Mais qui a tué le chat de Schrödinger ?
Le chat de Schrödinger, vous en avez certainement déjà entendu parler, même de loin. C’est ce pauvre chat qu’on a enfermé dans une boîte dont on ne sait pas s’il est vivant ou mort et qui devient à la fois mort et vivant. Cela n’a pas grand sens, me direz-vous. Comment un chat peut-il être à la fois mort et vivant ? Avant toute chose, rassurez-vous, l’expérience du chat de Schrödinger est une expérience de pensée. Erwin Schrödinger n’a pas réellement enfermé son chat dans une boîte hermétique. Il a imaginé cette expérience afin de se confronter aux paradoxes de la physique quantique. Avec cette expérience, Schrödinger illustre à l’échelle macroscopique (à l’échelle d’un chat en l’occurrence) la superposition des états quantiques, qui est l’une des grandes bizarreries de la physique quantique. L’électron, ce super-héros Revenons un peu en arrière, et reprenons quelques bases. Vous, et tous les objets que vous pouvez observer autour de vous, êtes régis par les lois de la physique classique, celle qui décrit les objets macroscopiques (= ceux qui sont à notre échelle) et notre environnement quotidien. La physique quantique, quant à elle, décrit les objets microscopiques : les atomes et les particules, qui n’agissent pas du tout de la même façon que les objets macroscopiques. La superposition d’états quantiques, que Schrödinger interroge grâce à son expérience de pensée, est un phénomène (vraiment) très étrange de la physique quantique qui implique qu’un objet quantique puisse se trouver dans plusieurs états à la fois, et donc par exemple à plusieurs endroits à la fois. Donc, si on en croit la physique quantique, un électron pourrait-il se trouver à deux endroits à la fois ? Oui, même à trois ou cinq ou une infinité d’endroits à la fois. Mais, comme toujours en physique quantique, ce n’est pas si évident que ça (sans blague ?) et quand on vous dit qu’un électron est “à deux endroits à la fois” c’est une façon d’exprimer les choses qui, comme David Louapre l’exprime très bien dans son billet sur le sujet, ne colle pas à la réalité physique de l’infiniment petit puisqu’elle implique d’appliquer des concepts classiques là où ils ne fonctionnent plus. En gros, gardez toujours en tête que ce qu’on vous explique dans le cadre d’une vulgarisation est à prendre pour ce que c’est, c’est à dire une approximation pour vous aider à appréhender une idée. Onde ou corpuscule ? Telle est la question Et l’idée, c’est la suivante : quand on dit qu’un électron peut se trouver en plusieurs endroits différents au même moment, disons pour faire simple un point A ou un point B alors, ce qu’on dit c’est que, tant qu’on ne l’observe pas, il est effectivement à la fois au point A et au point B. On dit que ses états sont superposés. Et ce n’est pas un résultat de notre ignorance qui nous fait dire que l’électron est aux deux endroits à la fois, mais bien le fait que, tant qu’on ne l’observe pas, il n’a pas d’emplacement déterminé. Pourquoi ? Parce que les particules, qui sont, rappelons-le, de minuscules quantités d’énergie en mouvement, se comportent à la fois comme des ondes et comme des corpuscules. C’est la dualité onde-corpuscule, l’un des principes de base de la physique quantique. L’équation pour connaître la position de l’électron fait entrer en jeu les probabilités. Tant qu’il se comporte comme une onde, notre électron a x% de chances de se trouver au point A et y% de se trouver au point B. C’est ce qu’on appelle la fonction d’onde. Lorsqu’on décide d’observer cet électron, qu’on le mesure, on provoque la disparition de la superposition, de sorte que l’on observe cet électron à un endroit précis, au point A ou au point B. Ainsi, lorsque l’on observe l’état de notre électron et que celui-ci “choisit” un état (emplacement A par exemple), on parle alors de réduction de la fonction d’onde (on encore effondrement de la fonction d’onde). Dès lors, on l’observe en tant que particule et non pas en tant qu’onde. Oui, ça paraît gros et il est difficile d’admettre que quelque chose puisse réellement être dans deux états différents à la fois. Et c’est justement ça qu’a tenté de mettre en lumière Schrödinger en 1935 avec son expérience de pensée. Mais attention, Schrödinger ne dit pas avec cette expérience que les lois de la physique quantique s’appliquent à son chat, il essaie simplement d’illustrer les paradoxes de la physique quantique à notre échelle. Et le chat dans tout ça ? Bon… avec toutes ces explications sur la physique quantique, on ne vous a toujours pas dit en quoi consistait réellement cette expérience et quel sort était réservé à ce chat. Pour faire simple, Schrödinger enferme son chat dans une boîte (imaginaire, toujours) avec un mécanisme dépendant de la désintégration, ou de la non-désintégration, d’un atome. Si l’atome se désintègre, un poison est libéré qui tue le chat, s’il ne se désintègre pas, le chat reste vivant. L’atome a une chance sur deux de se désintégrer donc, tant qu’on n’ouvre pas la boîte, on ne peut pas savoir si le chat est mort ou vivant. Si l’on applique à cette situation les règles de la physique quantique, alors ce chat, tant qu’on n’ouvre pas la boîte pour observer son état, est dans une superposition de ces deux états, à la fois mort et vivant. C’est en ouvrant la boîte et en l’observant qu’on déterminera l’état du chat, qui sera alors ou mort ou vivant. A travers cette expérience, Schrödinger met donc en avant l’impossibilité de concilier la physique classique et la physique quantique. Alors, vous avez tout compris ? Si ce n’est pas le cas, rassurez-vous, c’est tout à fait normal car, pour citer le très célèbre Richard Feynman (l’un des maîtres de la discipline) : “Si vous pensez comprendre la mécanique quantique, c’est que vous ne la comprenez pas”. Fanny Aici Pour aller plus loin Regardez la vidéo de la chaîne Science Etonnante sur la superposition des états quantiques : A LIRE AUSSI SUR VIVRE AU LYCEE
