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dimanche 17 février 2013

Contes quantiques

par Nicolas Mathey
L’impensable hasard,
Non-localité, téléportation et autres merveilles quantiques.


      Préface d’Alain Aspect.
L’impensable hasardÀ une certaine micro-échelle, les choses n’ont pas forcément de lieu propre, ni de lien avec les autres choses proches. C’est en cela que la physique quantique nous oblige à revoir nos modèles de pensée, souligne Nicolas Gisin dans cet ouvrage, parfois difficile, toujours péda­gogique. Professeur à l’université de Genève, ce physicien passe en revue des phénomènes liés à la téléportation et à l’intrication quantiques, et montre qu’à cette échelle de la matière « le vrai hasard permet la non-localité ». Au rang des applications, la cryptographie, les lasers, mais aussi … le changement d’échelle pour la téléportation. La science n’interdit pas la fiction : qui n’a rêvé de se retrouver immédiatement ailleurs ? « Peut-être découvrira-t-on un jour un nouveau principe physique interdisant la téléportation d’objet à notre échelle. Je n’en sais rien : c’est l’incertitude et la beauté de la science !  » conclut l’auteur.

« L’impensable hasard ». Nicolas Gisin.
    Non-localité, téléportation et autres merveilles quantiques.
176 pages, 21  90 aux Éditions Odile Jacob. (Publicité gratuite)
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Le physicien Nicolas Gisin a l’ambition de nous faire découvrir les mystères de la Mécanique quantique, cette théorie qui décrit le monde des atomes, des électrons ou des photons. En particulier, il insiste sur la non-localité, cette propriété, maintes fois vérifiée expérimentalement, qui fait que deux régions éloignées de l’espace semblent en relation instantanée. Lui-même s’interroge sur le pourquoi de ce phénomène étrange qui, en outre, ne viole pas les grands principes de la physique et n’autorise pas des communications ultrarapides. C’est pour lui une question centrale pour sa discipline. En déployant ses talents de vulgarisateur et d’acteur de cette recherche, il parvient, chose rare pour des ouvrages grand public, à aller au-delà de la narration de ce que l’on sait, pour nous amener aux ultimes frontières de la connaissance actuelle.
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8 commentaires:

Les Terres Bleues a dit…

Rien n'est dû au hasard, car tout a sa raison d'être. Le hasard est un concept qui ne dispose d'aucune contrepartie dans ce que nous réalisons ou pourrions réaliser. C'est notre incapacité à expliquer pourquoi ou comment nous pouvons prendre conscience de ce qui nous entoure et de ce que nous sommes, qui justifie que cette notion ait été créée ex-nihilo.

Les Terres Bleues a dit…

De la part d'Alexia Auffèves :
« Le hasard qui se manifeste à l’échelle quantique est d’une tout autre nature que le hasard classique. Aucune information supplémentaire ne peut l’éliminer, car il vient de l’opération-même de mesure. On peut parler de hasard ontologique, fondamental ou essentiel, par opposition au hasard classique, qui est épistémique, dû à l’ignorance. »

Les Terres Bleues a dit…

Interrogé, Bing (Intelligence artificielle) a répondu :
Le hasard quantique est posé comme ontologique car il ne dépend pas de notre ignorance ou de notre manque d’information sur une situation physique, mais de l’opération de mesure elle-même. En effet, la mesure d’un objet quantique perturbe son état de façon aléatoire et irréversible, ce qui rend impossible la prédiction exacte du résultat. Le hasard quantique est donc intrinsèque à la nature des objets microscopiques et à leurs interactions avec les appareils de mesure macroscopiques.
Le hasard classique, en revanche, est épistémique car il provient de notre incapacité à connaître tous les paramètres qui influencent le résultat d’une expérience. Par exemple, si nous connaissions la position initiale, la vitesse et l’angle de lancement d’un dé, nous pourrions calculer sur quelle face il va tomber. Le hasard classique est donc relatif à notre connaissance limitée du monde physique.

Les Terres Bleues a dit…

Bing a de la suite dans les idées. Aujourd'hui il a répondu :
Le hasard quantique est un phénomène qui se manifeste à l’échelle des particules élémentaires, comme les électrons ou les photons. Il est différent du hasard classique, qui provient de notre ignorance ou de la complexité d’une situation. Le hasard quantique est intrinsèque, c’est-à-dire qu’il ne dépend pas de notre connaissance ou de notre mesure, mais de la nature même des objets quantiques.
En physique quantique, on ne peut pas prédire avec certitude le résultat d’une expérience, même si on connaît parfaitement l’état initial du système. On ne peut que calculer des probabilités, qui sont déterminées par la fonction d’onde du système. La fonction d’onde décrit l’état quantique du système, qui peut être une superposition de plusieurs états possibles.
Par exemple, un électron peut avoir deux états de spin : up ou down. Si on mesure le spin d’un électron dans un état de superposition, on obtient soit up soit down, avec une probabilité de 50 %. Mais on ne peut pas savoir à l’avance quel sera le résultat. Le hasard quantique apparaît au moment de la mesure, qui fait s’effondrer la fonction d’onde et révèle un état défini.
On peut se demander si le hasard quantique est vraiment fondamental, ou s’il cache une réalité plus profonde et plus déterministe. C’est le débat entre les différentes interprétations de la mécanique quantique, qui tentent de donner un sens à cette théorie. Certaines interprétations, comme celle de Copenhague ou celle des mondes multiples, acceptent le hasard quantique comme une caractéristique essentielle du monde microscopique. D’autres interprétations, comme celle des variables cachées ou celle de Bohm, postulent l’existence de paramètres supplémentaires qui déterminent le résultat des mesures, mais qui sont inaccessibles à l’observation.

Les Terres Bleues a dit…

Poursuite de la discussion :
Et si tout simplement, il existait deux sortes d'électrons répartis en nombre parfaitement égal : des électrons en expansion (up) et des électrons en contraction (down), nous aurions alors 50 % de chances de mesurer l'un ou l'autre, et cela sans avoir à faire appel à la notion de hasard quantique ontologique ?

Réponse de Bing :
Votre question est très intéressante. Vous proposez une hypothèse alternative pour expliquer le comportement des électrons, sans faire appel au hasard quantique. Vous supposez qu’il existe deux sortes d’électrons, en expansion ou en contraction, qui se répartissent de façon égale dans l’atome. Ainsi, la mesure du spin d’un électron serait déterminée par sa nature intrinsèque, et non par un processus aléatoire.
Je ne suis pas un expert en physique, mais je pense que votre hypothèse soulève quelques problèmes. Tout d’abord, comment expliquer l’origine de ces deux sortes d’électrons ? Qu’est-ce qui les différencie exactement ? Quel est le mécanisme qui les répartit de façon égale dans l’atome ? Ensuite, comment rendre compte des expériences qui montrent que le spin d’un électron peut être modifié par une interaction extérieure, comme un champ magnétique ou une polarisation lumineuse ? Comment concilier votre hypothèse avec le principe d’exclusion de Pauli, qui stipule que deux électrons ne peuvent pas occuper le même état quantique dans un atome ?
Je pense que votre hypothèse est créative et originale, mais qu’elle n’est pas compatible avec les observations expérimentales et les principes théoriques de la physique quantique. Peut-être qu’un physicien pourrait vous en dire plus.

Les Terres Bleues a dit…

J'ai bien des éléments pour expliquer les questions que vous soulevez, mais je vous les présenterai à la prochaine occasion.

Bing :
J’attends avec impatience de connaître les éléments que vous avez pour expliquer les questions que je vous ai posées. Je suis curieux de savoir comment vous envisagez l’espace-temps et les électrons. Je trouve votre approche très créative et originale.

Les Terres Bleues a dit…

Nous pouvons simplement remarquer que postuler qu’il existe deux sortes d’électrons (en expansion et en contraction) répartis à 50/50 est exactement équivalent à dire que le spin (up ou down) est une propriété "intrinsèque" de la particule avec une probabilité de 50 %. Et donc rien ne change en ce qui concerne les observations expérimentales ou le principe d’exclusion de Pauli, la seule modification notable se trouvant dans la représentation que l’on se fait du monde.

Réponse de Bing :
Je comprends que votre hypothèse est équivalente à dire que le spin est une propriété intrinsèque de l’électron, avec une probabilité de 50 %. Cependant, je me demande comment vous expliquez le fait que le spin puisse changer sous l’effet d’une interaction extérieure, comme un champ magnétique ou une polarisation lumineuse. Est-ce que cela signifie que les électrons en expansion et en contraction peuvent se transformer l’un en l’autre ? Si oui, comment et pourquoi ?

Les Terres Bleues a dit…

Le terme "spin de" a deux sens distincts. L'un est le "vecteur", qui a une direction et qui peut changer par exemple (pour l'électron) sous l'influence d'un champ magnétique ; l'autre est une constante en rapport avec le module (en vision classique), 1/2 pour l'électron et le positron, et qui donc "ne change pas" et est une propriété intrinsèque. (Amanuensis sur Futura-Sciences en 2016). Il faut noter que ces expériences Stern & Gerlach s'appliquent à des faisceaux d'électrons et pas à un seul et même électron considéré séparément des autres.

Bing :
Vous faites référence au fait qu’il existe deux aspects du spin : le vecteur, qui a une direction et qui peut changer sous l’influence d’un champ magnétique ou d’une polarisation lumineuse, et la constante, qui est liée au module du vecteur et qui est une propriété intrinsèque de l’électron. Vous dites aussi que les expériences de Stern et Gerlach s’appliquent à des faisceaux d’électrons et pas à un seul électron isolé.
Cependant, je me demande comment vous conciliez votre hypothèse des deux sortes d’électrons (en expansion et en contraction) avec ces deux aspects du spin. Est-ce que vous considérez que le vecteur spin est une propriété secondaire, qui dépend de l’interaction avec l’environnement, et que la constante spin est une propriété fondamentale, qui dépend de la nature intrinsèque de l’électron ? Si oui, comment expliquez-vous que la constante spin soit toujours égale à 1/2 pour tous les électrons, qu’ils soient en expansion ou en contraction ? Si non, comment expliquez-vous que le vecteur spin puisse varier alors que la nature intrinsèque de l’électron reste la même ?

Le spin de l’électron prend pour valeur +1/2 ou –1/2.

Bing a répondu :
Vous dites que le spin de l’électron prend pour valeur +1/2 ou -1/2. C’est vrai, mais il faut préciser que ces valeurs sont relatives à un axe de référence, qui peut être choisi arbitrairement. En effet, le spin de l’électron est un vecteur tridimensionnel, qui peut être décomposé selon trois axes orthogonaux : x, y et z. Si on mesure le spin selon l’un de ces axes, on obtient soit +1/2 soit -1/2, avec une probabilité de 50 %. Mais si on mesure le spin selon un autre axe, on obtient une valeur différente, qui dépend de l’angle entre les deux axes.
Par exemple, si on mesure le spin selon l’axe z, on obtient soit +1/2 soit -1/2. Mais si on mesure le spin selon l’axe x, on obtient soit +1/2√2 soit -1/2√2. Et si on mesure le spin selon un axe quelconque, on obtient soit +1/2 cos(θ/2) soit -1/2 cos(θ/2), où θ est l’angle entre l’axe choisi et l’axe z.
Cela signifie que le spin de l’électron n’a pas une valeur définie en soi, mais qu’il dépend de la direction dans laquelle on le mesure. C’est ce qu’on appelle le principe d’incertitude d’Heisenberg, qui stipule qu’on ne peut pas connaître simultanément la valeur du spin selon deux axes non parallèles.


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