La physique quantique (2.1) : l'infiniment petit et la mesure

14 septembre 1987
04m 27s
Réf. 01466

Notice

Résumé :

En 1987, au cours de l'émission" Océaniques des idées" Hubert Reeves et Marc Lachièze Rey expliquent un des paradoxes de la mécanique quantique sur le statut de la réalité physique à partir d'un exemple : la mesure d'un neutrino.

Type de média :
Date de diffusion :
14 septembre 1987
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Contexte historique

" Le développement de la physique quantique, au XXe siècle, est l'une des aventures intellectuelles les plus extraordinaires de l'humanité ", écrivent Alain Aspect et Philippe Grangier, physiciens qui ont contribué à valider, par leurs expériences, cette théorie. Une dimension particulière de la théorie fut particulièrement discutée à partir de 1935. Un article de 1935, cosigné par Einstein, Podolsky et Rosen, " La description quantique de la réalité physique peut-elle être considérée comme complète ? ", montre que le formalisme quantique prédit l'existence d'états particuliers de deux particules caractérisés par de très fortes corrélations à la fois des vitesses et des positions.

Ainsi, pour connaître l'état d'une des particules, il suffirait de connaître l'état de l'autre, même si elles sont très éloignées l'une de l'autre. C'est le paradoxe EPR, acronyme du nom des auteurs signataires ou principe de superposition. Alors qu'en physique classique, une particule doit à tout instant se trouver en un endroit précis, en physique quantique, elle se retrouve " suspendue " dans une superposition d'états correspondant à toutes les positions possibles. Chaque position est décrite par un nombre particulier (matrice) appelée fonction d'onde, introduite par Louis de Broglie ; l'évolution de l'ensemble des positions est décrite par une équation déterminée par Erwin Schrödinger (1887-1961) : ce physicien, récompensé en 1933 par le Prix Nobel, jette ainsi les bases de la physique quantique. Ainsi, d'après la théorie quantique, la superposition ne subsiste que tant que l'on ne cherche pas à déterminer la position de la particule. Si on cherche à la connaître, " on force la nature à abandonner son étrangeté quantique ". La particule apparaît bien en un point et en un seul, mais cette apparition ne peut être prévue que de façon probabiliste ou statistique. La mesure de la position d'une particule produit ainsi ce qu'on appelle une " réduction du paquet d'ondes ".

Cette ambiguïté fondamentale, difficilement concevable et critiquée par de nombreux physiciens, dont Schrödinger lui-même, a trouvé récemment une confirmation expérimentale, grâce aux travaux d'Alain Aspect. Une autre confirmation expérimentale est venue en 1987 à l'occasion de l'expérience Super-Kamiokande conduite au Japon. Cette expérience confirme l'existence des neutrinos, particules très petites. Ils sont observés à l'occasion de l'explosion de la supernova 1987A (SN1987A). Les recherches conduites en 1998 au même endroit ont prouvé que ces particules avaient une masse, inférieure à l'électron (et non nulle comme l'indique Marc Lachièze-Rey).

Bibliographie :

Alain Aspect et Philippe Grangier, " De l'article d'Einstein Podolsky et Rosen à l'information quantique : les stupéfiantes propriétés de l'intrication ", in Einstein aujourd'hui, Paris, EDP Sciences/CNRS Editions, pp. 39-86.

Serge Haroche, " Une exploration au coeur du monde quantique ", in Qu'est-ce que l'Univers ?, Université de tous les savoirs, vol. 4, sd Y. Michaud, Paris, Odile Jacob, 2001, pp. 571-588.

François Lurçat, Niels Bohr et la physique quantique, Paris, Le Seuil, collection " Points, 2001.

Site internet :

Article Point Doc " 100 ans après Einstein ", Cité des sciences et de l'industrie

Christelle Rabier

Éclairage média

L'émission "Océaniques des idées " est un programme grand public diffusé sur FR3 entre 1987 et 1990, dont l'objet est de présenter les grands thèmes de l'histoire des idées contemporaines dans tous les domaines du savoir. L'émission dont est extrait le document a choisi d'explorer le thème de " L'infiniment petit ", titre de l'émission, et ainsi de présenter les grandes idées de la physique quantique.

Sous la forme d'un plateau, deux physiciens spécialistes d'astrophysique, Marc Lachièze-Rey et Hubert Reeves, familiers des émissions de vulgarisation sont autour d'une table ronde. Dans le public, des journalistes et des personnalités invités pour l'occasion posent des questions préparées. Ainsi Jean-Claude Carrière, acteur, et Marie-Odile Monchicourt, journaliste scientifique, sont amenées à interroger les physiciens. On peut noter toutefois l'apparent manque de préparation dans l'imprécision de la description faite par Marie-Odile Monchicourt, dont la présentation est corrigée en voix off par Hubert Reeves.

Tout en détournant formellement le cours, c'est pourtant le rapport professeur-élève qui est conservé dans cette émission de vulgarisation. Quelques artifices de présentation - insertions d'écrans dessinés - permettent d'illustrer et d'alléger le propos didactique des intervenants.

Christelle Rabier

Transcription

Hubert Reeves
Le préjugé, ça consiste à penser que chaque point de l'espace a... qu'on peut étudier la réalité dans un espace aussi petit que l'on veut, c'est-à-dire que l'on peut donner des quantités numériques - plus ou moins - dans des espaces infiniment petits. Ce que dit la physique quantique, c'est : non, ça n'est pas vrai. Vous avez un système, le système dont parlait Marc tout à l'heure, et les propriétés sont moyennées sur le système, et c'est tout le système qui réagit en même temps.
Jean-Claude Carrière
Oui, je voudrais poser une question au sujet de la deuxième caractéristique de la mécanique quantique dont on parlait, c'est-à-dire du rôle de l'observateur. On dit que l'observateur modifie, change ou interprète la chose qu'il observe. Je voudrais savoir si cette phrase peut se dire de la même façon en ce qui concerne un phénomène qui s'est passé il y a longtemps et que nous observons aujourd'hui. Je pense, en particulier, à l'explosion de la supernova du mois de février de cette année, 87 A, dont... qui... le phénomène s'est passé, nous le savons, il y a 1700 siècles - nous l'obervons aujourd'hui. Est-ce que ce décalage dans le temps change la participation de l'observateur au phénomène qu'il observe ?
Hubert Reeves
Pas du tout, curieusement. On pourrait penser que parce que ça s'est passé il y a 170 000 ans, l'interaction qu'impose la mécanique quantique, que décrit la mécanique quantique et qui, d'une certaine façon, est opératoire dans le phénomène de l'observation, c'est-à-dire qui intervient dans l'opération, joue aussi bien que le phénomène se soit passé il y a 170 000 ans que il y a 4 ou 5 secondes. Et dans le cas précis qui nous intéresse, cette supernova donc, il y a 170 000 ans, il y a une explosion, et nous savons que cette explosion émet des particules que nous appelons des neutrinos. Eh bien, ces neutrinos sont émis à partir de l'étoile, et la physique nous les représente un peu comme des ondes, des ondes qui se déplacent dans l'espace, un peu comme quand vous lancez un caillou à la surface de l'eau, vous avez des petites ondes qui se déplacent dans l'espace, sauf qu'à la surface de l'eau, c'est à deux dimensions. Mais le neutrino, c'est une espèce... il est... il est associé à une onde qui se déplace dans l'espace et qui fait une énorme boule, qui fait 170 000 années-lumière, aussi bien dans la direction de votre oeil que dans la direction opposée. Puis, à un moment donné, le détecteur en question, puisqu'il s'agit d'un détecteur, détecte ce neutrino. Qu'est-ce qui se passe ? Eh bien, très curieusement, à ce moment-là, l'onde disparaît. Il reste une particule - ça fait clic dans le détecteur - et c'est terminé : cette onde qui s'en allait ne s'en va plus. Et toute cette sphère de 170 000 années-lumière de rayon s'écrase - on emploie le mot collapse - s'écrase, n'existe plus. Voilà un des aspects curieux de la... du phénomène de mesures en mécanique quantique. Et ça n'a pas d'importance que ça se soit produit il y a 3 secondes ou 170 000 ans.
Marc Lachièze-Rey
Faut peut-être quand même préciser que ce collapse n'est pas du tout une interaction au sens où on a l'habitude de définir des interactions en physique, c'est-à-dire ça ne met en jeu aucune quantité matérielle, aucune quantité d'énergie, ni même aucune quantitié d'information. C'est-à-dire... je pense que le mot interaction est abusif dans ce cas-là. C'est-à-dire il y a vraiment ce qu'Hubert a bien appelé une réduction de l'onde - on appelle ça une réduction peut-être du paquet d'ondes - enfin c'est ce qu'on appelle un phénomène de mesures, qui correspond à la disparition effectivement d'une certaine... de ce que Hubert a appelé l'onde, qui est un certain être mathématique qui est effectivement réparti dans tout l'espace et avec une extension absolument énorme, à des échelles cosmologiques. Donc, il y a vraiment disparition de cette onde, mais cette onde n'est pas quelque chose de matériel, n'est pas quelque chose qui transporte de l'énergie. C'est quelque chose qui est un pur objet mental, du moins dans certaines interprétations.
Jean-Claude Carrière
Dans ce cas-là, quand on parle de disparition de cette onde, est-ce qu'il ne faut pas dire chaque fois : disparition à nos yeux ? De la même façon qu'on apparaît aux yeux de quelqu'un, on disparaît des yeux de quelqu'un.
Marc Lachièze-Rey
ça n'est pas à nos yeux, puisque justement c'est quelque chose qui n'est pas... l'onde n'est pas mesurable...
Jean-Claude Carrière
C'est la façon de le percevoir...
Marc Lachièze-Rey
...à notre cerveau.
Jean-Claude Carrière
...à notre cerveau, oui.
Marc Lachièze-Rey
C'est une représentation qu'on se donne, qui d'ailleurs est une représentation de la réalité de la mécanique quantique, puisque pour la mécanique quantique, cette onde, c'est la réalité, mais ça n'est pas la réalité qui est porteuse d'information ou d'énergie. Donc il n'y a pas vraiment d'interaction.

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