Effet EPR, non localité, positivisme et réalisme

[chaverondier]

Bonjour

L'article "Each instant of time a new universe" de Aharonov, Popescu et Tollaksen, présente :

• une formalisation T-symmetric de "l'évolution" temporelle d'un système quantique qui n'évolue pas (H=0)
• une conséquence très importante prédite grâce à cette formulation concernant l'interprétation de l'expérience EPRB.

Cet article passionnant de 8 pages se lit très vite et une vidéo en est présentée par Popescu.

Grâce à leur formulation T-symétrique à 2 vecteurs d'état, Aharonov, Popescu et Tollaksen mettent notamment en évidence le fait suivant :

• tant qu'aucune mesure quantique n'est réalisée sur un système quantique (soumis à un Hamiltonien H = 0), la 2-time mesure O(t2) - O(t1) entre instants t1 et t2 reste nulle quelle que soit l'observable O. Cela indique une corrélation temporelle entre états successifs d'un système quantique tant qu'il ne subit aucune mesure.
  .
• La nullité de O(t2) - O(t1) est, par contre, rompue (sauf cas particulier où le résultat de mesure est un état propre de O) entre des instants t1 et t2 précédant et suivant respectivement une mesure quantique du système considéré.

Concernant une expérimentation de type EPRB, ce document signale §5 Measurements on EPR state :

• La rupture, du côté d'Alice, des 2-time correlations entre instants t1 et t2 précédant et suivant une mesure d'Alice. En effet, sauf cas particulier où le résultat de mesure est valeur propre de O, la nullité de O(t2) - O(t1) est perdue
  .
• la conservation, du côté de Bob, de corrélations de type O(t2) - O(t1) = 0 tant que Bob ne fait pas de mesure de son côté.

La formalisation time symmetric à 2-vecteurs d'états montre ainsi la dissymétrie de l'état obtenu dans l'expérience EPRB après une mesure réalisée d'un seul côté (dissymétrie que la formulation standard ne permet pas de faire apparaître).

Cette conservation de corrélation apporte la preuve que, du côté de Bob, il ne se passe rien tant que seule Alice a réalisé une mesure de son côté. Cela donne ainsi une prédiction testable expérimentalement permettant de trancher entre :

• interprétation réaliste, interprétant l'état quantique comme le modèle d'un état physique objectif (cf. On the reality of the quantum state) et la réduction du paquet d'onde comme instantanée, non locale ET objective dans une expérience EPRB (cf. Bohm, Bell, Goldstein, Bricmont, Scarani, Valentini, Selleri, Percival, Towler, Hemmick, Aspect, Special Relativity and possible Lorentz violations consistently coexist in Aristotle space-time ...)
  .
• et interprétation positiviste de l'effet EPR, interprétant au contraire la réduction instantanée et "non locale" du paquet d'onde comme un changement local d'état de la connaissance de l'observateur réalisant la mesure (cf. Peres, Fuchs, Rovelli, Jaynes (1)...) sans changement objectif d'état des photons de Bob quand seule Alice réalise des mesures de polarisation sur ses photons.

Quand seule Alice réalise des mesures de son côté, la prédiction de conservation de la 2-time correlation du côté de Bob issue de la formalisation time-symmetric tranche en faveur de l'interprétation positiviste de l'effet EPR. Cette interprétation devient ainsi un postulat physique réfutable. Eu égard au fait qu'une telle vérification me semble trancher plus de 40 ans de débats entre interprétation positiviste et interprétation réaliste de la violation des inégalités de Bell, cette validation expérimentale me semble mériter d'être réalisée si elle n'a pas encore été effectuée.

Ma question est la suivante : dans l'expérience EPRB, la conservation de la corrélation quantique du côté de Bob, tant que seule Alice réalise des mesures de son côté, a-t-elle fait objet d'une validation expérimentale ?

(1) Noter cependant qu'E.T. Jaynes défend une interprétation réaliste de la physique et de son rôle malgré, paradoxalement, son insistance sur l'importance de l'inférence bayesienne et le large développement qu'il a donné à cette approche (cf. Maxent)
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[ThM55]

J'ai un peu de mal à décider si c'est de la physique ou des spéculations philosophiques creuses.

[chaverondier]

J'ai un peu de mal à décider si c'est de la physique ou des spéculations philosophiques creuses.

Dans des expériences de type EPRB, faire des 2-time measurements O(t2) - O(t1) devrait pemettre de vérifier que la corrélation (O(t2) - O(t1) = 0) entre états successifs est conservée et donc qu'il ne se passe rien du côté de Bob quand seule Alice fait des mesures de son côté.

Selon l'interprétation réaliste, quand Alice fait une mesure de son côté, cela provoque une réduction du paquet d'onde physique, non locale et instantanée du côté de Bob (au sens de la simultanéité d'un référentiel quantique privilégié) en violation de la causalité relativiste. Cette interprétation a été envisagée par Bell. Elle est toujours envisagée par Scarani, Valentini, Gisin, Bricmont, Aspect et quelques autres...

La possibilité de vérifier, par des mesures, la conservation de corrélations (O(t2) - O(t1) = 0) du côté de Bob (par exemple) si seule Alice fait des mesures rend cette question réfutable (donc physique) et écarte (me semble-t-il) l'interprétation réaliste ci-dessus si les résultats d'observation obtenus confirment cette prédiction du § Measurement on EPR states, de l'article "Each instant of time a new universe".

Ma question est la suivante : cette vérification expérimentale a-t-elle été réalisée ?

[ThM55]

Aucune idée, désolé.

[A voir en vidéo sur Futura]

[La Limule]

Sans doute certais forumeurs se demandent ce qu'eis certte 2 tyme symmégrie...
C'est a la fois simple et beau.
En Mq on prépare un éta initial on frait une mesure et on a un état final projeté.
Ce qui est associé c'est une amplitude pas une probabilité. c'est un nombre complexe.
Avec les fentes de Youn on a une amplitue SF1,F1E + SF2,F2E
On somme 2 aplitudes allant vers le fudur
On pourrait s'amuser a calculer les amplitudes dans l'autre sens (une
amplitude vers le passé est est sa conjugée
er si maintent on fais le somme des 4 amplitues allec retour
on obtient la PROBABILITé

grage a une forumle ou passé et futur sont interchangeables.

[ThM55]

[chaverondier]

Sans doute certais forumeurs se demandent ce qu'eis certte 2 time-symmetry... on obtient la probabilité grâce à une formule ou passé et futur sont interchangeables.

Au vu de votre remarque, je précise un peu ce point car votre remarque suggère que ma question et sa réponse sont toutes deux susceptibles d'intéresser aussi des non physiciens.

En 1964 Aharonov, Bergman et Lebowitz ont publié un article (1) montrant que la mesure quantique, LE phénomène quantique irréversible et indéterministe donc time-asymmetric par excellence n'était pas objectivement time-asymmetric.

Pour préciser ce que ça veut dire, prenons l'exemple de la mesure de spin vertical de particules de spin 1/2 en état initial de spin horizontal right. Alors que les évolutions quantiques sont déterministes et réversibles, la mesure de spin vertical de spins 1/2 en état intial de spin horizontal right :

• donne une fois sur deux un état de spin vertical up, une fois sur deux un état de spin vertical down. Mieux encore, la statistique de ces états up et down est une statistique de tirs à pile ou face sans le moindre biais (pas d'autocorrélation entre résultats successifs notamment).
  
  L'indéterminisme de l'évolution d'un système, c'est un manque d'information sur l'état futur du système observé. Une évolution indéterministe est une évolution qui peut donner des états différents en partant d'un même état intial. Le mesure quantique est indéterministe.
  .
• efface l'information sur l'état initial de spin right. Plus précisément, cette information n'est plus portée par les particules. Ces particules sont maintenant en état de spin vertical. De ce fait, une mesure de spin horizontal sur ces particules donnera des spins right ou left selon une statistique de pile ou face parfaite.
  
  L'irréversibilité de l'évolution d'un système, c'est une création d'entropie, une perte d'information sur l'état antérieur du système observé. Une évolution irréversible est une évolution qui peut donner un même état final en partant d'états intiaux différents (un état de spin up, obtenu à l'issue d'une mesure de spin vertical, peut être obtenu en partant d'un état intial de spin horizontal right ou d'un état intial de spin horizontal left). La mesure quantique est irréversible. L'irréversibilité, c'est la même chose que l'indéterminisme, mais dans le sens temporel inverse.

A noter qu'il n'y a ni irréversibilité, ni indéterminisme objectifs (2). L'écoulement irréversible du temps et l'indéterminisme quantique demandent tous deux la prise en compte des limitations d'accès d'une classe d'observateurs à l'information (cf. Incomplete descriptions and relevant entropies, R. Balian 1999).

Aharonov, Bergmann et Lebowitz ont montré la possibilité d'une modélisation Time-symmetric du processus de mesure quantique. Si, au lieu de considérer seulement l'état quantique dans lequel des systèmes quantiques sont présélectionnés avant des mesures quantiques intermédiaires, on considère à la fois :

• l'état quantique dans lequel les systèmes quantiques sont présélectionnés d'une part (sélection de systèmes dans un même état quantique à l'issue de mesures initiales antérieures à des mesures quantiques intermédiaires)
  .
• ET l'état quantique dans lequel les systèmes quantiques sont post sélectionnés d'autre part (sélection de systèmes dans un même état à l'issue de mesures finales postérieures à des mesures quantiques intermédiaires)

Grace à cette double prise en compte, la valeur moyenne des résultats de mesures quantiques intermédiaires d'une quelconque observable O dépend de la même façon de l'état initial que de l'état final. Autrement dit, si on inverse état intial et état final, la valeur moyenne de O reste inchangée.

La symétrie T de la mesure quantique est ainsi restaurée. L'asymétrie temporelle attribuée à la mesure quantique n'est pas objective. Elle est liée à la non prise en compte de résultats ultérieurs aux résultats de mesure intermédiaires, autrement dit, au manque d'information de l'observateur sur les résultats futurs.

D'où vient ce manque d'information. Il vient de notre grille de lecture thermodynamique statistique d'observateur macroscopique (notre ignorance du nombre considérable de petits détails absents de la donnée des grandeurs dites macroscopiques caractérisant un état macroscopique). Notre grille de lecture engendre des traces du passé, mais pas de traces du futur.

Les travaux de Aharonov, Bergmann, Lebowitz, Vaidman, Popescu, Tollaksen, Cohen, Elitzur, Bamber, Hosten, Kwiat, Elitzur et bon nombre de physiciens de la même école de pensée insistent sur l'intérêt d'une formulation T-symétrique de la physique quantique. Ils se sont poursuivis notamment par :

• La mesure faible (3) (4). Une mesure quantique est dite faible quand le déplacement de "l'aiguille" de l'appareil de mesure est du même ordre de grandeur que l'incertitude quantique de sa position. Une mesure quantique faible permet de très peu changer l'état du système quantique observé (contrairement à la projection sur un état propre de l'observable lors d'une mesure quantique dite forte). En contrepartie, une mesure faible n'apporte qu'une information très bruitée. Cette information ne peut être exploitée que par moyenne de très nombreuses mesures faibles de systèmes dans un même état quantique initial.
  .
• des résultats expérimentaux ayant montré tout le bénéfice que l'on pouvait tirer des mesures faibles (5) (6)
  .
• La formulation T-symmetric à deux vecteurs d'état de la physique quantique (7) (8)
  .
• Une modélisation time-symmetric de l'évolution temporelle d'un système quantique et l'effet d'une mesure quantique. Ce document montre l'existence d'une corrélation temporelle entre états successifs d'un système quantique (O(t2) - O(t1) = 0 dans le cas le plus simple d'un Hamiltonien H = 0) tant qu'aucune mesure quantique n'est réalisée et la rupture de cette corrélation temporelle entre état antérieur et état postérieur à une mesure quantique (9).

Ce dernier document, tout particulièrement le § MEASUREMENTS ON EPR STATES, présente (entre autres) l'intérêt suivant. Même aujourd'hui un certain nombre de physiciens (10) continuent à envisager une interprétation réaliste de l'effet EPR. Il s'agit d'une interprétation selon laquelle la mesure d'Alice provoquerait un changement d'état quantique objectif, instantané, à distance, de l'état du photon de Bob en le projetant sur le même état de polarisation que l'état de polarisation obtenu par Alice de son côté. Dans cette interprétation réaliste de la mesure quantique et de l'état quantique, il y a violation de la causalité relativiste à un niveau interprétatif.

Au contraire, dans l'interprétation positiviste de l'expérience EPRB, le seul phénomène qui se produise est un phénomène d'enregistrement irréversible ET local d'information du côté d'Alice quand elle fait sa mesure de polarisation et rien ne se passe alors du côté de Bob.

Très souvent, cette différence d'interprétation est présentée comme une question purement philosophique (métaphysique pour les critiques les plus acides, un peu comme cela avait été fait vis à vis de l'article EPR de 1935 d'Einstein (11) avant que Bell n'ait établi ses inégalités rendant la question réfutable donc physique). Or, le document "Each instant of time a new universe" offre la possibilité (selon moi) de transformer cette question d'apparence philosophique en une question réfutable donc physique.

Grâce à cet article, l'interprétation positiviste, peut (selon moi) être testée. En effet, selon ce document, tant que Bob ne fait pas de mesures de son côté, les mesures d'Alice ne changent rien du côté de Bob. Cela peut être prouvé en vérifiant que les corrrélations O(t2) - O(t1) = 0, avec n'importe quelle observable O, sont conservées du côté de Bob tant qu'il ne fait pas de mesures.

Ma question était de savoir si cette vérification expérimentanle avait été faite et si les conclusions proposées ci-dessus, sur le débat postiviste/réaliste vis à vis des expérimentations de type EPRB, en avaient été tirées.

(1) Time Symmetry in the Quantum Process of MeasurementYakir Aharonov, Peter G. Bergmann, and Joel L. Lebowitz
Phys. Rev. 134, B1410 – Published 22 June 1964


(2) Einstein (2-a) ou Thibault Damour (2-b) par exemple ont une interprétation réaliste de la physique. Il s'agit d'une interprétation selon laquelle les grandeurs physiques, les constantes et les lois dites fondamentales de la physique seraient objectives. Il s'agit de l'hypothèse selon laquelle ces grandeurs, constantes et lois ne dépendraient pas des traces du passé (issues de notre grille de lecture thermodynamique statistique), traces du passé dont nous tirons les informations requises pour obtenir ces grandeurs, ces constantes et ces lois. Dans cette interprétation réaliste de la physique et de son but (décrire fidèlement et complètement la réalité), l'écoulement irréversible du temps et l'indéterminisme quantique ne peuvent être que des illusions.

(2-a) Time’s arrow: Albert Einstein’s letters to Michele Besso
For people like us who believe in physics, the separation between past, present and future has only the importance of an admittedly tenacious illusion.

(2-b) Proust and Einstein: In Search of Time
Thibault Damour, Permanent Professor at the Institut des Hautes Études Scientifiques, delves on the experience of Time through the work of Marcel Proust “À la recherche du temps perdu” and Albert Einstein… Both the novelist and the physicist held the view that the flow of time is an illusion.

(3) How the result of a measurement of a component of the spin of a spin-1/2 particle can turn out to be 100
Yakir Aharonov, David Z. Albert, and Lev Vaidman
Phys. Rev. Lett. 60, 1351 – Published 4 April 1988

(4) Introduction to Weak Measurements and Weak Values
Boaz Tamir, Eliahu Cohen

(5) Observation of the Spin Hall Effect of Light via Weak Measurements
March 2008, Science 319(5864):787-90, DOI: 10.1126/science.1152697
O. Hosten, P. Kwiat

(6) Ultrasensitive Beam Deflection Measurement via Interferometric Weak Value Amplification
June 2009 Physical Review Letters 102(17):173601, DOI: 10.1103/PHYSREVLETT.102.173601
P. Ben Dixon, David J Starling, Andrew N. Jordan, John C Howell

(7) The Two-State Vector Formalism of Quantum Mechanics: an Updated Review, Y. Aharonov, L. Vaidman

(8) A time-symmetric formulation of quantum mechanics
Y. Aharonov, S. Popescu and J. Tollaksen

(9) Each instant of time a new Universe, § Measurements on EPR states, Y. Aharonov, S. Popescu, J. Tollaksen et vidéo présentée par Popescu

(10) La non-localité et la théorie de Bohm, J. Bricmont

L’ambiguïté sur le statut de la fonction d’onde — moyen de calcul, objet réel ? — entretenue par une certaine tradition
philosophique de type positiviste ou instrumentaliste a rendu difficile la compréhension de la non-localité

Pour ma part, je pense au contraire que c'est l'interprétation réaliste qui engendre une interprétation objectivement non locale de la mesure quantique, notamment dans le cas de systèmes EPR corrélés.

Comme cette action à distance est instantanée ou, du moins, plus rapide que la vitesse de la lumière, n’entre-t-elle pas en contradiction avec la relativité ? C’est une question assez complexe que je ne vais pas développer — voir [21] pour une discussion approfondie de ce problème —, mais il est clair qu’il y a un problème.

Comme le dit Penrose : « Il y a un conflit entre notre image spatio-temporelle de la réalité physique — même l’image quantique non-locale qui est correcte — et la relativité restreinte !

En effet, la réduction de la fonction d’onde n’est nulle part traitée de façon relativiste. Et c’est via cette opération que la non-localité s’introduit de façon explicite dans le formalisme quantique.

(11) Can quantum mechnical description of physical reality be considered complete ? A. Einstein, B. Podolski, N. Rosen, 1935

[1h1ng01]

Bonjour Chaverondier,

Je n'ai pas de réponse à la question, mais je souscris à l'idée qu'il ne s'agit pas que d'une discussion purement philosophique si une différence entre les deux interprétations peut être mise en évidence expérimentalement et que l'histoire des sciences récente devrait inviter à la prudence concernant ce qui semble de prime abord "purement philosophique". Aucune expérience ne pourra éteindre entièrement un débat dont l'horizon est métaphysique et fondamentalement hors du champ de la connaissance, mais du moins les expériences peuvent faire reculer cet horizon en invalidant un certain nombre d'interprétations-théories, et élargir le champ non seulement de la connaissance mais de ce qui parait relever du connaissable. La métaphore de l'horizon me semble pertinente car il s'agit d'un côté d'une limite inatteignable par définition, mais d'un autre côté d'une limite fluctuante justement parce qu'elle ne cesse de reculer lorsqu'on avance.

Et puisque j'évoque la notion d'horizon, en relativité générale la notion d'horizon pose exactement le même problème vis-à-vis de l'unicité du réel ou de l'existence d'une réalité objective. Et la cause du débat est essentiellement la même : existe-t-il une réalité au-delà de l'information à laquelle peut accéder un observateur situé à un point donné de l'espace-temps ?