Pour une interprétation réaliste de la physique quantique: Le problème de la mesure ou de la réduction du paquet d'ondes (article 4 de 4)

Un problème conceptuel majeur de la physique quantique n'a jamais été résolu complètement par le modèle standard de la physique, c'est «le problème de la mesure» ou de la réduction du paquet d'ondes: lors d'une mesure, un système quantique composé de multiples états superposés se transforme en un système à un seul état, c'est-à-dire en un système avec un seul des états superposés de départ. C'est là un problème central incontournable de la physique quantique.


Les solutions envisagées par certains

Certains disent de nos jours que le phénomène de «décohérence» pourrait expliquer la réduction du paquet d'ondes. La décohérence, c'est grosso modo la perte progressive d'un état ondulatoire précis et bien défini («cohérent») par l'interaction avec le milieu environnant ou sa dilution dans de nombreux autres états additionnels provenant de ce milieu.

La décohérence peut selon moi expliquer une réduction ou une dilution globale de tous les états superposés, mais certainement pas qu'un seul des états est conservé. En fait, c'est plus une vague piste de recherche qu'une explication menant au résultat voulu.

Une autre façon de contourner le problème est celle de l'interprétation des mondes multiples de Everett. Chaque possibilité ou état de la fonction d'onde quantique se réalise dans un des univers parallèles postulés. Pour résoudre la difficulté des états multiples qui disparaissent, on fait apparaître chaque état dans un univers différent! Pour être gentil, je pourrais dire que c'est une solution ad hoc arbitraire. Pour dire ce que j'en pense réellement, je dirais que c'est comme sortir une infinité de lapins du chapeau du magicien. L'imagination sert parfois de baguette magique pour certains physiciens!


L'alternative d'une répartition dans l'espace réel d'états simultanés

Quant à moi, je préfère considérer que la superposition abstraite des états quantiques [dans un espace abstrait appelé espace des phases] origine d'une répartition dans l'espace réel d'états correspondants à déterminer. C'est-à-dire que des états distincts se répartissent et se déplacent dans diverses zônes de l'espace concret. La mesure de l'état en un lieu précis dépend de la zône où s'effectue la mesure et du moment où celle-ci s'effectue.

C'est la seule explication logique et réaliste possible au problème de la réduction du paquet d'ondes.


Des exemples de répartition dans l'espace d'états ondulatoires simultanés

Des exemples de répartition spatiale d'états ondulatoires simultanés vous permettront de juger de leur potentiel d'explication de la réduction du paquet d'ondes quantiques.

Comme premier exemple simple, prenons l'expérience d'une onde lumineuse projetée sur un écran ayant deux fentes parallèles comme dans l'expérience de Young. On obtient un patron d'interférences composé de zônes d'ombre et de lumière qu'on pourrait considérer comme la répartition spatiale de deux états simultanés. La mesure à un endroit précis nous donnera un seul des deux états. La fonction qui décrit le phénomène de l'interférence des deux ondes résultantes contient deux états simultanés qui se réduisent à un seul lors de la mesure à un endroit précis.

C'est là un exemple qui est décrit grossièrement mais qui montre bien l'idée générale que je veux exprimer.

Comme exemple plus complexe mais facilement imaginable, imaginons deux sources semblables et «couplées» d'ondes en trois dimensions. Couplées veut dire qu'un mécanisme relie entre elles les deux sources pour la production d'ondes, ce qui permet de maintenir en quelque sorte un «timing» commun. C'est-à-dire, en termes plus spécialisés, de maintenir la «cohérence» des phases entre les ondes provenant des deux sources. Ce couplage permet d'additionner les amplitudes des deux ondes et de les faire interférer entre elles de manière constructive.

Dans ce cas, on obtient un patron complexe d'interférences avec des états ondulatoires stationnaires distincts dans diverses zones de l'espace. Ces états dépendent de la distance séparant les sources (calculée en nombre semi-entiers de longueurs d'onde), en fonction des surfaces nodales où les ondes provenant des deux sources s'annulent  mutuellement et en fonction de la rotation des deux sources autour du centre de masse commun (bien entendu, il serait beaucoup plus facile de visualiser le tout avec un dessin, ou même mieux avec une animation, ce que je ne peux malheureusement pas produire pour le moment).

On pourrait directement comparer les états ondulatoires produits avec les «fonctions propres» et les «valeurs propres» des fonctions d'onde de la physique quantique. Pour obtenir un état ondulatoire précis, il s'agit de fixer certains paramètres qui sélectionnent la zone d'espace considérée. Il n'est pas sorcier alors de faire une analogie avec la réduction du paquet d'ondes de la physique quantique.

Rien n'a été prouvé ici, tout a été seulement suggéré et encore, de façon très abstraite. Même si le patron d'interférences considéré est complexe, c'est une expériences de pensée qui s'appuie sur la logique et l'intuition de phénomènes physiques relativement simples et bien connus. Je vous invite à y réfléchir sérieusement.


NB: Cet article est le dernier d'un ensemble de 4 débutés à l'article Pour une interprétation «réaliste» de la physique quantique: Mise en contexte (article 1 de 4). Je reconsidérerai cependant dans un article à venir le théorème de Bell que j'ai mal analysé et critiqué dans un article antérieur; cette fois-ci je critiquerai directement un des articles écrits par John Bell lui-même, article que l'on retrouve dans son livre «Speakable and unspeakable in quantum mechanics».