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étage 4: le chat de Schrodinger

Le chat mort-vivant

Le chat de Schrodinger est l'un des paradoxes de la physique quantique qui a fait le plus parler de lui.

Un paradoxe, c'est une matière à réflexion. En général, le paradoxe est basé sur une mise en scène simple et dont la logique conduit à une conclusion surprenante. Plus le paradoxe est dérangeant et plus il nous invitera à la réflexion. C'est le cas du chat de Schrodinger. Mais avant tout contextualisons:

1915-1935: les années fastes de la physique quantique

En 1905, suite aux travaux de Planck, Einstein décrit la lumière comme étant corpusculaire, faite de quanta d'énergie et ce n'est que en 1926 qu'apparaîtra le terme de photon pour designer le grain de lumière. En 1913 Niels Bohr démontre que les électrons ont des orbites finies, contractuelles: l'électron ne tourne pas sur n'importe quelle orbite autour du noyau. Mais, ce coquin, quand il change d'orbite, il créé de l'énergie et envoie un photon. En 1924 Louis De Broglie propose sa théorie d'ondes de matière, les premisses de la dualité onde-corpuscule de la physique quantique sont jetées, en 1929 il démontre la nature ondulatoire de l'électron. Contrairement aux évidences, la dualité est présente dans notre monde, alors que dans le monde de l'atome tout n'est qu'unicité, les particules sont à la fois corpusculaires et ondulatoires. Décrire la matière en termes de particules ou d'ondes est un leurre, la matière microscopique est bien les deux à la fois. En 1927 Eisenberg introduit le principe d'incertitude: Si nous connaissons la localité d'un électron ou d'une particule, nous ne pouvons en connaitre sa vitesse et vice et versa. ce principe d'incertitude sera interprété comme une barrière de la connaissance, la nature devenant incertaine. Ce principe sera reprécisé et passera de l'incertitude à l'indétermination. Dans ce premier milieu de XXeme siècle la physique quantique fait des bons de géants et dérange par sa nature contre intuitive.

Erwin Schrodinger

Erwin Schrodinger est l'un des pionniers de la physique quantique. Il invente la fonction d'onde qui permet de décrire l'évolution de l'onde de probabilité d'un électron, qui perd définitivement son statut de corpuscule, en devenant un paquet d'ondes.

C'est en 1935 qu'il tentera de donner au grand public une image de la logique quantique par le paradoxe du chat de Schrodinger.

Le paradoxe du chat de Schrodinger

Il s'agit d'une expérience de pensée. On place dans une boite un atome radioactif qui a 50% de chance de se désintégrer dans la demi-heure. Lors de la désintégration, l'atome va éjecter un électron qui ira frapper un marteau qui cassera une fiole contenant un gaz mortel. Puis on place un chat dans la boite. Au bout de 10 minute, l'observateur ouvre le hublot, que constate t'il, le chat est-il mort ou vivant ?

Doodle du chat de Schrodinger

Ce que nous dit Schrodinger, c'est que l'atome est dans un état superposé: il est soit désintégré, soit il ne l'est pas et de fait possède donc les 2 états simultanément à savoir désintégré et non désintégré. Le chat, à l'image de la superposition du monde quantique est soit mort soit vivant et possède donc les 2 états simultanément, le chat est donc mort et vivant en même temps !

Mieux, dès lors que l'observateur ouvre le hublot, il y a décohérence du système, les états superposés ont disparus, il n'existe plus qu'un seul état comme dans notre monde.

La décohérence

La décohérence, nommée réduction du paquet d'ondes est un sujet qui depuis a été validé expérimentalement. Le fait que l'observation viennent perturber un processus microscopique en réduisant la superposition d'état à un seul, la particule choisit son état lorsqu'elle est observée, n'était pas du gout de Einstein. Pour Bohr, qui s'est opposé à Einstein sur ce point, l'état quantique précède toutes mesures. Des lors qu'une mesure est faite, la particule choisit son état, l'état est déterminé aléatoirement, la physique quantique est probabiliste par nature. Einstein n'accepte pas cette vision et dit que les états sont déterminés au départ et que la mesure ne fait que préciser l'état. Einstein était résolument contre l'aspect probabiliste de la physique quantique. Néanmoins, même si la décohérence a été démontrée par l'expérience, prenons garde de généraliser, elle n'est pas un théorème, ni une vérité absolue. Elle ne joue que pour certains objets et jette un voile de mystère supplémentaire sur notre compréhension de la physique quantique, pourquoi et comment n'est-elle pas "universelle", pourquoi choisi-elle certains objets ?

La décohérence nous explique pourquoi on ne peut observer le chat sans changer son état, elle n'explique pas pourquoi le chat est mort et vivant en même temps.

"Quiconque n'est pas choqué par la mécanique quantique ne la comprend pas." Niels Bohr

Comment ce paradoxe me parle ?

Au delà de l'effet contre intuitif d'un chat mort et vivant en même temps, ce qui me fascine dans ce paradoxe concerne la décohérence et je trouve qu'on insiste pas assez sur ce point.

Tout se passe comme si la logique du monde microscopique était non seulement mathématique mais en plus probabiliste. Qu'est ce que cela veut/peut dire de la nature ? et cette notion de décohérence qui règle tous les problèmes de frontières entre notre monde et le monde microscopique, me parait magique: la nature ne veut que nous comprenions ce qui se passe au niveau de l'atome et agit par décohérence, c'est simple et cela ressemble à faire l'autruche: "cachez se sein que je ne saurais voir" et cachez cette logique que je ne saurais comprendre. Et pourtant il s'agit de la matière dont nous sommes fait. Peut être que la nature nous interdit l'accès au monde de l'atome en nous imposant une barrière, les deux mondes doivent rester séparés.

Le second point que je retiens du paradoxe concerne l'état superposé lié à une désintégration de l'atome, je ne peux m'empêcher de faire le lien avec la notion de période radioactive: il s'agit du laps de temps correspondant à la moitié de désintégration des atomes dans un processus radioactif. Ce laps de temps est purement probabiliste. Si la période est de 1 minute, on ne peut savoir lequel de 2 atomes, l'un qui vient de naître ou l'autre vieux de mille ans,  se désintégrera dans la minute qui vient, le processus de vieillissement au niveau atomique n'existe pas en tant que tel.

La physique ou mécanique quantique dispose de sa propre logique totalement éloignée de la nôtre, c'est pour cela qu'il est si difficile d'en percevoir facilement, logiquement de notre logique d'humain, ses modes de fonctionnements, de réactions. Ce manque de perception relève t'il d'un monde totalement étranger et pourtant dont nous sommes faits, ou relève t'il de nos sens qui ne peuvent, ne veulent pas établir une connexion avec la matière microscopique ?