Jacob Hoover
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Des faits alternatifs se répandent comme un virus dans la société. Maintenant, il semble qu'ils aient même infecté la science - du moins le royaume quantique. Cela peut sembler contre-intuitif. La méthode scientifique repose après tout sur les notions fiables d'observation, de mesure et de répétabilité. Un fait, tel qu'établi par une mesure, doit être objectif, de sorte que tous les observateurs puissent être d'accord avec lui.
Mais dans un article récemment publié dans Science Advances, nous montrons que, dans le micro-monde des atomes et des particules qui est régi par les étranges règles de la mécanique quantique, deux observateurs différents ont droit à leurs propres faits. En d'autres termes, selon notre meilleure théorie des éléments constitutifs de la nature elle-même, les faits peuvent en fait être subjectifs.
Les observateurs sont de puissants acteurs du monde quantique. Selon la théorie, les particules peuvent être à plusieurs endroits ou états à la fois - c'est ce qu'on appelle une superposition. Mais curieusement, ce n'est le cas que lorsqu'ils ne sont pas observés. À la seconde où vous observez un système quantique, il choisit un emplacement ou un état spécifique - brisant la superposition. Le fait que la nature se comporte de cette manière a été prouvé à plusieurs reprises en laboratoire - par exemple, dans la célèbre expérience de la double fente.
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En 1961, le physicien Eugène Wigner a proposé une expérience de pensée provocante. Il s'est demandé ce qui se passerait lors de l'application de la mécanique quantique à un observateur qui est lui-même observé. Imaginez qu'un ami de Wigner lance une pièce quantique - qui est dans une superposition à la fois tête et queue - à l'intérieur d'un laboratoire fermé. Chaque fois que l'ami jette la pièce, il observe un résultat précis. On peut dire que l'ami de Wigner établit un fait: le résultat du tirage au sort est définitivement la tête ou la queue.
Wigner n'a pas accès à ce fait de l'extérieur et, selon la mécanique quantique, doit décrire l'ami et la pièce pour être dans une superposition de tous les résultats possibles de l'expérience. C'est parce qu'ils sont "enchevêtrés" - connectés de manière effrayante de sorte que si vous manipulez l'un, vous manipulez également l'autre. Wigner peut désormais en principe vérifier cette superposition à l'aide d'une soi-disant «expérience d'interférence» - un type de mesure quantique qui permet de démêler la superposition d'un système entier, confirmant que deux objets sont intriqués.
Lorsque Wigner et son ami compareront leurs notes plus tard, l'ami insistera sur le fait qu'ils ont vu des résultats précis pour chaque tirage au sort. Wigner, cependant, sera en désaccord chaque fois qu'il a observé un ami et une pièce de monnaie dans une superposition.
Cela présente une énigme. La réalité perçue par l'ami ne peut pas être conciliée avec la réalité extérieure. À l'origine, Wigner ne considérait pas cela comme un paradoxe, il a soutenu qu'il serait absurde de décrire un observateur conscient comme un objet quantique. Cependant, il s'est écarté plus tard de ce point de vue, et selon les manuels formels de mécanique quantique, la description est parfaitement valide..
L'expérience
Le scénario est longtemps resté une expérience de réflexion intéressante. Mais reflète-t-il la réalité? Scientifiquement, il y a eu peu de progrès dans ce domaine jusqu'à très récemment, lorsque Časlav Brukner de l'Université de Vienne a montré que, sous certaines hypothèses, l'idée de Wigner peut être utilisée pour prouver formellement que les mesures en mécanique quantique sont subjectives pour les observateurs..
Brukner a proposé un moyen de tester cette notion en traduisant le scénario de l'ami de Wigner dans un cadre établi pour la première fois par le physicien John Bell en 1964. Brukner a examiné deux paires de Wigners et d'amis, dans deux boîtes séparées, effectuant des mesures sur un état partagé en dehors de leur case respective. Les résultats peuvent être résumés pour être finalement utilisés pour évaluer ce qu'on appelle une «inégalité de Bell». Si cette inégalité est violée, les observateurs pourraient avoir des faits alternatifs.
Nous avons maintenant pour la première fois effectué ce test expérimentalement à l'Université Heriot-Watt d'Édimbourg sur un ordinateur quantique à petite échelle composé de trois paires de photons intriqués. La première paire de photons représente les pièces, et les deux autres sont utilisées pour effectuer le tirage au sort - mesurant la polarisation des photons - à l'intérieur de leur boîte respective. En dehors des deux cases, il reste deux photons de chaque côté qui peuvent également être mesurés.
Malgré l'utilisation d'une technologie quantique de pointe, il a fallu des semaines pour collecter suffisamment de données à partir de seulement six photons pour générer suffisamment de statistiques. Mais finalement, nous avons réussi à montrer que la mécanique quantique pouvait en effet être incompatible avec l'hypothèse de faits objectifs - nous avons violé l'inégalité.
La théorie, cependant, repose sur quelques hypothèses. Il s'agit notamment du fait que les résultats des mesures ne sont pas influencés par les signaux voyageant au-dessus de la vitesse de la lumière et que les observateurs sont libres de choisir les mesures à effectuer. Cela peut ou non être le cas.
Une autre question importante est de savoir si des photons isolés peuvent être considérés comme des observateurs. Dans la proposition théorique de Brukner, les observateurs n'ont pas besoin d'être conscients, ils doivent simplement être capables d'établir des faits sous la forme d'un résultat de mesure. Un détecteur inanimé serait donc un observateur valide. Et la mécanique quantique classique ne nous donne aucune raison de croire qu'un détecteur, qui peut être aussi petit que quelques atomes, ne devrait pas être décrit comme un objet quantique au même titre qu'un photon. Il est également possible que la mécanique quantique standard ne s'applique pas à de grandes échelles de longueur, mais les tests constituent un problème distinct..
Cette expérience montre donc que, au moins pour les modèles locaux de mécanique quantique, nous devons repenser notre notion d'objectivité. Les faits que nous expérimentons dans notre monde macroscopique semblent rester sûrs, mais une question majeure se pose sur la façon dont les interprétations existantes de la mécanique quantique peuvent accueillir des faits subjectifs..
Certains physiciens voient ces nouveaux développements comme des interprétations de soutien qui permettent à plus d'un résultat de se produire pour une observation, par exemple l'existence d'univers parallèles dans lesquels chaque résultat se produit. D'autres y voient une preuve irréfutable de théories intrinsèquement dépendantes de l'observateur telles que le bayésianisme quantique, dans lequel les actions et les expériences d'un agent sont au cœur des préoccupations de la théorie. Mais d'autres encore prennent cela comme un indicateur fort que peut-être la mécanique quantique s'effondrera au-dessus de certaines échelles de complexité..
De toute évidence, ce sont toutes des questions profondément philosophiques sur la nature fondamentale de la réalité. Quelle que soit la réponse, un avenir intéressant vous attend.
Cet article a été initialement publié sur La conversation. La publication a contribué l'article à 's Voix d'experts: Op-Ed & Insights.