Projet Anti-matières : Le chat de Schrödinger

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———- Notes aux lecteurs ———–

Cette présentation prend quelques libertés avec la chronologie des expériences afin de pouvoir obtenir une présentation de 15 min devant des élèves de première. Merci pour votre compréhension.

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Pour commencer : L’histoire

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Introduction :

Le chat de Schrödinger est une expérience de pensée imaginée en 1935 par le physicien Erwin Schrödinger afin de mettre en évidence des lacunes supposées de l’interprétation de Copenhague de la physique quantique.

En fait, cette affirmation est affirmé par la théorie quantique au niveau atomique. Schrödinger l’a extrapolé au niveau macroscopique pour en démontrer son impossibilité.

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Cette expérience est encore quelquefois présentée sous le nom de « Paradoxe du chat de Schrödinger »

Photo ci-contre : Erwin Schrödinger

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Présentation en image

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Erwin Schrödinger a imaginé une expérience de pensée dans laquelle un chat est enfermé dans une boîte avec un dispositif qui tue l’animal dès qu’il détecte la désintégration d’un atome d’un corps radioactif.

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En radioactivité, si les probabilités indiquent qu’une désintégration a une chance sur deux d’avoir eu lieu au bout d’une minute, personne ne peut donc savoir si, au bout d’une minute, le chat est mort ou vivant.

Pour le savoir, il faut ouvrir la boite.

Hors, la théorie quantique prétend que le chat est à la fois mort et vivant.

Le but était surtout de marquer les esprits avec ce paradoxe :

Si la théorie quantique autorise un chat à être à la fois mort et vivant, c’est, soit qu’elle est erronée, soit qu’il va falloir reconsidérer tous les préjugés.

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Pourquoi la théorie quantique autorise-t-elle un chat à être à la fois mort et vivant ?

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Remarque aux lecteurs : J’ai pris ici la liberté de ne pas présenter les expériences dans leur ordre historique afin de pouvoir faire une présentation plus rapide.

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Le dispositif de la fente d’Young.

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1° Lorsqu’on envoie des balles vers une plaque avec une fente verticale, on observe ceci :

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Observation : Les balles arrivent sur le mur et forme une tache allongée, suivant l’axe du tir.

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2° Lorsqu’on fait l’expérience avec des électrons, on observe ceci :

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Dans l’expérience suivante, on utilise un dispositif qui permet d’envoyer des électrons un par un vers une plaque présentant une fente verticale.

Les électrons n’arrivent pas systématiquement dans l’axe du tir : Beaucoup arrivent à droite ou à gauche.

Remarque : La répartition exacte du nombre d’électrons n’est pas respectée.

La répartition exacte obéit à une répartition statistique, indiquée par la courbe ci-dessous.

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Conclusion

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Si la mécanique quantique a raison, les conséquences sont innombrables. Non seulement la position, mais aussi la vitesse et d’autres variables dites « variables d’état » ne sont déterminées que statistiquement. 

Pire encore, la théorie quantique prévoit que la position de la particule n’est déterminable que lorsqu’elle arrive en contact avec l’écran (*)

Bien que depuis longtemps admise, la preuve expérimentale de cette affirmation, totalement finalisée, et tenant compte de tous les paramètres, ne sera apportée qu’en 2013  par une équipe américaine !  (suivre le lien).

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Et le chat dans tout ça ?

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La position de la particule est aléatoire et il n’y a aucun moyen de connaitre la position de son impact avant sa détection, comme pour le chat*.

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* A condition que le chat soit un objet quantique. Sa variable d’état « mort » ou vivant » n’est fixée que lorsqu’on ouvre la boite. Avant cela, il est à la fois « mort » et « vivant » comme on va le voir ci-dessous.

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Le face à face Bohr-Einstein

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Il y a un indéterminisme intrinsèque paradoxal, en opposition avec les observations du monde macroscopique.

On a retenu cette période de questionnement, en 1927, sous le nom de La controverse de Copenhague

Objection d’Einstein : « Dieu ne joue pas aux dés ! »

Réponse de Niels Bohr : « Qui êtes vous pour dire ce que Dieu fait ? »

Les physiciens doivent choisir leur camp :

  • D’un coté : Edwin Schrödinger et son chat, Albert Einstein et son jeu de dés…
  • De l’autre : Niels Bohr, Max Born, Paul Dirac, Louis De Broglie, Heisenberg…

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Mais comment peut-on concevoir que la chose soit possible ?

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Un indice : Le type de courbe obtenue est connue des physiciens. Ils reconnaissent là une courbe qu’on obtient avec les ondes.

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1° Voici une figure obtenue naturellement avec une onde telle que la houle qui entre par une petite ouverture dans une baie.

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On peut aussi faire les même observations avec le son, les ondes lumineuses…

Ci dessous : La même image, obtenue par simulation :

2° Avec les ondes, les physiciens connaissent les phénomènes d’interférences :

Ci-dessous la double ouverture provoque des interférences dans le port d’Alexandrie :

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On peut les obtenir avec de ondes de tous types : Ondes lumineuses, sonores etc.

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Suivez le lien pour fabriquer vous même une figure d’interférence :

Indication de réglage : Choisir « Interférences » > « Laser » > Fréquence (dans le bleu) > Amplitude max > 2 fentes > largeur de la fente = mini

Conclusion :

Les électrons, émis un par un, semblent former des figures qui sont d’habitude, propres aux ondes.

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Mais alors, un électron est-il une particule ou une onde ?

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RÉPONSE DE LA MÉCANIQUE QUANTIQUE : Les 2 mon général ! Une particule est aussi une onde.

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La dualité onde-corpuscule

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C’est Einstein, qui, avec l’effet photo-électrique, que la lumière est aussi constitué de particules qu’on appelle des « photons ».

Louis de Brooglie montrera que cette double nature est généralisable à des atomes puis finalement à toutes les particules.

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1° Comme toujours en physique, C’est l’expérience qui fourni la preuve.

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Lorsqu’on n’envoie qu’ UN SEUL ÉLECTRON sur une fente double, il passe par les 2 fentes à la fois avant de faire un impact unique sur l’écran.

Le cumul des électrons fait apparaitre une figure d’interférence.

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En vidéo :

Conclusion : L’électron UNIQUE s’est comporté comme une onde !

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2° Vision schématisée de la dualité onde-corpuscule

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On peut essayer de représenter cette double nature à l’aide de la schématisation suivante. L’électron représenté est un « paquet d’onde ».

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L’électron est à la fois une onde et une particule. Son comportement peut être lié à l’une, ou à l’autre de ces 2 réalités simultanées.

C’est l’expérience de J.A.Wheeler en 1978 qui montrera que ces 2 réalité sont simultanées et que c’est l’expérience réalisée qui détermine le comportement de la particule.

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3° La même observation sur une animation

L’animation suivante permet de « voir » le phénomène en train de se produire dans le cas ou il y a 2 fentes.

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On observe qu’une onde-particule quantique se comporte comme une onde pendant l’expérience, puis, elle devient une particule lorsqu’elle arrive sur l’écran.

Ce phénomène a reçu le nom de « Projection du paquet d’onde » (On trouve aussi le terme de réduction du paquet d’onde)

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4° Conclusion :

Désormais, si une particule peut se calculer comme une onde, on la manipuler avec un calcul appelé « fonction d’onde ». Il va même lui être associé une « probabilité de présence »

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Le jugement de l’histoire

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On résoudra plus tard le problème du chat de Schrödinger en établissant une distinction entre les objets classiques (=la Terre, un ballon, un grain de sable…), et les objets quantiques (= un photon, un électron, un atome…).

Au final, dans cette controverse, tout le monde à raison, mais la mécanique quantique était née, et n’avait pas fini d’étonner.

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Pour en savoir plus

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