La démonstration qui a transformé les idées du grand Isaac Newton sur la nature de la lumière était incroyablement simple. Il "peut être répété avec une grande facilité partout où le soleil brille", a déclaré le physicien anglais Thomas Young en novembre 1803 aux membres de la Royal Society de Londres, décrivant ce que l'on appelle maintenant l'expérience de la double fente. Et Young n'était pas un jeune enthousiaste. Il a proposé une expérience élégante et élaborée démontrant la nature ondulatoire de la lumière, et a ainsi réfuté la théorie de Newton selon laquelle la lumière est composée de corpuscules, c'est-à-dire de particules.
Mais la naissance de la physique quantique au début des années 1900 a montré clairement que la lumière est composée de minuscules unités indivisibles - ou quanta - d'énergie que nous appelons photons. L'expérience de Young avec des photons uniques, ou même avec des particules individuelles de matière telles que des électrons et des neurones, est un mystère qui vous amène à vous interroger sur la nature même de la réalité. Certains l'ont même utilisé pour affirmer que le monde quantique est influencé par la conscience humaine. Mais une simple expérience peut-elle vraiment le démontrer?
La conscience peut-elle définir la réalité?
Dans sa forme quantique moderne, l'expérience de Young consiste à tirer des particules individuelles de lumière ou de matière à travers deux fentes ou trous découpés dans une barrière opaque. D'un côté de la barrière se trouve un écran qui enregistre l'arrivée des particules (par exemple, une plaque photographique dans le cas des photons). Le bon sens nous fait nous attendre à ce que les photons traversent l'une ou l'autre fente et s'accumulent derrière le passage correspondant.
Mais non. Les photons frappent certaines parties de l'écran et en évitent d'autres, créant des stries alternées de lumière et d'obscurité. Ces soi-disant franges ressemblent à l'image de la rencontre de deux vagues. Lorsque les crêtes d'une vague s'alignent avec les crêtes d'une autre, vous obtenez une interférence constructive (stries brillantes), et lorsque les crêtes s'alignent avec des creux, vous obtenez une interférence destructrice (obscurité).
Mais un seul photon traverse l'appareil à la fois. Il semble que le photon traverse les deux fentes à la fois et interfère avec lui-même. Ceci est contraire au sens commun (classique).
Mathématiquement parlant, ce n'est pas une particule physique ou une onde physique qui traverse les deux fentes, mais la fonction dite d'onde - une fonction mathématique abstraite représentant l'état d'un photon (dans ce cas, la position). La fonction d'onde se comporte comme une onde. Il frappe deux fentes et de nouvelles ondes sortent de l'autre côté des fentes, se propagent et interfèrent l'une avec l'autre. La fonction d'onde combinée calcule la probabilité de l'emplacement du photon.
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Le photon a une forte probabilité d'être là où les deux fonctions d'onde interfèrent de manière constructive, et faible - là où l'interférence est destructive. Les mesures - dans ce cas, l'interaction de la fonction d'onde avec la plaque photographique - conduit à "l'effondrement" de la fonction d'onde, à son effondrement. En conséquence, il pointe vers l'un des endroits où le photon se matérialise après la mesure.
Cet effondrement apparemment induit par la mesure de la fonction d'onde est devenu la source de nombreuses difficultés conceptuelles en mécanique quantique. Avant l'effondrement, il n'y a aucun moyen de dire avec certitude où le photon aboutira; il peut être n'importe où avec une probabilité non nulle. Il n'y a aucun moyen de tracer la trajectoire d'un photon de la source au détecteur. Le photon est irréel dans le sens où un avion volant de San Francisco à New York est réel.
Werner Heisenberg, entre autres, a interprété ces mathématiques de telle manière que la réalité n'existe pas tant qu'elle n'est pas observée. «L'idée d'un monde réel objectif, dont les plus petites particules existent objectivement au même sens que les pierres ou les arbres existent, que nous les observions ou non, est impossible», écrit-il. John Wheeler a également utilisé une variante de l'expérience de la double fente pour déclarer qu '«aucun phénomène quantique élémentaire ne sera un phénomène tant qu'il ne deviendra pas un phénomène enregistré (« observé »,« enregistré pour certain »)».
Mais la théorie quantique ne donne absolument aucune idée de ce qui compte comme «mesure». Elle postule simplement que l'appareil de mesure doit être classique, sans définir où se situe cette ligne entre le classique et le quantique, et en laissant la porte ouverte à ceux qui croient que l'effondrement provoque la conscience humaine. En mai dernier, Henry Stapp et ses collègues ont déclaré que l'expérience à double fente et les versions modernes suggèrent qu '"un observateur conscient peut être nécessaire" pour donner un sens au domaine quantique, et que l'intelligence transpersonnelle est au cœur du monde matériel.
Mais ces expériences ne sont pas des preuves empiriques de telles affirmations. Dans une expérience à double fente réalisée avec des photons uniques, on ne peut tester que les prédictions probabilistes des mathématiques. Si les probabilités apparaissent lorsque des dizaines de milliers de photons identiques sont envoyés à travers la double fente, la théorie dit que la fonction d'onde de chaque photon s'est effondrée - grâce à un processus flou appelé mesure. C'est tout.
En outre, il existe d'autres interprétations de l'expérience à double fente. Prenons, par exemple, la théorie de Broglie-Bohm, qui dit que la réalité est à la fois une onde et une particule. Le photon est dirigé vers la double fente à une certaine position à tout moment et passe à travers une fente ou l'autre; par conséquent, chaque photon a une trajectoire. Il traverse une onde pilote qui pénètre dans les deux fentes, interfère et dirige ensuite le photon vers le site d'interférence constructive.
En 1979, Chris Dewdney et ses collègues du Brickbeck College de Londres ont modélisé la prédiction de cette théorie des chemins des particules qui traverseraient une double fente. Au cours des dix dernières années, les expérimentateurs ont confirmé l'existence de telles trajectoires, bien qu'ils aient utilisé la technique controversée des mesures dites faibles. Malgré la controverse, des expériences ont montré que la théorie de Broglie-Bohm est toujours capable d'expliquer le comportement du monde quantique.
Plus important encore, cette théorie n'a pas besoin d'observateurs ou de mesures ou de conscience intangible.
Les soi-disant théories de l'effondrement n'en ont pas non plus besoin, d'où il résulte que les fonctions d'onde s'effondrent de manière aléatoire: plus le nombre de particules dans un système quantique est grand, plus l'effondrement est probable. Les observateurs enregistrent simplement le résultat. L'équipe de Markus Arndt à l'Université de Vienne en Autriche a testé ces théories en envoyant des molécules de plus en plus grosses à travers une double fente. Les théories de l'effondrement prédisent que lorsque les particules de matière deviennent plus massives qu'un certain seuil, elles ne peuvent plus rester dans une superposition quantique et traverser les deux fentes en même temps, ce qui détruit le motif d'interférence. L'équipe d'Arndt a envoyé une molécule de 800 atomes à travers la double fente et a encore vu des interférences. La recherche du seuil se poursuit.
Roger Penrose avait sa propre version de la théorie de l'effondrement, dans laquelle plus la masse d'un objet en superposition est élevée, plus il s'effondre rapidement dans un état ou un autre en raison d'instabilités gravitationnelles. Encore une fois, cette théorie ne nécessite aucun observateur ni aucune sorte de conscience. Dirk Boumeester de l'Université de Californie à Santa Barbara teste l'idée de Penrose avec une version de l'expérience à double fente.
Conceptuellement, l'idée n'est pas seulement de mettre un photon dans une superposition de passage à travers deux fentes en même temps, mais aussi de mettre une des fentes en superposition et de la faire être à deux endroits en même temps. Selon Penrose, la fente remplacée restera soit en superposition, soit s'effondrera avec un photon à la volée, ce qui conduira à des motifs d'interférence différents. Cet effondrement dépendra de la masse des fentes. Boumeester travaille sur cette expérience depuis dix ans et pourrait bientôt confirmer ou infirmer les affirmations de Penrose.
En tout cas, ces expériences montrent que nous ne pouvons encore faire aucune affirmation sur la nature de la réalité, même si ces affirmations sont bien étayées mathématiquement ou philosophiquement. Et étant donné que les neuroscientifiques et les philosophes de l'esprit ne peuvent s'entendre sur la nature de la conscience, l'affirmation selon laquelle elle conduit à l'effondrement des fonctions d'onde serait au mieux prématurée et au pire erronée.
Ilya Khel
