Le Chat de Schrödinger : Une Paradoxe de la Mécanique Quantique

Description de l'image : L'expérience de pensée du Chat de Schrödinger illustre l'idée de la superposition d'états dans la mécanique quantique bien que l'utilisation de la "mort" du chat est mal adaptée. Source image : © Mylène Simoès, Art Director

Le Paradoxe du Chat de Schrödinger

Le Chat de Schrödinger est une expérience de pensée proposée par le physicien autrichien Erwin Schrödinger (1887-1961) en 1935 pour illustrer les paradoxes de la mécanique quantique. Cette expérience est censée démontrer l'étrangeté de la superposition quantique, où un système peut exister simultanément dans plusieurs états jusqu'à ce qu'il soit observé.

Le Principe de Superposition

L'idée de base de l'expérience repose sur la notion de superposition d'états, un principe fondamental de la mécanique quantique. Selon ce principe, une particule quantique, comme un électron, peut être dans plusieurs états en même temps, jusqu'à ce qu'une mesure soit effectuée. Ce phénomène est difficile à comprendre dans le cadre de la physique classique, où un objet est toujours dans un état bien défini.

Déroulement de l'Expérience

L'expérience de pensée imagine un chat enfermé dans une boîte fermée, accompagné d'un dispositif qui dépend de l'état quantique d'un atome radioactif. Ce dispositif contient un compteur Geiger qui détecte la désintégration d'un atome radioactif. Si l'atome se désintègre, le compteur déclenche un mécanisme qui libère du poison, tuant ainsi le chat. Si l'atome ne se désintègre pas, le poison n'est pas libèré et le chat reste en vie.

Selon la mécanique quantique, tant que la boîte n'est pas ouverte et que l'on n'observe pas l'état du chat, le chat est dans un état de superposition. Il est à la fois vivant et mort, ce qui est paradoxal dans le cadre de notre compréhension classique du monde.

Une meilleure analogie pour expliquer la superposition

Immaginons deux jumeaux virtuels dans deux endroits différents, sans savoir lequel des deux est "réel" jusqu'à ce que vous regardiez.

Avant de regarder, les jumeaux sont "superposés" : ils existent à la fois dans les deux endroits, par exemple, l'un est dans une pièce de votre maison et l'autre dans une autre pièce différente, mais nous ne pouvons pas dire lequel est réel.

Une fois que vous regardez (ou que vous effectuez une mesure), l'un des jumeaux devient "réel", c'est-à-dire que vous découvrez dans quel endroit spécifique il se trouve. La superposition des deux états distincts s'effondre, et l'état du système se réduit à un état défini (un jumeau dans une pièce), éliminant les autres possibilités.

Ce qui se passe réellement dans le cadre de la mécanique quantique, c'est qu'une fois que la mesure est effectuée, le système quantique cesse d'être dans un état de superposition et devient dans un état définitif, correspondant à l'un des états possibles de la superposition. C'est la notion d'effondrement de la fonction d'onde, où les probabilités se concrétisent en un état mesuré, et l'autre état est alors "hors du cadre" de cette mesure.

Implications de l'Expérience

L'expérience du Chat de Schrödinger est une manière de critiquer l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique, qui soutient que la réalité quantique n'existe pas avant l'observation. Selon cette interprétation, tant que l'état du système quantique (dans ce cas, l'atome radioactif) n'est pas mesuré, il existe dans une superposition de plusieurs états.

Réflexion sur le Paradoxe

Le paradoxe du Chat de Schrödinger soulève des questions sur la nature de la réalité. Si un chat peut être à la fois vivant et mort, cela suggère que notre perception de la réalité à l'échelle macroscopique ne peut pas être expliquée par les lois de la mécanique quantique seules.

Ce paradoxe met en lumière le problème de l'effondrement de la fonction d'onde : selon l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique, avant toute mesure, un système quantique existe dans une superposition de plusieurs états possibles, représentés par une fonction d'onde.

Lorsqu'une mesure est effectuée, cette superposition "s'effondre", et le système adopte instantanément un état bien défini. Ainsi, la mesure, en tant qu'acte d'observation, joue un rôle fondamental dans la détermination de l'état du système, ce qui soulève des questions sur la nature de la réalité et de l'observation en mécanique quantique. Ce processus semble impliquer qu'un phénomène quantique n'a pas de réalité déterminée tant qu'il n'a pas été observé.

Application et Réflexions Modernes

Bien que le Chat de Schrödinger soit une expérience de pensée, il a inspiré de nombreuses discussions et recherches sur la mesure quantique, l'effondrement de la fonction d'onde, et les interprétations de la mécanique quantique. De plus, il a ouvert la voie à des technologies de démonstration comme les ordinateurs quantiques, l'imagerie quantique, les horloges atomiques quantiques, où les phénomènes de superposition sont exploités de manière concrète.

Conclusion

Le Chat de Schrödinger demeure une métaphore puissante de la complexité et des étrangetés de la mécanique quantique. Il illustre de manière frappante les tensions entre la physique quantique et notre intuition classique. En dépit de sa simplicité apparente, cette expérience de pensée continue de stimuler des débats profonds sur la nature de la réalité et le rôle de l'observation dans le monde quantique.