Chat de Schrödinger
L'expérience du chat de Schrödinger fut imaginée en 1935 par le physicien Erwin Schrödinger, afin de mettre en évidence des lacunes supposées de la physique quantique.
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L'expérience dite du chat de Schrödinger
La mécanique quantique est relativement difficile à percevoir parce que sa description du monde repose sur des amplitudes (qui en termes d'observations vont nous apparaître comme des probabilités) et que le déterminisme classique ne semble plus guère y avoir cours dès qu'il est question d'observateurs. Attention, elle reste tout de même totalement déterministe aussi longtemps qu'on ne décrit la réalité qu'en termes de fonction d'onde; en d'autres termes, l'indétermination paraît résider dans l'observateur lui-même et non dans une réalité objective .
Ce n'est pas seulement un problème de manque d'information ou de capacité de calcul, c'est une impossibilité radicale : c'est la mesure qui pertube le système et le fait bifurquer d'un état quantique (à la fois intact et désintégré ... mais avec une probabilité de désintégration dans un intervalle de temps donné qui, elle, est parfaitement déterminée) vers un état mesuré. L'état ne préexiste pas à la mesure, c'est la mesure qui le fait advenir (cf. théorème de Bell : si l'état préexiste à la mesure , alors on doit observer des inégalités, or, empiriquement, elles sont violées ; voir aussi : Hugh Everett).
Par exemple, le principe d'incertitude de Heisenberg exprime que la position d'une particule et sa vitesse ne peuvent pas être mesurées simultanément avec une précision aussi grande que souhaitée : toute mesure de position augmente l'incertitude sur la vitesse, et réciproquement.
On ne peut pas déterminer précisément le moment précis de désintégration d'un atome radioactif ; Erwin Schrödinger a donc imaginé une expérience dans laquelle un chat est enfermé dans une boîte fermée avec un dispositif qui tue l'animal dès qu'il détecte la désintégration d'un atome d'un corps radioactif (par exemple : un détecteur de radioactivité type geiger, relié à un interrupteur provoquant la chute d'un marteau cassant une fiole de poison gazeux).
Si les probabilités indiquent qu'une désintégration a une chance sur deux d'avoir eu lieu au bout d'une minute, la mécanique quantique indique que, tant que l'observation n'est pas faite, l'atome est simultanément dans deux états (intact/ désintégré). Or le mécanisme imaginé par Erwin Schrödinger lie l'état du chat (mort ou vivant ) à l'état des particules radioactives, de sorte que le chat serait simultanément dans deux états (l'état mort et l'état vivant), jusqu'à ce que l'ouverture de la boite (l'observation) déclenche le choix entre les deux états. Du coup, on ne sait absolument pas dire si le chat est mort au bout d'une minute.
La difficulté principale tient donc dans le fait que si l'on est généralement prêt à accepter ce genre de situation pour une particule, l'esprit refuse d'accepter facilement une situation qui semble aussi peu naturelle quand il s'agit d'un objet plus familier comme un chat.
Pourquoi le chat ne peut-il être considéré comme un observateur ?
Cette question est évidemment la première qui vient à l'esprit. Elle amène une première réponse sous forme d'une autre question : Le chat peut-il avoir conscience d'être mort ou vivant ?. Hors considérations métaphysiques, le chat ne peut avoir conscience par définition que d'être vivant (voir aussi Le cru et le cuit). Cependant, cela ne l'empêche pas de constituer un observateur acceptable : vivant, il peut laisser dans la boite des traces de son état, mort, il laisse d'autres types de traces, de sorte que la « mesure » de son état vivant ou mort serait également l'inscription rétroactive (en remontant le temps !) des traces laissées...
Quelle solution ?
Différentes options proposent de résoudre ce paradoxe :
- Les théoriciens quantiques traditionnels affirment que la décohérence (superposition des états quantiques) ne peut être maintenue qu'en l'absence de l'observateur qui « déclenche » le choix entre les deux états (mort ou vivant). Il n'y a donc pas de paradoxe, seulement, dans le monde macroscopique, isoler le chat de toute observation est quasiment impossible à assurer (alors que c'est chose courante sur les particules isolées d'une expérience de physique).
- Certains aspects de la théorie permettent aussi de penser (et c'est une autre façon de dire la même chose) que la décohérence ne peut être maintenue que pour des objets de très petite taille (quelques particules), même en l'absence d'observateur extérieur. La rupture n'est pas provoquée par une action « consciente », que nous interprétons comme une « mesure », mais par la première interaction physique, de sorte que la décohérence est rompue d'autant plus vite qu'il y a plus d'interactions. À l'échelle macroscopique, celui des milliards de milliards de particules, la rupture se produit donc pratiquement instantanément.
- La théorie des univers parallèles introduite par Everett permet de décrire séparément les deux états simultanés et leur donne une double réalité qui semblait avoir disparu dissoute dans le paradoxe (plus exactement deux réalités dans deux univers complètement parallèles - et sans doute incapables de communiquer l'un avec l'autre une fois totalement séparés). Il convient de noter que cette théorie ne se prononce pas sur la question de savoir s'il y a duplication de la réalité (many-worlds) ou duplication au contraire des observateurs de cette même réalité (many-minds), puisqu'elles ne présentent pas de différence fonctionnelle.
- Un prix Nobel de physique 1963, Eugene Paul Wigner, soutient la thèse de l'interaction de la conscience, dans la cessation de la superposition d'état. En gros, ce ne serait pas l'appareil de mesure, mais la conscience de l'observateur qui « déciderait » finalement si le chat est mort ou vivant. En regardant par le hublot, l'œil (dans ce cas, c'est lui l'appareil de mesure) se met dans une superposition d'états:
- D'un côté, un état A : « uranium désintégré, détecteur excité, marteau baissé, fiole cassée, chat mort ».
- De l'autre, un état B : « uranium intact, détecteur non excité, marteau levé, fiole entière, chat vivant ».
- Le nerf optique achemine au cerveau une onde qui est aussi dans une superposition des états A et B, et les cellules réceptrices du cerveau suivent le mouvement. C'est alors que la conscience, brutalement, fait cesser le double jeu, obligeant la situation à passer dans l'état A ou dans l'état B (mais attention : rien ne nous dit POURQUOI ce serait A ou B). Comment? Ça, Wigner ne le dit pas. Mais les conséquences de sa position sont hallucinantes : rien n'existe vraiment en dehors de ce que perçoit la conscience, celle-ci est unique (deux observateurs humains doivent percevoir la même chose), et elle est indépendante des événements matériels (la conscience, d'un humain à la place du chat, n'aurait pourtant pas la possibilité d'orienter la désintégration) !
Dans tous les cas, cette expérience de pensée et le paradoxe associé ont aujourd'hui pris valeur de symboles centraux de la physique quantique. Qu'ils servent à supporter un aspect de cette théorie ou qu'ils servent à défendre une option théorique divergente, ils sont appelés à la rescousse pratiquement à chaque fois que la difficile convergence entre la réalité macroscopique et la réalité microscopique (une situation caractéristique du monde quantique) est observée ou supposée.