[ANALYSE] Le chat de Schrödinger est-il vivant ou mort ?

[ANALYSE] Le chat de Schrödinger est-il vivant ou mort ?

L’expérience du chat de Schrödinger sert à frapper les esprits avec une image forte et familière. Elle met en perspective les paradoxes de la mesure quantique. Comment un chat pourrait-il être à la fois mort et vivant ?

Y A-T-IL UN FANTÔME DANS LA BOÎTE ?
Une expérience extrême pour la pensée

Afin de vulgariser les paradoxes de la physique quantique, le scientifique Erwin Schrödinger (1935) imagina la situation suivante :

Si on enferme un chat dans une boîte bien fermée, il devient impossible de juger de son état réel. Imaginons que nous ajoutions, dans la boîte, un dispositif qui soit en mesure de se déclencher, sans qu’on s’en aperçoive, et qui puisse tuer l’animal.

De l’extérieur, nous ne pouvons pas savoir dans quel état sera le chat. Nous devons admettre qu’il est vivant ou mort. Car, personne, pas même le meilleur scientifique, ne serait capable de dire à quel moment le mécanisme dans la boîte se déclenchera (et même s’il se déclenchera).

Cette image forte (mais fictive) souligne les paradoxes de la physique quantique qui bousculent totalement notre conception du monde. Nous pensons : « C’est impossible, le chat ne peut pas être mort et vivant à la fois !» Ou bien, nous tentons d’imaginer dans quels cas l’existence simultanée de ces deux états serait possible. Certains vont alors imaginer des mondes parallèles (voir plus loin, la Théorie d’Everett).

Cette expérience de pensée extrême (qui n’a tué aucun chat, heureusement, en se limitant à une supposition !) met en lumière deux concepts fondamentaux des sciences quantiques : la superposition et la décohérence.

Vie et mort – superposition et simultanéité

On appelle « principe de superposition » l’effet de simultanéité entre deux états. On suppose avant tout qu’un événement peut se réaliser de multiples façons. Ensuite, on réalise que ces différentes façons d’être, sont des états impossibles à discerner de manière traditionnelle, comme avec l’expérience du chat.

Le calcul quantique, qui se fonde sur des probabilités, sera alors en mesure de superposer simultanément les différents états pour les comprendre et les analyser. C’est grâce à ce principe que le calcul mathématique est grandement accéléré.

Ainsi, selon les calculs de probabilité, un élément peut être à plusieurs endroits en même temps. On parlera alors d’un état de chat pour dire qu’un objet quantique est dans une superposition d’états raisonnablement incompatibles.

Une question de perspective – décohérence et résolution

Mais lorsqu’on ouvre la boîte, on parle alors de décohérence quantique. La situation ambiguë « mort ou vivant » se résout instantanément, car une fois la boîte ouverte, le chat n’est plus « mort ou vivant », il est sans aucun doute soit vivant soit mort.

Le principe de décohérence affirme qu’un système quantique ne doit pas être envisagé de manière isolée. Il est en interaction constante avec des environnements complètement aléatoires. Le simple fait d’éclairer un phénomène change son état. Or, ces interactions sont tellement complexes qu’elles en deviennent incohérentes

Ce principe souhaite rattacher la physique quantique à la physique classique. Il tente d’expliquer pourquoi certains états quantiques superposés disparaissent du point de vue macroscopique.

UNE ÉCHELLE DE MESURE ABSURDE OU ABSTRAITE ?

L’expérience du chat, « mort ou vivant », nous paraît totalement absurde. Or, grâce à cette absurdité, nous réalisons les limites de notre imagination.

Un chat ne peut pas être à la fois mort et vivant, du moins c’est le cas dans la réalité macroscopique. Ainsi, la physique quantique perturbe notre esprit, car elle nous amène à repenser l’existence de l’infiniment petit.

L’échelle de la physique quantique est celle de l’atome et de l’électron. Le quantum, signifiant littéralement “combien” en latin, désigne alors la plus petite mesure indivisible. Or, une mesure suppose-t-elle l’existence d’une chose ?

Ces unités (ou quanta en physique) sont utilisées, par exemple, pour mesurer l’énergie, la quantité de mouvements ou encore la masse. Pour décrire les ondes lumineuses, on parlera de photon. C’est le fameux quantum de lumière à l’origine des procédés au laser et notamment de l’optique quantique.

LE CHAT ET LES DIFFÉRENTES ÉCOLES DE PENSÉE
L’École de Copenhague et la limite des sciences quantiques

L’interprétation de Copenhague est un courant de pensée qui tente d’expliquer les phénomènes quantiques (Niels Bohr).

Selon les scientifiques de cette École, l’état quantique n’a pas de sens physique. Il est donc inutile de chercher une signification physique, réelle et palpable, à ce qui n’est (et doit rester) qu’une pure formule mathématique.

Pour l’École de Copenhague, la superposition quantique est un phénomène simplement mathématique. L’expérience du chat ne prouve rien.

« Il n’y a pas de monde quantique. Il y a seulement une description physique abstraite.»– Niels Bohr, physicien danois de la mécanique quantique.

Le savant Bohr de cette École continue ainsi : « Il est erroné de penser que la tâche de la physique est de découvrir la façon dont la nature existe. La physique concerne ce que nous pouvons dire de la nature. » C’est ici un constat qui ébranle nos consciences !

La théorie d’Everett et les univers parallèles

Selon Hugh Everett, les états superposés (ou simultanés) du chat ont une interprétation physique. Le scientifique soutient alors l’existence d’une infinité d’univers parallèles.

Le chat pourrait ainsi être à la fois mort dans un univers et vivant dans un autre. En ouvrant la boîte, le scientifique Schrödinger serait instantanément face à l’un des deux univers possibles, en fonction de l’état du chat.

DOIT-ON RÉSOUDRE L’ÉNIGME ?

Comment s’y retrouver alors ? Cette expérience de pensée nous plonge dans un abîme : celui de la possibilité de vie et de mort simultanées. Un non-sens total à nos yeux !

Et, l’image du mignon petit chat rehausse ce paradoxe. L’expérience nous invite à penser autrement. Elle nous force à revoir notre conception des choses. Il en résulte une ouverture d’esprit. Mais, les réponses restent divergentes. Aucun consensus scientifique n’élude aujourd’hui cette question.

Il n’y a pas de consensus scientifique

Les paradoxes de l’existence du chat de Schrödinger frappent notre imagination, ils choquent le sens commun. On se demande alors si la physique quantique peut vraiment décrire la réalité.

Comme on l’a vu, certains soutiennent que la physique quantique n’est pas censée représenter la réalité (Hawking ; Bohr). D’autres affirment qu’elle représente, en partie, la réalité et, en troisième lieu, d’autres scientifiques affirment qu’elle représente totalement la réalité et permet même d’expliquer la présence d’univers parallèles (Everett).

Les apports des sciences quantiques

Les différentes positions philosophiques (et même ontologiques) par rapport aux sciences quantiques ne freinent ni le progrès ni l’expérimentation.

L’Université de Sherbrooke mise actuellement sur les apports de cette science. Selon elle, l’informatique quantique peut résoudre des problèmes mathématiques précédemment insolubles. La simulation quantique rendrait possible la création de nouvelles molécules qui pourraient traiter les maladies. Puis d’autres secteurs comme le transport urbain et la cybersécurité pourront bénéficier des avancées de ces sciences quantiques.

BIBLIOGRAPHIE

Guilbaud, Sylvain. (2016). Donner du sens à la mécanique quantique. CNRS.

Wigmore, Ivy. (2020). Schrodinger’s cat. TechTarget

Merali, Zeeya. (2020). This Twist on Schrödinger’s Cat Paradox Has Major Implications for Quantum Theory. Scientific American.

Brooks, Michael. (2011). Quantum reality: The many meanings of life. New Scientist.