Dans cet article de blog, nous examinerons ce que signifie l'effondrement des ondes, en nous concentrant sur l'interprétation de Copenhague et l'interprétation des mondes multiples parmi les différentes interprétations de la mécanique quantique, et nous considérerons les caractéristiques et les limites de chaque interprétation.
De la fin du XIXe siècle au début du XXe siècle, des phénomènes ont commencé à apparaître qui ne pouvaient être expliqués par la seule physique classique. Maxwell et Einstein ont découvert que la lumière possède à la fois des propriétés ondulatoires et corpusculaires. Max Born a prédit que les particules possèdent elles aussi des propriétés ondulatoires. L'expérience des fentes de Young de Davisson-Germer aurait démontré expérimentalement que les électrons possèdent un comportement ondulatoire. Un examen plus approfondi de l'expérience des fentes de Young révèle ce qui suit : un dispositif qui émet des électrons, une plaque à deux fentes et un écran sont disposés en séquence. Les électrons émis par la source d'électrons traversent les deux fentes et atteignent l'écran ; lorsque l'arrivée des électrons sur l'écran est observée, une figure d'interférence apparaît. Un tel motif n'apparaît pas lorsqu'il n'y a qu'une seule fente. Par conséquent, la position d'un électron doit être expliquée comme une onde traversant simultanément les deux fentes. La mécanique quantique a émergé pour expliquer ces phénomènes. En mécanique quantique, les ondes de probabilité sont décrites comme les éléments constitutifs fondamentaux de la nature. Les ondes de probabilité servent à décrire l'état de la matière. L'état de la matière comprend des propriétés telles que la position et le spin. Une onde de probabilité indique qu'une valeur n'est pas fixe en un point précis, mais que la probabilité d'occurrence varie en chaque point. La mécanique quantique a été établie au début du XXe siècle, et de nombreux résultats expérimentaux de cette période et des suivantes confirment la validité de cette théorie. Au cœur de cette théorie se trouve l'équation d'onde de Schrödinger. L'équation d'onde de Schrödinger, équation fondamentale de la mécanique quantique, décrit comment une onde de probabilité évolue au fil du temps. Cependant, le lien exact entre ces ondes de probabilité et la vie quotidienne reste flou. Dans la vie de tous les jours, les résultats que nous observons ne sont pas de multiples états, mais un seul état défini ; comment cela peut-il s’expliquer ? Qu'est-ce qu'une onde de probabilité, et existe-t-il un moyen de la comprendre ? Pour répondre à ces questions, diverses interprétations de la mécanique quantique ont vu le jour. Lors d'une enquête menée précédemment lors d'une conférence de physique quantique, les participants ont été interrogés sur leurs préférences concernant chaque interprétation. La préférence pour l'interprétation de Copenhague s'élevait à 42 %, la perspective quantique-informationnelle à 24 % et l'interprétation des mondes multiples à 18 %. Comme le montre l'enquête, l'interprétation de Copenhague est l'interprétation dominante au sein de la communauté des physiciens. L'interprétation de Copenhague est celle qui a été développée dès les débuts de la mécanique quantique par des chercheurs menés par Bohr. Brian Greene a présenté le principe fondamental de l'interprétation de Copenhague comme suit : « Chaque fois que nous tentons d'observer directement une onde de probabilité, l'acte d'observation lui-même la perturbe. » L'interprétation de Copenhague explique qu'au moment de l'observation, l'onde de probabilité ne peut plus rester dans cet état et se réduit à un point unique. Il est expliqué que le résultat de cet effondrement en un point unique est la réalité que nous connaissons. Ce processus est appelé effondrement de la vague. La perspective de l'information quantique explique que l'univers lui-même est composé d'information quantique, qui constitue l'essence même de l'univers. Elle postule que tout est le résultat de calculs quantiques impliquant cette information quantique. De ce point de vue, l'univers entier est parfois considéré comme une machine effectuant des calculs quantiques. Seth Lloyd a écrit un livre qui défend de manière convaincante ce point de vue. Dans cet ouvrage, il expliquait le rôle de l'information et son lien avec les lois physiques réelles. Il a par exemple expliqué comment l'informatique quantique tend à diffuser des informations inconnues et a développé les lois physiques liées à l'entropie. L'interprétation des mondes multiples a été proposée par Hugh Everett. Cette interprétation n'accepte pas l'effondrement de la fonction d'onde, qui est la pierre angulaire de l'interprétation de Copenhague. Elle postule au contraire que l'univers se ramifie en de multiples mondes, et que toutes les possibilités sont réalisées. Ainsi, cela explique que dans chaque monde, un observateur perçoit la réalité qui nous est familière. Je trouve le concept d'effondrement de la fonction d'onde — que l'on peut considérer comme le cœur de l'interprétation de Copenhague — peu convaincant. Comme l’a souligné Brian Greene, la limite définissant ce qui constitue une « observation » est floue. L'explication est la suivante : l'effondrement de la fonction d'onde ne se produit pas lorsque des objets microscopiques interagissent entre eux, mais il se produit lorsqu'un observateur effectue une mesure ; cependant, cette explication est difficile à accepter.
Il est naturel de supposer que les lois de la physique s'appliquent universellement et de manière identique dans tout l'univers. Puisque l'observateur fait lui aussi partie de l'univers, il me semble naturel que les lois de la mécanique quantique s'appliquent de la même manière à toutes les actions, y compris l'observation. Cependant, l'interprétation de Copenhague explique que l'effondrement de la vague se produit à la suite de l'acte d'observation de l'observateur. Mathématiquement, l'effondrement des ondes est également une opération distincte des opérations ordinaires de la mécanique quantique. Bien que je ne puisse pas expliquer ici en détail le processus par lequel une fonction d'onde de probabilité change, on peut le décrire comme une opération impliquant une multiplication par une matrice réversible possédant certaines propriétés particulières. « Réversible » signifie qu’il existe une correspondance univoque entre le résultat et l’état qui l’a provoqué. Cependant, lorsque l'effondrement de la fonction d'onde se produit, cette correspondance est rompue. Le système se fige dans un état unique, rendant impossible la restauration de son état initial. Dans les cas où la nature de l'observation est cruciale, comme dans l'interprétation de Copenhague, le concept de coupure de Heisenberg est parfois introduit. Ce concept postule que les lois de la mécanique quantique s'appliquent jusqu'à une certaine limite, et qu'au-delà de cette limite, la fonction d'onde s'effondre. Cependant, cette limite n'est pas clairement définie. Elle pourrait être définie au niveau d'objets tels que les électrons ou les protons, ou au niveau d'objets macroscopiques comme les êtres humains. Cela n'est pas satisfaisant car cela ne précise pas où exactement cette limite doit être tracée. Un exemple bien connu illustrant cette situation est l'expérience de pensée du chat de Schrödinger. Dans cette expérience de pensée, une particule plus petite qu'un atome et un chat apparaissent. La petite particule peut se désintégrer avec une certaine probabilité, un processus qui peut s'expliquer par la mécanique quantique. Un dispositif de détection est placé à côté. On dit que dès qu'une telle dégradation est détectée, un mécanisme qui tue le chat se déclenche. Cela soulève la question de savoir si le chat est mort ou vivant à ce moment précis. L'interprétation de Copenhague explique que l'état du chat — vivant ou mort — est déterminé au moment où il est observé. Cette explication repose sur le postulat que même les objets macroscopiques ne subissent pas d'effondrement d'ondes. Cela suggère que même les objets de grande taille doivent être considérés dans le cadre de la mécanique quantique. Par conséquent, il existe des expériences de pensée qui poussent cette situation à un extrême encore plus grand. Dans cette expérience de pensée, nous supposons qu'un ami a mené l'expérience de pensée du chat de Schrödinger et a observé l'état du chat. Dans ce cas, elle ne fournit pas d'explication définitive quant à la limite à laquelle la fonction d'onde doit être considérée comme s'étant effondrée. Concernant cette limite, certains considèrent l'étendue des connaissances de l'observateur comme cruciale, et celle-ci serait liée à la probabilité. Néanmoins, l'interprétation de Copenhague a l'avantage d'expliquer facilement et clairement les résultats observés par l'observateur. En fait, cela explique très bien les résultats de diverses expériences. Il suffit d'appliquer l'effondrement des ondes au moment de l'observation des résultats expérimentaux ou lors de l'interaction avec des objets macroscopiques. Il s'agit d'une interprétation commode qui ne nécessite pas de prendre en compte l'état quantique de l'équipement d'observation. L'une des raisons de son grand succès, malgré le résultat intuitivement difficile à accepter de l'effondrement des vagues, réside probablement dans sa capacité à bien expliquer les résultats expérimentaux. Précisément parce que l'effondrement des ondes est une explication si peu naturelle, je crois que l'interprétation des mondes multiples pourrait constituer une alternative viable à l'interprétation de Copenhague. L'interprétation des mondes multiples ne reconnaît pas l'effondrement des ondes. Il s'agirait d'une interprétation obtenue en se concentrant uniquement sur l'équation d'onde de Schrödinger. Puisqu'elle ne considère pas l'acte d'observation comme soumis à des lois particulières, elle interprète le processus comme un simple changement d'état de l'onde, tel qu'il ressort de l'équation d'onde. En d'autres termes, il est entendu que lorsqu'une observation est effectuée, l'onde ne s'effondre pas ; l'observateur et l'objet entrent plutôt dans un état d'intrication quantique. Pour comprendre cet état intriqué, examinons un exemple du point de vue de l'interprétation des mondes multiples, qui ne reconnaît pas l'effondrement des ondes. Le spin d'un électron peut être soit vers le haut (↑), soit vers le bas (↓). L'appareil d'observation est un dispositif qui mesure le spin de l'électron. Supposons que la fenêtre d'affichage d'état de l'équipement d'observation ait trois états possibles : haut (⟰), bas (⟱) et vide (). Examinons la situation avant la mesure. Le spin de l'électron et la fenêtre d'affichage de l'état de l'équipement d'observation peuvent être décrits comme des ondes de probabilité mutuellement indépendantes. L'électron n'est pas fixé comme étant soit vers le haut (↑), soit vers le bas (↓), mais est représenté par une onde de probabilité. L'appareil de mesure aurait été réglé sur l'état vide () pour l'expérience, et il y aurait une fonction d'onde de probabilité représentant cette situation. Examinons la situation après la mesure. À ce stade, on ne peut plus la décrire comme des fonctions d'onde de probabilité indépendantes. L'état global est en revanche décrit par une seule fonction d'onde de probabilité qui englobe à la fois l'électron et l'appareil de mesure.
Plus précisément, elle est représentée par une seule fonction d'onde de probabilité qui ne décrit que deux situations possibles : l'une où le spin de l'électron est vers le haut et la fenêtre d'état de l'appareil d'observation indique « vers le haut » (↑⟰), et l'autre où le spin de l'électron est vers le bas et la fenêtre d'état de l'appareil d'observation indique « vers le bas » (↓⟱). Ce phénomène, dans lequel plusieurs états ne sont plus indépendants, est décrit comme « l’intrication ». L’interprétation des mondes multiples va encore plus loin. En regardant l'exemple ci-dessus, il existe deux situations possibles (↑⟰, ↓⟱). L'interprétation des mondes multiples considère le monde comme divisé en ces deux états. C’est-à-dire que dans un monde, la situation ↑⟰ se produit, et dans un autre monde, la situation ↓⟱ se produit. On dit qu'en examinant l'équation de Schrödinger, il n'y a pas de problème mathématique majeur à la considérer de cette manière. Si nous séparons les états possibles en fonction des résultats des observations et interprétons chaque résultat comme un monde distinct, il s'agit précisément de l'interprétation des mondes multiples. Ainsi, tout événement pouvant être considéré comme une observation est perçu comme un événement de scission des mondes. Par conséquent, chaque possibilité réalisable d'un point de vue quantique se réalise dans chaque monde. Ce qui me séduit le plus dans l'interprétation des mondes multiples, c'est qu'elle ne considère pas l'acte d'observation comme quelque chose de particulier. Puisque même l'observateur est considéré comme faisant partie d'un monde soumis aux mêmes lois de la mécanique quantique, je considère cette interprétation comme étant plus universellement applicable. Cependant, l'interprétation des mondes multiples fait face à de nombreuses critiques. Il n'existe aucune explication convaincante de ce que signifie la division du monde en plusieurs mondes. De plus, l'affirmation selon laquelle plusieurs mondes existent est bizarre en soi. Si des mondes sont créés continuellement à l'infini, il n'y a aucun moyen d'expliquer comment nous pouvons en suivre un si grand nombre. De plus, si les différents mondes sont complètement séparés et ne peuvent s'influencer mutuellement, on pourrait affirmer que, du point de vue de l'observateur, l'existence d'autres mondes est totalement dénuée de sens. De ce point de vue, l'interprétation elle-même devient dénuée de sens. De plus, l'interprétation des mondes multiples présente encore de nombreux défis à relever. Premièrement, fournir une explication adéquate du monde que percevra un observateur réel est l'une des tâches à accomplir. Il doit également exister un moyen de décrire les phénomènes du point de vue de l'observateur — plutôt que du point de vue de l'ensemble — afin d'expliquer les phénomènes que nous observons dans la vie quotidienne. Ceci s'explique par le fait que nous n'observons pas directement les ondes de probabilité, mais seulement leurs résultats. L'interprétation de Copenhague explique clairement cet aspect. L'interprétation de Copenhague soutient que le monde que nous observons se réalise par l'effondrement de la fonction d'onde, et qu'elle produit des résultats conformes à la réalité. De plus, l'interprétation des mondes multiples devrait pouvoir expliquer l'interprétation de Copenhague. Si l'interprétation des mondes multiples est la bonne, elle devrait pouvoir expliquer — de son propre point de vue — comment tous les résultats expérimentaux obtenus à ce jour ont correspondu aux prédictions de l'interprétation de Copenhague. De plus, nous devons déterminer dans quelles circonstances des différences pourraient apparaître entre les deux interprétations. Par conséquent, établir un lien avec l'interprétation de Copenhague constitue également un défi majeur. Je ne soutiens pas le concept d'effondrement des ondes de l'interprétation de Copenhague car il n'est pas clair exactement quand il devrait être appliqué, et je considère que la pratique consistant à isoler la mesure comme un processus séparé est problématique en termes d'universalité. Je crois plutôt que nous devrions conserver l'idée que l'univers entier peut être décrit comme une onde probabiliste en mécanique quantique, et que l'observateur en fait également partie. Par conséquent, je pense que l'interprétation des mondes multiples et les théories similaires pourraient servir d'alternatives. Cependant, comme mentionné précédemment, plusieurs problèmes subsistent quant à ces interprétations. Comme en témoignent les résultats d'une enquête menée auprès de physiciens, aucune conclusion définitive n'a encore été tirée concernant l'interprétation de la mécanique quantique. Certaines interprétations existantes ont été historiquement réfutées par des expériences. Cependant, aucune expérience de ce type n'a encore été menée pour l'interprétation de Copenhague ni pour l'interprétation des mondes multiples. Il est possible que des dispositifs expérimentaux capables de démontrer concrètement les différences entre ces interprétations puissent être mis au point un jour. Ou bien, nous pouvons finalement conclure que toutes ces interprétations sont également valables. Par conséquent, je crois qu'à mesure que notre compréhension des lois de la physique s'approfondira, de nouvelles voies d'interprétation de la mécanique quantique s'ouvriront. Il sera fascinant d'assister au déroulement de ce processus.
