Les limites de la connaissance 6-2) Réalisme et monde quantique: éléments de physique quantique

La science nous permettra-t-elle un jour de tout savoir? Ne rêve-t-elle pas d'une formule qui explique tout? N'y aurait-il rien qui entrave sa marche triomphale? Le monde deviendra-t-il transparent à l'intelligence humaine? Tout mystère pourra-il être à jamais dissipé?

Hervé Zwirn pense qu'il n'en n'est rien.La science, en même temps qu'elle progresse à pas de géant marque elle même ses limites. C'est ce que montre la découverte des propositions indécidables qui ont suivi le théorème de Gödel. Ou celle des propriétés surprenantes du chaos déterministe. Ou encore les paradoxes de la théorie quantique qui ont opposé Einstein et Bohr  en mettant en cause toute notre manière de penser.

(Je voudrais ici faire partager ma lecture de Hervé Zwirn).

1) Les systèmes et les états. L'état d'un système.

a) l'état en physique classique.

- Un système est un morceau de réalité, selon l'expression de David Ruelle, qu'on isole par la pensée. La description physique doit préciser les entités corps matériels, champs, etc...) et ses propriétés physiques qu'il faudra décrire et prédire, avec différents niveaux de précision (par exemple une boule en métal aimantée se déplaçant sur un billard, en considérant que la boule est assez petite pour être un point matériel et le champ magnétique trop faible pour influencer le mouvement). La représentation adoptée sera celle d'un point matériel M de masse m glissant sur une surface plane dont les seules propriétés considérées sont la position ou la vitesse à chaque instant. Ce qu'on cherche à décrire, c'est l'évolution des propriété physiques retenues comme faisant partie du système (la position et la vitesse de la boule...). La donnée des valeurs de chacune des grandeurs physiques appartenant à un système constitue "l'état " du système à cet instant. Cette notion d'état est fondamentale. En physique classique, il semble aller de soi qu'à tout instant un système est dans un état bien défini, les grandeurs physiques qui lui sont attachées possèdent des valeurs déterminées précisément. Un boule possède une position et une vitesse parfaitement définies, même si nous ne les connaissons pas. Il y  a une correspondance parfaite entre la boule réelle et sa description par la donnée de son état. On peut ainsi associer à la boule une trajectoire qui est l'ensemble de ses positions successives au cours du temps. Toute liste de valeurs ne représente pas forcément un état réel, deux nombres décrivant une position située en dehors du billard ne correspondent pas à un état possible (c'est un état descriptible en termes linguistiques) . Le modèle doit spécifier quelles contraintes pèsent sur sur ces valeurs et préciser comment elles varient. 

Certains formalismes sont tels qu'en faisant la somme (éventuellement pondérée, on l'appelle alors une "combinaison linéaire") de deux états possibles, on obtient un nouvel état possible du système. Si E et E' sont deux états représentés respectivement par des listes de valeurs (x,y,....t) et (x',y',....t'), L'état E = E' est représenté par (x+x', y+y',...t+t'). Une combinaison linéaire est un somme pondérée de type aE + bE'. Elle correspond à la liste de valeurs (ax + bx', ay +by',...at +bt'). Si on assimile l'état du système, en tant que liste de nombre, à un vecteur, les états forment un espace vectoriel dit "espace des états".  Un exemple en électrostatique est l'état d'un ensemble de corps conducteurs à l'équilibre. 

- En physique classique, on constate "un engagement ontologique" fort quant aux propriétés des systèmes physiques et aux états correspondants: à tout système peuvent être attachées des propriétés qui lui appartiennent en propre et qui prennent à tout moment des valeurs bien définies (vitesse, position, moment cinétique, température...).  De plus, elles sont simultanément définies et mesurables. Le fait de mesurer la valeur d'une de ces propriétés ne modifie en rien la valeur possédée par les autres propriétés et ne change pas l'état du système mesuré (Si on mesure la valeur d'une propriété qui stipule que la valeur de cette propriété est α, on est assuré de trouver α et réciproquement, si on a mesuré la valeur α pour une propriété, on est sûr que le système est dans un état qui correspond à cette valeur pour la propriété en question. A tout système correspond un état bien défini et réciproquement il est possible d'interpréter la liste des nombres entrant dans la description d'un état comme celles de l'état d'un système dont les propriétés à cet instant  ont les valeurs correspondantes. Ces valeurs peuvent ne pas être possibles pour le système, mais elles sont interprétables en termes de sens. Un état où la boule de billard est à l'extérieur du billard n'est pas possible, à cause des contraintes où elle est emprisonnée sur la table, mais un tel état est descriptible en termes linguistiques ). 

-En mécanique quantique, la situation est différente. Non seulement il existe des systèmes qui ne sont dans aucun état défini mais, de plus, certains états précis ne sont pas interprétables en termes linguistiques classiques.  Il n'est plus possible de considérer que les propriétés d'un système possèdent toutes simultanément des valeurs définies. Mesurer une propriété peut avoir comme conséquence de changer une autre propriété. Cela pose donc le problème de la signification qu'il faut accorder au concept d'état quantique et à celui de propriété possédée par un système. 

L'état d'un système est quelquefois appelé sa fonction d'onde (cette dénomination provient de la mécanique ondulatoire de Schrödinger) . Un des principes de la mécanique quantique qu'on appelle "le principe de superposition", stipule que toute combinaison linéaire d'états quantiques possibles du système est un état quantique possible du système. Il en résulte que les états quantiques forment un espace vectoriel qu'on appelle "espace de hilbert des états". Ce principe n'est pas accessoire mais il constitue un des fondements de la mécanique quantique. Certains états (on les appelle "états superposés") obtenus par combinaisons linéaires d'états donnés, bien que possibles selon la théorie ne sont pas interprétables en termes classiques (cela signifie qu'ils ne correspondent pas à des valeurs définies des grandeurs physiques concernées). 

Vu son importance, ce principe est détaillé ci-dessous, il sera par la suite largement commenté. 

En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut possèder plusieurs valeurs pour une certaine quantitéobservable (spin, position, quantité de mouvement etc.)

Ce principe résulte du fait que l'état - quel qu'il soit - d'un système quantique (une particule, une paire de particules, un atome etc..) est représenté par un vecteur dans un espace vectoriel nommé espace de Hilbert (premier postulat de la mécanique quantique).

c_i étant le coefficient complexe de la combinaison linéaire, et  les vecteurs de la base choisie (qui dépend de l'observable).

2) Le spin et les états superposés.

De façon générale, un objetpossède un spin  s'il est invariant sous une rotation d'angle . Une étoile à cinq branches possède un spin 5 car il est suffisant de lui faire faire une rotation de 

Le spin est une propriété des particules qui ne peut être décrite qu'en physique quantique.  Intuitivement, on peut se représenter une particule comme une boule tournant sur elle-même. Le spin serait alors l'équivalent de son moment cinétique de rotation propre. 

Cette notion a été historiquement proposée pour les électrons par Uhlenbeck et Goudsmit en 1925 pour rendre compte des spectres atomiques, notamment le dédoublement des raies spectrales du sodium. Elle s'est appliquée ensuite à toute particule quantique (proton, neutron, noyau, photon, ...). Très vite après son introduction, Pauli développa l'idée de spin en lui donnant une formulation algébrique. Il essaya surtout de se dégager de la représentation initiale qui en était faite, et qui perdure encore quand il s'agit de l'expliquer "qualitativement". En effet le spin est couramment présenté comme le moment cinétique propre d'un objet tournant sur lui-même comme les planètes ou les balles de tennis. Cette interprétation est très insuffisante pour expliquer nombre de phénomènes. Le spin est en fait une grandeur dont le sens n'apparaît clairement et naturellement que lorsqu'on se place dans le cadre de la mécanique quantique relativiste (Dirac en 1928, Wigner en 1939). Ceci implique que le spin est un "objet" purement quantique dont la compréhension physique reste, encore à l'heure actuelle, à compléter. Malgré cela, la réalité du spin est prouvée et il est surprenant que les règles le concernant soient relativement simples. En particulier, le spin est quantifié, c'est à dire, puisque c'est un vecteur, que ses projections sur un axe ne peuvent prendre que des valeurs particulières, entières ou demi-entières. Une particule de spin demi-entier est un fermion, une particule de spin entier est un boson. 

C'est un peu comme une boule qui ne pourrait tourner sur elle-même qu'à des vitesses multiples de de 1 tour par seconde (1/2 tour/s pour les fermions). Elle pourrait ainsi tourner à 0,1,2 ou 10 tours/s mais pas à 2,3 tours/s. La projection sur un axe du spin d'un boson de spin entier ne peut prendre que les valeurs n,n-1,...0,-1,-2...-n et (n/2 pour des fermions). Il s'exprime en unités n = h/2π, h étant la constante de Planck. 

La mesure de la projection sur un axe du spin d'un électron se fait au moyen d'un appareil de Stern et Gerlach (voir image en illustration du chapitre 1).

 On fait passer l'électron dans un champ magnétique orienté selon l'axe voulu. Celui-ci est dévié vers le haut ou vers le bas selon que son spin est +1/2 ou -1/2. On observe son impact sur l'écran pour connaître la valeur de son spin selon l'axe considéré. Notons |+>z et |->z les états où la projection du spin suivant Oz est égal à +1/2 et -1/2. L'état de combinaison linéaire 1/√2 [+>z + |->z ] est un état possible (combinaison linéaire). Cependant, il ne correspond à aucune valeur définie de la projection su spin suivant Oz. La théorie prédit que le résultat sera tantôt 1/2, tantôt -1/2, avec une répartition égale entre les deux valeurs. Plus généralement, une mesure du spin suivant Oz d'un électron dans l'état [Cosα |+>z + Sinα |->z  ] donnera +1/2 avec une probabilité Cos²α et -1/2 avec la probabilité  Sin²α.  Cela signifie que si on considère un ensemble de N électrons, dans l'état en question et qu'on effectue une mesure de spin suivant Oz, on obtiendra en moyenne, NCos²α électrons dont le spin suivant Oz est 1/2 et NSin²α. dont le spin suivant Oz est -1/2. 

La conclusion est que dans un tel état superposé, la projection du spin suivant Oz ne possède aucune valeur définie. On peut être tenté de de dire que la superposition ne serait que l'expression formelle du mélange de plusieurs états différents, mais dont chacun correspondrait à une valeur bien définie du spin. C'est inexact.

 Considérons, d'un côté, un ensemble E de N électrons dans un état superposé, et de l'autre, un ensemble E' de N électrons dont un proportion Cos²α est dans l'état |+>z et une proportion Sin²α est dans l'état |->z. Si la superposition n'est qu'une manière formelle d'exprimer un mélange, les deux ensembles doivent être identiques et toutes les prédictions qu'on peut faire sur les deux ensembles doit coïncider. C'est bien le cas sur les mesures qui donnent 1/2 avec une proportion Cos²α et 1/2 avec une proportion  Sin²α   pour les 2 ensembles. En revanche, les prédictions concernant un autre axe, par exemple Ox, seront différentes. Une mesure suivant Ox sur l'ensemble E donnera comme résultat 1/2(Cosα + Sinα)² et -1/2(Cosα - Sinα)². Alors que la même mesure sur l'ensemble E' donnera 1/2 et -1/2 à égalité. 

On peut montrer, de manière générale, qu'il est impossible de construire un mélange statistique d'électrons dont chacun est dans un état de spin défini suivant Oz et tel que les prédictions soient identiques pour ce mélange statistique et pour l'ensemble d'électrons dans l'état superposé correspondant. Il est donc impossible d'interpréter un ensemble de N électrons dans l'état superposé  [Cosα |+>z + Sinα |->z  ] comme un mélange d'électrons  dont une partie serait dans l'état |+>z (et aurait un spin +1/2), et une partie dans l'état |->z (spin -1/2). Il en résulte que le spin suivant Oz d'un électron dans l'état superposé  [Cosα |+>z + Sinα |->z  ] ne peut être considéré comme possédant une valeur définie. 

L'étrangeté de ce constat augmente encore si on raisonne sur la position de l'électron. Si |x> l'état d'un électron occupant la position x et |x'> celui d'un électron dans la position x', |x> +|x'> est aussi un état possible (principe de superposition).  Quelle position occupe un électron dans un tel état? La mécanique quantique répond: une fois sur 2 en x et une fois sur deux en x'. L'électron dans cet état n'occupe aucune position définie dans l'espace. Considérer qu'il est à la fois dans les 2 endroits ou qu'il est un peu dans chaque position n'a pas grand sens. On préfère considérer qu'un tel état quantique ne s'interprète pas en termes macroscopiques habituels. Les objets auxquels nous sommes habitués ne se trouvent jamais dans un état comparable. Réinterprétation de l'expérience des trous d'Young. On a vu que quand on éclaire les trous, on peut voir par lequel passent les électrons. Notons |1> l'état de l'électron qui correspond au passage de l'électron par le premier trou et |2> celui qui correspond au passage par le deuxième trou. |1> + |2> est un état possible de l'électron. Par quel trou est passé l'électron qui est dans ce état? Il est impossible d'interpréter l'état superposé comme correspondant à un électron qui est passé par un des trous. Cette indétermination est valable pour toutes les propriétés physiques du système. 

3) Le principe de réduction du paquet d'ondes. La mesure quantique.

En mécanique classique, on suppose qu'il est toujours possible de mesurer la valeur d'une propriété sans perturber le système. Un mesure ne fait que constater la valeur et n'a aucune influence sur l'état du système. En mécanique quantique, il en va différemment. 

Le processus de mesure est régi par le principe de réduction du paquet d'ondes (ainsi appelé en référence à la fonction d'onde du système). Il énonce quelles sont les valeurs qu'il est possible de trouver quand on mesure une propriété sur un système dans un état donné et quel sera l'état du système après la mesure, en fonction du résultat trouvé. De plus, en mécanique classique, les grandeurs observables sont des nombres ou des vecteurs (listes de nombres). Le formalisme quantique associe à chaque grandeur physique observable d'un système (position, impulsion, spin, énergie...) un opérateur appelé justement "une observable". Un opérateur est une fonction de l'espace des états dans lui-même qui fait correspondre à chaque vecteur d'état un autre vecteur d'état  . On appelle vecteur propre d'un opérateur un vecteur tel que l'action de l'opérateur a pour effet de la multiplier par une constante. Si P est un opérateur et  un vecteur d'état,  sera un vecteur propre (ou "état propre"), Si  = λ . La constante λ est appelée "valeur propre" associée au vecteur propre . Un opérateur a en général plusieurs valeurs propres. 

Le principe de réduction du paquet d'ondes stipule que:

a) Mesure d'une observable A: les seuls résultats qu'on peut trouver sont les valeurs propres de A.

b) Si on trouve la valeur propre a comme résultat de la mesure, le système se trouvera après le mesure dans l'état propre de A correspondant à la valeur propre a. 

c) La probabilité de trouver la valeur propre a comme résultat de la mesure = carré d'un nombre qui s'obtient à partir de l'état initial et des états propres de l'observable A.

Commentaires:

a) Pour le spin, seules les valeurs +1/2 et -1/2 (valeurs propres de l'observable associée au spin de l'électron suivant une axe) sont possibles. Dans le cas où on mesure l'énergie d'un système et où l'observable associée le "hamiltonien",  a des valeurs propres discrètes, le système ne pourra posséder que certaines énergies bien définies, c'est l'origine de la quantification de l'énergie. 

c) Dans le cas le plus général où l'observable possède plusieurs valeurs propres distinctes, il n'est pas possible de prévoir avec certitude le résultat de la mesure. La mécanique quantique ne fournit que la probabilité de tel ou tel résultat, la prédiction est non déterministe, de nature probabiliste.

4) Les observables incompatibles.

En général, appliquer à un vecteur d'état l'opérateur A, suivi de l'opérateur B n'est pas équivalent à lui appliquer d'abord B, puis A. cela signifie que qu'en général AB n'est pas égal à BA (AB ≠ BA). Lorsque AB = BA, on dit que les opérateurs commutent. Or, le formalisme quantique implique qu'il n'est pas possible de connaître simultanément la valeur de deux grandeurs physiques d'un système lorsque les observables associées ne commutent pas. En effet, il n'est possible de connaître la valeur d'une grandeur physique qu'en la mesurant. Considérons alors le système dans un état  . On peut commencer par mesurer A. Le principe de réduction dit que le résultat peut être une des valeurs propres associées à A. Mais li on a obtenu a comme résultat, l'état du système ne sera plus   mais deviendra l'état propre associé à a. Si on mesure maintenant B, on peut obtenir comme résultat l'une quelconque des valeurs propres associées de B. Supposons que nous ayons obtenu b. Le système se retrouve alors, après les deux mesures faites dans cet ordre, dans l'état propre associé à b.

 On pourrait penser qu'on connaît  simultanément la valeur de A et celle de B: a et b. Pour s'en assurer, il devrait suffire de refaire une mesure de A. On remarque d'abord que le résultat de la mesure ne peut donner que l'une des valeurs propres de l'observable mesurée et que la probabilité d'obtenir une valeur propre dépend de l'état initial et des états propres de l'observable. On n'est donc assuré d'obtenir comme résultat un valeur propre donnée que si l'état initial dans lequel se trouve le système est l'état propre correspondant à cette valeur. Si on effectue 2 fois de suite une mesure de l'observable A, on obtiendra bien deux fois la même valeur puisque le système sera projeté dans l'état propre correspondant et cette deuxième mesure ne pourra que donner le même résultat, ce qui permet d'ailleurs de donner un sens au fait qu'on a mesuré A. Dans le cas où on a fait la mesure de B en second, une nouvelle mesure de B donnera bien le résultat b. Mais si dans ce cas on fait une nouvelle mesure de A, (et si les observables ne commutent pas), l'état propre de B associé à la valeur b dans lequel se trouve le système après la mesure ayant donné cette valeur b est tel que la probabilité d'obtenir une valeur de A différente de a n'est pas nulle (car cet état propre de B n'est pas un état propre de A). Il n'est donc pas légitime d'affirmer que A possède la valeur A, la mesure de B ayant perturbé le système. Il est impossible d'affirmer que A possède une valeur définie. 

2           |a>  [A vaut a]                        A              a                 |a>    [A vaut toujours a]

3           |a>  [A vaut a]                        B              b                 |b>    [B vaut b]

4            |b>  [B vaut b, A ne vaut plus a]    A             a'≠a              |a'>   [A vaut a']

On a un résultat similaire au spin. Dans le cas du spin, le fait que la valeur du spin suivant Oz n'est pas définie quand l'électron est dans l'état superposé n'est que la manifestation du fait que dans cet état, l'électron a un spin bien défini suivant l'axe Oi et qu'il est impossible qu'il ait 

simultanément une valeur définie suivant Oz puisque les observables associées au spin suivant Oz et suivant Oi ne commutent pas. Il en est de même pour les observables position et vitesse d'une particule. 

5) L'équation de Schrödinger.

Le principe de réduction du paquet d'ondes dit comment évolue évolue l'état d'un système lorsqu'on effectue une mesure sur ce système. Mais l'état d'un système évolue en fonction du temps, même lorsqu'aucune mesure n'est effectuée sur lui. Cette loi d'évolution est une équation différentielle, "l'équation de Schrödinger" qui s'écrit en notation moderne (définition wikipedia)

L'état à l'instant t d'un système est décrit par un élément  de l'espace complexe de Hilbert (avec la notation bra-ket de Paul Dirac.  représente les densités probabilités de résultats de toutes les mesures possibles d'un système.

• i est l'unité imaginaire ;
•  est la constante de Planck réduite :  ;
•  est l'hamiltonien, dépendant du temps en général, l'observable correspondant à l'énergie totale du système ;
•  est l'observable position ;
•  est l'observable impulsion.

Sa résolution permet en principe de calculer l'état du système au temps t lorsque l'état initial est |Ψ>. Comme on l'a vu dans l'article sur le chaos déterministe,  l'évolution régie par une équation différentielle implique que celle-ci soit déterministe: si on connaît l'état initial, on peut prédire avec certitude l'état à un instant ultérieur.

Dans cet article, ont été présentées les premières notions pour essayer d'appréhender le monde quantique. Dans le prochain article, nous verrons une ébauche d'analyse des implications ontologiques. Seront évoquées les théories à variables cachées et la non-séparabilité ainsi que le problème de la mesure.