Des physiciens ont récemment proposé des modifications au célèbre paradoxe du chat de Schrödinger qui pourraient aider à expliquer pourquoi les particules quantiques peuvent exister dans plus d’un état simultanément, alors que les grands objets (comme l’univers) ne semblent pas le pouvoir.

Relativité d’Einstein et mécanique quantique

La physique est un domaine complexe et fascinant qui cherche à comprendre les lois fondamentales qui régissent notre univers. Deux des théories les plus influentes et les plus abouties dans ce domaine sont la théorie de la relativité d’Einstein et la mécanique quantique.

La relativité, formulée principalement par Albert Einstein au début du 20e siècle, révolutionne de son côté notre compréhension de l’espace, du temps et de la gravité . Cette théorie se compose de deux parties principales : la relativité restreinte et la relativité générale. La relativité restreinte décrit essentiellement le comportement des objets se déplaçant à des vitesses proches de celle de la lumière, tandis que la relativité générale explique la gravitation en tant que courbure de l’espace-temps due à la présence de masse et d’énergie.

D’un autre côté, la mécanique quantique est une théorie qui décrit le comportement des particules subatomiques, telles que les électrons et les photons. Contrairement à la physique classique, elle postule que ces particules peuvent exister dans des états superposés, ce qui signifie qu’elles peuvent occuper plusieurs états simultanément. Par exemple, un électron peut être à la fois dans un état d’onde et dans un état de particule jusqu’à ce qu’il soit observé. Autrement dit, lorsqu’une mesure est effectuée, le système quantique s’effondre dans l’un de ces états, donnant une valeur précise pour l’observable mesurée.

attraction gravitationnelle gravité Schrödinger — Gravité et théorie générale du concept de la relativité. Terre et soleil sur l’espace-temps déformé. Crédits : vchal/istock

Problème de compatibilité

Le problème survient lorsque l’on tente d’unifier ces deux théories en une seule description cohérente de l’univers. En effet, la relativité et la mécanique quantique semblent être en désaccord sur plusieurs points cruciaux. Par exemple, la mécanique quantique prédit l’existence d’états superposés, tandis que la relativité générale décrit un univers où les objets ont des positions et des vitesses bien définies. De plus, la mécanique quantique utilise un cadre probabiliste pour décrire le comportement des particules, tandis que la relativité s’appuie sur des équations déterministes pour décrire la dynamique de l’espace-temps.

Le paradoxe du chat de Schrödinger illustre parfaitement cette incompatibilité. Dans ce célèbre scénario, un chat se trouve dans une boîte avec un dispositif qui peut déclencher la libération d’un poison, tuant ainsi le chat. Selon la mécanique quantique, tant que la boîte est fermée, le chat est dans un état de superposition, à la fois vivant et mort. Ce n’est que lorsque la boîte est ouverte et que le chat est observé que son état est déterminé. Cependant, cela contredit l’intuition classique selon laquelle le chat ne peut être ni vivant ni mort, mais doit être dans un seul état bien défini.

Pour tenter de concilier ces deux perspectives apparemment contradictoires, les physiciens ont proposé une modification de l’équation de Schrödinger, qui est au cœur de la mécanique quantique. Ce changement suggère que les systèmes quantiques s’effondrent spontanément à intervalles réguliers, acquérant ainsi des valeurs définies pour leurs observables. En d’autres termes, au lieu de rester dans un état superposé indéfiniment, les particules quantiques finissent par « choisir » un état spécifique de manière aléatoire et spontanée.

Une approche novatrice

Pour y voir plus clair, imaginez que vous regardiez le monde à travers deux lentilles différentes. D’un côté, vous avez la lentille de la mécanique quantique qui vous permet de voir le monde des particules subatomiques, où les choses peuvent être dans plusieurs états à la fois, comme une sorte de danse probabiliste. D’un autre côté, vous avez la lentille de la relativité générale d’Einstein, qui vous donne une image de l’univers à grande échelle, où les objets suivent des trajectoires déterministes bien définies, comme des planètes en orbite autour d’une étoile.

Ces deux visions du monde semblent donc souvent se contredire. La mécanique quantique nous dit que les choses peuvent être floues et incertaines, tandis que la relativité générale nous dit que tout est précis et défini. C’est un peu comme si vous essayiez de mélanger de l’huile et de l’eau : cela ne semble tout simplement pas possible.

Dans le cadre de ces nouveaux travaux, les physiciens ont alors pensé : et si, au lieu de voir les choses comme étant soit floues soit précises, nous trouvions un moyen pour qu’elles soient les deux en même temps, mais à des échelles différentes ? C’est là que la modification de l’équation de Schrödinger entre en jeu.

Cette modification suggère que les systèmes quantiques, comme les particules subatomiques, peuvent s’effondrer spontanément à intervalles réguliers, choisissant ainsi un état spécifique parmi une multitude de possibilités. Cela leur donne une sorte de « coup de pouce » vers un état déterminé, ce qui les rend plus cohérents avec notre vision classique du monde à grande échelle régie par la relativité générale.

En d’autres termes, cette modification de l’équation de Schrödinger permet aux particules quantiques de passer d’un état flou et incertain à un état précis et défini au fil du temps, sans avoir besoin d’une observation externe pour le provoquer. Cela expliquerait pourquoi nous ne voyons pas d’objets macroscopiques, comme des chats dans des boîtes, dans des états superposés étranges, mais plutôt dans des états définis et observables.

C’est comme si nous avions trouvé un moyen de fusionner les deux lentilles pour obtenir une image plus claire et plus cohérente du monde qui nous entoure. Bien sûr, il reste beaucoup de travail à faire pour tester cette idée et voir si elle tient vraiment la route, mais il s’agit d’une perspective passionnante qui pourrait nous aider à mieux comprendre les mystères de l’univers.

Les détails de l’étude sont publiés dans le Journal of High Energy Physics .

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