Qu'est-ce qu'un observateur, en physique quantique ?

[CraFou]

Bonjour,
Une question bête, à laquelle il existe très probablement déjà une réponse sur ce forum. J'ai cherché, mais n'ai rien trouvé de suffisamment compréhensible pour mon niveau...
Je suis assez novice, donc veuillez être indulgents
Très simplement : une particule quantique "change de comportement" si elle est observée. La lumière se comporte comme une onde, mais si on l'observe, elle se comporte comme une particule.
Je me doute qu'ici, "observer" ne fait pas référence à une conscience, mais à l'enregistrement d'une information par un appareil. Le phénomène se produirait même s'il n'existait aucun être conscient sur Terre. Seulement, qu'appelle-t-on un observateur, et comment le distingue-t-on d'un acteur (pour lequel il y aurait interaction causale) ?

En gros, de ce que j'ai compris, ce qu'il y a de perturbant dans cette histoire, c'est que la particule change de comportement sans qu'aucune interaction physique n'ait lieu (ce qui n'est pas le cas dans la physique classique). Cependant, comment une information peut être enregistrée sans qu'une interaction physique n'ait lieu ?

Dit autrement : si "observateur" voulait dire "conscience qui observe", alors je comprendrais, car c'est simplement en étant connue par un esprit qu'elle changerait de comportement, sans qu'il n'y ait de relation véritablement matérielle qui provoque cela.
Mais là, "observateur" veut dire : appareil de mesure. Or, pour qu'un appareil de mesure enregistre une information, il faut bien qu'il y ait, d'une façon ou d'une autre, contact physique - interaction, non ? Pourquoi cette interaction est considérée comme une simple observation ?

On aurait pu dire qu'il s'agit d'une observation, et non d'une interaction, car elle laisse la chose observée telle quelle, elle ne la modifie pas. Sauf que, précisément, ce n'est pas le cas, puisque la chose observée change de comportement (onde -> particule)...

En fait, ce que je cherche, c'est une explication assez simple de ce qu'est un observateur. Pourquoi on parle d'une observation et non d'une interaction ?

Merci beaucoup pour l'éventuelle aide apportée !
Bonne journée !
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[stefjm]

Je dirais naïvement parce que la connaissance qu'a l'observateur du système, est importante dans la modélisation.

[Morteen]

Bonjour.

Dans son livre Helgoland (Flammarion), Carlo Rovelli consacre un chapitre entier à cette question.

Bonne journée.

[Tom200]

Je ne suis pas spécialiste mais je dirais que pour pouvoir observer une chose il faut que cette chose interagisse avec le monde extérieur. Donc si la chose est observée c'est qu'elle a interagi.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Salut,

Il n'y a pas de définition consensuelle "d'observateur" en physique. J'ai déjà vu tout utilisé :
- observateur humain
- observateur conscient
- système macroscopique (appareil de mesure)
- ou tout système physique (même microscopique) en interaction avec le système
- et même : tout l'environnement (en décohérence on dit parfois que le système est constamment observé/mesuré par l'environnement)

[Deedee81]

Complément : et donc attention, ce terme est un peu foure-tout. Il faut donc bien regarder le contexte dans lequel il est utilisé.

[albanxiii]

Bonjour,

En fait, ce que je cherche, c'est une explication assez simple de ce qu'est un observateur. Pourquoi on parle d'une observation et non d'une interaction ?

Faire une mesure en mécanique quantique cela se traduit par l'action d'un opérateur de projection sur l'état du système. Projection sur la base des états propres de l’observable en question.
En mécanique quantique comme dans les autres disciplines, il y a le poids du passé que l'on retrouve sur le vocabulaire. Mais une interaction ne se traduit pas obligatoirement par une projection.

[ThM55]

En fait, ce que je cherche, c'est une explication assez simple de ce qu'est un observateur. Pourquoi on parle d'une observation et non d'une interaction ?

Une observation est évidemment une interaction! Le terme d'observateur vient de l'interprétation dite de Copenhague, prônée par Bohr et Heisenberg. Je fais surtout référence à Bohr, qui a exprimé cela de manière explicite, mais je suis sûr qu'Heinseberg avait la même conception. Selon cette interprétation, imaginons un système qui a été préparé par un expérimentateur dans un état qui est une superposition d'états dont chacun a une valeur déterminée d'une observable, ce que l'on va écrire comme une somme: , qui peut avoir un nombre fini ou infini de termes, avec des amplitudes respectives , et les indices 1, 2, ... représentent les divers résultats que l'instrument de mesure peut donner. C'est par exemple une onde, qui est une superposition d'états localisés d'une particule. Mais cela peut aussi être une molécule ayant deux conformation spatiales, donc deux états de base. Cet état évolue de manière déterministe selon l'équation de Schrödinger. Mais quand on le "mesure", on le fait interagir avec un appareil du labo, qui est un système classique et qui ne peut donner comme résultat que l'un des indices 1,2,...,n,... De plus selon cette interprétation le système est laissé dans l'état associé à l'indice n donné par l'appareil de mesure, c'est-à-dire .

Dans cette interprétation, c'est clair: l'observateur est l'appareil de mesure. Par son interaction avec le système microscopique (quantique) il provoque le fameux "collapse" de la fonction d'onde.

L'inconvénient de cette interprétation est que la physique quantique a besoin d'une description classique préalable de l'appareil de mesure. Elle doit d'une certaine manière arbitraire, établir une frontière entre le monde quantique et le monde classique et le processus de mesure lui-même n'est pas décrit par la mécanique quantique. Le cours de Landau et Lifschitz, par exemple, adopte cette approche et est parfaitement explicite sur cette incapacité à décrire la mesure. Heisenberg allait jusqu'à dire dans ses cours que la réalité c'est le monde qui nous entoure et que nous percevons: la terre, la campagne avec les arbres, les oiseaux, les nuages, qu'on voit par la fenêtre du labo, et non les atomes que nous mesurons dans nos expériences!

Beaucoup de physiciens sont insatisfaits par cette interprétation car l'appareil de mesure est lui-même constitué des atomes quantiques. La théorie des semi-conducteurs a besoin de la théorie quantique pour être expliquée, même si le comportement d'un amplificateur se décrit par de la physique classique. Une autre interprétation, celle de Everett, est de considérer que tout est quantique et que la théorie quantique doit s'appliquer à l'appareil de mesure et à l'observateur humain lui-même. Dans l'interprétation d'Everett, le processus de mesure est décrit en détail: initialement le système microscopique est préparé, puis laissé isolé dans la superposition que j'ai décrite. Mais l'appareil de mesure a aussi des états quantiques qui représentent par exemple la position d'une aiguille sur un écran ou un affichage numérique. Quand le système évolue selon un hamiltonien libre, on suppose qu'il y a un terme qui est "allumé" à un instant t dans ce hamiltonien, qui couple le système microscopique à l'appareil. De plus, l'appareil est conçu de manière "utile" et "intelligente", c'est-à-dire que cette interaction ne fait pas n'importe quoi. Elle crée, grâce à l'évolution décrite par l'équation de Schrödinger, et à la structure de l'appareil, une corrélation entre les états du système microscopique et ceux de l'appareil. Le système mesuré et l'appareil de mesure évoluent donc vers un état intriqué de la forme . Ici intervient l'opérateur humain conscient, qui à un moment donné, prend connaissance de l'affichage de son appareil et le note quelque part. Mais cela ne fait qu'augmenter la complexité: le cerveau se retrouve dans un état superposé des différentes possibilité, de même que le carnet de note, et finalement l'univers entier. Pourtant notre conscience ne se remémore que d'une seule des alternatives. Le but de l'expérimentateur est d'obtenir un état avec un unique index 1, 2, ... n, ..., et du fait de la corrélation il considère que le système microscopique est dans l'état correspondant. C'est Feynman qui a baptisé cette interprétation "many world", ou "interprétation des mondes multiples": elle suggère en effet qu'il y aurait a tout instant une sorte de branchement selon les diverses alternatives de la superposition mais nous ne prenons conscience que de l'une d'elles.

Il est clair que dans cette interprétation, il n'y a pas d'observateur. Plus exactement, la qualité d'observateur n'est pas importante pour la théorie quantique, elle est conventionnelle, l'observateur n'est qu'un système quantique comme les autres qui devient intriqué avec l'objet qu'il veut observer. Il reste à expliquer la transition de la description quantique à la description classique qui est valable pour notre cerveau macroscopique avec ses structures composées de neurones et de synapses, eux-même mettant en jeu des milliards de milliards de molécules. Cela a fait l'objet de recherche dans le cadre de la théorie de la "décohérence", qui dépasse le cadre de la question posée. Ici aussi une référence: "Lectures on Quantum Mechanics" par Steven Weinberg, qui était un défenseur de l'interprétation d'Everett.

Dans l'interprétation de Bohm, on suppose qu'il y a en plus de l'état quantique , quelque chose d'autres, des particules, ou des espèces de singularités ponctuelles, qui sont guidées par l'évolution de l'état, et qui ne sont pas décrites par la théorie quantique acceptée. Dans ce cas non plus la notion d'observateur est sans importance. Références: le livre de Jean Bricmont "Comprendre la physique quantique", chez Odile Jacob. Et du même auteur "Making sens of quantum mechanics". Bricmont est un adepte de la théorie de Bohr qui selon lui résout les pseudo-problèmes pseudo-philosophiques de la théorie quantique.

A vous de vous faire une opinion.
J'ai une préférence personnelle pour l'une de ces interprétations, mais il n'est pas utile de la divulguer.

[ThM55]

Faute de frappe: Bricmont est un adepte de la théorie de Bohm (et non de Bohr comme je l'ai mal écrit, une seule lettre de différence créant un gros contresens, désolé).

[mtheory]

L'inconvénient de cette interprétation est que la physique quantique a besoin d'une description classique préalable de l'appareil de mesure. Elle doit d'une certaine manière arbitraire, établir une frontière entre le monde quantique et le monde classique et le processus de mesure lui-même n'est pas décrit par la mécanique quantique. Le cours de Landau et Lifschitz, par exemple, adopte cette approche et est parfaitement explicite sur cette incapacité à décrire la mesure.

Je ne serai pas aussi tranchant, von Neuman a introduit un modèle de ce que signifie une mesure en mécanique quantique, même si ultimement la chaine de mesure remonte jusqu'à l'esprit de l'observateur et surtout Landau et Lifschitz donnent aussi un début de modélisation de ce qu'est une mesure en décrivant un appareil de mesure par une fonction d'onde quasi-classique https://archive.org/details/landau-l...ge/32/mode/2up

[ThM55]

C'est vrai mais en fin de seconde page après l'équation 7.2, il font intervenir le "caractère classique" de l'appareil pour sélectionner un état de base qui est mesuré effectivement. Il y a alors réellement un collapse de la fonction d'onde. Selon eux, l'interprétation de la MQ se réduit et ne prend un sens que par rapport à des observables classiques et non l'inverse. Je pense que c'est plus qu'une question de nuance comparé à Everett (d'ailleurs le conseiller de thèse d'Everett, Wheeler, n'a jamais réussi à convaincre Bohr de l'intérêt de la thèse d'Everett).

[ThM55]

Mon but avec ma réponse n'était pas de décrire en détail les différentes interprétations. De manière plus limitée, je voulais tenter une réponse à la question précise "qu'est ce qu'un observateur" et de montrer que cela dépend de l'interprétation, ce qui explique pourquoi il n'y a pas de réponse unique.

[mtheory]

C'est vrai mais en fin de seconde page après l'équation 7.2, il font intervenir le "caractère classique" de l'appareil pour sélectionner un état de base qui est mesuré effectivement. Il y a alors réellement un collapse de la fonction d'onde. Selon eux, l'interprétation de la MQ se réduit et ne prend un sens que par rapport à des observables classiques et non l'inverse. Je pense que c'est plus qu'une question de nuance comparé à Everett (d'ailleurs le conseiller de thèse d'Everett, Wheeler, n'a jamais réussi à convaincre Bohr de l'intérêt de la thèse d'Everett).

Oui mais la fonction d'onde quasi classique est tout de même dérivée de l'équation de Schrödinger, donc même si il faut bien un appareil de mesure classique, il émerge partiellement quand même du monde quantique selon des calculs quantiques même si la dérivation n'est pas parfaite et laisse encore dans l'ombre des questions.

[ThM55]

Bien sûr, je suis d'accord. C'est exactement l'objection à l'interprétation stricte de Copenhague que j'ai décrite dans ma première réponse. Mais ce n'est pas ce que prônaient Bohr et Heisenberg, ni à mon avis Landau, qui était un disciple très fidèle de Bohr.