Explication du Chat de Schrödinger

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Explication du Chat de Schrödinger

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Vous en avez sans doute déjà entendu parlé, que ça soit à l'école, dans des émissions scientifiques, dans des séries ou même par des amis un peu trop fan de la science, comme Sheldon dans Big Bang Theory, il s'agit bien évidemment du Paradoxe du Chat de Schrödinger ! Vous savez peut-être que l'expérience parle d'un chat enfermé dans une boîte et dont on ignore si notre félin est mort ou vivant, donc on en conclut que celui-ci se retrouve dans les 2 états avant que l'on ouvre la boîte. Et bien, vous savez déjà la grosse partie de l'histoire !

Bien évidemment, l'expérience est bien plus subtil que ça et c'est ce que nous allons vous partager. Dans cet article, on va vous expliquer clairement le concept de cette expérience de pensée de notre cher physicien autrichien, Erwin Schrödinger, et des différentes conclusions que l'on pourrait apporter par la suite !

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La Mécanique Quantique à l'Époque de Schrödinger

Afin d'être sûr de pouvoir tout comprendre correctement, nous allons repartir de zéro et expliquer les bases de la mécanique quantique afin de comprendre réellement l'intérêt de l'Expérience du Chat de Schrödinger. Il faut tout d'abord savoir qu'à l'époque de notre scientifique, la physique quantique était encore doutée et pas vraiment appréciée par tous les physiciens. Pourquoi ? En particulier à cause de la théorie de la superposition

La mécanique quantique est née afin de résoudre des problèmes tellement complexes que la physique classique n'arrivait même pas à résoudre ! Des problèmes comme l'explication du rayonnement du corps noir ou de l'existence des raies spectrales, bref des sujets dont on a jamais entendu parlé dans notre innocente petite vie. On a donc " inventé " plusieurs concepts, dont la théorie de la superposition, dans le but de justement trouver une explication à l'inexplicable. À cause de ces différentes hypothèses, qui paraissaient abstraites au début du XXème siècle, les scientifiques étaient très mitigés par rapport à cette nouvelle branche de la physique théorique.

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Le Principe du Chat dans la Boîte

Revenons à notre Expérience du Chat dans la Boîte ! Erwin Schrödinger décide un jour de mener une expérience de pensée où il imagine ce qu'il pourrait se passer s'il enfermait son chat dans une boîte fermée dans lequel se trouverait un dispositif permettant instantanément de tuer n'importe quel être vivant à cause d'un gaz mortel. Au cas où vous ne le saurez pas, une expérience de pensée est une expérience faite uniquement avec son imagination. Cela permet de réfléchir à des futurs théories, à se poser la question " Que se passerait-il si ... ". Bien entendu, l'expérience n'a jamais eu lieu car, en plus du fait que notre physicien n'était pas un psychopathe, ce n'était pas réalisable à cause de quelques problèmes techniques. Le principe de l'expérience du chat de Schrödinger était de démontrer le paradoxe de la physique quantique, d'où le nom du Paradoxe du Chat de Schrödinger ! On a expliqué, plus haut, qu'à l'époque d'Erwin le scientifique, l'idée de la théorie quantique n'était pas réellement appréciée.

En effet, lorsqu'on calcule les probabilités, nous réfléchissons de manière binaire. Par exemple avec notre matou dans la caisse, le chat a une chance sur deux à l'expérience. Or, dans un raisonnement quantique, on pourrait également inclure le fait que notre chat soit dans les deux états donc mort et vivant ! Cela vous paraît étrange, non ? Pour Schrödinger aussi ! C'est d'ailleurs l'objectif de cette expérience de pensée. Le principe du Chat de Schrödinger, pour le physicien, est de démontrer le paradoxe de la théorie quantique ! 

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D'où vient cette Logique Quantique ?

Cette façon de raisonner est tout bonnement mathématique. Pour savoir d'où vient la théorique quantique il faut savoir à quoi sert concrètement la physique classique. Si l'on a la physique classique pour expliquer et décrire notre environnement, les objets visibles, matériels, qui sont directement à l'échelle humaine, on possède la physique quantique pour décrire ce qu'il se possède à l'échelle atomique ! 

Pour calculer la position d'un électron à un instant précis, on utilise des calculs de probabilités. Pour faire simple, notre électron possède X% de se retrouver à une coordonnée x, y et z ( vu que nous sommes dans un monde à trois dimensions ). Et lorsque l'on transcrit ce calcul de façon mathématique, cela se traduit par le fait que l'électron se trouve aux trois endroits endroits, au même moment ! Ceci est donc, l'explication vulgarisée, du concept de superposition quantique.

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Le Chat de Schrödinger : Mort Et Vivant d'après la Superposition Quantique ?

Vous avez donc compris que Schrödinger voulait choquer le monde en démontrant les paradoxes du raisonnement quantique à l'échelle macroscopique. Au lieu d'utiliser les particules atomiques, de parler avec des termes compliqués, notre physicien a préféré parler d'une "chose" dont tout le monde connaît et affectionne, le chat ! D'ailleurs le chat de Schrödinger a réellement existé ! 

Dans l'expérience, on nous avons parlé d'un mécanisme qui était capable de tuer n'importe quel animal à cause d'un gaz mortel. De quoi s'agit-il exactement ? Ce mécanisme de l'enfer est un dispositif réagissant à la désintégration d'un atome d'un corps radioactif. En d'autres mots, il réagit à la radioactivité. Pour information, tout corps vivant est radioactif ! Notre scientifique Autrichien a donc pensé à un détecteur de radioactivité type Geiger qui déclencherait un marteau brisant une fiole remplit d'acide cyanhydrique, le poison provoquant le gaz mortel, dont nous parlions de tout à l'heure, lors de son évaporation. Retenez que la probabilité que le dispositif réagisse est complètement aléatoire, et donc il est impossible de prévoir quand la fiole sera brisée et même si elle sera brisée tout court.

Erwin Schrödinger se dit donc qu'il n'a aucun moyen de savoir si le dispositif s'est déclenché. Il lie cette idée à la théorie de la superposition quantique en comparant son chat à un objet quantique et conclut donc que son chat est mort et vivant car selon cette théorie et l'équation de Schrödinger, cet état quantique est tout à fait possible. 

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La Décohérence Quantique

On pourrait se dire " Oui mais si l'on ouvre la boîte, on saura réellement si le Chat de Schrödinger est mort ou vivant " et vous avez totalement raison ! On parle alors de décohérence quantique. Ce phénomène signifie que notre problème énigmatique se résout immédiatement et nous forcera donc à choisir l'état A ou l'état B ! Maintenant vous comprenez totalement où le physicien Schrödinger voulait en venir. 

Cette expérience de pensée servait à démontrer, avec une image simple, les paradoxes que peuvent présenter les raisonnements quantiques à notre échelle et donc prouver que les théories quantiques ne peuvent s'utiliser qu'en parlant d'électrons, de photons, d'atomes en général.

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Les 2 Conclusions de l'Expérience de Schrödinger. 

1) La Physique Quantique doit rester à l'Échelle Quantique 

Cette conclusion provient directement de l'École de Copenhague. En effet, celle-ci explique les lois quantiques n'ont aucune raisons d'exister à notre échelle et se doivent d'être, et de rester des concepts purement mathématiques, et donc abstraits. Comme nous démontre cette expérience de pensée, transposer des calculs venant du monde quantique dans un monde visible à l'œil nu n'a aucun sens !

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2) Le Chat de Schrödinger n'est pas un Objet Quantique

Un objet se trouvant dans le monde macroscopique ne suit pas la même logique que les objets quantiques. Grosso modo, les objets que nous pouvons voir et toucher ne peuvent pas être dans plusieurs états différents ! Le Chat de Schrödinger ne peut pas être vivant et mort tout comme une pièce de monnaie de ne peut pas être pile et face et sur la tranche, ce sont 3 états différents. 

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Quelques Théories sur le Paradoxe Quantique

1) Et s'il n'y avait pas de Paradoxe ?

La première théorie est celle de la décohérence. Nous en avons déjà parlé un peu plus tôt, la décohérence quantique signifie le moment où il y a un événement qui force à ce qu'il y ait un état. Dans le cas sur le Chat de Schrödinger, il s'agit du moment où le physicien ouvre la boîte pour voir l'état de son chat. C'est à ce moment que l'on s'aperçoit si le chat est vivant ou mort et donc l'hypothèse du chat mort et vivant disparaît.

La théorie de la décohérence, défendue par les physiciens Omnès, Lévy-Leblond et par le prix Nobel Murray Gell-Mann laisse penser qu'il n'y a jamais eu de paradoxe et que l'état de superposition n'existe que pour les particules et donc que le chat était bien vivant ou mort, bien avant qu'il n'y ait un pseudo-événement qui rompt ce paradoxe. Si cela vous intéresse, il existe une variante de cette théorie proposée par les physiciens Penrose, Rimini, Ghirardi et Weber. N'hésitez donc pas à vous informer sur la théorie de la décohérence.

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2) Des Univers Parallèles ?

Non, cette théorie ne vient pas tout droit de Steins;Gate mais bien du physicien Hugh Everett ! La Théorie des Univers Parallèles peut paraître un peu folle à première vue, mais elle n'en reste pas moins intéressante. D'après Everett, chaque état de superposition se séparerait dans un état à part dans une infinité d'univers parallèles. Pour vous aider à comprendre, nous allons reprendre l'exemple du chat dans la boîte. Lorsque l'on ouvre la boîte pour voir le chat ( en supposant toujours la superposition quantique ), l'état contraire du matou que nous voyons actuellement existerait instantanément dans une autre ligne d'univers ! Ce qui fait comprendre que le Chat de Schrödinger est bel et bien mort et vivant, mais dans 2 univers parallèles distincts.

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3) Une Approche dite "Positiviste"

Hawking ainsi que Heisenberg, par contre, ne cherchent pas réellement à résoudre ce problème car ils n'y voient tout simplement pas d'intérêt. Cette façon de penser ressemble énormément au concept de noumène chez le philosophe Kant. Pour eux, il ne sert à rien de s'attarder sur l'état superposé du Chat de Schrödinger car il ne s'agit tout simplement pas d'un état réel. Ces physiciens pensent alors que la fonction d'onde ne décrit que ce que nous connaissons de la réalité, mais pas la réalité elle-même. 

Il existe d'autres théories, développées par Einstein, père de la relativité générale, ainsi que d'autres grosses têtes mais je vous invite donc à vous renseigner alors plus en profondeur sur ces théories.

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Du coup, que faut-il Retenir sur l'Expérience du Chat de Schrödinger ?

Et bien, après tout ce blabla scientifique, vous vous demandez sûrement ce qu'il faut retenir, concrètement ? Et bien, il y a quelques points essentiels à savoir sur cette expérience de pensée.

La première chose qu'il faut retenir c'est que la physique quantique, une particule spécifique peut être simultanément dans 2 états contraires, cela porte le nom de superposition quantique. Cela vient d'un point de vue purement mathématique, lié à des calculs de probabilité pour connaître la position d'un atome. 

Ensuite, vous devez savoir qu'il existe principalement 3 points de vue distincts sur l'intérêt de la superposition quantique : 

  • L'École de Copenhague + l'approche positiviste : La superposition quantique doit rester un concept abstrait, purement mathématique. Il n'y a donc aucune raison de l'interpréter de manière macroscopique comme a fait le physicien Schrödinger avec l'expérience du chat dans la boîte.
  • La théorie d'Everett : Cette théorie cherche à croire qu'il existe peut-être des univers parallèles qui se créent dès lors que la décohérence quantique voit le jour.
  • Il n'y a jamais eu de paradoxe car il n'existe simplement pas de superposition quantique dans le monde physique. Le Chat de Schrödinger est lui-même l'observateur de l'expérience.

Et voilà ! Vous savez désormais les grandes lignes de cette fameuse Expérience de Schrödinger. Vous pouvez désormais faire le malin, ou la maligne, lorsque l'on vous demanderait d'expliquer le principe de cette expérience de pensée lorsque vous porterez nos magnifiques T-Shirt Chat Schrödinger !

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