Théorie quantique de l'observation/L'apparition des mondes classiques relatifs dans l'Univers quantique

Théorie quantique de l'observation

1. Physique quantique pour débutants
2. Principes et concepts fondamentaux
3. Exemples de mesures
4. L'intrication
5. Théorie générale de la mesure quantique
6. La forêt des destinées
7. L'apparition des mondes classiques relatifs dans l'Univers quantique
8. Références

Les apparences classiques ne sont-elles pas des preuves que la physique quantique est incomplète ?

La théorie quantique telle qu'elle est présentée dans ce livre, à la façon d'Everett, c'est à dire sans postulat de la réduction du vecteur d'état, semble contredite par la simple observation que le monde nous apparaît toujours d'une façon qui semble en contradiction avec les enseignements de la théorie. Quand nous parlons de ce monde tel qu'il nous apparaît naturellement, des êtres qui l'habitent et de leurs états, nous ne faisons jamais usage du principe de superposition quantique. Il est au contraire interdit. Les corps macroscopiques et notre corps lui-même en particulier, avec ses organes sensoriels, semblent toujours avoirs des états définis qui ne peuvent pas se superposer, et qui peuvent être déterminés, au moins approximativement, avec les grandeurs de la physique classique (position, vitesse...). N'est-ce pas une preuve suffisante que Bohr a raison d'affirmer qu'il faut penser les instruments de mesure comme des objets classiques pour interpréter la physique quantique ?

Il est bien sûr possible que les principes quantiques n'aient qu'une validité limitée, qu'à notre échelle macroscopique de nouveaux effets entrent en jeu, qu'ils sont ignorés par la théorie et qu'ils dérogent à ses principes. C'est possible, mais ce n'est pas nécessaire pour expliquer les apparences classiques, quotidiennement renouvelées, de notre monde, parce qu'en suivant Everett on peut donner une explication quantique des apparences classiques.

L'espace et la masse

Le formalisme des opérateurs unitaires se sert implicitement du concept de temps, puisqu'un opérateur unitaire décrit un changement d'état, mais il ne dit rien a priori sur l'espace et sur la masse. Il semble faussement que l'espace et la masse sont des concepts essentiellement classiques, que la physique quantique n'explique pas leur existence, et que donc elle ne peut pas expliquer à elle seule les apparences classiques du monde. La plupart des équations quantiques ont des équivalents classiques et nous avons besoin des secondes pour comprendre les premières. Ainsi présentée la physique quantique n'est pas autonome par rapport à la physique classique, elle n'est qu'une façon très particulière de se servir de concepts empruntés à la physique classique.

Les concepts fondamentaux de la physique classique, espace, temps, masse, et les concepts dérivés, vitesse, impulsion, force, moment cinétique, énergie... reposent tous sur le principe que les points matériels ont des trajectoires. Elles sont définies comme des lignes dans l'espace-temps. Même la dynamique des milieux continus, solides ou fluides, décrit les trajectoires des points matériels qui constituent les corps en mouvement. Mais la relation d'indétermination de Heisenberg (cf. 2.7) interdit aux particules quantiques d'avoir de telles trajectoires classiques, puisque leur position et leur vitesse ne peuvent pas être exactement définies en même temps. Comment alors pourrait-elle expliquer toutes les apparences qui légitiment les concepts fondamentaux de la physique classique ?

Le formalisme des opérateurs unitaires est la physique quantique sous sa forme la plus générale et la plus abstraite. Il ne fait pas d'hypothèses particulières sur l'espace et sur son contenu. Il peut être appliqué à toutes sortes d'espaces et de contenus. Il n'impose pas des concepts d'espace et de masse semblables à ceux de la physique classique mais il ne les interdit pas non plus. Schrödinger a montré comment calculer les fonctions d'onde des particules massives dans l'espace ordinaire (cf. 1.2). C'est une façon quantique de donner du sens aux concepts d'espace et de masse.

Les concepts fondamentaux de la physique, espace, temps, matière, et les concepts dérivés, ne sont pas exclusivement classiques. Toutes les constructions théoriques classiques (mouvements inertiels, collissions entre des billes, oscillations périodiques...) qui permettent de donner une signification physique, c'est à dire en termes d'êtres observables, à la théorie mathématique, peuvent être adaptées à la physique quantique. Il n'est pas nécessaire de supposer l'existence des trajectoires classiques des points matériels pour donner une signification physique au concept d'impulsion par exemple. La physique quantique ne postule pas les vitesses instantanées de la physique classique mais elle n'interdit pas la mesure des vitesses moyennes. Quand la physique classique raisonne sur des points de l'espace ou de l'espace-temps, il suffit souvent de remplacer ceux-ci par des petites régions d'extension finie pour obtenir des raisonnements également valables en physique quantique.

Même les mesures de longueur et de durée peuvent être expliquées d'une façon quantique (Peres 1995). On peut ainsi justifier les postulats sur la structure de l'espace-temps à partir des mesures spatio-temporelles aussi bien en physique quantique qu'en physique classique. C'est pourquoi on peut considérer que la physique quantique est autonome. On n'a pas besoin de justifier les équations quantiques à partir des équations classiques correspondantes. On trouve cette correspondance parce que la physique classique et la physique quantique sont toutes les deux des théories du même espace-temps.

L'évolution quantique de l'Univers détermine les destinées classiques des mondes relatifs

À partir de l'espace-temps de Minkowski et du principe de superposition quantique, on peut construire tous les espaces d'états quantiques qui nous conviennent pour expliquer les phénomènes naturels (Weinberg 1995), ou presque tous, parce que la théorie quantique de la gravitation pose problème.

On peut ainsi construire des modèles de l'Univers dans lequel les mondes relatifs aux observateurs ont une apparence classique (Joos, Zeh &... 2003, Zurek 2003, Schlosshauer 2007). L'évolution quantique de l'Univers ne peut pas être identifiée à une destinée classique, mais elle suffit pour déterminer la croissance d'une forêt de destinées des observateurs et de leurs mondes relatifs (cf. chapitre 6). La physique quantique explique les apparences classiques sans postuler que l'Univers lui-même doit avoir cette apparence. Elle montre comment les apparences classiques relatives aux observateurs émergent à partir d'une évolution quantique qui décrit une forêt de destinées multiples.

Une intrication quantique d'origine gravitationnelle ?

Tout ce qui a une masse interagit avec tout ce qui a une masse par la gravitation. Quand des êtres interagissent ils s'intriquent, toujours ou la plupart du temps. Donc tout ce qui a une masse est la plupart du temps intriqué avec tout ce qui a une masse (si l'interaction gravitationnelle a eu le temps de se propager). Il devrait être possible de détecter une intrication quantique d'origine gravitationnelle entre deux masses suffisamment grandes pour que l'interaction gravitationnelle soit détectable et suffisamment petites pour que l'intrication quantique soit détectable elle aussi.