Question moins rapide à propos de la physique quantique

[andretou]

...de n'importe quel domaine des sciences et techniques. Par exemple:

L'analyse cladistique vise à reconstruire la phylogénie d'un taxon par distinction, au sein d'un caractère, de l'état plésiomorphe de l'état apomorphe. (1)

C'est inclut dans apprendre. Pourquoi le préciser? Pour faire peur?

(1) Extrait, avec une petite modification, du Lecointre & Guyader

Certes, dans tous les domaines on rencontre un vocabulaire particulier, et ta phrase est magnifiquement choisie pour faire sentir à quel point cela peut devenir complexe. Mais, à mon avis, il y a une spécificité propre à la mécanique quantique : les concepts fondamentaux échappent à la logique et au bon sens ! Ainsi en est-il par exemple du principe de la superposition d'état qu'il nous est impossible d'appréhender, ce qu'illustre le paradoxe du chat de Schrödinger qui serait à la fois vivant et mort si on lui appliquait les lois de l'infiniment petit.
Quelle autre matière scientifique est aussi déroutante ?
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[Deedee81]

Salut,

les concepts fondamentaux échappent à la logique et au bon sens !

Pas tout à fait. C'est juste que c'est une physique dont les manifestations se font dans un monde très différent de la vie au quotidien. C'est donc l'intuition commune qui est mise en défaut, ce qu'on pourrait même parfois appelé "logique du quotidien" (mais c'est un usage abusif du mot logique).

Ainsi en est-il par exemple du principe de la superposition d'état qu'il nous est impossible d'appréhender

Voilà justement un très mauvais exemple. Le principe de superposition est une conséquence du caractère ondulatoire des objets quantiques. Et on a déjà ça avec des ondes classiques : ondes sonores, vagues dans l'eau, vibration d'une corde de guitare,...

Les effets totalement non classiques ne sont pas là.

ce qu'illustre le paradoxe du chat de Schrödinger qui serait à la fois vivant et mort si on lui appliquait les lois de l'infiniment petit.

C'est normal car cet exemple est un des pire qui soit pour comprendre la mécanique quantique. Pour le comprendre, il faut connaitre les bases de la mécanique quantique, il faut connaitre les interprétations, il faut connaitre la décohérence quantique (qui est déjà bien compliquée en elle-même). Ca n'en a pas l'air, mais s'attaquer au chat de Schrödinger c'est tenter de lire le code assembleur du kernel de Windows sans même savoir programmer. C'est le mauvais bout de la lorgnette.

Quelle autre matière scientifique est aussi déroutante ?

Là, par contre, je te rejoints.

Normalement, dans toute théorie on a une interprétation (une ontologie appliquée aux grandeurs physiques) implicite, même en relativité générale.
Et on commence même par là (par exemple pour expliquer les concepts d'espace-temps là).

Mais en mécanique quantique, impossible, comme pour le chat de Schrödinger qu'on ne peut vraiment comprendre en ayant un énorme bagage.
Il faut donc une interprétation minimaliste pour démarrer, de type interprétation instrumentale, puis il faut absorber la théorie (très vaste et complexe) et seulement attaquer l'ontologie.

Il me semble que c'est un cas assez unique en science. Et ça rend l'approche de l'interprétation franchement frustrante quand on n'a pas le bagage théorique et donne une furieuse impression que la MQ est incompréhensible.

C'est du moins le sentiment que j'en ai.

[andretou]

Ainsi en est-il par exemple du principe de la superposition d'état qu'il nous est impossible d'appréhender

Voilà justement un très mauvais exemple. Le principe de superposition est une conséquence du caractère ondulatoire des objets quantiques. Et on a déjà ça avec des ondes classiques : ondes sonores, vagues dans l'eau, vibration d'une corde de guitare,...

Les effets totalement non classiques ne sont pas là.

Est-ce que je fais une erreur d'interprétation avec le principe de superposition ?
Ce principe signifie pour moi que les objets quantiques peuvent se trouver dans 2 états différents à la fois (par exemple 2 positions différentes, 2 vitesses différentes, état désintégré ET état non-désintégré, etc...), contrairement à une onde classique qui ne peut se trouver que dans 1 seul état à la fois (à chaque instant tous ses paramètres tels que sa position, sa vitesse ou son énergie dépendent uniquement des conditions initiales)...
D'où mon incompréhension à propos de ta remarque.
Pourrais-tu STP reconfirmer s'il s'agit du même principe de superposition dans les 2 cas (une superposition du principe de superposition ! ) ?

[Deedee81]

Est-ce que je fais une erreur d'interprétation avec le principe de superposition ?
Ce principe signifie pour moi que les objets quantiques peuvent se trouver dans 2 états différents à la fois (par exemple 2 positions différentes, 2 vitesses différentes, état désintégré ET état non-désintégré, etc...), contrairement à une onde classique qui ne peut se trouver que dans 1 seul état à la fois (à chaque instant tous ses paramètres tels que sa position, sa vitesse ou son énergie dépendent uniquement des conditions initiales)...
D'où mon incompréhension à propos de ta remarque.
Pourrais-tu STP reconfirmer s'il s'agit du même principe de superposition dans les 2 cas (une superposition du principe de superposition ! ) ?

Regarde cette onde :
https://media.kartable.fr/uploads/fi...png?1524215897
La première ligne, avec deux bosses. (ignore le reste de l'image, je ne veux pas parler de perturbation ici je voulais juste un dessin parlant)

Si la particule est une telle onde, alors.... elle est à deux endroits à la fois.
Ce qui est bien ce que tu disais (2 états différents à la fois).

De plus, si tu as une onde X solution de l'équation qui décrit la situation et une onde Y également solution, alors X+Y est aussi une solution.

Là je donne un exemple avec deux positions, mais X et Y peuvent avoir des énergies différentes, des impulsions différentes, etc...

La seule différence avec le chat est qu'un chat est composé de milliards de milliards de milliards de particules pouvant avoir toutes sortes d'états. L'ensemble pouvant être un état mort ou un état vivant.
C'est juste plus compliqué
(et l'aspect ondulatoire du chat n'est pas flagrant pour deux raisons :
- la décohérence quantique
- la longueur d'onde du chat est infime. Comme dans l'exemple de Feynman avec une expérience de Young avec des balles de fusils : la longueur d'onde est si courte que les franges d'interférences sont ultra méga fines, bien plus que la taille des trous des balles, et on ne voit que "l'enveloppe" qui est une courbe en cloche "comme si" c'était des corpuscules et non des ondes !!!!!).

[A voir en vidéo sur Futura]

[Amanuensis]

Ce principe signifie pour moi que les objets quantiques peuvent se trouver dans 2 états différents à la fois (par exemple 2 positions différentes, 2 vitesses différentes, état désintégré ET état non-désintégré, etc...),

Non.

C'est une mauvaise interprétation due à prendre le concept d'état comme le concept classique (1).

L'état au sens de la physique quantique est unique.

Ce qui peut avoir plusieurs valeurs distinctes est le résultat d'une mesure éventuelle. C'est une différence essentielle entre la PhyQ et la classique: en classique l'état indique de manière unique le résultat d'une mesure éventuelle ; pas en PhyQ.

En prenant le concept d'état classique, on en arrive effectivement à la logique comme quoi des résultats distincts d'une mesure éventuelle impliquent des états différents. Mais ce raisonnement est faussé d'entrée parce que la notion d'état est utilisée mal à propos (avec sa valeur classique).

---

Quand au principe de superposition, il dit juste que l'état (la fonction d'onde, pareil) est un vecteur, en particulier la somme (pondérée) de deux états (vecteurs d'état) est aussi un état possible. Il n'y a rien d'équivalent en classique.

(1) Malheureusement diffusé toujours et encore par les vulgarisateurs, en partie à cause du «Chat de Schrödinger», à ranger dans les «fausses bonnes idées» avec bien d'autres en vulgarisation quand elle tente «d'expliquer» des concepts non intuitifs à des personnes ne pensant qu'en termes intuitifs, idées qui créent plus de confusions et d'erreurs conceptuelles qu'elles n'aident à comprendre.

[andretou]

L'état au sens de la physique quantique est unique.

Tu veux dire que l'état est unique après réduction du paquet d'onde ? Ou que l'état est unique même avant la réduction ?

[Amanuensis]

Non. Je dis qu'en physique quantique un système est dans un état bien défini, jamais dans deux états en même temps. Avant et après réduction, c'est strictement pareil. (D'ailleurs le mot état ne ferait pas vraiment sens sinon...)

Et ce n'est pas un avis personnel, c'est une évidence en étudiant un minimum le formalisme!

Je répète la confusion vient d'une interprétation à partir du concept classique d'état.

(Une réduction est le passage non unitaire à un état propre d'une observable. C'est en ligne avec la confusion voulant qu'un état soit «multiple» quand il n'est pas propre pour l'observable considérée, on le voit alors comme une «superposition» ; mais tout état est superposition pour la plupart des observables! Le seul aspect particulier d'une réduction est la non-unitarité ; mais c'est «corrigé» dans le modèle par une renormalisation, et l'état est alors un état parmi tous les autres, simplement caractérisé par être propre pour l'observable choisie (celle qui a fait objet de mesure).)

[andretou]

Tu es donc en désaccord avec l'école de Copenhague ?

[Amanuensis]

Tu es donc en désaccord avec l'école de Copenhague ?

Je n'en sais rien. Mais je suis très vraisemblablement en total désaccord avec ce que vous pensez être «l'école de Copenhague».

Et ce que je raconte est en total accord avec le formalisme tel qu'enseigné et utilisé.

[andretou]

Et toi Deedee de quel courant de pensée es-tu le plus proche ?

[Amanuensis]

On était déjà dans le piratage de discussion, en gros au message #11 (mais «avalisé» par une réponse), et c'est maintenant devenu flagrant.

[Deedee81]

On était déjà dans le piratage de discussion, en gros au message #11 (mais «avalisé» par une réponse), et c'est maintenant devenu flagrant.

Bonjour,

Bonne remarque. J'ai scindé la discussion.

[Deedee81]

Salut,

Et toi Deedee de quel courant de pensée es-tu le plus proche ?

Je suis d'accord avec Amanuensis, et en laissant de coté la réduction ce qu'il dit est en accord avec le formalisme et ne dépend pas du fait qu'on adopte Copenhague ou autre chose.
Il faut éviter de tout mélanger.

Pour être plus précis.

Prenons un système qui peu avoir deux états de base possibles |A> et |B>. Pour faire simple. J'éviterai de parler de "positions", de "spins", pour éviter toute connotation. J'y reviendrai ci-dessous.
On a un espace de Hilbert à deux dimensions. Et on pourrait qualifier |A>+|B> (à une normalisation près) d'état superposé.
Mais un état n'est jamais superposé "dans l'absolu". Toutes les bases d'un espace vectoriel sont équivalentes et il y a une infinité de bases possibles.
Je peux ainsi choisir pour base |X> et |Y> tel que :
|X>=|A>+|B> et |Y>=|A>-|B> par exemple.
Dans ce cas |A>=|X>+|Y> (/2 mais de toute façon j'ai laissé de coté les habituels racines de 2 pour normaliser). Et c'est cet état qui est superposé !!!!

Attention de ne pas confondre avec états purs v.s. états mixtes. Tous les états ci-dessus sont purs. Un état mixte est un mélange statistique (au sens classique) d'états purs.

Ensuite, il se fait qu'il existe des bases privilégiées. Elle ne s'expliquent pas avec le formalisme de base, il faut aller plus loin. Ainsi, à notre échelle, la base position est clairement privilégiée.
Par exemple, une chaise peut être en x ou y mais on ne la vois jamais dans un état du style |x>+|y>. Pourquoi est-ce dans la base position qu'on observe la chaise ?
Dans les interprétations anciennes comme Copenhague on ignorait l'origine de ce fait et la& base privilégiée faisait partie de l'interprétation. En quelque sorte on pré-supposait des grandeurs macroscopiques "stables" comme la position sans l'expliquer et c'est l'appareil de mesure, par ce qu'il mesure, qui impose la base.
On a un exemple plus clair avec la chiralité des sucres : on peut avoir des sucres L ou D et il y a une probabilité (faible) qu'une molécule bascule de L <-> D. Si on a de l'eau contenant des L elle fait tourner la polarisation de la lumière à gauche (Left) ou D à droite. On pourrait préparer un mélange, au moins en théorie, en triant des états superposés |L>+|D> avec une lumière polarisée circulairement. Mais très rapidement ça évoluerait vers un mélange purement statistique d'états |L> et d'états |D>. Mais pourquoi cela ? Pourquoi cette base ?

La solution est donnée par la décohérence quantique. L'intrication des états avec l'environnement conduit à l'apparition de sous-états se comportant comme des mélanges statistiques dans une base privilégiée, celle-ci étant clairement liée aux interactions (par exemple, l'hamiltonien dépend très généralement de la distance ce qui conduit à la base position privilégiée tandis qu'à l'échelle microscopique c'est la base énergie qui est plutôt privilégiée).

Qu'est-ce qu'on voit dans cette TROP petite explication :
- j'ai parlé de formalisme de la mécanique quantique. Déjà ça, c'est loin d'être simple
- j'ai parlé de la décohérence et ça aussi c'est vaste et compliqué
- j'ai parlé d'interprétations, qui viennent jouer les troubles fêtes et il faut au moins les connaitre un peu et surtout la frontière entre théorie et interprétation

Tout ça est nécessaire pour répondre à tes interrogations Andretou. Et cela explique non seulement pourquoi c'est si compliqué (*) et pourquoi tu as tendance à tout mélanger (états superposés et bases privilégiées dans ce qui précède).

(*) voir ce que j'en disais dans le message 2, la MQ est plutôt unique en science dans la mesure où on est obligé d'avaler une énorme quantité de choses avant même de pouvoir comprendre les réponses à des questions qui semblent simples (qui le seraient dans un monde classique).
Et ça, c'est assez frustrant.

[Amanuensis]

(...) d'interprétations, (...) il faut au moins les connaitre un peu

Oui, mais pas avant avoir une bonne maîtrise du formalisme, de ce que dit, factuellement, la théorie (et l'observation).

L'erreur de se lancer directement dans les interprétations sans maîtrise suffisance du formalisme a été faite, il me semble, par quelques philosophes.

Et est évidemment très attractive en «vulgarisation», le bla-bla étant toujours plus intéressant comme discussion «pour tout le monde» que le formalisme. Surtout quand ce dernier ne parle pas à l'intuition ordinaire, comme c'est le cas de la PhyQ.

[Deedee81]

Oui, mais pas avant avoir une bonne maîtrise du formalisme, de ce que dit, factuellement, la théorie (et l'observation).

Tout à fait d'accord. C'est pour ça que je l'ai mis en dernier. Et on peut se satisfaire d'un minimum pour la physique.

L'erreur de se lancer directement dans les interprétations sans maîtrise suffisance du formalisme a été faite, il me semble, par quelques philosophes.

Et une foultitude d'amateurs.

J'avais lu une première mouture (qui a été remplacée depuis) de l'interprétation des états relatifs dans l'encyclopédie de philosophie de Stanford. Article écrit par un philosophe.
Saint milliard, le nombre de <censuré> qu'il pouvait dire. Ca illustre bien ce point.

J'ai aussi constaté avec la vulgarisation sur les interprétations que beaucoup d'auteurs semblent avoir oublié, non pas ce qu'ils ont appris sur la MQ, mais qu'ils avaient dû en passer par là. Il manque une foule de pré-requis qui rend la vulgarisation trompeuse. S'il y a des domaines où la vulgarisation est fréquemment (très) mauvaise (sans qu'un amateur puisse s'en rendre compte) c'est la RG, la cosmologie et la mécanique quantique.

Récemment j'avais lu un article d'un physicien réputé, que je ne citerai pas, où certains de ses propos m'avaient fait bondir. Puis, suite à un courrier des lecteurs, il a donné des précisions tout à fait correctes. Preuve qu'il connaissait bien son sujet. Mais ça m'a fait soupirer : bon sang de bon soir, pourquoi n'avait il pas expliqué ça dans l'article initial, ça aurait pris un paragraphe ou deux ?
C'est désolant

[Sethy]

Qu'est-ce qu'on voit dans cette TROP petite explication :
- j'ai parlé de formalisme de la mécanique quantique. Déjà ça, c'est loin d'être simple
- j'ai parlé de la décohérence et ça aussi c'est vaste et compliqué
- j'ai parlé d'interprétations, qui viennent jouer les troubles fêtes et il faut au moins les connaitre un peu et surtout la frontière entre théorie et interprétation

Avant même de parler de tout ça, je me demande même si des notions comme la projection sont maitrisées par l'OP.

[coussin]

Néanmoins, une fois toutes les notions présentées par Deedee acquises il n'en reste pas moins que la MQ prédit et l'expérience confirme qu'un système peut être dans une superposition cohérente d'états macroscopiques différents. C'est difficile à préparer et la décohérence fait tout son possible pour rapidement détruire ces états "contre nature" mais ça a été observé (et ça a donné lieu aux Nobels d'Haroche et Wineland).

Et c'est de ça dont parle la phrase de vulgarisation du message #3 : "2 états différents à la fois".

[Deedee81]

Coussin, tu parles des expériences des c"chats de schrödinger quantiques" ?

Autre exemple de manifestations macroscopique typiquement quantique : la superfluidité ou encore mieux : les condensats qui prennent un aspect laiteux (s'ils sont assez dense) au moment de la formation du condensat (délocalisation des atomes du gaz).

Avant même de parler de tout ça, je me demande même si des notions comme la projection sont maitrisées par l'OP.

Je n'ai pas compris. Quelles projections ? Tu veux parler des projections de vecteurs d'états ?
Pour moi ça fait partie du formalisme : espaces vectoriels et tout ça.
Sinon je n'ai pas compris.

[coussin]

Oui, je parle des états chats.

[Amanuensis]

il n'en reste pas moins que la MQ prédit et l'expérience confirme qu'un système peut être dans une superposition cohérente d'états macroscopiques différents.

C'est très ambigu, et donc source d'incompréhensions et de confusions.

* Cela pourrait parler d'états mixtes ; ce n'est pas le cas mais seul une très bonne connaissance du domaine permet de s'en rendre compte à partir du mot «cohérente».

* Cela pourrait faire croire que la PhyQ a une notion de «état macroscopique» qui serait différente mais utilisée en même temps que celle d'état quantique (d'état, tout court). Ce n'est pas le cas.

* Et comme déjà dit ces états purs présentés comme «superposés» ne le sont que pour certaines observables (et quand il s'agit d'observables que l'intuition ordinaire estiment avoir un résultat univoque, comme la position et bien d'autres, se développe une sensation de «contre nature»). Et tout état (au sens quantique, et pur) est une superposition pour certaines observables. Deedee présente cela (trop) techniquement, à partir de l'idée de «base préférentielle», mais l'idée de la «superposition» est juste le fait que l'état n'indique pas un état «macroscopique» unique (plus rigoureusement un résultat de mesure «si elle était faite») et ce sans être un mélange statistique (qui serait une notion classique, ne présentant pas de difficulté à comprendre).

Et c'est de ça dont parle la phrase de vulgarisation du message #3 : "2 états différents à la fois".

C'est ce que certains, avec les connaissances suffisantes, savent y lire. C'est peut-être ce que certains vulgarisateurs ont l'intention de faire entendre. Mais ce n'est pas ce qu'une majorité de lecteurs y comprennent.

[Sethy]

Je n'ai pas compris. Quelles projections ? Tu veux parler des projections de vecteurs d'états ?
Pour moi ça fait partie du formalisme : espaces vectoriels et tout ça.

Oui, je parlais bien de ça.

[Deedee81]

Oui, je parlais bien de ça.

D'accord. Mais tu as raison, dire "le formalisme", c'est pas juste savoir ce qu'est un espace de Hilbert et la liste des postulats. Il y a un peu plus de travail !!!!

[Amanuensis]

Pour revenir aux «états chat» il serait intéressant de clarifier ce qu'ils auraient de particulier.

Être «en superposition» n'est pas une particularité. De la lumière polarisée circulairement peut être présentée comme une superposition cohérente de deux polarisations linéaires croisées, non?

Obtenir qu'un état superposé «dure», sans subir de «décohérence» rapidement n'est pas difficile : c'est le cas de la lumière polarisée, et la non décohérence durant longuement (avant d'atteindre un polarisateur linéaire!) est aisée à obtenir, c'est ce qu'on fait dans des expériences comme la mise à la clé quantique à longue distance, par exemple (et plus généralement les expériences avec lumière polarisée!).

Ces «états chat» seraient des états qui sont «naturellement» instables, tendant, contrairement la polarisation de la lumière (ou d'un spin d'électron, etc.), à se «réduire» tout seul (pour une certaine observable, ou, c'est pareil, quand décrit dans une base privilégiée, celle constituée de vecteurs propres de l'observable en question). Mais est-ce vraiment une décohérence spontanée? On peut en douter, puisque justement l'exploit technique est de ralentir cette décohérence.

Il me semble que la réponse est que ce sont des états qui interagissent aisément avec un environnement usuel. Peut-être (et j'imagine que c'est le cas) que dans un vide idéal, ces états seraient stables, tout comme la polarisation d'un photon, attendant la «mesure» qui les fera passer dans un état propre de l'observable sous-entendue.

Vu comme ça, les «états chat» sont spéciaux seulement parce qu'ils sont réduits trop facilement par l'environnement. Ils n'ont rien de particulier formellement, ce ne sont pas plus pas moins des «superpositions» que les autres états, ils ne sont pas plus pas moins que d'autres (pas plus que la polarisation circulaire de la lumière) présentables comme «deux états à la fois», état étant pris au sens quantique. Le formalisme les décrit tous pareillement, comme des états purs non propres dans une certaine base, ou pour une certaine observable (ou une certaine liste d'observables formant un ECOC).

Le côté particulier vient des interactions impliquant l'observable sous-entendue. On en arrive à ce que «état macroscopique» a un rapport avec des observables que l'environnement «mesure» aisément. On parle de «deux états macroscopiques différents» dans ce cas ; cela ne caractérise pas l'état en lui-même, mais les interactions courantes dans l'environnement courant, la «mesure»
faite par l'environnement donnant naturellement des caractéristiques macroscopiques, constatables inter-subjectivement.

C'est peut-être compliquée comme présentation, mais je ne vois pas comment faire moins pour obtenir un minimum de compréhension correcte de cet oxymore qu'est «en deux états différents à la fois».

[Oroche]

Il me semble que la réponse est que ce sont des états qui interagissent aisément avec un environnement usuel. Peut-être (et j'imagine que c'est le cas) que dans un vide idéal, ces états seraient stables, tout comme la polarisation d'un photon, attendant la «mesure» qui les fera passer dans un état propre de l'observable sous-entendue.

Dans un vide idéal, tous les états superposés seraient nécessairement stables, non ? Ca me parait logique, pas de décohérence sans interaction.