crédit: Aleksei Isachenko/Alamy
dans l’expérience de pensée la plus célèbre au monde, le physicien Erwin Schrödinger a décrit comment un chat dans une boîte pouvait être dans une situation incertaine. Les règles particulières de la théorie quantique signifiaient qu’il pouvait être à la fois mort et vivant, jusqu’à ce que la boîte soit ouverte et que l’état du chat soit mesuré., Maintenant, deux physiciens ont conçu une version moderne du paradoxe en remplaçant le chat par un physicien faisant des expériences — avec des implications choquantes.
la théorie quantique a une longue histoire d’expériences de pensée, et dans la plupart des cas, celles-ci sont utilisées pour pointer des faiblesses dans diverses interprétations de la mécanique quantique. Mais la dernière version, qui implique plusieurs acteurs, est inhabituelle: elle montre que si l’interprétation standard de la mécanique quantique est correcte, alors différents expérimentateurs peuvent parvenir à des conclusions opposées sur ce que le physicien dans la boîte a mesuré., Cela signifie que la théorie quantique se contredit.
l’expérience conceptuelle a été débattue avec enthousiasme dans les milieux de la physique pendant plus de deux ans — et a laissé la plupart des chercheurs perplexes, même dans un domaine habitué aux concepts étranges. ” Je pense que c’est un tout nouveau niveau d’étrangeté », explique Matthew Leifer, physicien théoricien à L’Université Chapman à Orange, en Californie.
Les auteurs, Daniela Frauchiger et Renato Renner de L’Ecole Polytechnique Fédérale de Zurich (ETH), ont mis en ligne leur première version de l’argument en avril 2016., Le document final paraît dans Nature Communications le 18septembre1. (Frauchiger a maintenant quitté le monde universitaire.)
monde étrange
la mécanique quantique sous-tend presque toute la physique moderne, expliquant tout, de la structure des atomes à la raison pour laquelle les aimants collent les uns aux autres. Mais ses fondements conceptuels continuent de laisser les chercheurs en quête de réponses. Ses équations ne peuvent prédire le résultat exact d’une mesure — par exemple, de la position d’un électron — que les probabilités qu’il peut donner des valeurs particulières.,
Les objets quantiques tels que les électrons vivent donc dans un nuage d’incertitude, codés mathématiquement dans une « fonction d’onde » qui change de forme en douceur, un peu comme les vagues ordinaires dans la mer. Mais lorsqu’une propriété telle que la position d’un électron est mesurée, elle donne toujours une valeur précise (et donne à nouveau la même valeur si elle est mesurée immédiatement après).
la façon la plus courante de comprendre cela a été formulée dans les années 1920 par les pionniers de la théorie quantique Niels Bohr et Werner Heisenberg, et s’appelle L’interprétation de Copenhague, d’après la ville où Bohr a vécu., Il dit que l’acte d’observer un système quantique fait « s’effondrer » la fonction d’onde d’une courbe étalée à un seul point de données.
L’interprétation de Copenhague a laissé ouverte la question de savoir pourquoi des règles différentes devraient s’appliquer au monde quantique de l’atome et au monde classique des mesures en laboratoire (et de l’expérience quotidienne). Mais c’était aussi rassurant: bien que les objets quantiques vivent dans des États incertains, l’observation expérimentale se produit dans le domaine classique et donne des résultats sans ambiguïté.
maintenant, Frauchiger et Renner secouent les physiciens de cette position réconfortante., Leur raisonnement théorique dit que L’image de base de Copenhague — ainsi que d’autres interprétations qui partagent certaines de ses hypothèses de base-n’est pas cohérente en interne.
Qu’y a-t-il dans la boîte?
leur scénario est beaucoup plus impliqué que le Chat de Schrödinger — proposé en 1935 — dans lequel le félin vivait dans une boîte avec un mécanisme qui libérerait un poison sur la base d’un événement aléatoire, comme la désintégration d’un noyau atomique. Dans ce cas, l’état du chat était incertain jusqu’à ce que l’expérimentateur ouvre la boîte et la vérifie.,
en 1967, le physicien hongrois Eugene Wigner a proposé une version du paradoxe dans laquelle il a remplacé le chat et le poison par un ami physicien qui vivait à l’intérieur d’une boîte avec un appareil de mesure qui pouvait renvoyer l’un des deux résultats, comme une pièce de monnaie montrant des têtes ou des queues. La fonction d’onde s’effondre-t-elle lorsque L’ami de Wigner prend conscience du résultat? Une école de pensée dit que oui, suggérant que la conscience est en dehors du domaine quantique., Mais si la mécanique quantique s’applique à la physicienne, alors elle devrait être dans un état incertain qui combine les deux résultats jusqu’à ce que Wigner ouvre la boîte.
Frauchiger et Renner ont une version plus sophistiquée (voir « les Nouveaux chats en ville »). Ils ont deux Wigners, chacun faisant une expérience sur un ami physicien qu’ils gardent dans une boîte. L’un des deux amis (appelez — la Alice) peut lancer une pièce de monnaie et — en utilisant ses connaissances en physique quantique-préparer un message quantique à envoyer à l’autre ami (appelez-le Bob)., Grâce à ses connaissances en théorie quantique, Bob peut détecter le message D’Alice et deviner le résultat de son lancer de pièce. Lorsque les deux Wigners ouvrent leurs boîtes, dans certaines situations, ils peuvent conclure avec certitude de quel côté la pièce a atterri, dit Renner — mais parfois leurs conclusions sont incohérentes. ” L’un dit: « je suis sûr que ce sont des queues », et l’autre dit: « je suis sûr que ce sont des têtes » », dit Renner.,
l’expérience ne peut pas être mise en pratique, car il faudrait que les Wigners mesurent toutes les propriétés quantiques de leurs amis, ce qui inclut la lecture de leurs esprits, souligne la théoricienne Lídia Del Rio, collègue de Renner à L’ETH Zurich.,
pourtant, il pourrait être possible de faire jouer à deux ordinateurs quantiques les rôles D’Alice et Bob: la logique de l’argument exige seulement qu’ils connaissent les règles de la physique et prennent des décisions en fonction de celles-ci, et en principe on peut détecter l’état quantique complet d’un ordinateur quantique. (Les ordinateurs quantiques suffisamment sophistiqués pour le faire n’existent pas encore, souligne Renner.)
interprétations du duel
les physiciens sont encore en train de comprendre les implications du résultat., Il a déclenché des réponses enflammées d’experts dans les fondements de la théorie quantique, dont beaucoup ont tendance à protéger leur interprétation de l’animal de compagnie. ” Certains deviennent émotifs », dit Renner. Et différents chercheurs ont tendance à tirer des conclusions différentes. « La plupart des gens affirment que l’expérience montre que leur interprétation est la seule qui soit correcte. »
pour Leifer, produire des résultats incohérents ne devrait pas nécessairement être un facteur de rupture. Certaines interprétations de la mécanique quantique permettent déjà vues de la réalité qui dépendent de la perspective., Cela pourrait être moins désagréable que d’admettre que la théorie quantique ne s’applique pas à des choses complexes telles que les gens, dit-il.
Robert Spekkens, physicien théoricien à L’Institut Périmètre de Physique Théorique de Waterloo, au Canada, affirme que la sortie du paradoxe pourrait se cacher dans certaines hypothèses subtiles de l’argument, en particulier dans la communication entre Alice et Bob.
« à mon avis, il y a beaucoup de situations où prendre les connaissances de quelqu’un à bord implique une certaine traduction de leurs connaissances., »Peut-être que L’incohérence provient du fait que Bob n’interprète pas correctement le message D’Alice, dit-il. Mais il admet qu’il n’a pas encore trouvé de solution.
pour l’instant, les physiciens vont probablement continuer à débattre. « Je ne pense pas que nous ayons compris cela”, dit Leifer.