Le Chat de Schrödinger

Le chat de Schrödinger est une expérience de pensée célèbre formulée par le physicien autrichien Erwin Schrödinger en 1935. Cet exemple paradoxal est utilisé pour illustrer les concepts fondamentaux de la mécanique quantique, en particulier la superposition des états et la problématique de la mesure. Cet article détaillé vise à fournir une compréhension approfondie de cette expérience, tout en étant accessible pour ceux qui connaissent déjà le concept.

Contexte Historique et Théorique

La Mécanique Quantique

Au début du 20ème siècle, la mécanique quantique a émergé comme une nouvelle branche de la physique, destinée à expliquer les phénomènes à l’échelle atomique et subatomique. Contrairement à la physique classique, la mécanique quantique introduit des concepts contre-intuitifs comme la superposition, l’intrication et l’incertitude.

Erwin Schrödinger et l’Équation de Schrödinger

Erwin Schrödinger (1887-1961) est l’un des pionniers de la mécanique quantique. Il est surtout connu pour l’équation de Schrödinger, formulée en 1925, qui décrit comment l’état quantique d’un système évolue dans le temps. Toutefois, Schrödinger était lui-même critique envers certaines interprétations de la mécanique quantique, notamment celle de Copenhague, popularisée par Niels Bohr et Werner Heisenberg.

L’Expérience de Pensée : Le Chat de Schrödinger

Description de l’Expérience

Schrödinger a proposé une expérience de pensée pour illustrer les bizarreries de la mécanique quantique :

1. Le Système Fermé : Un chat est placé dans une boîte fermée, opaque et hermétique.
2. Le Dispositif Quantique : À l’intérieur de la boîte se trouve un dispositif quantique constitué d’un atome radioactif, d’un compteur Geiger, d’un flacon de poison et d’un marteau.
3. Le Mécanisme : Si l’atome radioactif se désintègre, le compteur Geiger détecte la radiation, ce qui déclenche le marteau pour briser le flacon de poison, tuant ainsi le chat. Si l’atome ne se désintègre pas, le chat reste en vie.

La Superposition des États

Selon les principes de la mécanique quantique, jusqu’à ce que l’observateur ouvre la boîte et mesure l’état du chat, le système existe en une superposition de deux états possibles : « chat vivant » et « chat mort ». Cela signifie que, avant l’observation, le chat est à la fois vivant et mort simultanément.

La Problématique de la Mesure

L’expérience de pensée met en lumière la problématique de la mesure dans la mécanique quantique. Selon l’interprétation de Copenhague, c’est l’acte de mesure qui fait « collapser » la fonction d’onde, forçant le système à choisir un état défini (vivant ou mort, dans ce cas). Avant la mesure, le système est décrit par une fonction d’onde qui englobe tous les états possibles.

Implications et Débats

Interprétation de Copenhague

Pour les partisans de l’interprétation de Copenhague, l’expérience du chat de Schrödinger montre que les objets quantiques n’ont pas de propriétés définies avant d’être mesurés. C’est l’acte d’observation qui crée la réalité observable.

Multivers et Décohérence

D’autres interprétations offrent des perspectives différentes. L’interprétation des mondes multiples, proposée par Hugh Everett en 1957, suggère que chaque possibilité se réalise dans un univers parallèle. Ainsi, dans un univers, le chat est vivant, tandis que dans un autre, il est mort.

La théorie de la décohérence, développée dans les années 1970, propose que les interactions avec l’environnement provoquent la dissipation des états superposés en des réalités distinctes, sans nécessiter d’observation consciente.

Exemples pour Illustrer le Concept

Un Exemple Simple

Imaginez une pièce de monnaie lancée en l’air et recouverte avant de toucher le sol. Tant que la pièce est cachée, elle est en superposition des états « pile » et « face ». Ce n’est qu’en regardant la pièce que nous découvrons son état définitif. Cependant, contrairement à la pièce de monnaie classique, qui est soit pile, soit face, un objet quantique peut réellement être dans un état superposé.

Applications Modernes

Les concepts de superposition et de mesure ont des applications pratiques, notamment dans le domaine de l’informatique quantique. Un bit quantique, ou qubit, peut représenter simultanément 0 et 1, permettant une puissance de calcul exponentiellement supérieure à celle des bits classiques.

Conclusion

Le chat de Schrödinger demeure une illustration fascinante et pédagogique des mystères de la mécanique quantique. En confrontant les idées de superposition et de mesure, cette expérience de pensée soulève des questions profondes sur la nature de la réalité et notre compréhension du monde quantique. Bien que paradoxale, elle a conduit à des développements théoriques et technologiques qui continuent de transformer notre monde.