Problème de la mesure quantique.

[morrow]

Bonjour à tous,
Concernant le mystère qui apparaît lors de l'expérience des fentes de Young, il est un point qui reste flou et vis-à-vis duquel je n'ai trouvé aucune précision :
- Lorsqu'on "observe" un photon -ou un atome-, cela modifie son comportement (onde ou corpuscule). Qu'entend-on par "observer", quelle est, shématiquement, la méthode, la technologie mises en œuvre ? Les informations que j'ai trouvées quant à cela sont ou vagues ou s'adressent à un public sensé tacitement avoir ces connaissances ; et ce n'est pas mon cas.
Pouvez-vous m'en dire un peu plus ?
Merci par avance, à bientôt.
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[curieuxdenature]

Qu'entend-on par "observer"

Bonjour

L'experience des fentes de Young peut se faire de deux façons, celle avec des ondes visibles (en fait avec une lumière monochromatique) et celle avec des électrons (la plus connue est celle de Davisson-Germer.)
La première , nécessite de placer un détecteur à la sortie d'une fente (on ne peut pas éclairer un photon pour le voir passer...), et il va de soi qu'en occultant une fente on n'aura plus d'interférences.
La seconde nécessite d"éclairer" l'électron et vu ses dimensions on va le perturber de telle façon que sa "trajectoire" en sera modifiée et faussera le résultat.
Cela n'a donc rien de mystérieux, le problème de la mesure n'est pas lié à un problème technologique mais bien à une impossibilité physique. En gros.

[Nicophil]

Bonjour,

La seconde nécessite d"éclairer" l'électron et vu ses dimensions on va le perturber de telle façon que sa "trajectoire" en sera modifiée et faussera le résultat..

Un électron d'accord, mais une molécule ?

[gammler]

Bonjour

L'experience des fentes de Young peut se faire de deux façons, celle avec des ondes visibles (en fait avec une lumière monochromatique) et celle avec des électrons (la plus connue est celle de Davisson-Germer.)
.

Bonjour,
On est allé beaucoup plus loin avec les interférences dans les dispositifs à fentes: noyaux atomiques, atomes, molécules ... A ma connaissance, la limite actuelle se situe avec des molécules de fullerène (60 atomes de carbone) et un dispositif à fentes multiples. Et aussi des conditions d'expérimentation drastiques: température proche de 0°k; vide extrêmement poussé.

[A voir en vidéo sur Futura]

[curieuxdenature]

Bonjour,

Un électron d'accord, mais une molécule ?

Bonjour

on s'éloigne du principe de base, ici la difficulté s’agrémente d'autres facteurs pour l'observation. En 'éclairant' une molécule on risque tout simplement de la dissocier si l'énergie du photon explorateur dépasse le seuil.
Bref, tout ça pour dire qu'on n'est pas devant un problème qui pourrait un jour être dépassé par l'ingéniosité mise en œuvre pour déjouer le problème, on est bien face à une impossibilité physique. Soit on observe la facette ondulatoire, soit on observe la facette particule de la matière.

[Pio2001]

Qu'entend-on par "observer",

Bonjour,
Observer,dans ce contexte, signifie réaliser une mesure. Cela peut être une mesure de polarisation (on place un polariseur sur le trajet du photon et on regarde s'il ressort de l'autre côté), de position (on place un écran sur son trajet et on regarde où se produit l'impact) etc.
L'essentiel pour dire qu'on a observé le photon, et que par conséquent le photon a été affecté, c'est que le photon, d'une façon ou d'une autre, et entré en interaction avec un appareil de mesure, ou avec son environnement, de sorte que l'on puisse regarder les traces que cela a laissé dans l'environnement (tache, signal électrique...).

Le caractère particulier propres aux mesures quantiques apparaît lorsqu'un objet microscopique, relevant du domaine des lois quantiques, interagit avec un objet macroscopique, qui relève des lois classiques. La frontière entre les deux n'est pas très bien comprise, et donne lieu à ces observations un peu particulières où la particule adapte son comportement en fonction de ce que l'appareil de mesure lui impose, sans qu'il ne soit possible, en aucune façon, de réduire l'ampleur de cet impact. C'est propre aux mesures quantiques, et quantifié par les relations d'indétermination de Heisenberg.

[morrow]

Bonjour,
Merci pour vos réponses.
Finalement il ne semble pas qu'il y ait quoique ce soit de trés mystérieux dans cette affaire : le principe d'incertitude de Heisenberg reste entier et l'objet "observé" adopte un comportement qui est la conséquence de la perturbation qu'aura générée son "observation".
Et pourtant, j'ai vu quelque part que dans ces expériences la causalité était remise en question, que le photon revenait parfois dans son passé pour modifier son comportement ... après avoir "compris" qu'il était observé ...?
Je suis candide en matière de physique quantique et je voudrais savoir si les vulgarisations que l'on trouve sur Internet sont saines.
Pouvez-vous éclairer ma lanterne, avec des mots qui me soient accessibles ?
Merci, au revoir.

[chaverondier]

Finalement il ne semble pas qu'il y ait quoique ce soit de très mystérieux dans cette affaire

Mouais... C'est pas le point de vue de Feynman en tout cas.

Je suis candide en matière de physique quantique et je voudrais savoir si les vulgarisations que l'on trouve sur Internet sont saines.

Pas toujours. Quant à expliquer la mécanique quantique simplement, c'est un peu dangereux. C'est risquer de donner l'impression qu'elle est simple à maîtriser alors qu'il faut pas mal de lecture (le Feynman et le Cohen Tannoudji par exemple) pour acquérir une connaissance exploitable (c'est à dire être capable de prédire, par le calcul, le comportement d'un système relativement à tel ou tel effet quantique). En même temps, si on est bien conscient d'avoir une présentation superficielle sans prétention quand la mécanique quantique est présentée de façon seulement qualitative, alors pourquoi pas ?

[curieuxdenature]

Bonjour,
Merci pour vos réponses.
Finalement il ne semble pas qu'il y ait quoique ce soit de trés mystérieux dans cette affaire : le principe d'incertitude de Heisenberg reste entier et l'objet "observé" adopte un comportement qui est la conséquence de la perturbation qu'aura générée son "observation".

Bonjour

tout dépend du sens qu'on donne au mot mystère, si c'est pour expliquer pourquoi la matière se comporte de cette façon alors oui le mystère est de mise, mais si c'est pour l'entourer d'une aura comme semble le proposer certains adeptes alors on n'est plus dans le domaine de la science.

[morrow]

Bonjour,
En effet j'ai employé le mot mystère à dessein ; c'était plutôt un appel à la discussion.
Il est vrai que certaines vulgarisations (sur You Tube par exemple) font de la physique quantique une extension de la métaphysique.
Je crois avoir compris que le mystère est que l'on ne sait pas le pourquoi du "tantôt onde et tantôt corpuscule".
Ce qui m'interrogeait était le problème de la mesure, mais il semble en fait qu'il est simplement impossible de mesurer sans interférer automatiquement sur le comportement de la "chose".
A +.

[Pio2001]

le principe d'incertitude de Heisenberg reste entier et l'objet "observé" adopte un comportement qui est la conséquence de la perturbation qu'aura générée son "observation".
Et pourtant, j'ai vu quelque part que dans ces expériences la causalité était remise en question,

En effet. Les équations fondamentales de la mécanique quantique (équation de Schrödinger, postulat de réduction du paquet d'onde...) ne sont pas comme les équations de la relativité ou de l'électromagnétisme. Elle ne donnent pas la valeur des grandeurs observables, mais seulement la probabilité d'observer telle ou telle valeur.

Le principe d'indétermination de Heisenberg indique que si on connaît la quantité de mouvement d'une particule avec précision, alors sa position devient indéterminée. Dans ces conditions, si on mesure sa position, on va obtenir un résultat aléatoire, qui indique avec précision où se trouve la particule APRES la mesure, et, toujours selon le principe d'indétermination, la quantité de mouvement est redevenue indéterminée durant le processus de mesure.

Un débat d'idée eut lieu entre Einstein et Bohr. Selon Einstein, si on obtient une certaine position, dont les équations ne peuvent pas prédire la valeur exacte, c'est qu'il y a une raison. Simplement, on ne connaît pas cette raison. Le mécanisme qui choisit telle ou telle position lorsqu'on mesure la position d'une particule dont la valeur est indéterminée est un mécanisme qui reste à découvrir. La mécanique quantique est encore incomplète, et des recherches doivent être poursuivies afin de trouver le mécanisme à l'origine de ce phénomène.
Le point de vue de Bohr est très différent. Pour lui, les équations ne sont pas des outils qui nous servent à nous représenter la réalité, mais qui nous servent à nous représenter ce que nous autres observateurs, pouvons connaître de la réalité. La différence est subtile, mais importante. Dans le premier cas, on décrit un objet physique, dans le second, de l'information obtenue par un observateur.

Concrètement, pour Bohr, il existe un "vrai hasard", qui est celui de la mécanique quantique. Ce hasard est une propriété de la nature, et il n'existe aucun mécanisme qui en est à l'origine. Contrairement au "faux hasard" de la thermodynamique, qui n'est qu'une illusion due à nos moyens d'observation limités, et en fait est gouverné par les mouvements individuels désordonnés des particules qui composent la matière.
C'est cela qu'on entend par l'abandon du déterminisme.

que le photon revenait parfois dans son passé pour modifier son comportement ... après avoir "compris" qu'il était observé ...?

Ceci est appelé "rétro-causalité". C'est une hypothèse qui peut expliquer le comportement de paires de particules sur lesquelles on réalise des mesures simultanées de divers types, et qui "semblent" deviner à distance quel genre de mesure on est en train de faire sur l'autre particule.
Cette interprétation reste très minoritaire chez les physiciens, qui se contentent plutôt d'admettre que le hasard quantique est un vrai hasard, et que par-dessus-le-marché il est susceptible de se manifester en deux endroits simultanément : si on réalise exactement le même type de mesure sur les deux particules d'une paire qui sont dans un état indéterminé, le résultat est aléatoire, mais identique des deux côtés.
Ceci n'a rien de paradoxal en soi, ce qui est carrément gênant, et inexplicable, c'est qui si au dernier moment on décide de faire une mesure d'un type un peu différent d'un des deux côtés, les corrélations entre les résultats d'un côté et de l'autre s'adaptent instantanément.

C'est la fameuse expérience EPR. Les deux particules, concrètement des photons, partent dans deux directions opposées. Elles sont préparées dans un état dit "intriqué". Dans cet état, tous les types de mesures sont indéterminés en même temps, et de chaque côté, le résultat est toujours complètement aléatoire. Mais le résultat obtenu des deux côtés est plus ou moins semblable en fonction de la différence entre les deux types de mesures effectuées (contrairement à la quantité de mouvement et à la position, en mesurant la polarisation des photons soit dans une direction verticale, soit dans une direction horizontale, on a aussi une indétermination de Heisenberg, mais on peut en prime réaliser des mesures selon des orientations intermédiaires entre les deux).
Il serait possible d'imaginer un mécanisme qui fait que le résultat des deux côtés serait le même lorsqu'on fait une mesure du même type. Il suffit que les photons portent en eux la valeur de ce résultat. Mais il est impossible, par un mécanisme physique quelconque (représenté par les "variables cachées") d'obtenir à la fois un résultat variable, et reproduisant par ailleurs toutes la gamme des corrélations intermédiaires lorsque les mesures sont légèrement différente, sans que l'une des deux particules ne puisse "savoir" ce qu'on est en train de mesurer sur l'autre (condition de localité).
La condition de localité est obtenue en plaçant un switch optique sur le trajet des photons, de telle sorte qu'ils soient dirigés vers un appareil de mesure ou vers un autre, et en s'assurant que le switch puisse basculer en quelques milliardièmes de secondes, durée insuffisante pour que le basculement puisse avoir un effet sur la mesure réalisée de l'autre côté... à moins d'émettre une onde inconnue qui dépasse la vitesse de la lumière.

Résumons :
De chaque côté, la liste des résultats est totalement aléatoire quelle que soit la mesure effectuée. Ce n'est que lorsqu'on compare les deux listes que des similarités apparaissent.
Le théorème de Bell indique que les résultats obtenus d'un côté dépendent obligatoirement du choix effectué de l'autre côté.
La mécanique quantique suggère, dans son interprétation standard, que les résultats sont le fruit d'un "vrai hasard".

On a donc deux interprétations possibles :
Les résultats sont le fruit d'un "vrai hasard" qui a la propriété de pouvoir se manifester simultanément en plusieurs endroits de l'univers. Le fait que ce hasard soit un hasard fondamental est la seule possibilité de garantir le respect de la théorie de la relativité, qui interdit à toute information de dépasser la vitesse de la lumière.
Ou alors il existe une action se propageant d'un côté vers l'autre à une vitesse supérieure à celle de la lumière.

La seconde interprétation pose de sérieux problèmes physiques : l'expérience a été refaite avec des détecteurs en mouvement relativiste (proche de la vitesse de la lumière), de sorte que chacune des deux mesures ait lieu, en raison de la dilatation du temps, dans le passé de l'autre et récirpoquement. S'il existe un mécanisme à l'origine des résultats individuels observés, alors ce mécanisme a dû non seulement dépasser la vitesse de la lumière, mais agir du futur vers le passé !

La première interprétation est plus largement acceptée. Elle pose de sérieux problèmes philosophiques, tels que Dieu qui joue aux dés (existence d'effets en l'absence de toute cause), mais pas spécialement de problème physiques... à condition de ne pas trop chercher à comprendre.

Ceci dit, l'interprétation vraiment majoritaire chez les physiciens, c'est qu'en réalité, personne ne sait aujourd'hui pourquoi cela fonctionne comme ça !

[CalvinandHobbes]

Bonsoir,

merci Pio2001 pour ces details tres interessants.
Il y a encore beaucoup de choses a dire dessus il me semble nottament sur l'interpretation quantique mais je n'en connais vraiment pas assez pour developper

bonne soiree