Un nouveau paradoxe quantique remet en question les fondements de la réalité observée

Si un arbre tombe dans une forêt et que personne n’est là pour l’entendre, fait-il un son? Peut-être pas, disent certains.

Et si quelqu’un est là pour l’entendre? Si vous pensez que cela signifie évidemment fait faire un son, vous devrez peut-être réviser cette opinion.

Nous avons trouvé un nouveau paradoxe dans la mécanique quantique – l’une de nos deux théories scientifiques les plus fondamentales, avec la théorie de la relativité d’Einstein – qui jette le doute sur certaines idées de bon sens sur la réalité physique.

Mécanique quantique vs bon sens

Jetez un œil à ces trois déclarations:

• Quand quelqu’un observe un événement, il vraiment arrivé.
• Il est possible de faire des choix libres, ou du moins, des choix statistiquement aléatoires.
• Un choix fait à un endroit ne peut pas affecter instantanément un événement distant. (Les physiciens appellent cette «localité».)

Ce sont toutes des idées intuitives et largement reconnues même par les physiciens. Mais nos recherches, publiées dans Nature Physics, montrent qu’elles ne peuvent pas toutes être vraies – ou la mécanique quantique elle-même doit s’effondrer à un certain niveau.

C’est le résultat le plus fort d’une longue série de découvertes en mécanique quantique qui ont bouleversé nos idées sur la réalité. Pour comprendre pourquoi c’est si important, regardons cette histoire.

La bataille pour la réalité

La mécanique quantique fonctionne extrêmement bien pour décrire le comportement d’objets minuscules, tels que des atomes ou des particules de lumière (photons). Mais ce comportement est… très étrange.

Dans de nombreux cas, la théorie quantique ne donne pas de réponses définitives à des questions telles que « où est cette particule en ce moment? » Au lieu de cela, il ne fournit que des probabilités pour savoir où la particule pourrait être trouvée lorsqu’elle est observée.

Pour Niels Bohr, l’un des fondateurs de la théorie il y a un siècle, ce n’est pas parce que nous manquons d’informations, mais parce que les propriétés physiques comme la «position» n’existent pas tant qu’elles ne sont pas mesurées.

Et de plus, parce que certaines propriétés d’une particule ne peuvent pas être parfaitement observées simultanément – comme la position et la vitesse – elles ne peuvent pas être réel simultanément.

Pas moins un chiffre qu’Albert Einstein ne trouva cette idée intenable. Dans un article de 1935 avec ses collègues théoriciens Boris Podolsky et Nathan Rosen, il a soutenu qu’il doit y avoir plus dans la réalité que ce que la mécanique quantique pourrait décrire.

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L’article considérait une paire de particules éloignées dans un état spécial maintenant connu sous le nom d’état «intriqué». Lorsque la même propriété (par exemple, la position ou la vitesse) est mesurée sur les deux particules intriquées, le résultat sera aléatoire – mais il y aura une corrélation entre les résultats de chaque particule.

Par exemple, un observateur mesurant la position de la première particule pourrait parfaitement prédire le résultat de la mesure de la position de la plus éloignée, sans même la toucher. Ou l’observateur pourrait choisir de prédire la vitesse à la place. Cela avait une explication naturelle, ont-ils soutenu, si les deux propriétés existaient avant d’être mesurées, contrairement à l’interprétation de Bohr.

Cependant, en 1964, le physicien nord-irlandais John Bell a trouvé l’argument d’Einstein échoué si vous exécutiez une combinaison plus compliquée de différent mesures sur les deux particules.

Bell a montré que si les deux observateurs choisissent de manière aléatoire et indépendante entre mesurer l’une ou l’autre propriété de leurs particules, comme la position ou la vitesse, les résultats moyens ne peuvent être expliqués dans aucune théorie où la position et la vitesse étaient des propriétés locales préexistantes.

Cela semble incroyable, mais les expériences ont maintenant démontré de manière concluante que les corrélations de Bell se produisent. Pour de nombreux physiciens, cela prouve que Bohr avait raison: les propriétés physiques n’existent pas tant qu’elles ne sont pas mesurées.

Mais cela soulève la question cruciale: qu’est-ce qu’une «mesure» a de si spécial?

L’observateur, a observé

En 1961, le physicien théoricien hongrois-américain Eugene Wigner a conçu une expérience de pensée pour montrer ce qui est si délicat dans l’idée de mesure.

Il a envisagé une situation dans laquelle son ami entre dans un laboratoire hermétiquement fermé et effectue une mesure sur une particule quantique – sa position, par exemple.

Cependant, Wigner a remarqué que s’il appliquait les équations de la mécanique quantique pour décrire cette situation de l’extérieur, le résultat était tout à fait différent. Au lieu que la mesure de l’ami rende la position de la particule réelle, du point de vue de Wigner, l’ami devient empêtré avec la particule et infecté par l’incertitude qui l’entoure.

Ceci est similaire au célèbre chat de Schrödinger, une expérience de pensée dans laquelle le destin d’un chat dans une boîte s’emmêle avec un événement quantique aléatoire.

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Pour Wigner, c’était une conclusion absurde. Au lieu de cela, il croyait qu’une fois que la conscience d’un observateur était impliquée, l’intrication «s’effondrerait» pour rendre l’observation de l’ami définitive.

Mais que se passerait-il si Wigner avait tort?

Notre expérience

Dans nos recherches, nous nous sommes appuyés sur une version étendue du paradoxe de l’ami de Wigner, initialement proposée par Časlav Brukner de l’Université de Vienne. Dans ce scénario, il y a deux physiciens – appelez-les Alice et Bob – chacun avec ses propres amis (Charlie et Debbie) dans deux laboratoires éloignés.

Il y a une autre tournure: Charlie et Debbie mesurent maintenant une paire de particules intriquées, comme dans les expériences Bell.

Comme dans l’argument de Wigner, les équations de la mécanique quantique nous disent que Charlie et Debbie devraient s’emmêler avec leurs particules observées. Mais comme ces particules étaient déjà enchevêtrées les unes avec les autres, Charlie et Debbie eux-mêmes devraient s’emmêler – en théorie.

Mais qu’est-ce que cela implique expérimentalement?

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Notre expérience va comme ceci: les amis entrent dans leurs laboratoires et mesurent leurs particules. Quelque temps plus tard, Alice et Bob lancent chacun une pièce. S’il s’agit de têtes, ils ouvrent la porte et demandent à leur ami ce qu’ils ont vu. S’il s’agit de queues, ils effectuent une mesure différente.

Cette mesure différente donne toujours un résultat positif pour Alice si Charlie est empêtré avec sa particule observée de la manière calculée par Wigner. De même pour Bob et Debbie.

Dans toute réalisation de cette mesure, cependant, tout enregistrement de l’observation de leur ami à l’intérieur du laboratoire est bloqué pour atteindre le monde extérieur. Charlie ou Debbie ne se souviendront pas avoir rien vu à l’intérieur du laboratoire, comme s’ils se réveillaient d’une anesthésie totale.

Mais est-ce vraiment arrivé, même s’ils ne s’en souviennent pas?

Si les trois idées intuitives au début de cet article sont correctes, chaque ami a vu un résultat réel et unique pour sa mesure à l’intérieur du laboratoire, indépendamment du fait qu’Alice ou Bob aient décidé par la suite d’ouvrir leur porte. De plus, ce que voient Alice et Charlie ne devrait pas dépendre de la façon dont la pièce de monnaie de Bob atterrit, et vice versa.

Nous avons montré que si tel était le cas, il y aurait des limites aux corrélations qu’Alice et Bob pourraient s’attendre à voir entre leurs résultats. Nous avons également montré que la mécanique quantique prédit qu’Alice et Bob verront des corrélations qui vont au-delà de ces limites.

Ensuite, nous avons fait une expérience pour confirmer les prédictions de la mécanique quantique en utilisant des paires de photons intriqués. Le rôle de la mesure de chaque ami était joué par l’un des deux chemins que chaque photon peut emprunter dans la configuration, en fonction d’une propriété du photon appelée «polarisation». Autrement dit, le chemin « mesure » la polarisation.

Notre expérience n’est vraiment qu’une preuve de principe, puisque les «amis» sont très petits et simples. Mais cela pose la question de savoir si les mêmes résultats seraient valables avec des observateurs plus complexes.

Nous ne pourrons peut-être jamais faire cette expérience avec de vrais humains. Mais nous soutenons qu’il sera peut-être un jour possible de créer une démonstration concluante si « l’ami » est une intelligence artificielle au niveau humain fonctionnant dans un ordinateur quantique massif.

Qu’est-ce que tout cela veut dire?

Bien qu’un test concluant puisse être dans des décennies, si les prédictions de la mécanique quantique continuent de tenir, cela a de fortes implications pour notre compréhension de la réalité – encore plus que les corrélations de Bell. D’une part, les corrélations que nous avons découvertes ne peuvent être expliquées simplement en disant que les propriétés physiques n’existent pas tant qu’elles ne sont pas mesurées.

Maintenant, la réalité absolue des résultats de mesure eux-mêmes est remise en question.

Nos résultats obligent les physiciens à traiter de front le problème de mesure: soit notre expérience ne se développe pas, et la mécanique quantique cède la place à une soi-disant «théorie de l’effondrement objectif», soit l’une de nos trois hypothèses de bon sens doit être rejetée .

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Il existe des théories, comme de Broglie-Bohm, qui postulent «l’action à distance», dans laquelle les actions peuvent avoir des effets instantanés ailleurs dans l’univers. Cependant, cela est en conflit direct avec la théorie de la relativité d’Einstein.

Certains recherchent une théorie qui rejette la liberté de choix, mais ils exigent soit une causalité à l’envers, soit une forme apparemment conspiratrice de fatalisme appelée «superdéterminisme».

Une autre façon de résoudre le conflit pourrait être de rendre la théorie d’Einstein encore plus relative. Pour Einstein, différents observateurs pourraient être en désaccord sur quand ou où quelque chose se passe – mais quelle se produit était un fait absolu.

Cependant, dans certaines interprétations, telles que la mécanique quantique relationnelle, le QBisme ou l’interprétation à plusieurs mondes, les événements eux-mêmes ne peuvent se produire que par rapport à un ou plusieurs observateurs. Un arbre tombé observé par l’un peut ne pas être un fait pour tout le monde.

Tout cela n’implique pas que vous puissiez choisir votre propre réalité. Tout d’abord, vous pouvez choisir les questions que vous posez, mais les réponses sont données par le monde. Et même dans un monde relationnel, lorsque deux observateurs communiquent, leurs réalités sont intriquées. De cette manière, une réalité partagée peut émerger.

Ce qui signifie que si nous assistons tous les deux à la chute du même arbre et que vous dites que vous ne l’entendez pas, vous aurez peut-être juste besoin d’une aide auditive.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. La publication a contribué à l’article à Expert Voices de 45secondes.fr: Op-Ed & Insights.

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