Une particule peut être à deux endroits en même temps. On dit que la particule est dans un état superposé: à la fois ici et là-bas. Cette caractéristique est celle qui conduit aux effets quantiques les plus déroutants: l'interférence des particules de matière et la non-localité.
L'autrichien Erwin Schrödinger (1887-1961) est l'un des pères de la physique quantique. C'est lui qui est l'inventeur de la "fonction d'onde" qui permet de connaître la concentration de l'onde électronique dans l'atome à tel ou tel endroit. Avec lui, l'électron n'est plus un corpuscule localisé précisément, mais une portion de paquet d'onde (l'orbitale électronique) où l'énergie est très concentrée. Mais Schrödinger deviendra surtout célèbre pour avoir imaginé en 1935 le paradoxe du chat afin d'illustrer l'absurdité de la physique quantique lorsqu'on l'applique à des objets complexes dits macroscopiques (à notre échelle).
Le paradoxe du chat
Voici le détail de ce principe (et de l'animation) :
Un pauvre chat est enfermé dans une boîte pourvue d'un hublot.
Dans un coin de la boîte, un atome d'uranium radioactif et un détecteur conçu
pour ne fonctionner qu'une minute (par exemple). Pendant cette minute, il y a
50% de chance pour que l'atome U se désintègre en éjectant un électron;
lequel électron ira frapper le détecteur; lequel détecteur actionnera alors
un marteau qui brisera une fiole de poison mortel placée dans la boîte du
pauvre matou... Fermons la boîte, déclenchons l'expérience et demandons-nous
AVANT de regarder par le hublot si le chat est vivant ou mort... Évident me
direz-vous, il a 50% de chance d'être vivant et autant d'être mort.
Eh bien figurez-vous que la physique quantique a un doute: elle vous dira que le chat, AVANT observation, est vivant ET mort à la fois! Absurde! Et pourquoi!? L'état (vivant ou mort) du chat ne dépend en fait que de l'état (émission d'un électron ou non) de l'atome d'Uranium. Or la physique quantique affirme que l'atome U est un être quantique auquel est applicable le principe de superposition: les particules atomiques peuvent exister dans plusieurs états superposés et simultanés.
CAT'ION le chat
quantique superposé !
Par exemple, nous avons vu que l'électron, étant donné sa nature ondulatoire, peut être localisé tout autour du noyau d'un atome; il est présent simultanément à plusieurs endroits, et cela AVANT qu'il ne se soit observé.
| orbitale électronique | électron observé |
| nature ondulatoire | nature corpusculaire |
|
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De même, un atome radioactif d'uranium peut exister dans deux états
superposés: intact et désintégré.
Cet état de superposition cesse immédiatement dès qu'il y a observation, et
donc interaction, de la particule; on dit alors qu'il y a décohérence
lorsqu'un système A et B devient un système A ou B.
On comprend mieux dès lors le paradoxe du chat: L'état "superposé"
de l'atome U devrait se transmettre à notre félin macroscopique et le
transformer en un horrible mort-vivant! Évidemment, lorsque l'on observe le
chat à travers le hublot, il y aurait décohérence de son état et choix d'un
seul état.
Une telle explication n'est bien sûr que difficilement acceptable pour notre
monde macroscopique et elle montre les difficultés d'interprétation que soulève
le formalisme mathématique quantique (car ces états superposés sont faciles
à concevoir lorsque ces systèmes sont définis par des fonctions d'onde; les
ondes s'additionnent sans problèmes).
Comment dès lors expliquer que le principe de superposition ne s'applique pas à notre monde humain (en dehors des films d'horreur du type "la nuit des morts-vivants")?
La superposition d'état concerne en fait des particules totalement isolées. A l'échelle quantique, les particules évoluent dans un grand vide et les rencontres sont assez rares. A notre échelle, c'est très différent: notre chat respire les milliards de molécules d'air qui sont dans la boîte, sans compter tout ce qui inonde notre univers: les ondes radio, infrarouges ou les rayons cosmiques... Ces milliards d'êtres quantiques incontrôlables percutent notre matou et interagissent des milliards de fois par seconde avec lui. L'état superposé "vivant ET mort" dans lequel se trouve le chat ressemble à une bulle de savon: une bulle est éphémère et est détruite à la moindre interaction. La décoherence des objets macroscopiques est quasi-immédiate. Ouf! notre logique a eu chaud...
