La mécanique quantique fascine et intrigue aussi bien les scientifiques que le grand public. Ce domaine fondamental de la physique, qui explore le comportement des particules à l’échelle subatomique, a permis des avancées technologiques spectaculaires, comme l’invention des lasers et des ordinateurs quantiques. Mais cela pose également de profondes questions sur la nature de la réalité. Parmi ces questions, l’une des plus intrigantes demeure : comment passer d’un monde quantique étrange et incertain à notre monde classique familier, où les objets sont solides et les événements clairement définis ?
Le monde étrange de la mécanique quantique
Dans le domaine quantique, les règles que nous connaissons à l’échelle macroscopique cessent de s’appliquer. Au cœur de cette bizarrerie se trouve la notion de fonction d’onde. Une fonction d’onde n’est pas une simple description de l’endroit où se trouve une particule, mais plutôt une carte probabiliste montrant toutes les possibilités de l’endroit où elle pourrait se trouver. Ce superposition d’états est l’un des concepts les plus contre-intuitifs de la mécanique quantique.
Prenons le célèbre exemple du chat de Schrödinger. Imaginez un chat enfermé dans une boîte dotée d’un mécanisme quantique capable de libérer du poison. Tant que la boîte reste fermée, le chat est à la fois vivant et mort : une superposition d’états. Ce n’est que lorsqu’on ouvre la boîte et qu’on regarde à l’intérieur que le chat prend un état définitif : vivant ou mort. Cette transition du flou quantique à une réalité bien définie est appelée l’effondrement de la fonction d’onde. Mais pourquoi et comment cet effondrement se produit-il ?
Les outils des physiciens pour expliquer l’émergence du classique
Pour expliquer ce passage, les physiciens se sont appuyés sur plusieurs concepts. Le premier est le La règle de Bornqui stipule que lorsque nous effectuons une mesure, la probabilité d’observer un état particulier est proportionnelle au carré de l’amplitude de la fonction d’onde dans cet état. Autrement dit, la fonction d’onde ne donne pas un résultat précis, mais seulement des probabilités.
Un autre concept crucial est celui de décohérence quantique. Lorsqu’un système quantique interagit avec son environnement, ses différentes superpositions d’états deviennent vite incompatibles. Cela signifie que nous observons uniquement un état classique cohérent — par exemple, un chat vivant ou la mort – plutôt qu’une combinaison des deux. Cette idée est au cœur de l’interprétation dite de Copenhague, mais elle n’explique pas tout.
Des interprétations alternatives ont également émergé, comme celle de plusieurs mondes. Selon ce point de vue, tous les états possibles de la fonction d’onde continuent d’exister, mais dans des univers parallèles. Par exemple, dans un univers, le chat est vivant et dans un autre, il est mort. Mais si ces mondes existent, pourquoi ne les voyons-nous jamais directement ?
Une découverte récente : le monde classique émergent
Les physiciens espagnols ont récemment apporté un nouvel éclairage sur ce problème. Leurs recherches, publiées dans Physical Review X, montrent que les caractéristiques du monde classique émergent naturellement de systèmes quantiques complexes. En d’autres termes, notre monde macroscopique n’est pas en contradiction avec la physique quantique : cela s’ensuit inévitablement.
Imaginez un sac d’eau troué. Bien que les molécules d’eau à l’intérieur se déplacent de manière chaotique et imprévisible, l’eau qui s’écoule des trous forme des ruisseaux réguliers et prévisibles. De même, les recherches montrent que les systèmes quantiques, bien que complexes et chaotiques, génèrent des structures classiques stables lorsqu’ils sont observés à grande échelle.
L’équipe a simulé des évolutions quantiques à des échelles sans précédent, impliquant jusqu’à 50 000 niveaux d’énergie. Ils ont découvert que les effets d’interférence quantique, responsables de comportements étranges à petite échelle, disparaissent très rapidement à mesure que la taille du système augmente. Ce phénomène se produit de manière exponentielle et universelle, sans nécessité de conditions particulières. Ainsi, même des systèmes constitués de quelques atomes peuvent commencer à se comporter de manière classique.
Ce que cela signifie pour notre compréhension de la réalité
Cette recherche apporte un éclairage nouveau sur la question de l’émergence du monde classique. Cela montre que notre réalité observable n’est pas une anomalie, mais un conséquence naturelle des lois physiques. Cela pourrait également expliquer pourquoi le temps semble s’écouler dans une seule direction : une flèche du temps émerge de certaines branches de l’évolution quantique, tandis que d’autres branches pourraient théoriquement avoir une flèche du temps inversée.
En reliant ces travaux à la mécanique statistique, les chercheurs montrent comment des concepts comme la température et la pression émergent de l’interaction d’innombrables particules microscopiques. Cela renforce l’idée selon laquelle l’ordre et la structure peuvent émerger d’un univers globalement chaotique et temporellement symétrique.
Et les autres univers ?
L’idée de mondes multiples reste fascinante. Selon cette théorie, notre univers n’est qu’une branche parmi d’innombrables autres. Des travaux récents fournissent un cadre pour comprendre comment ces branches peuvent coexister tout en produisant des mondes cohérents et stables. Même si nous n’avons pas d’accès direct à ces autres univers, leur existence pourrait expliquer la richesse et la complexité de notre propre monde.
