Le chat de Schrödinger expliqué simplement

L'expérience de pensée originale

Erwin Schrödinger a publié son expérience de pensée féline en 1935, dans un article intitulé « La situation actuelle de la mécanique quantique ». La configuration :

"Un chat est placé dans une boîte scellée contenant une petite quantité de substance radioactive avec une probabilité de 50 % de se désintégrer en une heure. Si une désintégration se produit, un compteur Geiger déclenche un marteau qui brise un flacon d'acide cyanhydrique, tuant le chat. S'il n'y a pas de désintégration, le chat vit."

L'atome radioactif est un système quantique : avant l'observation, il se trouve dans une superposition de « décomposé » et de « non décomposé ». Selon la mécanique quantique, l’ensemble du système (atome + détecteur + poison + chat) s’enchevêtre dans une superposition d’états : le chat est simultanément mort et vivant jusqu’à ce que la boîte soit ouverte et que le système soit observé.

Ce que Schrödinger soutenait réellement

Voici la chose la plus importante à comprendre : Schrödinger a inventé cette expérience de pensée pour contester l’interprétation de Copenhague – et non pour la célébrer.

Son argument était une réduction par l’absurde. L'interprétation de Copenhague (Bohr, Heisenberg) soutient que les systèmes quantiques existent en superposition jusqu'à ce qu'ils soient mesurés, et que la fonction d'onde est une description complète de la réalité. Schrödinger disait : "Si vous prenez cela au sérieux, vous êtes obligé de conclure qu'un chat peut être simultanément mort et vivant - ce qui est évidemment ridicule. Par conséquent, il doit y avoir quelque chose qui ne va pas dans la façon dont nous interprétons la mécanique quantique."

Il avait raison, il y a un problème. Le problème de la mesure : quand et pourquoi le monde quantique des superpositions donne-t-il naissance au monde classique défini que nous observons ? — reste l’une des questions ouvertes les plus profondes concernant les fondements de la physique.

La fonction d'onde et la superposition

En mécanique quantique, l'état d'un système est décrit par sa fonction d'onde ψ. La probabilité de trouver une particule dans un état particulier est |ψ|². Avant mesure, un atome radioactif en superposition est décrit par :

Si le destin du chat est couplé à celui de l'atome, l'état total s'enchevêtre :

C’est mathématiquement exact : le formalisme de la mécanique quantique le produit directement. La question est de savoir ce que c'est signifie. Différentes interprétations de la mécanique quantique donnent des réponses radicalement différentes.

Comment différentes interprétations le résolvent

1. Interprétation de Copenhague (Bohr, 1927)

La fonction d'onde est un outil de calcul et non une description de la réalité. Les propriétés physiques ne sont définies qu'au moment de la mesure par un observateur ou un appareil « classique ». Avant la mesure, cela n’a aucun sens de demander si le chat est vivant ou mort – la question n’a aucun sens. "Tais-toi et calcule."

Problème : Qu'est-ce qui constitue une « mesure » ? Quelle est la frontière entre le quantique et le classique ? Ceci n’est jamais défini avec précision.

2. Interprétation de plusieurs mondes (Everett, 1957)

La fonction d'onde ne s'effondre jamais. Au lieu de cela, lorsque la boîte est ouverte, l'observateur se divise en deux branches de l'univers : l'une où il voit un chat vivant, l'autre où il voit un chat mort. Chaque événement quantique divise l’univers en toutes ses issues possibles. Toutes les branches sont également réelles.

Force : Mathématiquement simple – juste une mécanique quantique unitaire, aucun postulat d’effondrement n’est nécessaire. Problème : Qu’est-ce qui détermine dans quelle branche « nous » aboutissons ? La règle de Born (règle de probabilité) doit être dérivée et non postulée – cela reste controversé.

3. Théorie des ondes pilotes / Mécanique bohmienne (de Broglie, Bohm)

Les particules ont toujours des positions et des vitesses définies, guidées par une onde réelle. Le chat est toujours définitivement vivant ou définitivement mort – mais notre ignorance des conditions initiales rend les probabilités quantiques nécessaires. Pas d'effondrement, pas de ramification.

Problème : Non local par construction (comme le prouve le théorème de Bell). Son extension à la théorie quantique relativiste des champs est controversée.

4. Théories de l'effondrement objectif (GRW, Penrose)

La fonction d’onde s’effondre physiquement – ​​mais par un processus physique réel et objectif, et pas seulement par « l’observation ». La théorie GRW ajoute des termes d'effondrement stochastique à l'équation de Schrödinger. Penrose propose que l'effondrement se produit lorsque deux branches ont des géométries espace-temps suffisamment différentes (gravité quantique). Les objets macroscopiques s’effondrent essentiellement instantanément ; des particules individuelles presque jamais.

Décohérence quantique – La résolution moderne

Le plus largement accepté pratique la résolution (mais pas une interprétation finale) est décohérence quantique, développé par Dieter Zeh, Wojciech Zurek et d’autres à partir des années 1970.

Un chat macroscopique contient de l'ordre de 10²⁸ particules, chacune interagissant constamment avec les molécules d’air, les photons et entre elles. Ces interactions enchevêtrer les états quantiques du chat avec l'environnement à un rythme extraordinaire. L’échelle de temps nécessaire à cet intrication environnementale pour rendre les superpositions quantiques incommensurablement petites est :

où λ_dB est la longueur d'onde thermique de Broglie et d est la taille de l'objet. Pour un objet de la taille d'un chat à température ambiante, la décohérence se produit en environ 10^-30 secondes - beaucoup trop rapide pour qu'une superposition macroscopique persiste.

La décohérence ne résout pas philosophiquement le problème de mesure - elle explique pourquoi nous ne voyons jamais de chats morts et vivants dans la pratique, mais elle n'explique pas pourquoi nous voyons un résultat précis plutôt qu’un autre. Cela reste le problème difficile.

Expériences réelles avec des chats de Schrödinger

Contre-intuitivement, les physiciens ont créé de véritables états de chat de Schrödinger – non pas avec des chats littéraux, mais avec des systèmes quantiques mésoscopiques suffisamment grands pour chevaucher la frontière quantique classique :

• 1996 — Groupe Haroche (ENS Paris) : Champs de photons dans des cavités micro-ondes placés en superpositions de deux états classiques distincts. A remporté le prix Nobel 2012 (Haroche et Wineland).
• 2000 — NIST : Les ions de béryllium piégés sont placés dans des superpositions de deux états de mouvement distincts (positions « gauche » et « droite »), séparés de 80 nanomètres – mesurables selon les normes de 2010 comme une superposition quantique véritablement macroscopique.
• 2018 — Université de Vienne : Des molécules de 2 000 atomes (composés à base de fullerène) ont démontré une interférence quantique – les plus grands objets à montrer la dualité onde-particule à ce jour.
• 2021 — MIT (résonateurs nanomécaniques) : Oscillateurs mécaniques macroscopiques (~ 10¹³ atomes) refroidis jusqu'à des états fondamentaux quantiques et intriqués.

Chacune de ces expériences sonde la transition du quantique au classique, en fournissant des tests de plus en plus rigoureux pour déterminer où la mécanique quantique s'effondre (si c'est le cas) - ou confirmant que ce n'est pas le cas, jusqu'à des échelles de plus en plus grandes.

Foire aux questions