Physique quantique: "Observateur" un terme trompeur?

[Rony]

Bonjour.

Je suis de ceux qui n'ont pas fait d'étude de science, comme beaucoup je m'y intéresse simplement, ça fait partie des discussions que je partage avec mes amis ou mes collègues les plus curieux. La physique quantique peut faire partie des sujets abordés, l'expérience des fentes de Young étant l'entrée principale dans ce monde contre-intuitif. D'ailleurs toute tentative de vulgarisation sur le sujet quantique débute par la présentation de l'expérience de fentes de Young.

En discutant autour de moi j'ai récemment réalisé à quel point le terme "observateur" avait trompé toute une génération de curieux. Car pour beaucoup, le terme "observateur" induit une notion de conscience.
Et c'est d'ailleurs la façon dont on m'avait présenté cette expérience la première fois (il y a des décennies), une étudiante m'expliquant que la nature réagissait différemment lorsqu'elle se savait observée.

Au contraire, j'ai vu des yeux s'ouvrir quand certains ont compris qu'ils pouvaient remplacer le mot "observateur" par "détecteur". La réduction du paquet d'onde se produisant lors de l'interaction avec l'objet, les implications sont très différentes et moins ésotériques.

Je me suis demandé si il n'y avait pas une nuance de traduction, "observer" étant peut-être plus factuel en anglais ou allemand qu'en français. Je n'en ai pas trouvé trace.

Bref, je voulais simplement évoquer le sujet ici. Même si on parle de simple vulgarisation, j'ai l'impression que des gens ont perdu plusieurs années parce qu'ils comprenaient mal le terme "observateur", c'est dommage.
Faut-il bannir le terme "observateur" des livres et des vidéos sur le sujet? Vous en pensez quelque chose?
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[coussin]

J'imagine, mais je ne sais pas, que le terme "observateur" a été utilisé à cause des observables.
Je note aussi que ça n'est pas si prédominant dans la littérature anglaise : on rencontre beaucoup moins le terme "observer" dans les textes anglais, à part dans les vieux textes.

Donc, oui : en MQ le mot observateur a un sens bien précis. C'est "le truc" capable de mesurer une observable, en d'autres termes un détecteur tout bêtement.

[GBo]

Très bonne observation du primo-posteur, car le terme "observateur" en physique quantique peut non seulement induire en erreur mais c'est aussi le point de départ de théories pseudoscientifiques (qui elles sont volontairement fausses en profitant de l'ambiguité).

[pm42]

Donc, oui : en MQ le mot observateur a un sens bien précis. C'est "le truc" capable de mesurer une observable, en d'autres termes un détecteur tout bêtement.

Question naïve : quand la fonction d'onde s'effondre t'elle ? Ou plus précisément, à partir de quel moment quelque chose est "un détecteur" ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[ThM55]

L'effondrement de la fonction d'onde intervient dans l'interprétation orthodoxe de la mécanique quantique (dite aussi "de Copenhague"). Ce qui est particulier, on oublie souvent de le dire, c'est qu'elle attribue un statut fondamental à la mécanique classique. C'est important de le comprendre car on oublie parfois que Bohr, Heisenberg, Born, etc ont introduit là une totale rupture épistémologique avec le passé de la physique théorique. C'est ce qui est expliqué très clairement par exemple dans le fameux traité de Landau et Lifchitz, parangon de l'interprétation orthodoxe, dont voici une citation (volume 3, chapitre 1):

D'ordinaire, une théorie plus générale peut être formulée de manière logiquement fermée indépendamment d'une théorie moins générale qui en est un cas limite. Ainsi, la mécanique relativiste peut être érigée sur ses principes fondamentaux sans faire appel à la mécanique newtonienne. Quant à la formulation des principes fondamentaux de la mécanique quantique, elle est foncièrement impossible sans l'intervention de la mécanique classique (... ) Si un électron entre en interaction avec un "être classique" alors l'état de ce dernier change en général. (...) Ceci étant, l'"être classique" est appelé ordinairement "appareil", et on parle de son processus d'interaction avec l'électron comme d'une "mesure".

C'est moi qui ai souligné le passage sur l'impossibilité foncière, car c'est assez violent. Il faut bien comprendre le caractère très radical et original de ce point de vue. Il explique pourquoi quand ses étudiants parlaient de la "réalité" à Heisenberg, celui-ci disait que la réalité était dehors, avec le ciel, les arbres, les oiseaux et pas dans les atomes. Je trouve cela fou de la part d'un physicien et Einstein avait ces idées en horreur. De plus cette interprétation décrit l'effet sur l'appareil comme stochastique (soumis à la règle de Born) et irréversible (non décrit par l'équation de Schrödinger ou l'évolution unitaire). L'effondrement de la fonction d'onde proprement dite signifie que la mesure remet l'électron dans un état qui est déterminé par le résultat de la mesure. Cependant, ce n'est pas toujours le cas parce que la mesure peut être destructive. On ne doit donc pas le considérer comme un postulat de la MQ, mais plutôt comme une description de certains processus particuliers.

Cette interprétation a été contestée de manière sérieuse mais seulement beaucoup plus tard. D'abord comme on le sait, dès 1927-1935 par Einstein et Schrödinger (avec son chat! d'où la question du comment de la mesure), mais cela les a marginalisés. Tous les fondateurs, j'ai cité Heisenberg, Bohr, Born, il y a aussi eu Dirac, Fermi, Bethe, Oppenheimer, Feynman, Wheeler, Landau, Von Neumann... ont adopté le point de vue orthodoxe et ne l'ont pas trop questionné, ou alors sans trop insister. Feynman était conscient de la difficulté mais conseillait à ses étudiants de rester à distance de ces questions, et plutôt de calculer pour ne pas nuire à leur carrière de chercheurs.

Mais cela a changé avec Bohm, Everett et Bell (avec les corrélations à distance).

Bohm a développé une idée que de Broglie avait déjà envisagée, avec des "variables cachées", les positions des particules, et un "potentiel quantique" non local qui guide ces positions. La mesure se résume à un effet direct des particules localisées. Cette théorie évite le problème de la mesure mais en crée d'autres.

Dans sa thèse, Everett avait l'intention de rompre avec le primat de la mécanique classique tel qu'il est décrit dans le traité de Landau et de décrire tous les processus sans exception par la mécanique quantique, de faire de celle-ci une théorie unifiée qui représente réellement la "réalité". Mais comme Feynman l'avait remarqué, cela impliquait l'existence de "mondes multiples" où les "mesures" donnent des résultats divers.

Il y a ensuite eu la création de modèles qui tentent de décrire le processus de mesure de manière moins dogmatique, en partant d'ailleurs d'idées décrites par Von Neumann dans son traité mathématique sur la MQ. Le plus connu est celui de Girardi-Rimini-Weber (GRW), qui suppose un effondrement aléatoire de la fonction d'onde, dans l'espace et dans le temps, selon une loi de Poisson. Ils doivent pour cela introduire des constantes de la nature, le paramètre de la loi de Poisson et une distance de localisation. Un autre exemple de modèle d'effondrement est celui de Penrose: il suppose un effondrement dû à la gravité: dès que l'interaction est susceptible de créer au moins un graviton ou une certaine courbure, il y a effondrement. Ces deux modèles sont falsifiables en principe, ils prédisent des effets incompatibles avec la mécanique quantique standard. Voir Wikipedia: https://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%...i-Rimini-Weber , https://fr.wikipedia.org/wiki/Interp...ion_de_Penrose .

Je ne prends pas position, je ne fais qu'essayer de relater le plus clairement possible ce que j'ai lu ailleurs.

[pm42]

C'est intéressant et j'ai lu pas mal de trucs sur le sujet au fil des années mais pas forcément tout compris et beaucoup oublié.
Mais si on remplace le chat par un humain pour simplifier, il est observateur. Mais de l'extérieur de la boite, on n'a pas observé ?

[ThM55]

C'est justement pour répondre à ce genre de questions que des modèles de l'effondrement comme GRW ont été créés.

Si on remonte à Schrödinger et son chat, exemple bien connu qui maintenant est intégré dans la pop-culture, et si on l'interprète de manière orthodoxe comme Landau et Lifchitz le présentent dans leur cours, il n'y a pas vraiment de problème: le chat est considéré comme un "instrument de mesure" (remarquons que L&L évitent le terme d'observateur et le remplacent par "appareil"!). Cela vient même avant: c'est le détecteur Geiger, avec son amplificateur causant le bris de la capsule de poison, qui est l'appareil classique. A aucun moment l'appareil classique n'est en superposition selon cette interprétation. Evidemment, le problème est qu'on ne donne aucun critère pour identifier où se trouve la frontière quantique/classique et c'est sur cette ambiguïté que Schrödinger jouait. Mais dans l'optique de Landau&Lifchitz, ce n'est pas pertinent ni intéressant: il disent par ailleurs que le but de la mécanique quantique est de calculer les résultats de mesures futures connaissant les résultats des mesures passées. Pour le physicien dans son labo, c'est clair: en faisant l'expérience, quand il ouvre la boîte, il verra le chat mort ou vivant et tout cela se passera en conformité avec les lois de la MQ. S'il n'est pas intéressé par la métaphysique, il peut dormir sur ses deux oreilles. C'est une position assez confortable et finalement assez astucieuse. Elle est injustement décriée à mon avis.

Une position que j'aime assez et qui est assez proche est celle de l'interprétation de la fonction d'onde comme décrivant non pas un système précis unique mais un ensemble de systèmes qui sont préparés par le même procédé macroscopique. Einstein avait adopté cette interprétation mais il la faisait dépendre de présupposés réalistes: pour lui la variabilité statistique résultait du manque de contrôle de paramètres microscopiques réels mais inconnus lors de la préparation du système, exactement comme en thermodynamique statistique. On sait que cette idée de réaliste a été mise à mal par les expériences de Bell, Clauser, Zeilinger et Aspect. Cependant, même si on ignore ce présupposé réaliste, on peut continuer à admettre une interprétation de ce type. Et dans ce cas également l'expérience du chat de Schrödinger devient triviale à interpréter; la fonction d'onde ne décrit pas l'unique noyau radioactif dans la chambre, elle ne décrit qu'un ensemble de noyaux et il faut penser l'expérience comme concernant un ensemble de boîtes avec noyau, détecteur, poison et chat (en insistant sur le côté fictif pour ne pas alerter la SPA!). Dans ce cas il n'y a nul besoin d'un effondrement de la fonction d'onde, le noyau émet effectivement la particule alpha à un instant donné, simplement le processus microscopique n'est pas décrit, soit parce qu'on l'ignore, soit parce qu'il ne peut l'être. Le physicien Leslie Ballentine, auteur d'un cours de mécanique quantique, est un avocat de cette interprétation. Il la justifie notamment par l'effet Zénon quantique (absence de désintégration quand on répète une mesure fréquemment, ce qui a été vérifié expérimentalement).

[ordage]

Bonjour
Que penser de l'interprétation de Wigner qui considère que (si j'ai compris) c'est quand un humain prend connaissance du résultat d'une mesure quantique,qu'elle acquière un caractère physique.
Cordialement

[coussin]

Un article Wikipedia sur ce sujet : https://en.wikipedia.org/wiki/Consci...auses_collapse
Interprétation extrêmement marginale. Rejetée par Wigner lui-même en fin de compte.

[Rony]

Merci pour vos réponses.

GBo: «c’est aussi le point de départ de théories pseudoscientifiques (qui elles sont volontairement fausses en profitant de l’ambiguïté)»

- Oui, même si je n’avais pas développé cet aspect, c’est exactement ça.

Coussin:«Donc, oui : en MQ le mot observateur a un sens bien précis. C'est "le truc" capable de mesurer une observable, en d'autres termes un détecteur.»
- Merci, il y a donc bien une incompréhension linguistique, tu m’étonnes que les gens ne comprennent pas si il faut un traducteur.
Ton point sur la littérature anglaise est intéressant à mettre en perspective… cela voudrait dire que cette fausse idée se propage surtout chez les francophones..



Coussin: «Un article Wikipedia sur ce sujet :https://en.wikipedia.org/wiki/Consci...auses_collapse»
- Encore très intéressant, merci, c’est très instructif d’un point de vue historique. J’ai aussi beaucoup de mal avec l’idée d’une conscience «créatrice» qui me paraît très anthropocentrée et digne d’une vieille époque.

[ThM55]

Oui, je pense que l'idée de Wigner était d'explorer les possibilités dans le but de rejeter ce qui est non scientifique. Il y a aussi le problème cosmologique: on voudrait pouvoir étudier les phases très précoces du big bang, dans lesquelles la gravité quantique joue un rôle. C'est évidemment très spéculatif, mais comment définir les "observables" et les "observateurs" dans ce cadre?

Dans l'état actuel des connaissances, le choix de l'interprétation n'est pas déterminé par les résultats expérimentaux puisqu'elles restituent toutes les résultats de la mécanique quantique standard. On est donc encore dans le domaine de la philosophie. Cela pourrait changer dans 10 ans, 100 ans ou 1000 ans, on ne sait pas de quoi l'avenir est fait. Par exemple les théories de collapse spontané comme GRW dépendent de nouvelles constantes naturelles, elles pourraient peut-être entraîner des effets observables qui ne sont pas prévus par la MQ standard dans certains régimes. Même chose pour la théorie de Bohm: elle prédit la conservation des probabilités de Born lors de l'évolution quantique, mais Antony Valentini a exporé ce qui se passe si les conditions initiales ne vérifient pas cette répartition, et a montré qu'elle est justiciable d'un théorème-H comme celui de Boltzmann, c'est-à-dire une relaxation vers la distribution de Born qui serait alors une distribution d'équilibre. La question de l'existence d'états de non-équilibre et comment les préparer reste ouverte. Le but de tout cela est justement de réfuter, pas de se faire une doctrine philosophique somme tout arbitraire.

[ordage]

Un article Wikipedia sur ce sujet : https://en.wikipedia.org/wiki/Consci...auses_collapse
Interprétation extrêmement marginale. Rejetée par Wigner lui-même en fin de compte.

Bonjour
J'ai vu qu'en 2019, à université Heriot-Watt d'Edimbourg une équipe avait réussi à recréer une version simplifiée (dont on peut discuter la validité) du paradoxe de l'ami de Wigner avec des photons. Le résultat, qui montre certaines violations de principes, est intéressant, il montre comment on peut douter de l'objectivité des faits en mécanique quantique.
Voir "paradoxe de l'ami de Wigner" par Gemini pro, par exemple.
Cordialement

[chaverondier]

Pour quelqu'un disant n'avoir pas fait d'études scientifiques, je trouve votre difficile question très bien posée.

En discutant autour de moi j'ai récemment réalisé à quel point le terme "observateur" avait trompé toute une génération de curieux. Car pour beaucoup, le terme "observateur" induit une notion de conscience.

Von Neumann ou encore Wigner ont d'ailleurs proposé d’attribuer la réduction du paquet d’onde à la conscience de l’observateur.

Je ne suis pas de cet avis. L’observateur macroscopique joue bien un rôle, mais (selon moi) introduire la notion d’observateur conscient n’est pas nécessaire. La notion de grandeur macroscopique, qualifiée par Roger Balian d’information pertinente (sous-entendu, pour un observateur macroscopique) suffit (plus de détails sont donnés ci-dessous).

une étudiante m'expliquant que la nature réagissait différemment lorsqu'elle se savait observée.

La nature ne réagit pas de la façon on elle se sait observée (« Mind projection fallacy » nous dirait E.T. Jaynes, cf. Clearing up mysteries), mais de la façon dont elle est observée. L’expérience de fentes de Young en est effectivement une très bonne illustration :

• Le comportement des photons est celui d’une onde... ...si l’on décide d’observer leur comportement ondulatoire (les franges d’interférence).
• Le comportement des photons est particulaire... ...si l’on décide d’observer son comportement particulaire (leur position).

Le comportement observé dépend donc de ce que nous décidons d’observer. La mesure quantique est dite contextuelle. Contrairement à la physique classique, une mesure quantique n’est pas le recueil passif et non invasif d’une information préexistante (1). Nous n’observons pas les propriétés physiques intrinsèques de la nature (les propriétés observées ne présentent pas un caractère objectif) mais les propriétés de nos interactions avec la nature. Nous sommes des observacteurs.

Au contraire, j'ai vu des yeux s'ouvrir quand certains ont compris qu'ils pouvaient remplacer le mot "observateur" par "détecteur". La réduction du paquet d'onde se produisant lors de l'interaction avec l'objet, les implications sont très différentes et moins ésotériques.

C'est un début de réponse... mais il est nettement insuffisant. Le terme de détecteur, utilisé sans complément d'information, ne suffit pas à mettre en évidence le rôle de l'observateur macroscopique (qu'il s'agisse d'un être humain, d'un arbre ou d'une amibe).

Question naïve : quand la fonction d'onde s'effondre-t-elle ? Ou plus précisément, à partir de quel moment quelque chose est "un détecteur" ?

Pas du tout du tout naïve cette question. Un détecteur est un appareil réalisant des enregistrements irréversibles d’information.

Et quand une grandeur physique est-elle détectée ? Elle est détectée lorsque le détecteur a donné lieu à un enregistrement irréversible d'information. C'est dans cette notion d'enregistrement irréversible d'information, une information de ce fait reproductiblement et intersubjectivement lisible, que se cache le rôle de l'observateur macroscopique. Je détaille un peu plus loin d’où émerge la reproductibilité et l’intersubjectivité émergeant d’enregistrements irréversibles d’information.

Faut-il bannir le terme "observateur" des livres et des vidéos sur le sujet? Vous en pensez quelque chose?

Ca peut être jugé acceptable, mais à la condition de ne pas bannir le terme d'observation. Une observation, c’est un enregistrement irréversible d'information. Un enregistrement irréversible d'information demande une fuite des informations, dites non pertinentes, hors de portée de l'observateur macroscopique, fuite d’information que Roger Balian qualifie de création d'entropie pertinente, cf. Incomplete description and relevant entropies.

Qu’est-ce qu’une information pertinente ? C'est une pression, une température, un effort, une acidité, une salinité, une composition chimique… bref, des grandeurs macroscopiques. Ces informations sont telles que, notamment, 2 systèmes chacun dans un état décrit par les mêmes informations dites pertinentes, soient perçus comme indistinguables par 2 observateurs macroscopiques distincts.

En fait, d'où émerge « l’objectivité » apparente des lois et propriétés de la physique que nous attribuons à (nos interactions avec) l'univers ? Elle découle du fait que ces lois et propriétés physiques sont extraites de traces du passé ; or les traces du passé sont des enregistrements irréversibles d'information, des états d'équilibre, des états dont les grandeurs macroscopiques caractérisant notre grille de lecture d'observateurs macroscopique, (notre "myopie" commune) sont des constantes.

C'est de cette constance des grandeurs pertinentes à notre échelle d'observation (grâce, lors d’une évolution irréversible, à la fuite d’informations dites non pertinentes hors de portée de l’observateur macroscopique) qu'émerge la reproductibilité et l'intersubjectivité des informations extraites des traces du passé.

Grâce à leur grille de lecture (leur myopie) commune, 2 observateurs distincts, observant successivement la même trace du passé vont, de ce fait, en extraire la même information (cf. § Conclusion La flèche du temps et § Conclusion "The arrow of time issue, an overview"). Il est là le rôle de l’observacteur.

Un phénomène n'a pas d'effet, n'existe pas, tant qu'il n'a pas donné lieu à un enregistrement irréversible d'information, un état résistant à des agressions de l'environnement, à des lectures successives, un état correspondant, en fait, à des états successifs distincts à une échelle d’observation microphysique mais perçus comme indistinguables par des observateurs macroscopiques successifs distincts (2).

Un point supplémentaire doit être souligné : un état quantique n'est pas la représentation objective de l'état d'un système physique, c'est une information permettant à un observateur particulier d'inférer les futurs résultats d'observation que donneront ses futures interactions avec le système observé (1).

A titre d'exemple, quand Alice fait une mesure de polarisation de son photon (dans une expérience de type EPRB) l'état quantique de la paire de photons change instantanément pour Alice. Ce changement brutal d'état quantique traduit la modification d'état de polarisation qu'elle a engendré sur son photon et l'information qu'elle a ainsi acquise par sa mesure. Ce changement d’état quantique de la paire de photons n'indique en rien un changement physique objectif d'état du photon de Bob.

L’absence de changement physique objectif d'état du photon de Bob est établi par la conservation de la 2-time corrélation du photon de Bob, cf. §Quantum measurement of EPR states, article "Each instant of time a new universe". Ainsi, malgré ce changement d'état quantique de polarisation de la paire de photons, le photon de Bob ne subit pas de collapse, lui (toutefois, à ma connaissance, aucune vérification expérimentale de conservation de cette 2-time correlation n’a été réalisée, cf. Effet epr non-localité positivisme et réalisme).

En RR, on a parfois un peu de mal à accepter le caractère relatif de la simultanéité. En physique quantique, les choses sont « encore pire » : la fonction d’onde, l’information détenue par un observateur, une information lui permettant de prédire comment son système va réagir à l’une de ses futures interactions, est propre à l’interaction de cet observateur avec le système observé. L'expérience de pensée de Wigner permet, de façon encore plus marquée, de mettre en évidence le caractère relatif à l’observateur de la fonction d’onde (3)…

…et pourtant, dès que 2 observateurs échangent de l’information classique sur un résultat de mesure (cad de l’information obtenue à l’issue d’un enregistrement irréversible d’information), ils sont d’accord sur ce qu’ils ont observé. La physique quantique (bref, la physique d’aujourd’hui) « viole » l’objectivité mais respecte l’intersubjectivité.

(1) Quantum Information and Relativity Theory

In this review we shall adhere to the view that ρ is only a mathematical expression which encodes information about the potential results of our experimental interventions. The latter are commonly called “measurements” — an unfortunate terminology, which gives the impression that there exists in the real world some unknown property that we are measuring. Even the very existence of particles depends on the context of our experiments.

(2) Delayed-Choice Experiments and Bohr's Elementary Quantum Phenomenon

"No elementary quantum phenomenon is a phenomenon until it is a registered ('supprimé', 'indelibly recorded') phenomenon, 'brought to a close' by 'an irreversible act of amplification'."

J’ai 'supprimé' de la citation la mention 'observed' avec laquelle je suis en désaccord. Elle induit en erreur. Il suggère que l’observation nécessiterait la présence physique de l’observateur lors de l’observation. On a seulement besoin que l’information soit irréversiblement enregistrée pour que l’on puisse parler d’observation ; c'est aussi (selon moi) la condition nécessaire et suffisante pour que le phénomène ait eu lieu en un sens conforme à la physique telle que comprise et pratiquée à ce jour.

(3) Pour l'ami de Wigner, mesurant le spin vertical d'un spin 1/2 en état initial de spin horizontal, lorsque la mesure est finie, cad lorsqu'un spin up (par exemple) a été irréversiblement enregistré, il ne peut plus faire interférer les 2 composantes up et down précédant la fin de sa mesure. Cela l'empêche de ramener, par interférence entre les composantes de spin vertical up et down, son spin 1/2 dans son état initial de spin horizontal.

Pour Wigner, au contraire, situé à l'extérieur et sans interaction avec le spin 1/2, l'appareil de mesure, son ami et le labo de cet ami (en état superposé du point de vue de Wigner) il n'en est rien. Wigner est encore en mesure de ramener, par interférence, le spin1/2, l'appareil de mesure de son ami, son ami et son labo dans leur état initial non superposé. Il est donc normal que la fonction d'onde de la "même situation", exprimant, pour Wigner, la possibilité d'un retour à l'état initial (ce retour à l'état initial n'est pas possible pour son ami) soit différente. La fonction d'onde d'un système ne représente pas objectivement son état, mais la façon dont le système observé va réagir aux futures interactions d'un observateur donné de ce système.

Pour Wigner, la mesure de spin verticale réalisée par son ami n'est pas encore terminée puisque la fuite d'information hors de la portée de Wigner, la création d'entropie pertinente caractéristique d'un enregistrement irréversible d'information, ne s’est pas encore produite pour lui. Pour Wigner, la mesure de spin n'est donc pas encore irréversible alors qu'elle l'est déjà pour son ami.

Le fait que les deux fonctions d'onde de la même situation soient différentes n'est donc pas une incohérence. La physique quantique prédit correctement les résultats d'observation. Elle entre simplement en conflit avec une interprétation réaliste (à mon sens erronée) de l'état quantique.

La mesure de spin est terminée aussi pour Wigner lorsque Wigner se met à échanger de l'information avec son ami...
...et à ce moment-là, ils sont d'accord sur le résultat de spin observé : l'intersubjectivité est respectée.

[pimart]

Bonjour, je n'ai pas grand chose à contribuer à cette discussion, je voulais juste indiquer une vidéo de Witten, qui contient, outre une discussion sur l'histoire de la théorie des cordes, une discussion (à la fin) sur la mécanique quantique, Everett, et l'aspect un peu circulaire de la définition de ce qu'est un observateur.

[pimart]

et le lien: https://www.youtube.com/watch?v=sAbP0magTVY&t=2s

[ThM55]

C'est une vidéo très intéressante et Brian Greene lui pose beaucoup de questions pertinentes. Concernant Everett, si j'ai bien compris, il explique qu'en fin de compte on finit toujours par arriver à un point où le cerveau de l'opérateur humain, du fait de la connaissance qu'il prend du résultat d'une mesure, est intriqué avec l'objet quantique. Et donc, en réalité, Everett échoue à donner une réponse différente de celle de Bohr-Heisenberg (qui disaient qu'il faut un "monde classique" dans lequel les résultats mesures sont actés et réalisés), simplement il a repoussé la frontière jusque dans le cerveau humain et peut-être dans la conscience. C'est une observation très fine qui expose une limitation essentielle de l'idée d'Everett consistant à affirmer que tout est soumis aux lois quantiques. Mais Witten n'est pas catégorique. A un moment, il semble faire une allusion à la théorie de la décohérence en manifestant un certain scepticisme, malheureusement Brian Greene change de sujet.

[oualos]

Beaucoup de choses ont été dites et écrites sur cette notion d'observateur et sur la MQ.
Je signale deux articleS intéressants

L'étrange expérience de Wheeler vérifiée dans l'espace

Des physiciens viennent de créer le plus gros "chat de Schrödinger"

[Adrien Vila Valls]

Et donc, en réalité, Everett échoue à donner une réponse différente de celle de Bohr-Heisenberg (qui disaient qu'il faut un "monde classique" dans lequel les résultats mesures sont actés et réalisés), simplement il a repoussé la frontière jusque dans le cerveau humain et peut-être dans la conscience. C'est une observation très fine qui expose une limitation essentielle de l'idée d'Everett consistant à affirmer que tout est soumis aux lois quantiques.

Bonjour,
Je n'ai jamais lu non plus le texte d'Everett original (qui est d'ailleurs une version tronquée de ses propres réflexions, car il subissait les pressions de son directeur de thèse Wheeler qui le poussait à ne surtout pas rentrer en conflit avec Niels Bohr). Par contre, se faire une idée de l'interprétation d'Everett en en restant au texte original d'Everett, c'est un peu comme vouloir se faire une idée de la relativité restreinte en en restant à une lecture des premiers articles d'Einstein à ce sujet. C'est ignorer tous les développements qui ont eu lieu après.
Everett est sans doute l'interprétation de la mécanique quantique qui s'est le plus structurée et qui a le plus progressée lors des dernières décennies, notamment avec les travaux de Deutsch, Saunders ou Wallace. Notamment, la théorie de la décohérence, dont ne disposait pas Everett, y joue un rôle absolument central. Et une fois intégrée la théorie de la décohérence, non, la conscience de l'observateur ne joue aucun rôle particulier. Le cerveau d'un humain, ou d'un animal etc. y est traité comme n'importe quel système physique.
PS : j'ai remarqué depuis quelques années que les meilleurs physiciens théoriciens n'étaient pas forcément les meilleurs philosophes de la mécanique quantique.

[Adrien Vila Valls]

chaverondier
Un phénomène n'a pas d'effet, n'existe pas, tant qu'il n'a pas donné lieu à un enregistrement irréversible d'information, un état résistant à des agressions de l'environnement, à des lectures successives, un état correspondant, en fait, à des états successifs distincts à une échelle d’observation microphysique mais perçus comme indistinguables par des observateurs macroscopiques successifs distincts

Bonjour,
C'est peut-être une limitation de ma part mais si un phénomène n'existe pas, j'avoue ne pas comprendre comment on peut faire un enregistrement irréversible d'information sur lui.

[chaverondier]

C'est peut-être une limitation de ma part mais si un phénomène n'existe pas, j'avoue ne pas comprendre comment on peut faire un enregistrement irréversible d'information sur lui.

Moi non plus et, selon moi, il ne s'agit pas d'une limitation de ma part (ni de la vôtre d'ailleurs).

Pour ma part, j'aurais plutôt posé la question suivante : s'il n'existe pas d'enregistrement irréversible d'information accessible à l'observation sur un phénomène donné, comment pouvoir en déduire que ce phénomène n'existe pas ? J'avoue ne pas le comprendre.

Définition de la notion d’existence d’un phénomène
Il existe une façon simple de répondre à cette question, celle proposée par John Wheeler : poser par définition qu'un phénomène existe si et seulement si il engendre des traces du passé accessibles à l'observation, c'est à dire des traces reproductiblement et intersubjectivement observables (au moins un jour ou l'autre) c'est à dire un enregistrement irréversible d'informations accessibles à l'observation relatives à son advenue...

...mais bon, cette définition de l'existence d'un phénomène n'est-elle source d'aucune difficulté ? Est-il acceptable de considérer, par exemple, que tout ce qui se situe au-delà d'un horizon cosmologique n'existe pas au prétexte qu'on n'a pas de moyen (même très indirect) d'observer ce qui s'y passe ? (s'y est passé ? s'y passera ? Au sens de quel feuilletage en feuillets 3D de simultanéité ?)

L'unicité du résultat d'une mesure quantique
Allons un peu plus loin en nous appuyant, dans ce but, sur le problème d'unicité du résultat d'une mesure quantique. La proposition de Wheeler vise en effet à répondre à une partie de ce problème dans le cadre de l'expérience du choix retardé. Tout d'abord, la décohérence ne résout pas le problème d'unicité d'un résultat de mesure quantique (un résultat de mesure quantique irréversiblement enregistré = pléonasme). Le caractère superposé de l'état quantique de l'appareil de mesure (son état chat de Schrödinger) est simplement propagé à l'environnement par la décohérence (1).

L'interprétation des mondes multiples
Toutefois, l'interprétation des mondes multiples est parfaitement compatible avec la décohérence. Ces univers multiples émergent mathématiquement, inévitablement, de la théorie quantique (non relativiste) dès lors que l'on ne rajoute pas de collapse de l'état quantique violant l'unitarité d'évolution des états quantiques modélisée par l'équation de Schrödinger. L'interprétation des mondes multiples résout, elle, le problème d'unicité du résultat de mesure quantique observé. En effet, une fois mis en état superposé, "l"observateur n'a plus d'autre possibilité que d'observer un unique résultat de mesure. Les autres résultats de mesure, si l'on attribue un caractère objectif (à mon sens erroné) à l'état quantique, existent mais sont inobservables (Aîe, aïe, aïe !)....

Ces composantes de l'état quantique de l'univers sont engendrées à chaque mesure (ou measure-like) quantique. Du coup, l'interprétation des mondes multiples supprime l'incompatibilité mathématique entre le caractère unitaire des évolutions quantiques et le caractère irréversible et indéterministe (donc violant l'unitarité et la conservation de l'information) du collapse de l'état quantique lors d'une mesure quantique (d'une observable dont l'état quantique observé n'est pas état propre)...

Ils existent ou ils n’existent pas ces multiples univers ?
Voui mais voilà, l'interprétation des mondes multiples demande implicitement d'accorder une légitimité physique (et non pas seulement mathématique) à ces multiples composantes inobservables de l'état quantique de l'univers et de juger scientifiquement légitime une notion d'état quantique de l'ensemble de l'univers...
...malgré l'impossibilité de pouvoir accorder cette légitimité physique à l'état quantique de l'univers dans son ensemble puisqu'il n'existe pas d'observateur extérieur à l'univers apte à observer ce supposé état quantique de l'ensemble de l'univers. Nous voilà donc en conflit avec la définition de la notion d'existence proposée par Wheeler juste au-dessus.

Alors ? il est résolu ou pas ce problème d’unicité du résultat de mesure en lien avec la grille de lecture de l'observateur macroscopique ?
Un peu délicat donc l'unicité des résultats de mesure quantique observés. Bon, ce n'est pas un problème nouveau...
...mais ça n'empêche nullement la physique quantique de fournir des prédictions d'une fiabilité et d'une précision extraordinaires (2). Tout est bien qui continue bien.

(1) La décohérence résout toutefois une partie du problème de la mesure quantique, l'émergence d'une base hilbertienne privilégiée.

(2) Donc on s'en moque complètement diront peut-être certains, "shut up & calculate!". Tout ça n'est que de la philosophie vaseuse et improductive de bas étage, tout juste du niveau d'une mauvaise copie d'élève de terminale S. C'est d'ailleurs un peu ce qu'a pensé une bonne partie de la communauté scientifique des ronchonnements d'Einstein concernant l'incomplétude de la formulation quantique standard tels qu'exprimés dans son article de 1935 "Can the quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?". La question d'Einstein a toutefois donné lieu :

• en 1964, presque 20 ans plus tard, à une formulation expérimentalement testable via les inégalités de Bell.
  .
• et puis en 1982, presque 40 ans plus tard, une violation de ces inégalités prédite par la physique quantique a fait l'objet d'une confirmation expérimentale par Alain Aspect (et, en 2022, à son prix Nobel, presque 90 ans plus tard. La science avance lentement... mais assez sûrement)
  .
• une vérification expérimentale validant ainsi les propriétés d'intrication de systèmes quantiques individuels, un aspect crucial de la 2ème révolution quantique avec la possibilité désormais offerte de manipuler des systèmes quantiques individuels.
  .
• Enfin, l'incomplétude de la formulation standard de la physique quantique s'est vue confirmée par le besoin de compléter la modélisation standard temporellement asymétrique de l'état quantique à un seul vecteur d'état par une variable cachée, le 2ème vecteur d'état, évoluant à rebrousse-temps, figurant dans la Formulation time-symmetric de la physique quantique à 2 vecteurs d'état, cf. Can a future choice affect a past measurement's outcome?

  The strong correlation between past and future outcomes, suggests the appearance of a subtle local hidden variable – the future state vector

[titijoy3]

une question naïve: une mesure quantique ne serait elle l'interaction entre un détecteur et un phénomène à un instant "T" en une localisation "L" ?

une deuxième :Est il possible de rendre compte d'une onde dans sa globalité en quantique ? sait on le faire ?

[Adrien Vila Valls]

Chaverondier :
Moi non plus et, selon moi, il ne s'agit pas d'une limitation de ma part (ni de la vôtre d'ailleurs).

Pour ma part, j'aurais plutôt posé la question suivante : s'il n'existe pas d'enregistrement irréversible d'information accessible à l'observation sur un phénomène donné, comment pouvoir en déduire que ce phénomène n'existe pas ? J'avoue ne pas le comprendre.

Définition de la notion d’existence d’un phénomène.....

Merci pour votre réponse, elle permet de préciser plusieurs points intéressants.

Sur la définition de Wheeler tout d’abord, j’ai une difficulté de principe. Elle me semble identifier l’existence d’un phénomène au fait qu’il laisse des traces observables, c’est-à-dire à l’accessibilité (au moins en principe) de l’information. Cela revient à faire dépendre une notion ontologique (ce qui existe) d’un critère épistémologique (ce qui est accessible à l’observation).

Or cette identification me paraît problématique. En physique, on accepte sans difficulté l’existence d’états dont l’information est en pratique irrécupérable, voire hors d’atteinte (diffusion, chaos, perte d’information vers l’environnement, etc.). Plus généralement, une théorie physique décrit un espace d’états beaucoup plus vaste que ce qui est effectivement observable. Restreindre l’existence à ce qui est accessible reviendrait à faire dépendre l’ontologie de nos capacités d’accès, ce qui me semble difficile à soutenir de manière générale.


Concernant l’interprétation d’Everett, l’objection tirée du caractère inobservable des autres branches me paraît en grande partie dépendre de ce critère. Si on ne l’adopte pas, ce caractère inobservable ne constitue pas en soi une difficulté décisive : dans toute théorie, une grande partie des structures décrites ne sera jamais observée. Dans le cas d’Everett, ces structures ne sont pas introduites ad hoc mais découlent directement de l’évolution unitaire.

On peut même soutenir que cette interprétation correspond, en un certain sens, à la formulation la plus “minimale” de la mécanique quantique : elle conserve la dynamique unitaire sans ajouter de mécanisme supplémentaire de collapse, et elle évite d’introduire une coupure a priori entre système et observateur. Les autres interprétations peuvent alors être vues comme des façons de restreindre ou de compléter cette structure pour la rendre plus conforme à certaines intuitions.

Enfin, sur la mention du cadre “non relativiste”, j’ai l’impression qu’elle mérite d’être clarifiée. Il est vrai que la formulation d’Everett est historiquement plus simple dans ce cadre, mais l’idée centrale (évolution unitaire sans collapse et rôle de la décohérence) semble s’étendre au cadre relativiste, notamment en théorie quantique des champs, où les “branches” peuvent être comprises comme des structures émergentes plutôt que comme des objets fondamentaux. Des travaux contemporains (Saunders, Wallace, etc.) vont clairement dans ce sens.

Du coup, je ne suis pas certain que la restriction au cadre non relativiste constitue une limitation de fond pour cette interprétation.

En résumé, j’ai l’impression que les difficultés que vous soulevez (observabilité, statut des branches, etc.) reposent en grande partie sur une définition préalable de l’existence qui est elle-même discutable. Si l’on adopte une conception plus indépendante de l’observabilité, ces difficultés me semblent nettement moins contraignantes.

[Adrien Vila Valls]

une question naïve: une mesure quantique ne serait elle l'interaction entre un détecteur et un phénomène à un instant "T" en une localisation "L" ?

une deuxième :Est il possible de rendre compte d'une onde dans sa globalité en quantique ? sait on le faire ?

Pour la première question :

J’ai envie de répondre : cela dépend de l’interprétation que l’on adopte, mais globalement oui.

La mécanique quantique “des manuels” tend en effet à ne pas décrire explicitement le processus de mesure lui-même : l’appareil de mesure est souvent traité comme extérieur à la description quantique, et on introduit directement un “résultat”.

Mais rien n’empêche, en principe, de modéliser la mesure comme une interaction physique entre le système étudié et l’appareil de mesure. Dans ce cas, il faut traiter le système, l’appareil et même l’environnement comme des systèmes quantiques. L’interaction va alors produire une intrication entre ces différents éléments.

La théorie prédit alors un état global superposé, corrélé aux différents résultats possibles de la mesure, qui s’étend progressivement à l’environnement (ce qui est souvent résumé par l’idée d’une “superposition macroscopique”).

Cependant, en pratique, cette superposition ne donne pas lieu à des interférences observables à cause de la décohérence : les interactions avec l’environnement rendent les différentes composantes de la superposition effectivement indépendantes les unes des autres du point de vue des observations.


Pour la deuxième question, je ne suis pas sûr de bien la comprendre.

Si la question est : peut-on rendre compte des phénomènes ondulatoires en général dans le cadre de la physique quantique, alors la réponse est oui. Par exemple, les ondes électromagnétiques sont décrits quantiquement dans le cadre de l'électrodynamique quantique, et les ondes mécaniques (microscopiques) sont décrits quantiquement dans le cadre de la physique de la matière condensée, et les deux types de phénomènes sont décrites dans un cadre théorique partagé: la théorie quantique des champs.

Si la question porte plutôt sur la fonction d’onde elle-même, alors la situation est un peu différente. La fonction d’onde décrit l’état du système étudié, et lorsqu’on considère plusieurs systèmes en interaction, on doit en principe considérer une fonction d’onde globale décrivant l’ensemble.

En revanche, les mesures que l’on effectue ne portent généralement pas directement sur la fonction d’onde. On accède plutôt à des observables (positions, impulsions, etc.), et la fonction d’onde permet d’en prédire les résultats. Par exemple, la phase globale d’une fonction d’onde n’est pas observable, même si des différences de phase peuvent produire des effets mesurables (comme dans les interférences).

Donc on peut bien décrire des “ondes” au sens quantique, mais on n’accède pas directement à toute leur structure par une seule mesure

[titijoy3]

merci pour les réponses, elles correspondent bien à ce que je pressentais

[coussin]

Pour la deuxième question, je peux pointer vers la tomographie quantique qui vise à reconstituer une fonction d'onde via de multiples mesures.
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_tomography

[chaverondier]

La définition de Wheeler... me semble identifier l’existence d’un phénomène au fait qu’il laisse des traces observables, c’est-à-dire à l’accessibilité (au moins en principe) de l’information. Cela revient à faire dépendre une notion ontologique (ce qui existe) d’un critère épistémologique (ce qui est accessible à l’observation).

Ou à accepter que la notion d'ontologie, au sens objet ou phénomène dont les propriétés auraient une existence indépendante de toute considération d'observateur, soit une illusion. Cette illusion me semble correspondre au point de vue réaliste des de Broglie, Schrödinger, Einstein, Bohm, Bell, Bricmont, Prigogine, Jaynes, Laloë, Valentini, Scarani, Goldstein, Vaidman, Albert, Arminjon, Aspect, peut-être Gisin par opposition au point de vue positiviste des Bohr, Born, Heisenberg, Gell-mann, Peres, Rovelli, Fuchs, Bitbol, Grinbaum...

Pour ma part, je ne crois plus au point de vue réaliste. Même des entités considérées comme réelles bien que non observables sont déduites de théories reposant sur des hypothèses ou principes émergeant de faits d'observation, intersubjectivement reproductiblement observables.

Les notions de propriété physique objective et d'ontologie me semblent issues d'une vision de la physique héritée, à notre insu, de la science de la fin du 19ème siècle. A cette époque la communauté scientifique était convaincue que l'univers était régi par une évolution objectivement déterministe de grandeurs nous offrant une description objective des lois de l'univers. On pensait que cette description se rapprocherait de plus en plus d'une réalité dont les propriétés auraient une existence intrinsèque, objective, indépendante de toute considération d'observateur et de sa grille de lecture. Pour ma part, j'ai (maintenant) la quasi-certitude qu'il s'agit là d'une erreur d'interprétation de la physique et je précise ci-dessous un peu plus en détail ce point de vue.

Restreindre l’existence à ce qui est accessible reviendrait à faire dépendre l’ontologie de nos capacités d’accès, ce qui me semble difficile à soutenir de manière générale.

Pas de doute, envisager l'inverse entre en violent conflit avec notre intime conviction, une intuition émergeant de notre vie de tous les jours. Quand je pose un objet sur une table, la table est solide, physique, réelle ; ses propriétés ne doivent rien à l'observation ; cet objet est physique, réel, ses propriétés ne doivent rien à l'observation non plus. D'ailleurs, si quelqu'un se trouve à côté de moi, il va confirmer la réalité de ces 2 objets et la réalité jugée objective de leurs propriétés. Elles ne doivent donc rien à l'observation...

...et pourtant, à titre d'exemple, une particule de spin 1/2 en état de spin up ne possède pas de spin horizontal. C'est ma mesure de spin horizontal qui lui en confère un. A mon sens, d'une façon plus générale, aucune des lois, propriétés, constantes fondamentales de la physique que nous attribuons à (nos interactions) avec l'univers n'existeraient en absence des faits d'observation reproductiblement et intersubjectivement observables dont elles sont issues. Je précise :

• sans observateur macroscopique, pas de grandeurs macroscopiques
• sans grandeurs macroscopiques, pas d'état d'équilibre ("un" état dont les grandeurs macrocopiques sont des constantes)
• sans état d'équilibre, pas de traces du passé (les traces du passé sont des états d'équilibre)
• sans traces du passé pas d'information intersubjectivement et reproductiblement extraites de ces traces (le caractère reproductible et intersubjectif des informations extraites de ces traces provient de l'indistinguabilité des microétats appartenant à "un" même macroétat d'équlibre.)
• sans informations reproductiblement et intersubjectivement accessibles aux observateurs macroscopiques, pas le lois, propriétés et constantes fondamentales de la physique extraites de ces traces (objet, de ce fait, d'un large consensus scientifique).

Au même titre que l'écoulement irréversiblement du temps (parfois injustement qualifié d'illusion par les tenants d'une interprétation réaliste de la physique), les lois, propriétés et constantes de la physique que nous attribuons à (nos interactions avec) l'univers découlent (selon moi) de notre grille de lecture d'observateurs macroscopiques (2). Elles n'existent pas en l'absence de cette grille de lecture.

Si nous nétions pas "myopes", nous serions aveugles

(une formulation d'ailleurs encore trop réaliste. Elle attribue une existence objective aux propriétés que crée notre grille de lecture)

Cf. la vidéo conférence la flèche du temps et "The arrow of time issue, an overview" pour plus de détails.

Dans le cas d’Everett, ces structures ne sont pas introduites ad hoc mais découlent directement de l’évolution unitaire. On peut même soutenir que cette interprétation correspond, en un certain sens, à la formulation la plus “minimale” de la mécanique quantique : elle conserve la dynamique unitaire sans ajouter de mécanisme supplémentaire de collapse, et elle évite d’introduire une coupure a priori entre système et observateur. Les autres interprétations peuvent alors être vues comme des façons de restreindre ou de compléter cette structure pour la rendre plus conforme à certaines intuitions.

Complètement d'accord avec ça.

Par contre, quant à savoir si ces mondes parallèles inobservables correspondent ou pas à une sorte de réalité physique, je suis assez sceptique. A mon sens, on pourra leur attribuer une réalité physique si, un jour ou l'autre (plutôt l'autre à mon avis) on trouve une modification de la théorie quantique (justifiée par l'observation) permettant de rendre ces univers parallèles accessibles à l'observation...

...En forçant un peu le trait, on va pouvoir discuter avec un double ou un triple de nous-même ? Vraiment ? A mon sens, l'attribution d'un caractère de réalité physique à ces mondes multiples découle d'une interprétation réaliste de l'état quantique combinée à son interprétation comme caractérisant l'état d'un système individuel (et non comme caractérisant l'état d'un ensemble statistique).

Voilà ce que nous dit Peres de l'interprétation réaliste de l'état quantique dans Quantum information and special relativity.

In this review we shall adhere to the view that ρ is only a mathematical expression which encodes information about the potential results of our experimental interventions. The latter are commonly called “measurements” — an unfortunate terminology, which gives the impression that there exists in the real world some unknown property that we are measuring. Even the very existence of particles depends on the context of our experiments. In a classic article, Mott (1929) wrote “Until the final interpretation is made, no mention should be made of the α-ray being a particle at all.” Drell (1978).

Tant que rien d'observable ne peut être extrait de l'hypothèse d'une réalité physique de ces univers parallèles, je préfère les considérer comme non pertinentes pour représenter autre chose qu'un outil statistique d'inférence caractérisant les propriétés d'un ensemble et non l'état d'un système individuel. D'ailleurs, la formulation time-symmetric de la physique quantique donne raison à Einstein quand il avait émis, sous forme de question, le point de vue selon lequel la théorie quantique standard donnait une description physique incomplète, la description d'un ensemble statistique et non celle d'un système individuel (comme le fait remarquer Jaynes, cf. Clearing up mysteries, § Confrontation or reconciliation)...

...sans toutefois négliger le fait que l'interprétation d'Everett émerge (comme vous le faites remarquer) de façon mathématiquement parfaitement inévitable d'une théorie quantique ayant très largement fait ses preuves (1). La découverte par Dirac d'antiélectrons, avant qu'ils ne soient observés, rappelle que, parfois, la théorie nous prédit ou parfois suggère à juste titre des phénomènes qui n'ont jamais auparavant été observés.

(1) A condition, toutefois, que l'on ne rajoute pas, dans la théorie quantique, de collapse de l'état quantique... ...Un collapse pourtant observable mais mathématiquement incompatible avec l'unitarité des évolutions quantiques (unitarité d'évolution impliquant réversibilité, déterminisme et conservation de l'information). Mais ce n'est pas vraiment la violation d'unitarité le problème. La fuite d'information hors de portée l'observateur macroscopique est la source de cette violation d'unitarité (comme le font remarquer Sean Caroll ou encore Huw Price par exemple). Par contre, l'unicité du résultat de mesure observé amène des questions (c'est qui "je" dans l'interprétation de mondes multiples. Il y a un autre "je" qui vis autre chose ? Lui aussi pense être "je") que l'on n'est même pas sûr de savoir poser correctement... mais auxquelles l'interprétation d'Everett de la théorie quantique est sensée apporter une réponse... Enfin, une réponse mathématique...
...au prix de l'attribution d'une sorte de réalité physique aux mondes multiples inobservables émergeant de cette interprétation à chaque mesure quantique (ou mesure quantique-like).

(2) Des observateurs macroscopiques cad des êtres vivants recueillant et traitant sensiblement les mêmes grandeurs macroscopiques.