11 oct 2012

Serge Haroche : décohérence quantique, incohérence théorique

Submitted by Anonyme (non vérifié)

Ce mardi 9 octobre 2012 nous apprenions que Serge Haroche (un chercheur français en physique quantique spécialisé en optique) décrochait le prix Nobel avec David Wineland, un chercheur américain. Ils ont été récompensés « pour leurs méthodes expérimentales innovantes permettant de mesurer et de manipuler des systèmes quantiques individuels ».

Plus précisément, leurs expériences portent sur la décohérence quantique. Pour comprendre ce dont on parle ici, il faut faire un nécessaire résumé de certains principes de base de la physique quantique.

1. La superposition d'états et le chat de Schrödinger

La mécanique quantique s'oppose à la mécanique dite classique ou newtonienne dans la mesure où la première rassemble un corpus théorique concernant le monde microscopique et la deuxième un corpus théorique concernant le monde macroscopique. Autrement dit, la mécanique quantique explique les mouvements des corps à l'échelle de l'infiniment petit tandis que la mécanique classique s'occupe du reste.

Cette distinction provient de l'affirmation selon laquelle les particules « élémentaires » (le terme d'élémentaire est mis entre parenthèses dans la mesure où rien n'étant indivisible, on finira toujours par trouver des particules « plus élémentaires ») ont des comportements totalement différents des comportements des objets d'étude de la physique classique. Un exemple de ces comportements non-classiques est le fait qu'une particule peut se trouver dans différents états à un même moment : c'est ce qu'on appelle la superposition d'états.

Comment les physiciens sont arrivés à cette affirmation invraisemblable ? Il provient d'une observation de la position de l'électron de l'atome d'hydrogène. La mesure aboutit à une accumulation de nombreuses positions différentes apparemment aléatoires (c'est-à-dire que les différentes positions adoptées ne semble pas obéir à une loi précise).

Des formules mathématiques à base de probabilités sont alors utilisées pour décrire le comportement des particules « élémentaires ». Et c'est là que l'interprétation de ces formules aboutit à la superposition d'états : de nombreux chercheurs en physique quantique affirment que lorsqu'on ne sait pas dans quel état se trouve une particule – puisqu'on ne connaît que la probabilité qu'elle se trouve dans un certain état –, alors elle se trouve en suspension entre les différents états possibles. Autrement dit, elle se trouve simultanément dans tous les états possibles.

Dans un article dans Le Monde consacré au prix Nobel, on peut lire que « Serge Haroche ne regarde pas la réalité avec les mêmes yeux que nous. Pour lui, une chose n'est pas blanche ou noire. Elle peut être simultanément blanche et noire. Mieux, elle ne se trouve pas ici ou là, mais peut-être à la fois ici et là. Chez lui, une porte n'est pas ouverte ou fermée. Elle peut être en même temps ouverte et fermée, aux deux extrémités de la pièce. Auprès de lui, un être n'est pas vivant ou mort. Il peut être dans le même temps vivant et mort, quelque part et ailleurs... »

Cette citation fait référence à une expérience souvent évoquée dès qu'on mentionne la superposition d'états : l'expérience (fictive) du Chat de Schrödinger, imaginée par Erwin Schrödinger en 1935. Son principe est relativement simple. On imagine que l'on met un chat dans une boîte contenant un système qui permet de lâcher de manière pseudo-aléatoire un poison dans cette boîte. Ainsi, tant que la boîte est fermée, on ne sait pas si le chat est mort ou vivant. Mais dès que l'on ouvre la boîte, l'ambiguïté est levée et l'on sait si le chat est mort ou vivant.

La physique quantique explique que, si on considère que le chat obéit aux mêmes lois qu'une particule microscopique, alors il serait à la fois vivant et mort. On retrouve donc ici la superposition d'états.

Toutefois, bien souvent, on oublie soigneusement de préciser que Schrödinger avait imaginé cette expérience pour montrer les lacunes posées par une certaine vision de la physique quantique (lacunes soulignées également par Albert Einstein) puisque le chat ne pouvait être à la fois mort et vivant étant donné que lorsqu'on ouvrait la boîte, il était ou mort ou vivant.

Si l'on retranspose le problème à l'électron de l'atome d'hydrogène de notre exemple de départ alors on peut se demander comment se peut-il que l'électron soit à plusieurs endroits en même temps s'il se trouve à une seule position (qui peut certes sembler aléatoire) lorsqu'on l'observe ?

A cette question, tous les physiciens ne sont pas d'accord. Tandis que certains revendiquent le fait que ce phénomène de superposition des états n'est qu'une formule mathématique qui n'a pas de sens au niveau physique, qui n'est pas censé représenter la réalité, d'autres affirment au contraire qu'il constitue une représentation fidèle de la réalité.

Et pour ces derniers, la solution au problème de l'expérience du chat de Schrödinger se trouve dans la décohérence quantique.

2. La décohérence quantique et la réduction du paquet d'onde

La décohérence quantique explique que l'état de superposition ne peut être maintenu qu'en l'absence d'interactions avec l'environnement, interactions qui déclenchent le choix entre les deux états (mort ou vivant) pour le chat de Schrödinger ou entre les différents états existants simultanément de manière plus générale.

La décohérence est en relation avec un grand principe de base de la mécanique quantique : la réduction du paquet d'onde. La réduction du paquet d'onde consiste à dire que, suite à une mesure, un système physique voit son état entièrement réduit à celui qui a été mesuré. Ce qui sous-entend qu'avant cette mesure, ce système se trouvait dans une superposition d'états.

Mais ce principe a toujours été pour la mécanique quantique car c'est un axiome, c'est-à-dire une vérité indémontrable qui doit être admise. En effet, comment observer quelque chose qui disparaît dès qu'on l'observe !

La décohérence constitue donc une explication de cet axiome, permettant de mettre en discussion le statut d'axiome de la réduction du paquet d'onde. Et c'est pourquoi certains chercheurs mettent tant d'ardeur à essayer de la prouver expérimentalement. Parce que cela permettrait d'apporter plus de poids à ce pilier de la mécanique quantique qui n'avait que peu de validité empirique jusque-là.

Donc, selon la décohérence quantique, l'état observé à un moment ne préexiste pas à la mesure : c'est la mesure qui le fait advenir.

C'est là une formidable pirouette que réalisent les partisans de la mécanique quantique. La superposition des différents états serait donc très fragile, si fragile que la moindre perturbation en provenance de l’environnement extérieur provoquerait la destruction de la superposition en un temps extrêmement bref. En cohérence avec la production de principes comme la superposition d'états qui vont à l'encontre de tout matérialisme, ils expliquent ces principes par des postulats dont l'observation est quasiment impossible de par leur définition.

Or, Serge Haroche a été récompensé pour une expérience qui a permis la mise en évidence le principe de décohérence grâce à l'observation de photons. Comment cela peut-il être possible ?

Comment a-t-il bien pu observer un photon dans différents états ?

3. L'expérience de Serge Haroche : la soi-disante observation de la décohérence

Serge Haroche travaille en optique quantique et observe donc les photons, ces particules « élémentaires » de lumière. La particularité du photon est qu'à partir du moment où il est observé, c'est qu'il est arrivé sur l'appareil de mesure et donc qu'il a été détruit, qu'il n'existe plus. L'observer sans le détruire était donc impossible. Jusqu'à l'expérience de Serge Haroche.

A l'état de projet depuis la fin des années 90, ce n'est qu'en 2006 que le dispositif avait pu capturer des photons pour la première fois et donnait ses premières mesures concluantes.

Ce dispositif expérimental, appelé « cavité optique », est un assemblage de deux petits miroirs courbes éloignés de 3 cm l'un de l'autre, à une température proche du zéro absolu (-272°C) qui permet de « piéger » un photon. Grâce à cela, le photon « rebondit » sur les miroirs et parcourt ainsi de grandes distances, facilitant les mesures grâce à la possibilité d'une observation prolongée. Dans ce dispositif, la lumière reste en moyenne 130 millisecondes, elle a alors le temps de parcourir la circonférence terrestre.

Les mesures sont réalisées au moyen d'atomes particuliers utilisés comme des sondes. Ces atomes, autre élément indispensable du dispositif, sont des atomes de Rydberg (un atome mis dans un état particulier d'excitation) afin de pouvoir déterminer le passage d'un photon sans le détruire. Grossièrement, si on prend le cas où le dispositif ne contient qu'un seul photon, l'état de base du rubidium est à 0 et lorsqu'un photon passe au travers, il passe à 1. Ce système permet de mesurer le nombre de photons présents.

Les atomes de Rydberg suivent une trajectoire qui comporte en réalité plus d'étapes que la « simple » mesure du nombre de photons. Avant de pénétrer dans le dispositif avec les miroirs et les photons, un atome (les atomes étant envoyés un par un) est modifié au moyen d'impulsions micro-ondes, ce qui permettrait de le placer dans deux états superposés. Il faut donc comprendre que la procédure modifie l'atome mais qu'on ne connaît que la probabilité qu'il soit dans un état ou dans un autre. De là, l'atome est envoyé dans la cavité formée par les miroirs où il modifierait les photons qui y sont présents afin de les mettre eux aussi dans un état de superposition quantique. Enfin, l'atome ressort du dispositif et on mesure son état. A sa suite est envoyé un deuxième atome. Il parcourt le même chemin que le précédent et, à sa sortie, on mesure également son état qu'on peut comparer avec celui du précédent. Et ainsi de suite.

La conclusion des auteurs de cette expérience est que plus ils laissent un long intervalle de temps entre deux atomes et plus leurs états diffèrent à la sortie, ce qui constituerait un signe que la superposition des champs disparaît. Et c'est cette disparition qui constitue la preuve de la décohérence. Donc à la question comment a-t-il bien pu observer un photon dans différents états, la réponse est, bien évidemment, qu'il ne l'a pas fait.

 

Derrière cette expérience quelque peu obscure, on comprend bien que, là encore, mise en place, mesures et résultats reposent sur des statistiques et des probabilités.

Mais ce n'est pas tant les statistiques en elles-mêmes qui vont à l'encontre du matérialisme. C'est bien l'interprétation qui en est faite. La vision de la mécanique quantique telle que nous venons de l'exposer est totalement non-matérialiste, totalement idéaliste dans la mesure où on part d'une approximation de la réalité pour la faire devenir réalité elle-même. Car, pour les partisans de la vision de la mécanique, il n'y a pas d'incertitude expérimentale due à une limitation de la mesure humaine mais bien une impossibilité fondamentale de mesurer l'état des particules du fait de la superposition.

On voit où est arrivée la science bourgeoise. Les statistiques et les probabilités ont leur utilité mais elles traduisent tout de même l'inaptitude actuelle à rendre compte avec exactitude de certains phénomènes. La recherche dans ce domaine doit se tourner vers le dépassement de ces dernières, se tourner vers une vision plus juste de ces systèmes dynamiques non linéaires.

Mais cela, les scientifiques bourgeois sont bien incapables de le faire. Ces chercheurs qui se gargarisent de leurs théories incompréhensibles, qui donnent l'impression que leur plus grande force est qu'elles sont contre-intuitives et qui sont fascinés par la difficulté qu'ont les gens à comprendre ces théories alambiquées et chimériques. Ces chercheurs qui sont tellement incapables de modifier leur corpus théorique et de se remettre en question qu'ils font appel à des postulats de plus en plus invraisemblables pour tenter de le justifier.

Ils sont incapables de le faire car ils ne possèdent pas de système de pensée global avec lequel ils peuvent étudier le monde. Alors, ils étudient des petites parties, comme si elles pouvaient exister indépendamment de tout le reste.

Le matérialisme dialectique est le seul système de pensée capable d'étudier correctement le monde, dans sa globalité.

Aujourd'hui, le rôle des intellectuels et des scientifiques est de se mettre au service du peuple. Pour cela, il faut arrêter de soutenir ces théories fumeuses et embrasser le matérialisme dialectique pour arriver à une compréhension juste de l'Univers !

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