

Fonction d'onde : http://vetopsy.fr/mecanique-quantique/fonction-onde.php

(*) Dans l'équation de Schrödinger la densité de probabilité de présence ou probabilité de trouver une particule au voisinage de la position r (qui est un volume) à l'instant t est proportionnelle au module au carré de la fonction d'onde.  |Ψ|2=|Ψ(r,t)|2