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Mettons un pied en physique quantique avec le chat de Schrödinger

La physique quantique a, depuis quelques années, été particulièrement citée, notamment au cinéma, pour pouvoir justifier quelque chose d’inexplicable. Le fameux « parce que c’est quantique » est venu remplacer le « parce que c’est nanotechnologique », lui-même héritier du « parce que c’est magique », si cher aux récits de fantasy. Si la physique quantique déchaîne les passions et les incompréhensions, c’est justement parce qu’elle n’est pas intuitive. Son raisonnement échappe aux principes « logiques » de notre vie quotidienne. Aujourd’hui, nous revenons sur une des analogies les plus connues, mais souvent mal interprété : celle du chat de Schrödinger.

Erwin Schrödinger est un physicien autrichien né en 1887. Il reçoit le prix Nobel de physique en 1931, conjointement avec Paul Dirac, « pour la découverte de formes nouvelles et utiles de la théorie atomique ». Une de ses œuvres les plus connues, en lien avec cette récompense, est la fameuse équation de Schrödinger.

Bon, soyons honnêtes, à part en dévorant la bibliographie d’Etienne Klein ou en ayant des connaissances très solides en physique quantique, l’approche de cette équation reste complexe. Pour rester très large, c’est une mise en équation du comportement à travers le temps d’une particule. Cette équation est un postulat, c’est-à-dire qu’elle ne provient pas d’une démonstration qui justifie sa véracité, mais découle d’observations et d’expériences qui ne l’ont pour le moment jamais mis en défaut.

Evidemment, puisque nous sommes dans la physique quantique, nous sommes en présence d’une équation non-relativiste. Ne partez pas !

Une équation relativiste est une équation qui s’inscrit dans le domaine de la relativité générale, soit dans la physique générale, celle des planètes et du tir à l’arc par exemple. La relativité générale, dont nous fêtions il y a peu les 105 ans, nous vient d’Einstein !

Pourquoi la physique quantique?

Petit rappel historique : au début du XIXe siècle, Thomas Young observe pour la première fois un comportement à la fois corpusculaire et ondulatoire de la lumière. C’est à la fois une onde et un objet physique ! Impossible, avec les outils de l’époque, de comprendre comment cela est possible. En physique dite classique (ou relativiste, maintenant que vous êtes calés !) on est soit l’un, soit l’autre.

Max Planck, en 1900, émet l’hypothèse de l’existence d’une particule, les quantas, qui serait responsable d’un certain nombre de problématiques dans la physique actuelle. La physique quantique est née. Depuis ce temps, et jusqu’à aujourd’hui, nous sommes en présence de deux physiques différentes, qui n’ont pas encore réussi à s’unifier :

Simplifions tout cela avec un chat

Revenons à Schrödinger. Avec son équation, le physicien a laissé un superbe héritage à la science, qui demeure cependant inaccessible pour le commun des mortels. En 1935, il va émettre une expérience de pensée, dans le but de mettre en relief un aspect non-intuitif de la mécanique quantique.

Celle-ci reste une expérience de pensée ! Aucun chat n’a été maltraité !

Mettons un chat dans une boîte. Relativement grande, pour qu’il ne se sente pas trop stressé ! Cette précision n’est pas dans l’énoncé originel, mais nous préférons savoir le chat confortablement installé. Schrödinger ne parlait d’ailleurs pas d’un chat initialement, mais d’un animal. Les lobbys félins ont du passer par là…

À l’intérieur de la boîte se trouve une fiole de poison, qui, à l’air libre, se transforme en gaz. Nous plaçons également dans la boîte un atome. Cet atome a une particularité bien précise : il a 50 % de chance de changer d’état dans la minute qui suit (admettons, passer de l’état A à l’état B). Effectivement, en physique quantique, nous ne nous posons pas sur des certitudes liées aux causes et aux conséquences, mais sur des probabilités que tel ou tel événement se produise.

Maintenant, admettons que si l’atome change d’état, la fiole se casse, et donc, tue le chat. Fermons la boîte, et laissons 1 minute s’écouler (ce qui nous laisse le temps de manger le sandwich précédemment préparé).

Au bout d’une minute, que dit la physique quantique ? Elle dit qu’il y a une superposition d’état. Que l’atome, tant que l’on n’observe pas le résultat, est simultanément dans deux états : A et B. On a le droit, c’est l’équation décrite au début qui le dit !

Et ce chat ?

L’état du chat dépend de celui de l’atome. Si celui-ci est passée à l’état B, alors le chat est mort. Sinon, il est vivant.

Oui, mais voilà ! Insistons sur l’importance de l’observateur. Tant que l’on ne regarde pas, il y a 50 % de chance d’être dans l’une ou l’autre des situations. Et le fait de laisser un système isolé, sans observation, nous donne le droit d’écrire des choses qui paraissent étranges. Dans ce cas-là, tant que personne n’ouvre la boîte, nous pouvons dire que, comme la particule, le chat est dans un état de superposition : celui d’être mort et vivant.

Donc, le chat est mort et vivant ?

Pas exactement. Ce n’est pas un chat dont le but est d’instaurer un monde apocalyptique, en se relevant la nuit à la recherche de viande humaine… C’est juste que pour les particules élémentaires, l’infiniment petit, l’état de superposition A&B existe, tout autant que l’état A et l’état B. L’observation, le fait de regarder quelque chose a une influence sur le résultat de l’expérience.

C’est d’ailleurs pour cela qu’un chat a été utilisé. Pour montrer l’absurdité par rapport au monde que l’on connaît, d’une part, et pour appliquer cela sur un cas concret, d’autre part. Ce qui fait que l’on force l’état du chat (ou de la particule), c’est le fait de le regarder. On ne pourra jamais observer un chat superposé, tout comme une particule superposée.

Cette expérience est souvent utilisée comme explication simplifiée de notions quantiques. Cependant, sa complexité globale, liée aux notions qui y sont exprimées, fait qu’elle est souvent mal comprise, ou mal utilisée. Elle permet tout de même de mettre un pied dans le monde de l’incertitude et des probabilités. Le fameux monde quantique, dont nous aborderons de nouvelles notions dans de futurs articles !

 

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