3) Et comme il s’agit d’une théorie quantique, l’espace-temps peut faire tout cela en même temps. Il peut simultanément créer l’univers infantile et ne pas le créer.

Le tissu de l’espace-temps n’est peut-être pas du tout un tissu, mais est constitué de composants discrets qui ne nous apparaissent comme un tissu continu qu’à de grandes échelles macroscopiques.

4) Dans la plupart des approches de la gravité quantique, l’espace-temps n’est pas fondamental, mais consiste en autre chose. Il peut s'agir de chaînes, de boucles, de qubits ou de variantes d'« atomes » de l'espace-temps qui apparaissent dans les approches de matière condensée. Les composants individuels ne peuvent être démontés qu’en utilisant les énergies les plus élevées, dépassant de loin celles dont nous disposons sur Terre.

5) Dans certaines approches avec la matière condensée, l'espace-temps a les propriétés d'un corps solide ou liquide, c'est-à-dire qu'il peut être élastique ou visqueux. Si tel est effectivement le cas, des conséquences observables sont inévitables. Les physiciens recherchent actuellement des traces de tels effets dans les particules errantes, c'est-à-dire dans la lumière ou les électrons qui nous parviennent de l'espace lointain.

Animation schématique d'un faisceau de lumière continu diffusé par un prisme. Dans certaines approches de la gravité quantique, l’espace peut agir comme un milieu dispersif pour différentes longueurs d’onde de lumière.

6) L’espace-temps peut affecter la façon dont la lumière le traverse. Il se peut qu’elle ne soit pas complètement transparente ou que différentes couleurs de lumière puissent se propager à des vitesses différentes. Si l’espace-temps quantique affecte la propagation de la lumière, cela pourrait également être observé dans de futures expériences.

7) Les fluctuations de l’espace-temps peuvent détruire la capacité de la lumière provenant de sources distantes à créer des modèles d’interférence. Cet effet a été recherché et n'a pas été trouvé, du moins dans le domaine visible.

La lumière passant à travers deux fentes épaisses (en haut), deux fentes fines (au centre) ou une fente épaisse (en bas) présente des interférences, indiquant sa nature ondulatoire. Mais en gravitation quantique, certaines propriétés d’interférence attendues pourraient ne pas être possibles

8) Dans les zones de forte courbure, le temps peut se transformer en espace. Cela peut se produire, par exemple, à l’intérieur d’un trou noir ou lors d’un big bang. Dans ce cas, l'espace-temps que nous connaissons avec trois dimensions spatiales et une dimension temporelle peut se transformer en un espace « euclidien » à quatre dimensions.

Relier deux endroits différents dans l'espace ou dans le temps via un trou de ver reste seulement une idée théorique, mais cela peut être non seulement intéressant, mais aussi inévitable en gravité quantique.

L’espace-temps peut être connecté de manière non locale à de minuscules trous de ver qui couvrent l’univers entier. De telles connexions non locales doivent exister dans toutes les approches dont la structure sous-jacente n'est pas géométrique comme un graphe ou un réseau. En effet, dans de tels cas, le concept de « proximité » ne sera pas fondamental, mais conséquent et imparfait, de sorte que des zones éloignées pourront être accidentellement reliées.

10) Peut-être que pour unifier la théorie quantique avec la gravité, nous devons mettre à jour non pas la gravité, mais la théorie quantique elle-même. Si tel est le cas, les conséquences seront considérables. Puisque la théorie quantique est à la base de tous les appareils électroniques, sa reconsidération ouvrira des possibilités entièrement nouvelles.

Bien que la gravité quantique soit souvent considérée comme une idée purement théorique, il existe de nombreuses possibilités de tests expérimentaux. Nous voyageons tous quotidiennement dans l’espace-temps. Le comprendre peut changer nos vies.

Personne au monde ne comprend la mécanique quantique – c’est la principale chose que vous devez savoir à ce sujet. Oui, de nombreux physiciens ont appris à utiliser ses lois et même à prédire des phénomènes à l’aide de calculs quantiques. Mais on ne sait toujours pas pourquoi la présence d’un observateur détermine le sort du système et l’oblige à faire un choix en faveur d’un seul État. « Théories et pratiques » a sélectionné des exemples d'expériences dont le résultat est inévitablement influencé par l'observateur et a tenté de comprendre ce que la mécanique quantique va faire avec une telle interférence de la conscience dans la réalité matérielle.

Le chat de Shroedinger

Il existe aujourd’hui de nombreuses interprétations de la mécanique quantique, la plus populaire restant celle de Copenhague. Ses grands principes ont été formulés dans les années 1920 par Niels Bohr et Werner Heisenberg. Et le terme central de l'interprétation de Copenhague était la fonction d'onde - une fonction mathématique qui contient des informations sur tous les états possibles d'un système quantique dans lequel il réside simultanément.

Selon l'interprétation de Copenhague, seule l'observation peut déterminer de manière fiable l'état d'un système et le distinguer des autres (la fonction d'onde permet uniquement de calculer mathématiquement la probabilité de détecter un système dans un état particulier). On peut dire qu'après observation, un système quantique devient classique : il cesse instantanément de coexister dans plusieurs états à la fois au profit de l'un d'eux.

Cette approche a toujours eu ses opposants (rappelez-vous, par exemple, « Dieu ne joue pas aux dés » d’Albert Einstein), mais la précision des calculs et des prédictions a eu des conséquences néfastes. Cependant, récemment, il y a eu de moins en moins de partisans de l'interprétation de Copenhague, et la moindre raison en est l'effondrement instantané très mystérieux de la fonction d'onde pendant la mesure. La célèbre expérience de pensée d'Erwin Schrödinger avec le pauvre chat avait justement pour but de montrer l'absurdité de ce phénomène.

Rappelons donc le contenu de l'expérience. Un chat vivant, une ampoule contenant du poison et un certain mécanisme qui peut activer le poison au hasard sont placés dans une boîte noire. Par exemple, un atome radioactif dont la désintégration brisera l'ampoule. L’heure exacte de la désintégration atomique est inconnue. Seule la demi-vie est connue : le temps pendant lequel la désintégration se produira avec une probabilité de 50 %.

Il s'avère que pour un observateur extérieur, le chat à l'intérieur de la boîte existe dans deux états à la fois : il est soit vivant, si tout va bien, soit mort, si une pourriture s'est produite et que l'ampoule est cassée. Ces deux états sont décrits par la fonction d'onde du chat, qui change avec le temps : plus on s'éloigne, plus il est probable qu'une désintégration radioactive se soit déjà produite. Mais dès l’ouverture de la boîte, la fonction d’onde s’effondre et l’on voit immédiatement le résultat de l’expérience de l’équarrisseur.

Il s'avère que jusqu'à ce que l'observateur ouvre la boîte, le chat restera à jamais en équilibre à la frontière entre la vie et la mort, et seule l'action de l'observateur déterminera son sort. C’est l’absurdité soulignée par Schrödinger.

Diffraction électronique

Selon une enquête menée par le New York Times auprès d'éminents physiciens, l'expérience de diffraction électronique réalisée en 1961 par Klaus Jenson est devenue l'une des plus belles de l'histoire des sciences. Quelle est son essence ?

Il existe une source émettant un flux d'électrons vers l'écran de la plaque photographique. Et il y a un obstacle sur le chemin de ces électrons : une plaque de cuivre avec deux fentes. À quel genre d’image pouvez-vous vous attendre sur l’écran si vous considérez les électrons comme de simples petites boules chargées ? Deux bandes lumineuses en face des fentes.

En réalité, un motif beaucoup plus complexe de rayures noires et blanches alternées apparaît à l’écran. Le fait est qu'en passant à travers les fentes, les électrons commencent à se comporter non pas comme des particules, mais comme des ondes (tout comme les photons, particules de lumière, peuvent être simultanément des ondes). Ensuite, ces ondes interagissent dans l'espace, s'affaiblissant et se renforçant à certains endroits, et par conséquent une image complexe d'une alternance de bandes claires et sombres apparaît sur l'écran.

Dans ce cas, le résultat de l'expérience ne change pas, et si les électrons ne sont pas envoyés à travers la fente dans un flux continu, mais individuellement, même une particule peut être simultanément une onde. Même un électron peut passer simultanément à travers deux fentes (et c'est une autre position importante de l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique - les objets peuvent présenter simultanément leurs propriétés matérielles « habituelles » et leurs propriétés d'ondes exotiques).

Mais qu’est-ce que l’observateur a à voir là-dedans ? Malgré le fait que son histoire déjà compliquée est devenue encore plus compliquée. Lorsque, dans des expériences similaires, les physiciens essayèrent de détecter à l'aide d'instruments qui fendaient l'électron réellement traversé, l'image sur l'écran changea radicalement et devint « classique » : deux zones éclairées en face des fentes et aucune bande alternée.

C'était comme si les électrons ne voulaient pas montrer leur nature ondulatoire sous le regard attentif de l'observateur. Nous nous sommes adaptés à son désir instinctif de voir une image simple et compréhensible. Mystique? Il existe une explication beaucoup plus simple : aucune observation du système ne peut être effectuée sans influence physique sur celui-ci. Mais nous y reviendrons un peu plus tard.

Fullerène chauffé

Des expériences sur la diffraction des particules ont été menées non seulement sur des électrons, mais également sur des objets beaucoup plus gros. Par exemple, les fullerènes sont de grosses molécules fermées constituées de dizaines d’atomes de carbone (par exemple, un fullerène de soixante atomes de carbone a une forme très similaire à celle d’un ballon de football : une sphère creuse cousue à partir de pentagones et d’hexagones).

Récemment, un groupe de l'Université de Vienne, dirigé par le professeur Zeilinger, a tenté d'introduire un élément d'observation dans de telles expériences. Pour ce faire, ils ont irradié des molécules de fullerène en mouvement avec un faisceau laser. Ensuite, chauffées par une influence extérieure, les molécules ont commencé à briller et ont ainsi inévitablement révélé à l'observateur leur place dans l'espace.

Parallèlement à cette innovation, le comportement des molécules a également changé. Avant le début de la surveillance totale, les fullerènes contournaient avec succès les obstacles (présentaient des propriétés ondulatoires) comme les électrons de l’exemple précédent traversant un écran opaque. Mais plus tard, avec l'apparition d'un observateur, les fullerènes se sont calmés et ont commencé à se comporter comme des particules de matière totalement respectueuses des lois.

Dimension refroidissement

L'une des lois les plus célèbres du monde quantique est le principe d'incertitude de Heisenberg : il est impossible de déterminer simultanément la position et la vitesse d'un objet quantique. Plus nous mesurons avec précision l’impulsion d’une particule, moins sa position peut être mesurée avec précision. Mais les effets des lois quantiques opérant au niveau des minuscules particules sont généralement imperceptibles dans notre monde de grands macro-objets.

Par conséquent, les expériences récentes du groupe du professeur Schwab aux États-Unis sont d'autant plus précieuses, dans lesquelles les effets quantiques ont été démontrés non pas au niveau des mêmes électrons ou molécules de fullerène (leur diamètre caractéristique est d'environ 1 nm), mais sur un niveau légèrement plus tangible. objet - une petite bande d'aluminium.

Cette bande était fixée des deux côtés de manière à ce que son milieu soit suspendu et puisse vibrer sous une influence extérieure. De plus, à côté de la bande se trouvait un appareil capable d'enregistrer sa position avec une grande précision.

En conséquence, les expérimentateurs ont découvert deux effets intéressants. Premièrement, toute mesure de la position de l'objet ou observation de la bande ne s'est pas déroulée sans laisser de trace - après chaque mesure, la position de la bande a changé. En gros, les expérimentateurs ont déterminé les coordonnées de la bande avec une grande précision et ont ainsi modifié, selon le principe de Heisenberg, sa vitesse, et donc sa position ultérieure.

Deuxièmement, et de manière tout à fait inattendue, certaines mesures ont également conduit au refroidissement de la bande. Il s'avère qu'un observateur peut modifier les caractéristiques physiques des objets simplement par sa présence. Cela semble complètement incroyable, mais il faut reconnaître aux physiciens qu'ils n'étaient pas perdus - le groupe du professeur Schwab réfléchit maintenant à la manière d'appliquer l'effet découvert pour refroidir les puces électroniques.

Particules gelées

Comme vous le savez, les particules radioactives instables se désintègrent dans le monde non seulement pour des expériences sur les chats, mais aussi de manière totalement indépendante. De plus, chaque particule est caractérisée par une durée de vie moyenne, qui s’avère pouvoir augmenter sous le regard attentif de l’observateur.

Cet effet quantique a été prédit pour la première fois dans les années 1960 et sa brillante confirmation expérimentale est apparue dans un article publié en 2006 par le groupe du physicien lauréat du prix Nobel Wolfgang Ketterle du Massachusetts Institute of Technology.

Dans ce travail, nous avons étudié la désintégration d'atomes de rubidium excités instables (désintégration en atomes de rubidium à l'état fondamental et en photons). Immédiatement après la préparation du système et l'excitation des atomes, ils ont commencé à être observés - ils ont été éclairés par un faisceau laser. Dans ce cas, l'observation a été réalisée selon deux modes : continu (de petites impulsions lumineuses sont constamment fournies au système) et pulsé (le système est irradié de temps en temps avec des impulsions plus puissantes).

Les résultats obtenus étaient en excellent accord avec les prévisions théoriques. Les influences de la lumière externe ralentissent en fait la désintégration des particules, comme si elles les ramenaient à leur état d'origine, loin de la désintégration. De plus, l’ampleur de l’effet pour les deux régimes étudiés coïncide également avec les prévisions. Et la durée de vie maximale des atomes de rubidium excités et instables a été prolongée de 30 fois.

Mécanique quantique et conscience

Les électrons et les fullerènes cessent de montrer leurs propriétés ondulatoires, les plaques d'aluminium se refroidissent et les particules instables gèlent dans leur désintégration : sous le regard omnipotent de l'observateur, le monde change. Qu'est-ce qui n'est pas une preuve de l'implication de notre esprit dans le travail du monde qui nous entoure ? Alors peut-être que Carl Jung et Wolfgang Pauli (physicien autrichien, prix Nobel, l'un des pionniers de la mécanique quantique) avaient raison lorsqu'ils disaient que les lois de la physique et de la conscience devaient être considérées comme complémentaires ?

Mais ce n’est qu’un pas vers la reconnaissance routinière : le monde entier qui nous entoure est l’essence de notre esprit. Effrayant? (« Pensez-vous vraiment que la Lune n'existe que lorsque vous la regardez ? » Einstein a commenté les principes de la mécanique quantique). Essayons ensuite de nous tourner à nouveau vers les physiciens. De plus, ces dernières années, ils sont de moins en moins friands de l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique avec son mystérieux effondrement d'une fonction d'onde, qui est remplacée par un autre terme assez terre-à-terre et fiable : la décohérence.

Le point est le suivant : dans toutes les expériences d’observation décrites, les expérimentateurs ont inévitablement influencé le système. Ils l'ont éclairé avec un laser et installé des instruments de mesure. Et c’est un principe général très important : on ne peut pas observer un système, mesurer ses propriétés sans interagir avec lui. Et là où il y a interaction, il y a un changement de propriétés. De plus, lorsque le colosse des objets quantiques interagit avec un minuscule système quantique. La neutralité bouddhiste éternelle de l’observateur est donc impossible.

C'est précisément ce qui explique le terme « décohérence » - un processus irréversible de violation des propriétés quantiques d'un système lors de son interaction avec un autre système plus grand. Au cours d’une telle interaction, le système quantique perd ses caractéristiques originales et devient classique, se « soumettant » au grand système. Ceci explique le paradoxe du chat de Schrödinger : le chat est un système si vaste qu'il ne peut tout simplement pas être isolé du monde. L’expérience de pensée elle-même n’est pas entièrement correcte.

Quoi qu’il en soit, comparée à la réalité en tant qu’acte de création de conscience, la décohérence semble beaucoup plus calme. Peut-être même trop calme. Après tout, avec cette approche, le monde classique tout entier devient un grand effet de décohérence. Et selon les auteurs de l'un des livres les plus sérieux dans ce domaine, des affirmations telles que « il n'y a pas de particules dans le monde » ou « il n'y a pas de temps à un niveau fondamental » découlent également logiquement de telles approches.

Observateur créatif ou décohérence toute-puissante ? Il faut choisir entre deux maux. Mais rappelez-vous : les scientifiques sont désormais de plus en plus convaincus que nos processus de pensée reposent sur ces mêmes effets quantiques notoires. Ainsi, là où se termine l’observation et où commence la réalité, chacun de nous doit choisir.

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Le mystère le plus grand, voire le plus important de la physique est l'expérience de Young sur les interférences (expérience à double fente). Il est impossible de l’expliquer en supposant la corpuscularité du photon. Mais reconnaître les propriétés ondulatoires d’un photon ne nous permet pas non plus d’expliquer de manière cohérente le motif d’interférence. D'une part, un photon laisse toujours un point sur la plaque photographique, incompatible avec la nature ondulatoire du photon. En revanche, le photon traverse en réalité les deux fentes simultanément, ce qui est incompatible avec sa nature corpusculaire.
De nombreux mystères physiques et scientifiques sont extrêmement complexes tant dans la description que dans la mise en place d'expériences, mais ils permettent de donner des explications qui ne contredisent pas la logique et le bon sens. Au contraire, une expérience avec interférence est extrêmement simple à réaliser et impossible à expliquer. Toutes les caractéristiques techniques de l'installation sont simples à décrire (source, réseaux d'interférence, principes du phénomène et même calculs mathématiques des résultats), mais une explication logique, du point de vue du bon sens, les reliant en un seul tout est nécessaire. impossible.

Cette ingérence incompréhensible

Selon Feynman, l’expérience d’interférence ou de double fente « contient le cœur de la mécanique quantique » et constitue le principe par excellence de la superposition quantique. Le principe de l’interférence, en tant que principe de base de l’optique des ondes linéaires, a été clairement formulé pour la première fois par Thomas Young en 1801. Il a également inventé le terme « interférence » pour la première fois en 1803. Le scientifique explique clairement le principe qu'il a découvert (une expérience connue à notre époque sous le nom d'« expérience à double fente de Young », http://elkin52.narod.ru/biograf/jng6.htm) :

« Pour obtenir les effets de superposition de deux portions de lumière, il faut qu’elles proviennent de la même source et arrivent au même point par des chemins différents, mais dans des directions proches l’une de l’autre. La diffraction, la réflexion, la réfraction ou une combinaison de ces effets peuvent être utilisées pour dévier une ou les deux parties du faisceau, mais la méthode la plus simple consiste à recevoir un faisceau de lumière uniforme [provenant de la première fente] (une couleur ou une longueur d'onde). un écran dans lequel deux très petits trous ou fentes, qui peuvent être considérés comme des centres de divergence à partir desquels la lumière, par diffraction, est diffusée dans toutes les directions.

Une configuration expérimentale moderne se compose d'une source de photons, d'un diaphragme à deux fentes et d'un écran sur lequel le motif d'interférence est observé. Après avoir passé les fentes de l'écran derrière la barrière, un motif d'interférence composé de bandes alternées claires et sombres apparaît :

Fig.1 Franges d'interférence

Les photons frappent l'écran en des points différents, mais la présence de franges d'interférence sur l'écran montre qu'il existe des points où les photons ne frappent pas. Soit p l'un de ces points. Cependant, un photon peut entrer dans p si l’une des fentes est fermée. De telles interférences destructrices, dans lesquelles des possibilités alternatives peuvent parfois s’annuler, constituent l’une des propriétés les plus déroutantes de la mécanique quantique.

Une propriété intéressante de l'expérience à double fente est que le motif d'interférence peut être « assemblé » une particule à la fois, c'est-à-dire en réglant l'intensité de la source si faible que chaque particule est « en vol » seule dans la configuration et ne peut que interférer avec lui-même. Dans ce cas, on est tenté de se demander par laquelle des deux fentes la particule vole « réellement ». Notez que deux particules différentes ne créent pas de motif d’interférence.

Quel est le mystère, l’incohérence et l’absurdité de l’explication du phénomène d’interférence ? Ils sont étonnamment différents de la nature paradoxale de nombreuses autres théories et phénomènes, tels que la relativité restreinte, la téléportation quantique, le paradoxe des particules quantiques intriquées et d'autres encore. À première vue, tout dans les explications sur les interférences est simple et évident. Considérons ces explications, qui peuvent être divisées en deux classes : les explications du point de vue ondulatoire et les explications du point de vue corpusculaire (quantique).

Avant de commencer l’analyse, notons que par paradoxalité, incohérence et absurdité du phénomène d’interférence, nous entendons l’incompatibilité de la description de ce phénomène de mécanique quantique avec la logique formelle et le bon sens. La signification de ces concepts, tels que nous les appliquons ici, est exposée dans les annexes de cet article.

Interférence du point de vue des ondes

L’explication la plus courante et la plus parfaite des résultats de l’expérience à double fente est du point de vue des vagues :
« Si la différence des distances parcourues par les ondes est égale à la moitié d'un nombre impair de longueurs d'onde, alors les oscillations provoquées par une onde atteindront la crête au moment où les oscillations de l'autre vague atteindront le creux, et, par conséquent, une vague réduira les perturbations créées par l’autre, et pourra même la compenser complètement. Ceci est illustré sur la figure 2, qui montre un schéma d'une expérience avec deux fentes, dans laquelle les ondes provenant de la source A peuvent atteindre la ligne BC sur l'écran uniquement en passant par l'une des deux fentes H1 ou H2 dans un obstacle situé entre la source. et l'écran. Au point X de la ligne BC, la différence des longueurs de trajet est égale à AH1X - AH2X ; si elle est égale à un nombre entier de longueurs d'onde, la perturbation au point X sera importante ; si elle est égale à la moitié d'un nombre impair de longueurs d'onde, la perturbation au point X sera faible. La figure montre la dépendance de l’intensité des vagues sur la position d’un point sur la ligne BC, qui est associée aux amplitudes des oscillations en ces points.

Fig.2. Modèle d'interférence du point de vue des vagues

Il semblerait que la description du phénomène d'interférence du point de vue ondulatoire ne contredit en rien ni la logique ni le bon sens. Cependant, le photon est généralement considéré comme un quantum particule . S'il présente des propriétés ondulatoires, il doit néanmoins rester lui-même - un photon. Sinon, en considérant le phénomène d’une seule vague, nous détruisons en fait le photon en tant qu’élément de la réalité physique. Avec cette considération, il s’avère que le photon en tant que tel… n’existe pas ! Le photon ne présente pas seulement des propriétés ondulatoires - il s'agit ici d'une onde dans laquelle il n'y a rien d'une particule. Sinon, au moment où l'onde se divise, il faut admettre qu'une demi-particule passe par chacune des fentes - un photon, un demi-photon. Mais des expériences devraient alors être possibles pour « capter » ces demi-photons. Cependant, personne n’a jamais réussi à enregistrer ces mêmes demi-photons.

Ainsi, l’interprétation ondulatoire du phénomène d’interférence exclut l’idée même qu’un photon soit une particule. Par conséquent, considérer le photon comme une particule dans ce cas est absurde, illogique et incompatible avec le bon sens. Logiquement, nous devrions supposer que le photon s’envole du point A sous forme de particule. A l'approche d'un obstacle, il tourne dans la vague ! Il traverse les fissures comme une vague, se divisant en deux courants. Sinon il faut y croire entier une particule passe simultanément par deux fentes, puisque l'on suppose séparation Nous n'avons pas droit à deux particules (la moitié). Puis encore deux demi-ondes connecter en une particule entière. Où n'existe pas il n'y a aucun moyen de supprimer l'une des demi-ondes. Il semble qu'il y ait deux demi-ondes, mais personne n'a réussi à en détruire une. Chaque fois que chacune de ces alternances, lorsqu'elle est enregistrée, s'avère être entier photon. Une partie, sans aucune exception, se révèle toujours être un tout. C'est-à-dire que l'idée d'un photon comme onde devrait permettre de « capturer » chacune des demi-ondes précisément comme la moitié d'un photon. Mais cela n'arrive pas. Un demi-photon passe par chaque fente, mais seul un photon entier est enregistré. La moitié est-elle égale à un tout ? L'interprétation de la présence simultanée d'une particule photonique à deux endroits à la fois ne semble pas beaucoup plus logique et sensée.

Rappelons que la description mathématique du processus ondulatoire est pleinement cohérente avec les résultats de toutes les expériences d'interférence à double fente sans exception.

Interférence d'un point de vue corpusculaire

D’un point de vue corpusculaire, il est pratique d’utiliser des fonctions complexes pour expliquer le mouvement des « moitiés » d’un photon. Ces fonctions découlent du concept de base de la mécanique quantique - le vecteur d'état d'une particule quantique (ici - un photon), sa fonction d'onde, qui portent un autre nom - l'amplitude de probabilité. La probabilité qu'un photon frappe un certain point de l'écran (plaque photographique) dans le cas d'une expérience à double fente est égale au carré de la fonction d'onde totale pour deux trajectoires possibles du photon, formant une superposition d'états.

« Lorsque l'on forme le carré du module de la somme w+z de deux nombres complexes w et z, on n'obtient généralement pas seulement la somme des carrés des modules de ces nombres ; Il existe un « terme de correction » supplémentaire :

|w + z| 2 = |w| 2 + |z| 2 + 2|w||z|cosQ,

où Q est l'angle formé par les directions vers les points z et w à partir de l'origine sur le plan d'Argand...

C’est le terme de correction 2|w||z|cosQ qui décrit l’interférence quantique entre les alternatives de la mécanique quantique.

Mathématiquement, tout est logique et clair : selon les règles de calcul d'expressions complexes, nous obtenons une telle courbe d'interférence ondulée. Aucune interprétation ou explication n’est requise ici – juste des calculs mathématiques de routine. Mais si vous essayez d'imaginer dans quel sens, quelles trajectoires le photon (ou l'électron) s'est déplacé avant de rencontrer l'écran, la description donnée ne permet pas de voir :

« Par conséquent, l’affirmation selon laquelle les électrons traversent soit la fente 1, soit la fente 2 est incorrecte. Ils passent simultanément par les deux fentes. Et un appareil mathématique très simple qui décrit un tel processus donne un accord absolument exact avec l’expérience. »

En effet, les expressions mathématiques comportant des fonctions complexes sont simples et intuitives. Cependant, ils décrivent uniquement la manifestation externe du processus, uniquement son résultat, sans rien dire de ce qui se passe au sens physique. Il est impossible d'imaginer, du point de vue du sens commun, comment une particule, même si elle n'a pas de dimensions ponctuelles réelles, mais néanmoins limitée à un volume continu, passe simultanément à travers deux trous non reliés entre eux. Par exemple, Sudbury, analysant le phénomène, écrit :

« Le motif d'interférence lui-même indique également indirectement le comportement corpusculaire des particules étudiées, puisqu'en fait il n'est pas continu, mais est composé comme une image sur un écran de télévision à partir de nombreux points créés par des éclairs d'électrons individuels. Mais il est absolument impossible d’expliquer ce phénomène d’interférence en partant de l’hypothèse que chacun des électrons est passé par l’une ou l’autre fente.

Il arrive à la même conclusion sur l’impossibilité pour une particule de passer simultanément par deux fentes : « la particule doit passer par l’une ou l’autre », notant son apparente structure corpusculaire. Une particule ne peut pas traverser deux fentes en même temps, mais elle ne peut traverser ni l’une ni l’autre. Sans aucun doute, l’électron est une particule, comme en témoignent les points provenant des flashs sur l’écran. Et cette particule ne pouvait sans doute pas passer par une seule des fentes. Dans ce cas, l'électron n'était sans doute pas divisé en deux parties, en deux moitiés, dont chacune dans ce cas aurait dû avoir la moitié de la masse de l'électron et la moitié de la charge. Personne n’a jamais observé de tels demi-électrons. Cela signifie que l'électron ne pourrait pas, s'étant divisé en deux parties, bifurqué, traverser simultanément les deux fentes. Lui, comme on nous l'explique, tout en restant entier, simultanément passe par deux fentes différentes. Il ne se divise pas en deux parties, mais passe par deux fentes en même temps. C’est là l’absurdité de la description mécanique quantique (corpusculaire) du processus physique d’interférence au niveau de deux fentes. Rappelons que mathématiquement ce processus peut être parfaitement décrit. Mais le processus physique est totalement illogique, contraire au bon sens. De plus, comme d'habitude, c'est la faute du bon sens, qui ne peut pas comprendre de quoi il s'agit : il n'a pas été divisé en deux, mais il s'est retrouvé à deux endroits.

D’un autre côté, il est également impossible de supposer le contraire : qu’un photon (ou un électron), d’une manière encore inconnue, passe néanmoins par l’une des deux fentes. Pourquoi alors la particule touche-t-elle certains points et en évite-t-elle d’autres ? Comme si elle connaissait les zones réglementées. Ceci est particulièrement évident lorsque la particule interfère avec elle-même à faible intensité de flux. Dans ce cas, on est encore obligé de considérer la simultanéité de la particule passant par les deux fentes. Sinon, il faudrait considérer la particule presque comme un être intelligent doté du don de prévoyance. Les expériences avec des détecteurs de transit ou d'exclusion (le fait qu'une particule ne soit pas détectée à proximité d'une fente signifie qu'elle est passée par une autre) ne clarifient pas le tableau. Il n’existe aucune explication raisonnable quant à la façon dont ou pourquoi une particule intacte réagit à la présence d’une seconde fente par laquelle elle n’est pas passée. Si une particule n’est pas détectée à proximité d’une des fentes, cela signifie qu’elle est passée par l’autre. Mais dans ce cas, il se peut qu'il se retrouve à un point « interdit » de l'écran, c'est-à-dire à un point où il ne serait jamais arrivé si la deuxième fente avait été ouverte. Même si, semble-t-il, rien ne devrait empêcher ces particules non retenues de créer une « demi » figure d’interférence. Or, cela n’arrive pas : si l’une des fentes est fermée, les particules semblent recevoir un « laissez-passer » pour entrer dans les zones « interdites » de l’écran. Si les deux fentes sont ouvertes, alors la particule qui est censée passer par une fente est privée de la possibilité d'entrer dans ces régions « interdites ». Elle semble ressentir à quel point le deuxième espace la « regarde » et interdit le mouvement dans certaines directions.

Il est reconnu que les interférences ne se produisent que dans les expériences avec une onde ou des particules présentes dans cette expérience. seulement propriétés des vagues. D'une manière magique, la particule expose ses côtés ondulatoires ou corpusculaires à l'expérimentateur, les modifiant réellement au cours de son déplacement, en vol. Si un absorbeur est placé immédiatement après l'une des fentes, alors la particule, comme une onde, traverse les deux fentes jusqu'à l'absorbeur, poursuivant ensuite son vol sous forme de particule. Dans ce cas, il s’avère que l’absorbeur n’enlève même pas une petite partie de l’énergie de la particule. Bien qu'il soit évident qu'au moins une partie de la particule devait encore passer par l'espace bloqué.

Comme nous le voyons, aucune des explications envisagées du processus physique ne résiste à la critique d'un point de vue logique et du point de vue du bon sens. Le dualisme onde-particule actuellement dominant ne permet pas, même partiellement, d'inclure les interférences. Le photon ne présente pas simplement des propriétés corpusculaires ou ondulatoires. Il les manifeste simultanément, et ces manifestations sont mutuelles exclure l'un l'autre. La « trempe » d'une des demi-ondes transforme immédiatement le photon en une particule qui « ne sait pas comment » créer un motif d'interférence. Au contraire, deux fentes ouvertes transforment un photon en deux demi-ondes qui, une fois combinées, se transforment en un photon entier, démontrant une fois de plus le mystérieux processus de réification des ondes.

Expériences similaires à l'expérience à double fente

Dans une expérience à double fente, il est quelque peu difficile de contrôler expérimentalement les trajectoires des « moitiés » de particules, car les fentes sont relativement proches les unes des autres. Dans le même temps, il existe une expérience similaire, mais plus visuelle, qui permet de « séparer » un photon le long de deux trajectoires clairement distinctes. Dans ce cas, l'absurdité de l'idée selon laquelle un photon traverse simultanément deux canaux, entre lesquels il peut y avoir une distance de plusieurs mètres ou plus, devient encore plus claire. Une telle expérience peut être réalisée à l'aide d'un interféromètre Mach-Zehnder. Les effets observés dans ce cas sont similaires aux effets observés dans l’expérience à double fente. Voici comment Belinsky les décrit :

« Considérez l'expérience avec l'interféromètre Mach-Zehnder (Fig. 3). Appliquons-lui un état à photon unique et supprimons d'abord le deuxième séparateur de faisceau situé devant les photodétecteurs. Les détecteurs enregistreront des comptes de photo uniques dans l'un ou l'autre canal, et jamais dans les deux en même temps, puisqu'il y a un seul photon à l'entrée.

Figure 3. Schéma de l'interféromètre Mach-Zehnder.

Renvoyons le séparateur de faisceau. La probabilité de photocomptes au niveau des détecteurs est décrite par la fonction 1 + - cos(Ф1 - Ф2), où Ф1 et Ф2 sont les retards de phase dans les bras de l'interféromètre. Le signe dépend du détecteur utilisé pour enregistrer. Cette fonction harmonique ne peut pas être représentée comme une somme de deux probabilités Р(Ф1) + Р(Ф2). Par conséquent, après le premier séparateur de faisceau, le photon est présent, pour ainsi dire, simultanément dans les deux bras de l'interféromètre, alors que dans le premier acte de l'expérience, il n'était que dans un seul bras. Ce comportement inhabituel dans l’espace est appelé non-localité quantique. Cela ne peut pas être expliqué du point de vue des intuitions spatiales habituelles du sens commun, habituellement présentes dans le macrocosme.

Si les deux chemins sont libres pour un photon à l'entrée, alors à la sortie le photon se comporte comme dans une expérience à double fente : le deuxième miroir ne peut passer que par un seul chemin - interférant avec une certaine « copie » de lui-même arrivée le long d'un chemin. chemin différent. Si le deuxième chemin est fermé, alors le photon arrive seul et passe le deuxième miroir dans n'importe quelle direction.

Une version similaire de l'expérience à double fente est décrite par Penrose (la description est très éloquente, nous la présenterons donc presque entièrement) :

« Il n’est pas nécessaire que les fentes soient proches les unes des autres pour qu’un photon les traverse en même temps. Pour comprendre comment une particule quantique peut se trouver « à deux endroits à la fois », quelle que soit la distance qui les sépare, considérons une configuration expérimentale légèrement différente de l’expérience à double fente. Comme auparavant, nous avons une lampe qui émet une lumière monochromatique, un photon à la fois ; mais au lieu de faire passer la lumière par deux fentes, réfléchissons-la sur un miroir à moitié argenté incliné vers le faisceau selon un angle de 45 degrés.

Figure 4. Les deux pics de la fonction d’onde ne peuvent pas être considérés comme de simples poids probabilistes de localisation des photons à un endroit ou à un autre. Les deux itinéraires empruntés par le photon peuvent interférer l’un avec l’autre.

Après avoir rencontré le miroir, la fonction d'onde du photon est divisée en deux parties, dont l'une est réfléchie sur le côté et la seconde continue de se propager dans la même direction dans laquelle le photon s'est initialement déplacé. Comme dans le cas d'un photon sortant de deux fentes, la fonction d'onde a deux pics, mais maintenant ces pics sont séparés par une plus grande distance - un pic décrit le photon réfléchi, l'autre décrit le photon transmis à travers le miroir. De plus, avec le temps, la distance entre les sommets devient de plus en plus grande, augmentant indéfiniment. Imaginez que ces deux parties de la fonction d'onde partent dans l'espace, et qu'on attende une année entière. Les deux pics de la fonction d’onde photonique seront alors distants d’une année-lumière. D'une manière ou d'une autre, le photon se retrouve à deux endroits à la fois, séparés par une distance d'une année-lumière !

Y a-t-il une raison de prendre une telle photo au sérieux ? Ne peut-on pas considérer un photon simplement comme un objet qui a 50 % de probabilité d'être à un endroit, et 50 % de probabilité d'être à un autre ! Non, c'est impossible ! Quelle que soit la durée pendant laquelle un photon est en mouvement, il existe toujours la possibilité que deux parties du faisceau de photons soient réfléchies dans la direction opposée et se rencontrent, ce qui entraînerait des effets d'interférence qui ne pourraient pas résulter des poids de probabilité des deux alternatives. . Supposons que chaque partie du faisceau de photons rencontre sur son trajet un miroir entièrement argenté, incliné d'un angle tel qu'il rapproche les deux parties, et qu'au point de rencontre des deux parties, un autre miroir semi-argenté soit placé, incliné à le même angle que le premier miroir. Supposons que deux photocellules soient situées sur les lignes droites le long desquelles se propagent des parties du faisceau de photons (Fig. 4). Que trouverons-nous ? S’il était vrai qu’un photon avait une probabilité de 50 % de suivre une route et une probabilité de 50 % d’en suivre une autre, alors nous constaterions que les deux détecteurs détecteraient chacun le photon avec une probabilité de 50 %. Mais en réalité, quelque chose de différent se produit. Si deux itinéraires alternatifs sont exactement de même longueur, alors avec une probabilité de 100 %, le photon atteindra le détecteur A, situé sur la ligne droite le long de laquelle le photon s'est initialement déplacé, et avec une probabilité de 0 - dans n'importe quel autre détecteur B. En d'autres termes , le photon frappera le détecteur avec certitude A !

Bien sûr, une telle expérience n'a jamais été réalisée sur des distances de l'ordre de l'année-lumière, mais le résultat énoncé ci-dessus ne fait pas sérieusement de doute (par des physiciens adeptes de la mécanique quantique traditionnelle !). Des expériences de ce type ont effectivement été réalisées. sur des distances de l'ordre de plusieurs mètres environ, et les résultats se sont avérés être en parfait accord avec les prédictions de la mécanique quantique. Que dire désormais de la réalité de l'existence d'un photon entre la première et la dernière rencontre avec un miroir semi-réfléchissant ? La conclusion inévitable est que le photon doit, dans un certain sens, emprunter les deux routes à la fois ! Car si un écran absorbant était placé sur le trajet de l’une des deux routes, alors les probabilités qu’un photon heurte le détecteur A ou B seraient les mêmes ! Mais si les deux routes sont ouvertes (toutes deux de même longueur), alors le photon ne peut atteindre que A. Bloquer l’une des routes permet au photon d’atteindre le détecteur B ! Si les deux routes sont ouvertes, alors le photon « sait » d’une manière ou d’une autre qu’il n’est pas autorisé à entrer dans le détecteur B et est donc obligé de suivre deux routes à la fois.

Notez également que l'énoncé « est à deux endroits précis à la fois » ne caractérise pas complètement l'état du photon : il faut distinguer l'état Ф t + Ф b, par exemple, de l'état Ф t - Ф b (ou, par exemple, à partir de l'état Ф t + iФ b, où Ф t et Ф b désignent désormais les positions du photon sur chacune des deux voies (respectivement « transmis » et « réfléchi » !) C'est ce genre de différence que détermine si le photon atteindra de manière fiable le détecteur A, après être passé au deuxième miroir semi-argenté, ou s'il atteindra le détecteur B avec certitude (ou s'il frappera les détecteurs A et B avec une probabilité intermédiaire).

Cette caractéristique curieuse de la réalité quantique, selon laquelle nous devons sérieusement considérer qu'une particule peut « être à deux endroits à la fois » de diverses manières, vient du fait que nous devons additionner les états quantiques en utilisant des poids à valeurs complexes pour obtenir d'autres états quantiques.

Et encore une fois, comme nous le voyons, le formalisme mathématique devrait nous convaincre que la particule se trouve à deux endroits à la fois. C'est une particule, pas une onde. Il n’y a certainement aucune plainte à formuler concernant les équations mathématiques qui décrivent ce phénomène. Cependant, leur interprétation du point de vue du bon sens pose de sérieuses difficultés et nécessite le recours aux notions de « magie » et de « miracle ».

Causes de violation des interférences - connaissance du chemin des particules

L'une des principales questions liées au phénomène d'interférence d'une particule quantique est la question de la cause de la violation de l'interférence. Comment et quand le motif d’interférence apparaît est, en général, clair. Mais dans ces conditions connues, il arrive néanmoins que le motif d'interférence n'apparaisse pas. Quelque chose empêche que cela se produise. Zarechny formule ainsi cette question :

« Que faut-il pour observer une superposition d’états, une figure d’interférence ? La réponse à cette question est assez claire : pour observer une superposition, il n’est pas nécessaire de fixer l’état de l’objet. Lorsque nous observons un électron, nous constatons qu’il passe soit par un trou, soit par l’autre. Il n’y a pas de superposition de ces deux états ! Et quand on ne le regarde pas, il passe par deux fentes en même temps, et leur répartition sur l’écran est complètement différente que lorsqu’on les regarde !

C'est-à-dire que la violation de l'interférence se produit en raison de la connaissance de la trajectoire de la particule. Si nous connaissons la trajectoire de la particule, alors le motif d’interférence ne se produit pas. Bacciagaluppi tire une conclusion similaire : il existe des situations dans lesquelles le terme d'interférence n'est pas observé, c'est-à-dire dans lequel s'applique la formule classique de calcul des probabilités. Cela se produit lorsque nous détectons dans les fentes, indépendamment de notre conviction que la mesure est due à un « véritable » effondrement de la fonction d'onde (c'est-à-dire que seul un des composants est mesuré et laisse une marque sur l'écran). De plus, non seulement les connaissances acquises sur l'état du système perturbent les interférences, mais même potentiel la possibilité d’acquérir cette connaissance constitue la principale raison de l’ingérence. Pas la connaissance elle-même, mais fondamentale opportunité découvrir dans le futur l'état de la particule détruit l'interférence. L’expérience de Tsypenyuk le démontre très clairement :

« Un faisceau d'atomes de rubidium est capturé dans un piège magnéto-optique, refroidi par laser, puis le nuage atomique est libéré et tombe sous l'influence d'un champ gravitationnel. Lors de leur chute, les atomes traversent successivement deux ondes lumineuses stationnaires, formant un potentiel périodique sur lequel les particules sont diffusées. En fait, la diffraction des atomes se produit sur un réseau de diffraction sinusoïdal, de la même manière que la diffraction de la lumière se produit sur une onde ultrasonore dans un liquide. Le faisceau incident A (sa vitesse dans la zone d'interaction n'est que de 2 m/s) est d'abord divisé en deux faisceaux B et C, puis atteint le deuxième réseau lumineux, après quoi deux paires de faisceaux (D, E) et (F, G) se forment. Ces deux paires de faisceaux superposés dans la zone lointaine forment un motif d'interférence standard correspondant à la diffraction des atomes par deux fentes situées à une distance d égale à la divergence transversale des faisceaux après le premier réseau.

Au cours de l'expérience, les atomes ont été « marqués » et à partir de cette marque, il était censé déterminer quelle trajectoire ils se déplaçaient avant la formation du motif d'interférence :

« En raison de l'interaction secondaire avec le champ micro-ondes après le réseau de lumière, ce déphasage est converti en une population différente d'atomes dans les faisceaux B et C avec les états électroniques |2> et |3> : dans le faisceau B, il y a principalement atomes en état |2>, dans le faisceau C - atomes en état |3>. De cette manière assez sophistiquée, les faisceaux atomiques étaient marqués, puis soumis à des interférences.

Vous pouvez découvrir quelle trajectoire l’atome a suivi plus tard en déterminant son état électronique. Il convient de souligner une fois de plus que pratiquement aucun changement dans la quantité de mouvement de l'atome ne se produit au cours de cette procédure de marquage.

Lorsque le rayonnement micro-ondes, qui marque les atomes dans les faisceaux interférents, est activé, le motif d'interférence disparaît complètement. Il convient de souligner que les informations n'ont pas été lues, l'état électronique interne n'a pas été déterminé. Les informations sur la trajectoire des atomes étaient uniquement enregistrées ; les atomes se souvenaient de la direction dans laquelle ils se déplaçaient.

Ainsi, nous voyons que même la création d’une opportunité potentielle de déterminer la trajectoire des particules interférentes détruit le motif d’interférence. Non seulement une particule ne peut pas présenter simultanément des propriétés d’onde et de particule, mais ces propriétés ne sont même pas partiellement compatibles : soit la particule se comporte complètement comme une onde, soit complètement comme une particule localisée. Si nous « ajustons » une particule en tant que corpuscule, en la plaçant dans un état caractéristique d'un corpuscule, alors lorsque nous menons une expérience pour identifier ses propriétés ondulatoires, tous nos paramètres seront détruits.

Notez que cette étonnante caractéristique de l’interférence ne contredit ni la logique ni le bon sens.

Physique quantocentrique et Wheeler

Au centre du système mécanique quantique de notre époque se trouve un quantum et autour de lui, comme dans le système géocentrique de Ptolémée, tournent les étoiles quantiques et le Soleil quantique. La description de l'expérience de mécanique quantique peut-être la plus simple montre que les mathématiques de la théorie quantique sont impeccables, bien que la description de la physique réelle du processus y soit complètement absente.

Le personnage principal de la théorie est un quantum uniquement sur papier ; dans les formules, il a les propriétés d'un quantum, d'une particule. Dans les expériences, il ne se comporte pas du tout comme une particule. Il démontre sa capacité à se diviser en deux parties. Il est constamment doté de diverses propriétés mystiques et est même comparé à des personnages de contes de fées : « Durant cette période, le photon est « un grand dragon de fumée » qui n'est pointu qu'à sa queue (au niveau du séparateur de faisceau 1) et à sa monture où il mord le détecteur » (Wheeler). Ces parties, les moitiés du « grand dragon cracheur de feu » de Wheeler, n’ont jamais été découvertes par personne, et les propriétés que devraient avoir ces moitiés de quanta sont contraires à la théorie des quanta elle-même.

D’un autre côté, les quanta ne se comportent pas exactement comme des ondes. Oui, ils semblent « savoir s’effondrer » en morceaux. Mais toujours, à toute tentative de les enregistrer, ils fusionnent instantanément en une seule onde, qui se révèle soudainement être une particule effondrée en un point. De plus, les tentatives visant à forcer une particule à présenter uniquement des propriétés ondulatoires ou corpusculaires échouent. Une variante intéressante des expériences d'interférence déroutantes sont les expériences de choix retardé de Wheeler :

Figure 5. Sélection différée de base

1. Un photon (ou toute autre particule quantique) est envoyé vers deux fentes.

2. Un photon passe par les fentes sans être observé (détecté), par une fente, ou par l'autre fente, ou par les deux fentes (ce sont logiquement toutes les alternatives possibles). Pour obtenir des interférences, nous supposons que « quelque chose » doit passer par les deux fentes ; Pour obtenir la répartition des particules, on suppose que le photon doit passer soit par une fente, soit par l’autre. Quel que soit le choix que fait le photon, il « doit » le faire dès qu’il passe par les fentes.

3. Après avoir traversé les fentes, le photon se déplace vers la paroi du fond. Nous avons deux manières différentes de détecter un photon sur le « mur du fond ».

4. Premièrement, nous avons un écran (ou tout autre système de détection capable de distinguer la coordonnée horizontale du photon incident, mais qui n'est pas capable de déterminer d'où vient le photon). L'écran peut être retiré comme indiqué par la flèche hachurée. On peut l'enlever vite, très vite, Après cela, lorsque le photon passe à travers les deux fentes, mais avant que le photon n'atteigne le plan de l'écran. En d’autres termes, l’écran peut être retiré pendant la période pendant laquelle le photon se déplace dans la région 3. Ou bien nous pouvons laisser l’écran en place. C'est le choix de l'expérimentateur, qui reporté jusqu'au moment où le photon passe à travers les fentes (2), peu importe comment il le fait.

5. Si l'écran est retiré, nous trouvons deux télescopes. Les télescopes sont très bien focalisés sur l’observation de régions étroites de l’espace autour d’une seule fente chacune. Le télescope de gauche observe la fente gauche ; le télescope droit observe la fente droite. (Le mécanisme/métaphore du télescope nous donne l'assurance que si nous regardons à travers un télescope, nous ne verrons un éclair de lumière que si le photon a nécessairement passé - complètement ou au moins partiellement - à travers la fente sur laquelle le télescope est focalisé ; sinon nous ne verrons pas le photon. Ainsi, en observant un photon avec un télescope, nous obtenons des informations « dans quelle direction » sur le photon entrant.)

Imaginez maintenant que le photon se dirige vers la région 3. Le photon a déjà traversé les fentes. On a toujours la possibilité de choisir, par exemple, de laisser l'écran en place ; dans ce cas, nous ne saurons pas par quelle fente est passé le photon. Ou nous pouvons décider de retirer l'écran. Si nous retirons l'écran, nous nous attendons à voir un flash dans l'un ou l'autre télescope (ou les deux, bien que cela n'arrive jamais) pour chaque photon envoyé. Pourquoi? Parce que le photon doit passer par l’une, l’autre ou les deux fentes. Cela épuise toutes les possibilités. Lorsque nous observons des télescopes, nous devrions voir l’un des éléments suivants :

un flash au télescope gauche et aucun flash à droite, indiquant que le photon est passé par la fente gauche ; ou

un flash au télescope droit et aucun flash au télescope gauche, indiquant que le photon est passé par la fente droite ; ou

de faibles éclairs de demi-intensité provenant des deux télescopes, indiquant que le photon a traversé les deux fentes.

Ce sont toutes des possibilités.

La mécanique quantique nous indique ce que nous obtiendrons à l'écran : une courbe 4r, qui est exactement comme l'interférence de deux ondes symétriques provenant de nos fentes. La mécanique quantique dit également ce que nous obtiendrons en observant des photons avec des télescopes : la courbe 5r, qui correspond exactement aux particules ponctuelles qui ont traversé une fente particulière et sont entrées dans le télescope correspondant.

Faisons attention à la différence de configurations de notre dispositif expérimental, déterminée par notre choix. Si l'on choisit de laisser l'écran en place, on obtient une répartition des particules correspondant à l'interférence de deux ondes hypothétiques issues des fentes. On pourrait dire (quoique avec beaucoup de réticence) que le photon se déplaçait de sa source vers l'écran par les deux fentes.

En revanche, si l'on choisit de retirer l'écran, on obtient une distribution de particules cohérente avec les deux maxima que l'on obtient si l'on observe le mouvement d'une particule ponctuelle depuis une source à travers l'une des fentes jusqu'au télescope correspondant. La particule "apparaît" (nous voyons le flash) sur un télescope ou sur l'autre, mais pas à aucun autre point intermédiaire dans la direction de l'écran.

En résumé, nous faisons un choix - savoir par quelle fente la particule est passée - en choisissant ou non d'utiliser des télescopes pour la détection. Nous reportons ce choix à un moment donné Après cela car la particule "a traversé l'une des fentes ou les deux fentes", pour ainsi dire. Il semble paradoxal que notre décision tardive de décider de recevoir ou non de telles informations se détermine, pour ainsi dire, si la particule est passée par une fente ou par les deux. Si vous préférez penser de cette façon (et je ne le recommande pas), la particule présente un comportement ondulatoire après coup si vous choisissez d'utiliser un écran ; la particule présente également un comportement après coup en tant qu'objet ponctuel si vous choisissez d'utiliser des télescopes. Ainsi, notre choix tardif de la manière d’enregistrer une particule semblerait déterminer le comportement réel de la particule avant son enregistrement.
(Ross Rhodes, Wheeler's Classic Experiment on Delayed Choice, traduit par P.V. Kurakin,
http://quantum3000.narod.ru/translations/dc_wheeler.htm).

L’incohérence du modèle quantique nous oblige à nous poser la question : « Peut-être qu’il tourne encore ? Le modèle de dualité onde-particule correspond-il à la réalité ? Il semble qu’un quantum ne soit ni une particule ni une onde.

Pourquoi la balle rebondit-elle ?

Mais pourquoi devrions-nous considérer le mystère des interférences comme le principal mystère de la physique ? Il existe de nombreux mystères en physique, dans d’autres sciences et dans la vie. Qu'y a-t-il de si spécial dans les interférences ? Dans le monde qui nous entoure, il existe de nombreux phénomènes qui ne semblent compréhensibles et expliqués qu'à première vue. Mais une fois qu’on a parcouru ces explications étape par étape, tout devient confus et on se retrouve dans une impasse. En quoi sont-ils pires que les interférences, moins mystérieux ? Prenons, par exemple, un phénomène si courant que tout le monde a rencontré dans la vie : le rebond d'une balle en caoutchouc lancée sur l'asphalte. Pourquoi saute-t-il lorsqu'il heurte l'asphalte ?

Évidemment, lorsqu'elle frappe l'asphalte, la balle se déforme et se comprime. Dans le même temps, la pression du gaz augmente. Dans un effort pour se redresser et retrouver sa forme, la balle appuie sur l'asphalte et en est repoussée. Il semblerait que ce soit tout : la raison du saut a été clarifiée. Cependant, regardons de plus près. Par souci de simplicité, nous laisserons de côté les processus de compression des gaz et de restauration de la forme de la balle. Passons immédiatement à l'examen du processus au point de contact entre le ballon et l'asphalte.

Le ballon rebondit sur l'asphalte car deux points (sur l'asphalte et sur le ballon) interagissent : chacun d'eux appuie sur l'autre, s'en éloigne. Il semble que tout soit simple ici aussi. Mais demandons-nous : quelle est cette pression ? À quoi cela ressemble-t-il?

Examinons la structure moléculaire de la matière. La molécule de caoutchouc à partir de laquelle la balle est fabriquée et la molécule de pierre présente dans l'asphalte se pressent l'une contre l'autre, c'est-à-dire qu'elles ont tendance à s'écarter. Et encore une fois, tout semble simple, mais une nouvelle question se pose : quelle est la cause, la source du phénomène « force », qui oblige chacune des molécules à s'éloigner, à éprouver la contrainte de s'éloigner du « rival » ? Apparemment, les atomes des molécules de caoutchouc sont repoussés par les atomes qui composent la pierre. Pour le dire encore plus brièvement et plus simplement, un atome en repousse un autre. Et encore : pourquoi ?

Passons à la structure atomique de la matière. Les atomes sont constitués de noyaux et de couches électroniques. Simplifions encore une fois le problème et supposons (tout à fait raisonnablement) que les atomes sont repoussés soit par leur coquille, soit par leurs noyaux, en réponse à quoi nous recevons une nouvelle question : comment se produit exactement cette répulsion ? Par exemple, les couches électroniques peuvent se repousser en raison de leurs charges électriques identiques, puisque des charges similaires se repoussent. Et encore : pourquoi ? Comment cela peut-il arriver?

Qu’est-ce qui fait, par exemple, que deux électrons se repoussent ? Il faut aller de plus en plus loin dans la structure de la matière. Mais déjà ici, il est tout à fait visible que chacune de nos inventions, toute nouvelle explication physique le mécanisme de répulsion glissera de plus en plus loin, comme l'horizon, même si la description formelle et mathématique sera toujours précise et claire. Et en même temps nous verrons toujours que l'absence physique les descriptions du mécanisme de répulsion ne rendent pas ce mécanisme ou son modèle intermédiaire absurde, illogique ou contraire au bon sens. Ils sont dans une certaine mesure simplifiés, incomplets, mais logique, raisonnable, significatif. C’est la différence entre l’explication de l’interférence et les explications de nombreux autres phénomènes : la description de l’interférence dans son essence même est illogique, contre nature et contraire au bon sens.

Intrication quantique, non-localité, réalisme local d'Einstein

Considérons un autre phénomène considéré comme contraire au bon sens. C'est l'un des mystères les plus étonnants de la nature - l'intrication quantique (effet d'intrication, intriqué, non séparable, non-localité). L'essence du phénomène est que deux particules quantiques, après interaction et séparation ultérieure (en les répartissant dans différentes régions de l'espace), conservent un semblant de connexion informationnelle entre elles. L’exemple le plus célèbre est ce que l’on appelle le paradoxe EPR. En 1935, Einstein, Podolsky et Rosen ont exprimé l'idée que, par exemple, deux photons liés en cours de séparation (se séparant) conservent un tel semblant de connexion d'informations. Dans ce cas, l'état quantique d'un photon, par exemple la polarisation ou le spin, peut être instantanément transféré à un autre photon, qui dans ce cas devient un analogue du premier et vice versa. En effectuant une mesure sur une particule, nous déterminons au même moment instantanément l’état d’une autre particule, quelle que soit la distance entre ces particules. Ainsi, la connexion entre les particules est fondamentalement non locale. Le physicien russe Doronin formule ainsi l’essence de la non-localité de la mécanique quantique :

« Quant à ce que l’on entend par non-localité dans QM, je crois qu’il y a eu un certain consensus dans la communauté scientifique sur cette question. Habituellement, la non-localité de QM est comprise comme le fait que QM contredit le principe de réalisme local (on l’appelle aussi souvent le principe de localité d’Einstein).

Le principe du réalisme local stipule que si deux systèmes A et B sont spatialement séparés, alors, étant donné une description complète de la réalité physique, les actions effectuées sur le système A ne devraient pas modifier les propriétés du système B. »

Notez que la position principale du réalisme local dans l'interprétation ci-dessus est le déni de l'influence mutuelle des systèmes spatialement séparés les uns sur les autres. La position principale du réalisme local d'Einstein est l'impossibilité pour deux systèmes spatialement séparés de s'influencer mutuellement. Dans le paradoxe EPR décrit, Einstein a supposé une dépendance indirecte de l'état des particules. Cette dépendance se forme au moment de l’intrication des particules et persiste jusqu’à la fin de l’expérience. Autrement dit, des états aléatoires de particules apparaissent au moment de leur séparation. Ensuite, ils sauvegardent les états obtenus lors de l'intrication, et ces états sont « stockés » dans certains éléments de la réalité physique, décrits par des « paramètres supplémentaires », puisque les mesures sur des systèmes séparés ne peuvent s'influencer mutuellement :

« Mais une hypothèse me semble incontestable. L’état réel des choses (état) du système S 2 ne dépend pas de ce qui est fait avec le système S 1 spatialement séparé de lui.

"... puisque pendant la mesure, ces deux systèmes n'interagissent plus, alors à la suite de toute opération sur le premier système, aucun changement réel ne peut se produire dans le second système."

Cependant, en réalité, les mesures effectuées dans des systèmes éloignés les uns des autres s’influencent mutuellement. Alain Aspect décrit ainsi cette influence :

"je. Le photon v 1, qui n'avait pas de polarisation clairement définie avant sa mesure, acquiert la polarisation associée au résultat obtenu lors de sa mesure : cela n'a rien d'étonnant.

ii. Lorsqu'une mesure sur v 1 est effectuée, le photon v 2 , qui n'avait pas de polarisation spécifique avant cette mesure, est projeté dans un état de polarisation parallèle au résultat de la mesure sur v 1 . Ceci est très surprenant car ce changement dans la description de v 2 se produit instantanément, quelle que soit la distance entre v 1 et v 2 au moment de la première mesure.

Cette image est en conflit avec la relativité. Selon Einstein, un événement dans une région donnée de l’espace-temps ne peut pas être influencé par un événement se produisant dans un espace-temps séparé par un intervalle de type espace. Il n’est pas judicieux d’essayer de trouver de meilleures images pour « comprendre » les corrélations ESR. C’est l’image que nous regardons maintenant.

Cette image est appelée « non-localité ». D'une part, la non-localité reflète une certaine connexion entre les particules séparées, mais d'autre part, cette connexion est reconnue comme non relativiste, c'est-à-dire que bien que l'influence des mesures les unes sur les autres se propage à une vitesse supraluminique, il n'y a pas de transfert d'informations. en tant que tel entre les particules. Il s'avère que les mesures s'influencent mutuellement, mais il n'y a pas de transfert de cette influence. Sur cette base, nous concluons que la non-localité ne contredit pas essentiellement la théorie de la relativité restreinte. Les informations (conditionnelles) transmises entre les particules EPR sont parfois appelées « informations quantiques ».

La non-localité est donc un phénomène opposé au réalisme local (localisme) d’Einstein. En même temps, pour le réalisme local, une seule chose est considérée comme allant de soi : l'absence d'informations traditionnelles (relativistes) transmises d'une particule à une autre. Sinon, nous devrions parler d’une « action fantomatique à distance », comme l’appelait Einstein. Regardons de plus près cette « action à distance », à quel point elle contredit la théorie restreinte de la relativité et le réalisme local lui-même. Premièrement, « l’action fantomatique à distance » n’est pas pire que la « non-localité » de la mécanique quantique. En effet, ni il n’y a, en tant que tel, de transfert d’informations relativistes (vitesse inférieure à la lumière). Ainsi, « l’action à distance » ne contredit pas la théorie de la relativité restreinte, tout comme la « non-localité ». Deuxièmement, le caractère illusoire de « l’action à distance » n’est pas plus illusoire que la « non-localité » quantique. En effet, quelle est l’essence de la non-localité ? En « sortant » vers un autre niveau de réalité ? Mais cela ne dit rien, mais permet seulement diverses interprétations mystiques et divines étendues. Non, raisonnable ou détaillé physique La non-localité n'a pas de description (et encore moins d'explication). Il n’y a qu’un simple énoncé de fait : deux dimensions corrélé. Que dire de « l’action fantomatique à distance » d’Einstein ? Oui, exactement la même chose : il n’existe aucune description physique raisonnable et détaillée, le même simple constat : deux dimensions connecté ensemble. La question se résume en fait à une question de terminologie : non-localité ou action fantomatique à distance. Et la reconnaissance que ni l’un ni l’autre ne contredisent formellement la théorie restreinte de la relativité. Mais cela ne signifie rien d’autre que la cohérence du réalisme local (localisme) lui-même. Son énoncé principal, formulé par Einstein, reste certainement d'actualité : au sens relativiste, il n'y a pas d'interaction entre les systèmes S 2 et S 1, l'hypothèse d'une « action fantomatique à longue portée » n'introduit pas la moindre contradiction dans le système local d'Einstein. le réalisme. Enfin, la tentative même d’abandonner « l’action fantomatique à distance » dans le réalisme local nécessite logiquement la même attitude envers son analogue de la mécanique quantique : la non-localité. Sinon, cela devient un double standard, une double approche injustifiée des deux théories (« Ce qui est permis à Jupiter ne l’est pas au taureau »). Il est peu probable qu’une telle approche mérite un examen sérieux.

Ainsi, l’hypothèse du réalisme local (localisme) d’Einstein devrait être formulée sous une forme plus complète :

« État réel du système S 2 dans un sens relativiste ne dépend pas de ce qui est fait avec le système S1, qui en est spatialement séparé.

Compte tenu de ce petit mais important amendement, toutes les références aux violations des « inégalités de Bell » (voir ci-dessous) perdent leur sens en tant qu’arguments réfutant le réalisme local d’Einstein, qui les viole avec le même succès que la mécanique quantique.

Comme nous le voyons, en mécanique quantique, l’essence du phénomène de non-localité est décrite par des signes externes, mais son mécanisme interne n’est pas expliqué, ce qui a servi de base à la déclaration d’Einstein sur l’incomplétude de la mécanique quantique.

Dans le même temps, le phénomène d'intrication peut avoir une explication tout à fait simple qui ne contredit ni la logique ni le bon sens. Étant donné que deux particules quantiques se comportent comme si elles « connaissaient » l’état de l’autre, se transmettant des informations insaisissables, nous pouvons émettre l’hypothèse que la transmission est effectuée par un support « purement matériel » (non matériel). Cette question a un fond philosophique profond, lié aux fondements de la réalité, c'est-à-dire de cette substance première à partir de laquelle notre monde tout entier est créé. En fait, cette substance devrait être appelée matière, ce qui lui confère des propriétés qui excluent son observation directe. Le monde entier tout entier est tissé de matière, et nous ne pouvons l'observer qu'en interagissant avec ce tissu issu de la matière : la substance, les champs. Sans entrer dans les détails de cette hypothèse, nous soulignerons seulement que l’auteur identifie matière et éther, les considérant comme deux noms désignant la même substance. Il est impossible d'expliquer la structure du monde en abandonnant le principe fondamental qu'est la matière, puisque le caractère discret de la matière elle-même contredit à la fois la logique et le bon sens. Il n’y a pas de réponse raisonnable et logique à la question : qu’y a-t-il entre les éléments discrets de la matière, si la matière est le principe fondamental de toutes choses. Par conséquent, l’hypothèse selon laquelle la matière possède une propriété, manifestant comme une interaction instantanée d'objets matériels distants, tout à fait logique et cohérente. Deux particules quantiques interagissent l'une avec l'autre à un niveau plus profond - le matériau, se transmettant des informations plus subtiles et insaisissables au niveau matériel, qui ne sont pas associées à un matériau, un champ, une onde ou tout autre support, et dont l'enregistrement est directement est fondamentalement impossible. Le phénomène de non-localité (non-séparabilité), bien qu'il n'ait pas de description physique (explication) explicite et claire en physique quantique, est néanmoins compréhensible et explicable comme un processus réel.

Ainsi, l’interaction de particules intriquées, en général, ne contredit ni la logique ni le bon sens et permet une explication plutôt harmonieuse, quoique fantastique.

Téléportation quantique

Une autre manifestation intéressante et paradoxale de la nature quantique de la matière est la téléportation quantique. Le terme « téléportation », tiré de la science-fiction, est désormais largement utilisé dans la littérature scientifique et donne à première vue l'impression de quelque chose d'irréel. La téléportation quantique signifie le transfert instantané d'un état quantique d'une particule à une autre, distante à grande distance. Cependant, la téléportation de la particule elle-même et le transfert de masse ne se produisent pas.

La question de la téléportation quantique a été soulevée pour la première fois en 1993 par le groupe de Bennett qui, à l’aide du paradoxe EPR, a montré qu’en principe, les particules imbriquées (enchevêtrées) peuvent servir comme une sorte de « transport » d’informations. En attachant une troisième particule - « information » - à l'une des particules liées, il est possible de transférer ses propriétés à une autre, et même sans mesurer ces propriétés.

La mise en œuvre du canal EPR a été réalisée expérimentalement et la faisabilité des principes EPR a été prouvée dans la pratique pour transmettre des états de polarisation entre deux photons à travers des fibres optiques via une troisième à des distances allant jusqu'à 10 kilomètres.

Selon les lois de la mécanique quantique, un photon n’a pas de valeur de polarisation exacte tant qu’il n’est pas mesuré par un détecteur. Ainsi, la mesure transforme l’ensemble de toutes les polarisations photoniques possibles en une valeur aléatoire mais bien précise. La mesure de la polarisation d'un photon d'une paire intriquée conduit au fait que le deuxième photon, quelle que soit sa distance, apparaît instantanément avec une polarisation correspondante - perpendiculaire à celle-ci.

Si un photon étranger est « mélangé » à l’un des deux photons d’origine, une nouvelle paire, un nouveau système quantique couplé, est formé. En mesurant ses paramètres, vous pouvez transmettre instantanément aussi loin que vous le souhaitez - téléporter - la direction de polarisation non pas du photon original, mais d'un photon étranger. En principe, presque tout ce qui arrive à un photon d’une paire devrait instantanément affecter l’autre, modifiant ainsi ses propriétés d’une manière très spécifique.

À la suite de la mesure, le deuxième photon de la paire couplée d’origine a également acquis une certaine polarisation fixe : une copie de l’état original du « photon messager » a été transmise au photon distant. Le défi le plus difficile était de prouver que l’état quantique était bien téléporté : cela nécessitait de savoir exactement comment les détecteurs étaient positionnés pour mesurer la polarisation globale, et de les synchroniser minutieusement.

Un schéma simplifié de téléportation quantique peut être imaginé comme suit. Alice et Bob (caractères conditionnels) reçoivent un photon provenant d'une paire de photons intriqués. Alice a une particule (photon) dans l'état A (inconnu d'elle); un photon de la paire et le photon d'Alice interagissent (« s'emmêlent »), Alice fait une mesure et détermine l'état du système de deux photons dont elle dispose. Naturellement, l'état initial A du photon d'Alice est détruit dans ce cas. Cependant, le photon de Bob provenant d'une paire de photons intriqués passe dans l'état A. En principe, Bob ne sait même pas qu'un acte de téléportation a eu lieu, il est donc nécessaire qu'Alice lui transmette des informations à ce sujet de la manière habituelle.

Mathématiquement, dans le langage de la mécanique quantique, ce phénomène peut être décrit comme suit. Le schéma du dispositif de téléportation est présenté sur la figure :

Fig.6. Schéma d'une installation de téléportation quantique d'un état photonique

« L'état initial est déterminé par l'expression :

Ici, on suppose que les deux premiers qubits (de gauche à droite) appartiennent à Alice et que le troisième qubit appartient à Bob. Ensuite, Alice fait passer ses deux qubits CNOT-grille. Cela produit l'état |Ф 1 > :

Alice fait ensuite passer le premier qubit par la porte Hadamard. De ce fait, l'état des qubits considérés |Ф 2 > aura la forme :

En regroupant les termes de (10.4), en observant la séquence choisie d'appartenance des qubits à Alice et Bob, on obtient :

Cela montre que si, par exemple, Alice mesure les états de sa paire de qubits et reçoit 00 (c'est-à-dire M 1 = 0, M 2 = 0), alors le qubit de Bob sera dans l'état |Ф>, c'est-à-dire exactement dans cet état qu'Alice voulait donner à Bob. En général, en fonction du résultat de la mesure d'Alice, l'état du qubit de Bob après le processus de mesure sera déterminé par l'un des quatre états possibles :

Cependant, pour savoir dans lequel des quatre états se trouve son qubit, Bob doit recevoir des informations classiques sur le résultat de la mesure d'Alice. Une fois que Bob connaît le résultat de la mesure d'Alice, il peut obtenir l'état du qubit original d'Alice |Ф> en effectuant des opérations quantiques correspondant au schéma (10.6). Donc, si Alice lui dit que le résultat de sa mesure est 00, alors Bob n'a rien à faire avec son qubit - il est dans l'état |F>, c'est-à-dire que le résultat du transfert a déjà été atteint. Si la mesure d'Alice donne le résultat 01, alors Bob doit agir sur son qubit avec une porte X. Si la mesure d'Alice est de 10, alors Bob doit appliquer une porte Z. Enfin, si le résultat était 11, alors Bob devrait actionner les portes X*Z pour obtenir l'état transmis |Ф>.

Le circuit quantique total décrivant le phénomène de téléportation est représenté sur la figure. Il existe un certain nombre de circonstances pour le phénomène de téléportation qui doivent être expliquées en tenant compte des principes physiques généraux. Par exemple, il peut sembler que la téléportation permette le transfert d’un état quantique de manière instantanée et donc plus rapide que la vitesse de la lumière. Cette affirmation est en contradiction directe avec la théorie de la relativité. Cependant, le phénomène de téléportation ne contredit pas la théorie de la relativité, car pour réaliser la téléportation, Alice doit transmettre le résultat de sa mesure via un canal de communication classique, et la téléportation ne transmet aucune information.

Le phénomène de téléportation découle clairement et logiquement du formalisme de la mécanique quantique. Il est évident que la base de ce phénomène, son « noyau » est l’intrication. La téléportation est donc logique, comme l'intrication ; elle se décrit mathématiquement facilement et simplement, sans donner lieu à aucune contradiction avec la logique ou le bon sens.

Les inégalités de Bell

La logique est « une science normative sur les formes et les techniques de l'activité cognitive intellectuelle réalisée à l'aide du langage. Détails lois logiques est que ce sont des déclarations qui sont vraies uniquement en raison de leur forme logique. En d’autres termes, la forme logique de telles déclarations détermine leur vérité quelle que soit la spécification du contenu de leurs termes non logiques.

(Vasyukov V., Encyclopédie « Krugosvet », http://slovari.yandex.ru/dict/krugosvet/article/b/bf/1010920.htm)

Parmi les théories logiques, nous nous intéresserons particulièrement à logique non classique - quantique logique qui présuppose la violation des lois de la logique classique dans le microcosme.

Dans une certaine mesure, nous nous appuierons sur la logique dialectique, la logique des « contradictions » : « La logique dialectique est philosophie, théorie de la vérité(processus de vérité, selon Hegel), tandis que d'autres « logiques » sont un outil spécial pour fixer et mettre en œuvre les résultats de la connaissance. L'outil est très nécessaire (par exemple, sans s'appuyer sur des règles mathématiques et logiques pour calculer les propositions, aucun programme informatique ne fonctionnera), mais néanmoins spécial.

Cette logique étudie les lois de l'émergence et du développement à partir d'une source unique de phénomènes divers, parfois dépourvus non seulement de similitudes extérieures, mais aussi de phénomènes contradictoires. De plus, pour la logique dialectique contradiction déjà inhérent à la source même de l'origine des phénomènes. Contrairement à la logique formelle qui impose une interdiction sous la forme de la « loi du tiers exclu » (soit A, soit non-A - tertium non datur: Il n'y a pas de troisième). Mais que pouvez-vous faire si la lumière, en son sein – la lumière en tant que « vérité » – est à la fois une onde et une particule (corpuscule), qui ne peuvent pas être « divisées », même dans les conditions de l’expérience de laboratoire la plus sophistiquée ?

(Kudryavtsev V., Qu'est-ce que la logique dialectique ? http://www.tovievich.ru/book/8/340/1.htm)

Bon sens

Au sens aristotélicien du mot, c'est la capacité de comprendre les propriétés d'un objet grâce à l'utilisation d'autres sens.

Croyances, opinions, compréhension pratique des choses caractéristiques de la « personne moyenne ».

Parlé : bon jugement raisonné.

Un synonyme approximatif de pensée logique. Initialement, le bon sens était considéré comme faisant partie intégrante de la faculté mentale, fonctionnant de manière purement rationnelle.

(Dictionnaire explicatif d'Oxford de psychologie / Edité par A. Reber, 2002,
http://vocabulary.ru/dictionary/487/word/%C7%C4%D0%C0%C2%DB%C9+%D1%CC%DB%D1%CB)

Nous considérons ici le sens commun uniquement comme la correspondance des phénomènes à la logique formelle. Seule une contradiction avec la logique dans les constructions peut servir de base à la reconnaissance du caractère fallacieux, incomplet des conclusions ou de leur absurdité. Comme l'a dit Yu. Sklyarov, une explication des faits réels doit être recherchée en faisant appel à la logique et au bon sens, aussi étranges, inhabituelles et « non scientifiques » que ces explications puissent paraître à première vue.

Lors de l’analyse, nous nous appuyons sur la méthode scientifique, que nous considérons comme un essai et une erreur.

(Serebryany A.I., Méthode scientifique et erreurs, Nature, n° 3, 1997, http://vivovoco.rsl.ru/VV/PAPERS/NATURE/VV_SC2_W.HTM)

En même temps, nous sommes conscients que la science elle-même est fondée sur la foi : « par essence, toute connaissance est fondée sur la foi dans des hypothèses initiales (qui sont prises a priori, par l'intuition et qui ne peuvent être prouvées rationnellement directement et strictement) - dans notamment les suivants :

(i) notre esprit peut comprendre la réalité,
(ii) nos sentiments reflètent la réalité,
(iii) les lois de la logique.

(V.S. Olkhovsky V.S., Comment les postulats de la foi de l'évolutionnisme et du créationnisme sont-ils liés les uns aux autres avec les données scientifiques modernes, http://www.scienceandapologetics.org/text/91.htm)

« Le fait que la science repose sur la foi, qui n’est pas qualitativement différente de la foi religieuse, est reconnu par les scientifiques eux-mêmes. »

Albert Einstein est crédité de cette définition du bon sens : « Le bon sens est un ensemble de préjugés que l’on acquiert à l’âge de dix-huit ans. » (http://www.marketer.ru/node/1098). Ajoutons en notre nom : ne rejetez pas le bon sens, sinon il pourrait vous refuser.

Contradiction

« En logique formelle, une paire de jugements contradictoires, c'est-à-dire des jugements dont chacun est la négation de l'autre. Le fait même de l’apparition d’une telle paire de jugements au cours de tout raisonnement ou dans le cadre de toute théorie scientifique est aussi appelé contradiction. »

(Grande Encyclopédie soviétique, Rubrikon, http://slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00063/38600.htm)

"Une pensée ou une position incompatible avec une autre, en réfute une autre, une incohérence dans les pensées, les déclarations et les actions, une violation de la logique ou de la vérité."

(Dictionnaire explicatif de la langue russe d'Ouchakov, http://slovari.yandex.ru/dict/ushakov/article/ushakov/16-4/us3102504.htm)

« une situation logique de vérité simultanée de deux définitions ou déclarations (jugements) mutuellement exclusives sur la même chose. En logique formelle, la contradiction est considérée comme inacceptable selon la loi de la contradiction.

Paradoxe

« 1) une opinion, un jugement, une conclusion, en contradiction flagrante avec ce qui est généralement admis, contraire au « bon sens » (parfois seulement à première vue) ;

2) un phénomène inattendu, un événement qui ne correspond pas aux idées habituelles ;

3) en logique - une contradiction qui surgit avec tout écart par rapport à la vérité. La contradiction est synonyme du terme « antinomie » - une contradiction dans la loi - c'est le nom donné à tout raisonnement qui prouve à la fois la vérité de la thèse et la vérité de sa négation.

Souvent, un paradoxe surgit lorsque deux propositions mutuellement exclusives (contradictoires) s’avèrent également prouvables.

Puisqu'un paradoxe est considéré comme un phénomène qui contredit les idées généralement acceptées, alors en ce sens, paradoxe et contradiction sont similaires. Cependant, nous les considérerons séparément. Bien qu’un paradoxe soit une contradiction, il peut s’expliquer logiquement et est accessible au bon sens. Nous considérerons la contradiction comme une construction logique insoluble, impossible, absurde, inexplicable du point de vue du sens commun.

L’article recherche des contradictions qui sont non seulement difficiles à résoudre, mais qui atteignent le niveau de l’absurdité. Ce n’est pas qu’ils soient difficiles à expliquer, mais même poser le problème et décrire l’essence de la contradiction se heurte à des difficultés. Comment expliquer quelque chose qu’on ne peut même pas formuler ? À notre avis, l’expérience de Young à double fente est une telle absurdité. On a découvert qu’il est extrêmement difficile d’expliquer le comportement d’une particule quantique lorsqu’elle interfère avec deux fentes.

Absurde

Quelque chose d'illogique, d'absurde, contraire au bon sens.

Une expression est considérée comme absurde si elle n’est pas extérieurement contradictoire, mais dont une contradiction peut néanmoins découler.

Une affirmation absurde a du sens et, en raison de son incohérence, est fausse. La loi logique de la contradiction parle de l'inadmissibilité à la fois de l'affirmation et du déni.

Une déclaration absurde constitue une violation directe de cette loi. En logique, la preuve est considérée par reductio ad absurdum (« réduction à l'absurde ») : si une contradiction est déduite d'une certaine proposition, alors cette proposition est fausse.

Pour les Grecs, le concept d'absurdité signifiait une impasse logique, c'est-à-dire un lieu où le raisonnement conduit le raisonneur à une contradiction évidente ou, plus encore, à un non-sens évident et nécessite donc une façon de penser différente. Ainsi, l'absurdité était comprise comme la négation de la composante centrale de la rationalité - la logique. (http://www.ec-dejavu.net/a/Absurd.html)

Littérature

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   (http://quantum3000.narod.ru/papers/edu/aspect_bell.zip)
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7. Doronin S.I., « Non-localité de la mécanique quantique », Forum Physique de la Magie, Site Internet « Physique de la Magie », Physique, http://physmag.h1.ru/forum/topic.php?forum=1&topic=29
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Pouténikine P.V.

Il y a des sujets sur lesquels écrire est un plaisir. Cent mille auteurs avant vous ont déjà écrit sur CECI, cent mille écriront sur CECI après vous, et il y aura toujours un lecteur qui lira CECI pour la première fois. Dans ce cas, nous parlerons de mécanique quantique. Attendez, n'allez pas sur un autre portail, s'il vous plaît ! Ne craignez pas que des difficultés surgissent, nous nous limiterons au seul rôle modeste d’observateur extérieur. Et croyez-moi, ce n'est pas difficile du tout.

Quelle est la chose principale dans une expérience ? Dispositifs? Préparation théorique ? Assistant intelligent ? Pas d'amis. La seule chose dont aucune expérience ne peut se passer, c’est l’expérimentateur. Sans cela, il n’y a pas d’expérience. Jusqu'à ce qu'apparaisse un observateur qui observe le résultat de l'expérience avec son œil inquisiteur et enregistre ses résultats avec des mains habiles, ce qui se passe n'est pas du tout une expérience.

Mais il s'avère qu'il arrive que la simple présence d'un observateur lors d'une expérience perturbe le déroulement de l'expérience, modifie l'état du système étudié et provoque l'évolution des événements dans une direction différente. Et nous tenterons de comprendre comment la mécanique quantique évalue cette conséquence de l’intervention d’un observateur dans la réalité physique d’une expérience à l’aide de cinq exemples classiques.

Premier exemple : « le chat de Schrödinger »

Un exemple classique qui est resté gravé dans les dents : « Le chat de Schrödinger ». Dans une boîte noire scellée (mais quelle différence cela fait-il vraiment, de quelle couleur !), Schrödinger (Erwin Schrödinger) cache un chat fictif (imaginaire), une fiole de poison et un mécanisme de déclenchement nucléaire. Cet appareil peut à tout moment casser l'ampoule et tuer l'animal. Une expérience amusante, pourriez-vous dire, et vous auriez raison. La seule justification qui puisse sauver l’honneur du scientifique autrichien est que l’expérience est exclusivement théorique et vise à démontrer la logique de la pensée du physicien.

Le mécanisme de déclenchement peut, à un moment aléatoire, libérer un atome radioactif dont la désintégration brisera l'ampoule contenant du poison. L’heure exacte de la décomposition n’a pas été précisée. L'observateur ne connaît que la demi-vie, c'est-à-dire la période de temps pendant laquelle la décomposition se produira avec une probabilité « cinquante-cinquante » de 50 à 50. Ainsi, en observant une boîte fermée, on comprend que le chat, à l'intérieur de sa boîte fermée système, existe simultanément dans deux états : il est soit vivant, soit mort. Ces deux états peuvent être décrits par la « fonction chat » d’onde (vivant ou mort), qui change avec le temps. Plus on s'éloigne du stade initial (le chat est définitivement vivant), plus il est probable que l'ampoule soit déjà cassée et que l'expérience soit terminée (le chat est mort).

Mais vous ne pouvez vous assurer que l'expérience est terminée qu'en ouvrant la boîte. Ainsi, tant que l'observateur n'a pas pénétré dans le système fermé, la probabilité que le chat soit vivant demeure, même si elle tend constamment vers zéro. Ainsi, le chat peut toujours rester en équilibre au bord de la vie ou de la mort, jusqu'à ce que son sort soit déterminé par un scientifique fatigué de se tenir au-dessus d'une boîte fermée. Et c’est seulement alors que la fonction d’onde s’effondre et parmi de nombreuses options, une seule est réalisée.

C’est ce qu’on appelle l’interprétation de Copenhague de la science appelée « mécanique quantique ». L’état de tout système ne peut être déterminé de manière fiable que par l’observation. Et l’observateur, par sa simple présence, change le résultat de l’étude. C’est le point mystérieux souligné par Schrödinger.

Deuxième exemple : « particules gelées »

Dans les années 60 du siècle dernier, l'effet quantique a été prédit, qui a ensuite été prouvé dans la pratique par un groupe de scientifiques dirigé par le lauréat du prix Nobel Wolfgang Ketterle. En étudiant la désintégration des atomes de rubidium excités en atomes identiques dans un état stable et en photons, les chercheurs ont enregistré une nette influence de l'observateur sur le résultat de l'expérience.

Une particule radioactive instable a une durée de vie moyenne, qui peut augmenter si elle est étroitement surveillée. Ainsi, après le début de l'expérience, les scientifiques ont commencé à observer la désintégration des atomes selon deux modes différents : continu (le système était constamment irradié avec un faible flux lumineux qui enregistrait les changements) et pulsé (un faisceau lumineux plus puissant mais court périodiquement entré dans le système).

Le résultat obtenu s'est avéré très intéressant. Les influences de la lumière externe sur le système ont ralenti la désintégration des particules, les ramenant à leur état d'origine. La durée de vie des atomes de rubidium excités, en décomposition rapide, pourrait être prolongée des dizaines de fois. Cet effet est entré dans l’histoire de la science sous le nom de code « particule gelée ».

Troisième exemple : le « dualisme électronique »

L’expérience de diffraction électronique menée en 1961 est reconnue comme l’une des plus élégantes de l’histoire de la physique quantique. L'essence de l'expérience était la suivante : une plaque de cuivre avec deux fentes a été installée sur le trajet du flux d'électrons volant vers la photo-finish.

Si vous imaginez un faisceau d’électrons comme un groupe de petites boules chargées, vous vous attendriez à deux bandes sur l’écran en face d’une fente et de l’autre. Mais en fait, une image différente est apparue sur l'écran - un zèbre d'une configuration complexe, composée de rayures claires et sombres alternées et superposées. Le résultat de l'expérience n'a pas changé même si les particules étaient libérées à travers la fente non pas en un flux continu, mais une par une. Chacun des électrons présentait à ce moment ses propres fonctions d'onde et pouvait passer simultanément par deux fentes.

Mais ce n’était que la première moitié de l’expérience. Lorsque les physiciens ont tenté d'enregistrer le résultat, l'image sur l'écran est immédiatement devenue classique : deux bandes opposées aux fentes de la plaque de cuivre et aucun zèbre « étrange ». Sous les yeux de l’observateur, les électrons ont « perdu » leur composante d’onde et ont montré une image familière à un collégien. La présence de l'observateur avait un impact sur le système et modifiait automatiquement les résultats de l'observation elle-même.

Exemple 4 : « certaines personnes aiment ça chaud… »

Outre les électrons, de grosses molécules composées de plusieurs dizaines d’atomes de carbone (fullerènes) font souvent office de cobayes. Les fullerènes, constitués de six douzaines d’atomes, ressemblent à un véritable ballon de football composé d’hexagones. Avec ces gros éléments, des expériences de diffraction sont réalisées, similaires à celles réalisées sur les électrons.

Il n’y a pas si longtemps, des scientifiques viennois du groupe du professeur Anton Zeilinger ont risqué d’ajouter à l’expérience un « élément d’observateur ». Au cours de l’étude, les expérimentateurs ont tiré un rayonnement laser sur des fullerènes en mouvement. Les molécules étaient chauffées par des influences extérieures et brillaient dans l'espace étudié, révélant ainsi leur emplacement.

Parallèlement au début de la lueur, le comportement des particules elles-mêmes a changé. Si dans « l'obscurité », sans la présence d'un observateur, les fullerènes évitaient soigneusement les obstacles, qui montraient leurs propriétés ondulatoires, alors avec l'apparition d'un « spectateur », les particules commençaient à se comporter comme des corps solides avec toutes les caractéristiques de comportement qui en découlent connues. de la physique classique.

Exemple cinq : « ... et certains sont plus froids »

Mais le plus intéressant de tous les mystères de la physique quantique est le mystère du principe d'incertitude de Heisenberg (Werner Karl Heisenberg). Dans une présentation populaire, cela ressemble à ceci : il est impossible d'établir simultanément la position et la vitesse d'un objet quantique. Autrement dit, plus nous mesurons avec précision l’impulsion d’une particule élémentaire, moins nous pouvons déterminer avec précision où elle se trouve actuellement. Ceci, bien entendu, est peu applicable au monde des gros objets et on ne sait généralement pas ce qui peut en découler, même à un niveau élémentaire.

Une expérience menée par un groupe dirigé par le professeur Keith Schwab a ajouté du piquant à l'incertitude classique de Heisenberg. Après avoir placé une minuscule bande d'aluminium sur le trajet des microparticules, les scientifiques ont connecté un appareil capable d'enregistrer sa position avec la plus grande précision. Et puis nous avons obtenu deux résultats intéressants. Premièrement, chaque nouvelle mesure de l’objet modifiait la position de la plaque. L'appareil déterminait très précisément les coordonnées de la bande et modifiait ainsi sa vitesse et, par conséquent, sa position ultérieure dans l'espace.

Mais si la première découverte était prédite par le principe d'incertitude, la seconde a surpris tout le monde. Les mesures effectuées par les scientifiques ont conduit au refroidissement de la bande. C'est-à-dire que l'observateur, par sa simple présence, a modifié les caractéristiques physiques de l'objet. Dans ce cas, la température. Une utilisation pratique de cet effet a été immédiatement trouvée : le professeur Schwab réfléchit désormais à la manière d'utiliser ce phénomène pour refroidir les microcircuits les plus complexes.

P.S. : Même le grand Einstein a eu le sentiment que le monde n'existe qu'au moment où vous le regardez. Mais il nous a assuré que ce n'était pas le cas. Et en effet, comment quelqu’un qui observe la lune peut-il influencer la lune elle-même ? Et si, en fait, tout ce qui se passe autour de nous n’était qu’un produit de notre imagination ? Et dès qu’on s’endort, le monde disparaît. Ou est-ce que ceux qui disent que les lois de la physique de l’univers et les lois de la compréhension de cet univers (psyché) doivent être considérées comme complémentaires les unes des autres ? Comme deux parties d’un seul grand enseignement.

Ou est-ce la même science ? Et cela s’appelle « physique ». Car comparé à la physique, tout le reste n’est qu’une collection de timbres.

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La vie est le phénomène le plus extraordinaire de l’univers observable ; mais comment la vie est-elle née ? Même à l’ère du clonage et de la biologie synthétique, une vérité remarquable reste vraie : personne n’a encore réussi à créer des êtres vivants à partir de matériaux totalement inanimés. La vie naît uniquement de la vie. Alors, manque-t-il encore certains de ses composants fondamentaux ? Tout comme The Selfish Gene de Richard Dawkins a apporté de nouvelles perspectives sur le processus évolutif, Life on the Edge change notre compréhension des forces fondamentales qui animent le monde. Dans ce document, les auteurs passent en revue à la fois les dernières données expérimentales et les découvertes de pointe de la science, et ce, dans un style lucide unique. Jim Al-Khalili et Jonjoe McFadden parlent de la pièce manquante de la mécanique quantique ; le phénomène qui sous-tend cette science la plus mystérieuse.

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Nous reviendrons bientôt sur le photon et l'arbre et verrons comment ils se rapportent au monde quantique, mais nous vous invitons d'abord à considérer une expérience étonnamment simple qui met en lumière le mystère du monde quantique. Même si nous faisons de notre mieux pour expliquer le plus clairement possible ce que signifient des expressions telles que « superposition quantique », rien n’est plus clair que la fameuse expérience à double fente décrite ci-dessous.

L'expérience à double fente montre de la manière la plus simple et la plus complète que dans le monde quantique, tout fonctionne différemment. Les particules peuvent se comporter comme des ondes lorsqu’elles se propagent dans l’espace, et les ondes peuvent parfois acquérir les propriétés des particules. Nous avons déjà parlé de la dualité onde-particule : dans l'introduction, elle est décrite comme une caractéristique qui montre clairement comment le Soleil génère de l'énergie ; Au chapitre 3, nous avons examiné comment les caractéristiques ondulatoires des électrons et des protons leur permettent de surmonter les barrières énergétiques présentes dans la structure des enzymes. Dans ce chapitre, vous apprendrez que la dualité onde-particule influence également les réactions biochimiques les plus importantes de la biosphère : la transformation de l'air, de l'eau et de la lumière en plantes, en micro-organismes et, indirectement, en nous tous. Mais il faut d’abord comprendre comment l’idée audacieuse selon laquelle les particules peuvent se trouver à plusieurs endroits à la fois est soutenue par les expériences les plus simples, les plus élégantes et en même temps les plus ambitieuses de l’histoire : l’une de ces expériences, selon Richard Feynman, « est au cœur de la science quantique. » mécanique.

Cependant, je dois vous avertir que ce qui est décrit ici vous semblera impossible et vous penserez peut-être qu’il doit y avoir une manière plus rationnelle d’expliquer ce qui se passe. Vous vous demandez peut-être quel est le secret de ce tour de magie. Ou bien vous pouvez conclure que l’expérience n’est qu’une pure spéculation théorique, imaginée par des scientifiques qui manquaient d’imagination pour comprendre les mécanismes de la nature. Mais aucune de ces explications n’est correcte. L’expérience de la double fente n’a pas d’explication (solide), mais elle est réelle et a été reproduite des milliers de fois.

Nous décrivons l'expérience en trois étapes ; les deux premiers consisteront à décrire les conditions afin que vous puissiez apprécier les résultats incompréhensibles de la troisième étape principale.

Tout d'abord, un faisceau de lumière monochrome (constitué d'ondes de même couleur, c'est-à-dire d'ondes de même longueur) est dirigé sur un écran doté de deux fentes étroites, qui permettent à une partie de la lumière de passer à travers les deux fentes vers un deuxième écran (Figure 4.1).

Riz. 4.1. Expérience à double fente Étape 1 : Lorsque la lumière monochrome (ayant une longueur d'onde spécifique) est dirigée vers deux fentes, chaque fente agit comme une nouvelle source de lumière de l'autre côté. En raison de la nature des vagues, la lumière se propage (se disperse) après avoir traversé chaque fente de sorte que les ondes circulaires se chevauchent et interagissent les unes avec les autres pour former des rayures sombres et claires sur l'écran arrière.

En contrôlant précisément la largeur des fentes, la distance qui les sépare et la distance entre les deux écrans, nous pouvons créer une séquence de franges claires et sombres sur le deuxième écran, appelée motif d'interférence.

Les modèles d’interférences sont des graphiques d’ondes et sont faciles à voir dans n’importe quel milieu d’ondes. Jetez une pierre sur la surface d’un étang et vous verrez une série d’ondes circulaires concentriques diverger du point d’éclaboussure. Jetez deux pierres dans le même bassin et chacune créera ses propres vagues concentriques. Là où les ondes des deux pierres se chevauchent, vous verrez un motif d'interférence (Figure 4.2).

Riz. 4.2. Interférence des ondes constructives et destructrices

Là où le sommet d’une vague rencontre le creux d’une autre, ils s’annulent, ce qui entraîne l’absence de vague à ce stade. Ce phénomène est appelé interférence destructrice. A l’inverse, là où deux pics ou deux creux se rencontrent, ils se renforcent mutuellement, créant une double onde : ce phénomène est appelé interférence constructive. Un schéma similaire de décroissance et d’intensification des vagues peut être observé dans n’importe quel milieu ondulatoire. Le physicien anglais Thomas Young a démontré l'interférence des faisceaux lumineux dans une première version de l'expérience à double fente menée il y a plus de 200 ans. Le résultat l’a convaincu, ainsi que de nombreux autres scientifiques, que la lumière était en réalité une onde.

L’interférence que nous observons dans une expérience à double fente dépend principalement du chemin que les ondes lumineuses empruntent à travers la fente puis se propagent – ​​une propriété des ondes connue sous le nom de diffraction. Ainsi, les faisceaux émanant des fentes se chevauchent et s’absorbent avant de heurter l’écran arrière, tout comme les vagues sur l’eau. En certains points de l'écran, les ondes lumineuses émanant des deux fentes entrent dans une phase où alternent pics et creux - soit parce qu'elles ont parcouru la même distance jusqu'à l'écran, soit parce que la différence de distance parcourue est une multiple de la distance entre leurs sommets. Dans ce cas, les points les plus hauts et les plus bas des vagues se combinent pour former des points encore plus hauts et plus bas. Ce phénomène est appelé interférence constructive. Lorsque les ondes sont superposées, une lumière de haute intensité est produite et donc une bande lumineuse apparaît sur l'écran. Mais à d’autres endroits, la lumière provenant des deux fentes est déphasée et le point le plus élevé d’une onde rencontre le point le plus bas de l’autre. À ces endroits, les ondes se neutralisent, ce qui conduit à la formation d'une bande sombre sur l'écran - interférence destructrice. Entre ces deux extrêmes, la combinaison n’est ni complètement en phase, ni complètement déphasée et un peu de lumière subsiste. Ainsi, ce que nous voyons sur l’écran n’est pas une séquence exacte de franges claires et sombres, mais un changement progressif d’intensité entre les points maximum et minimum de la figure d’interférence. Ce changement d’intensité régulier, semblable à une onde, est un indicateur clé des phénomènes ondulatoires. Il y a un exemple avec les ondes sonores : un musicien, tout en accordant un instrument, écoute les battements, qui sont obtenus si une note est très proche en fréquence d'une autre, de sorte que sur le chemin de l'oreille du musicien, ils tombent parfois en phase ou hors tension. de phase. La variation de leurs combinaisons produit un son commun dont le volume augmente et diminue périodiquement. Un changement progressif de l’intensité sonore se produit en raison de l’interférence entre deux ondes distinctes. A noter que ces battements sont un phénomène qui obéit aux lois de la physique classique et ne nécessite pas d'interprétation quantique.

Le facteur clé dans une expérience à double fente est que le faisceau de lumière frappant le premier écran doit être monochrome (composé de la même longueur d’onde). La lumière blanche, qui provient d’une ampoule ordinaire, est composée de différentes longueurs d’onde (toutes les couleurs de l’arc-en-ciel), de sorte que les ondes frappent l’écran de manière aléatoire. Dans ce cas, même si les pics et les creux des vagues interagiront les uns avec les autres, le motif résultant sera si complexe et flou que les bandes individuelles seront impossibles à distinguer. De même, bien qu’il soit facile d’obtenir un motif d’interférence en jetant deux pierres dans un étang, une immense cascade tombant en cascade dans l’étang produit tellement de vagues qu’il est impossible de voir un motif d’interférence cohérent.

Désormais, dans la deuxième étape de l’expérience à deux fentes, nous n’utiliserons pas de lumière, mais des balles volant vers l’écran. Le fait est que nous utilisons des particules solides plutôt que des ondes propageantes. Chaque balle doit bien entendu passer par l’une ou l’autre fente, mais pas les deux en même temps. Après que le nombre requis de balles ait traversé les fentes, nous verrons sur l'écran arrière deux lignes de trous de balle correspondant aux deux fentes (Fig. 4.3).

Riz. 4.3. Expérience à double fente, étape 2. Contrairement au comportement des ondes lumineuses, le flux de balles traversant les fentes présente le comportement des particules. Chaque balle qui frappe l'écran arrière doit passer par l'une ou l'autre fente, mais pas les deux (en supposant, bien sûr, que le milieu de l'écran soit suffisamment épais pour arrêter les balles qui n'atteignent pas les fentes). Contrairement aux interférences multibandes, le motif sur l'écran arrière montre un groupe de balles autour de deux bandes étroites correspondant à chaque fente.

Bien entendu, nous n’avons pas affaire à des vagues. Chaque balle est une particule distincte et n’interagit pas avec l’autre, donc aucune interférence n’est observée.

Et maintenant la troisième étape : le « truc » quantique. L'expérience est répétée en utilisant des atomes au lieu de balles. Un faisceau d’atomes émanant d’une source vole sur un écran doté de deux fentes étroites. Pour enregistrer l'impact des atomes, le deuxième écran est doté d'un revêtement photoluminescent sur lequel un petit point brillant apparaît à l'endroit où l'atome frappe.

Si le bon sens s’appliquait au niveau microscopique, les atomes se comporteraient comme de minuscules balles. Tout d’abord, nous réaliserons l’expérience en ouvrant uniquement la fente de gauche, et nous verrons une bande de points lumineux sur l’écran derrière la fente ouverte. Un certain nombre de points sont placés de manière inégale sur l'écran : cela peut indiquer que certains atomes sont repoussés par les bords, changent de trajectoire et ne passent pas strictement par la fente. Ensuite, nous ouvrirons l'emplacement de droite et attendrons que des points lumineux apparaissent sur l'écran arrière.

Si on vous demandait de prédire la distribution des points lumineux et que vous ne connaissiez rien à la mécanique quantique, vous devineriez naturellement que cela ressemblerait au modèle obtenu lors de l’expérience avec la balle. A savoir : derrière chaque fente se forme une bande de points, c'est-à-dire que deux zones lumineuses différentes apparaissent sur l'écran, plus lumineuses au centre et s'estompant progressivement vers les bords, à mesure que les coups d'atomes deviennent plus rares. Vous pouvez également vous attendre à ce que la zone située au milieu entre les deux bandes lumineuses soit sombre, car elle correspond à la partie de l'écran qui est impénétrable aux atomes, quelle que soit la fente dans laquelle ils tombent.

Cependant, cela ne correspond pas à ce que nous observons. Au contraire, nous voyons une image très claire de l’interférence des rayures claires et sombres, exactement la même que dans l’expérience avec la lumière. Croyez-le ou non, la partie la plus brillante de l'écran est située au centre : une zone où de nombreux atomes ne devraient pas tomber (Figure 4.4).

Riz. 4.4. Expérimentez avec deux fentes, étape 3. Lors du remplacement des balles par des atomes émis par une source située devant les fentes (bien sûr, à chaque étape la largeur et la distance appropriées entre les fentes sont sélectionnées), nous observons à nouveau une interférence ondulatoire modèle. Même si chaque atome qui frappe l’écran arrière à un moment donné se comporte comme une particule, ils se combinent en bandes, tout comme nous l’avons vu avec la lumière. Pourquoi les atomes traversent-ils deux fentes en même temps, sans lesquelles nous ne verrions pas de multiples franges d’interférence ?

En fait, avec la bonne distance entre les fentes et la bonne distance entre les deux écrans, nous pouvons voir que la zone claire sur l'écran arrière (là où les atomes pourraient aller avec une fente ouverte) est maintenant, avec deux fentes ouvertes, sombre ( aucun atome n’y va). Comment l’ouverture d’une deuxième fente, qui laisse passer davantage d’atomes, peut-elle empêcher les atomes de heurter certaines parties de l’écran ?

Voyons si nous pouvons expliquer ce qui se passe en utilisant la logique ordinaire, sans recourir pour l'instant à la mécanique quantique. Supposons ce qui suit : bien que chaque atome soit une particule microscopique (après tout, chaque atome frappe l'écran à un endroit), un grand nombre d'atomes entrant en collision et interagissant les uns avec les autres d'une manière spéciale et coordonnée forment une image avec visibilité ingérence. Cependant, nous savons que les vagues d’eau sont en réalité constituées de nombreuses molécules d’eau qui, prises individuellement, ne sont pas des vagues. C’est le mouvement coordonné de milliards de molécules d’eau, et non chaque molécule individuellement, qui présente des propriétés ondulatoires. Peut-être qu’un canon atomique émet un flux coordonné d’atomes, comme une machine à vagues dans une piscine.

Pour tester la théorie des atomes cohérents, nous allons répéter l'expérience, mais maintenant nous enverrons des atomes un par un. On allume le canon atomique et on attend qu'une tache lumineuse apparaisse sur la lunette arrière avant de l'allumer une seconde fois, et ainsi de suite. Au premier abord, il peut sembler que le bon sens prévaut encore : chaque atome passant par les fentes repart un seul point de lumière localisé dans une partie spécifique de l'écran. Les atomes semblent être tirés par le pistolet sous forme de particules, comme des balles, et frapper l'écran sous forme de particules. Bien entendu, dans l’espace entre le pistolet et l’écran, ils doivent également se comporter comme des particules. Mais - attention - concentrez-vous : un lapin quantique apparaît d'un chapeau. Au fur et à mesure que les taches, chacune enregistrant l'impact d'un seul atome de balle, recouvrent progressivement l'écran, des franges d'interférence claires et sombres réapparaissent sur celui-ci. Puisque les atomes traversent désormais la cible un par un, nous ne pouvons pas dire qu’il existe un comportement collectif de nombreux atomes entrant en collision et interagissant les uns avec les autres. Ce n'est pas comme des vagues d'eau. Une fois de plus, nous sommes confrontés à un résultat contradictoire : il existe des endroits sur l'écran arrière que les atomes ne peuvent atteindre que si une fente est ouverte, et qui restent complètement sombres lorsque la deuxième fente est également ouverte, malgré le fait que son ouverture offre une chemin supplémentaire permettant aux atomes d'atteindre l'écran. Il semble qu'un atome, passant par une fente, sait, que le deuxième emplacement soit ouvert ou non, et agit en conséquence !

Ainsi, chaque atome est émis par le pistolet sous la forme d'une minuscule particule et tombe également sur le deuxième écran sous la forme d'une particule, comme le montre le petit éclair de lumière lorsqu'il frappe. Mais dans l’espace qui les sépare, lorsque les deux fentes se rencontrent, quelque chose de magique se produit, comme la propagation d’une onde qui se divise en deux composantes, dont chacune traverse la fente et interagit avec l’autre de l’autre côté de l’écran. Sinon, comment un atome peut-il savoir sur l'état (ouvert ou fermé) des deux fentes en même temps ?

En gardant le piège à l'esprit, voyons si nous pouvons piéger les atomes en les attendant derrière les fentes. Cela peut être fait en plaçant un capteur derrière la fente gauche, par exemple, afin qu'il détecte un "signal" (peut-être un signal audio) lorsque l'atome passe à travers cette fente pour se diriger vers l'écran. Nous pouvons également placer un deuxième capteur derrière la fente de droite pour enregistrer les atomes qui passent par cette fente. Désormais, si un atome passe par l’une ou l’autre fente, nous entendrons un bip provenant du capteur droit ou gauche. Mais si l’atome parvient d’une manière ou d’une autre à surmonter sa nature en forme de balle et à passer à travers les deux fentes, alors les deux détecteurs émettront un bip en même temps.

On voit désormais qu'à chaque fois que le canon atomique est allumé, ce qui s'accompagne de l'apparition d'un point lumineux sur l'écran, un signal est émis par le capteur gauche ou droit, mais pas les deux à la fois. Sans aucun doute, nous avons enfin la preuve que l’interaction atomique se produit lorsque les atomes passent par l’une ou l’autre fente, mais pas les deux en même temps. Cependant, soyons patients et continuons à regarder l'écran. Au fur et à mesure que les éclairs de lumière individuels se combinent, nous constatons que le motif qu’ils créent ne ressemble plus à un motif d’interférence. Au lieu de cela, deux bandes lumineuses apparaissent, indiquant l’accumulation de nombreux atomes derrière chaque fente, tout comme dans l’expérience avec les balles. Or, au cours de l’expérience, les atomes se comportent comme des particules ordinaires. C'est comme si chaque atome se comportait comme une onde lorsqu'il rencontrait des fentes, s'il n'est pas surveillé, sinon, cela reste juste une petite particule.

Il est possible que la présence du capteur soit à l'origine du problème en influençant le comportement étrange des atomes passant à travers les fentes. Testons cela en supprimant un capteur, disons à droite. Nous pouvons encore obtenir des informations de ce circuit car lorsque le pistolet est allumé et que le signal et le point lumineux apparaissent sur l'écran, nous saurons que l'atome a dû passer par la fente gauche. Lorsque nous allumons le pistolet et n’entendons aucun signal, mais voyons un point brillant sur l’écran, nous savons que les atomes doivent être entrés dans l’écran par la fente de droite. On peut désormais savoir si les atomes sont passés par la fente gauche ou droite, mais leur trajectoire n'est « perturbée » que d'un côté. Si le capteur lui-même pose problème, nous nous attendons à ce que les atomes qui ont provoqué le bip se comportent comme des balles, et les atomes qui n'ont pas provoqué le bip (et ont traversé la fente droite) se comportent comme des vagues. Nous verrons probablement un mélange d’un motif de balle (provenant d’atomes passant par la fente gauche) et d’un motif d’interférence (provenant d’atomes passant par la fente droite) sur l’écran.

Mais ce n'est pas vrai. Dans cette situation, nous n’observons pas non plus de motif d’interférence. L'écran derrière chaque fente forme un motif d'atomes en forme de balle se comportant comme des particules. Il semble que la simple présence d’un capteur enregistrant la localisation d’un atome soit suffisante pour détruire son comportement ondulatoire, même si le capteur est situé à une certaine distance de la trajectoire de l’atome passant par une autre fente !

Peut-être que la présence physique d’un capteur près de la fente gauche est suffisante pour influencer le passage des atomes à travers celle-ci, tout comme un gros rocher change la direction de l’eau dans un courant d’eau impétueux. Nous pouvons mener une expérience en éteignant le capteur gauche. Il est toujours en place, nous pouvons donc nous attendre à ce que son impact soit à peu près le même. Mais maintenant, en présence du capteur éteint, un motif d'interférence apparaît à nouveau sur l'écran ! Tous les atomes participant à l’expérience ont recommencé à se comporter comme des vagues. Pourquoi les atomes se comportent-ils comme des particules lorsque le capteur est allumé près de la fente gauche, mais dès que le capteur est éteint, ils se comportent comme des ondes ? Comme une particule passant par la fente droite, sait si le capteur situé à gauche est allumé ou éteint ?

A ce stade, il faudra oublier la logique et le bon sens. Nous avons désormais affaire à une dualité onde-particule d'objets minuscules comme des atomes, des électrons ou des photons, qui se comportent comme une onde si on ne sait pas par quelle fente ils passent, et comme une particule si on les observe. C'est le processus d'observation ou de mesure d'objets quantiques dont nous avons parlé au chapitre 1, en considérant la démonstration de l'intrication quantique de photons individuels dans l'expérience d'Alain Aspe. Comme vous vous en souvenez peut-être, l'équipe d'Aspe a mesuré les photons en les faisant passer à travers une lentille polarisée, ce qui a éliminé leur état intriqué - qui est une caractéristique de leur nature ondulatoire - les amenant à choisir une direction de polarisation classique. De même, mesurer les atomes impliqués dans une expérience à double fente les oblige à choisir entre passer par la fente droite ou gauche.

La mécanique quantique nous fournit une justification remarquable à ce phénomène ; mais la seule explication de ce que nous voyons – le résultat de l’expérience – ne concerne pas ce qui se passe lorsque nous n’observons pas. Cependant, puisque nous ne pouvons que voir et mesurer, il ne sert probablement à rien d’en demander davantage aux objets quantiques. Comment pouvons-nous évaluer la validité ou l’exactitude d’un rapport sur un phénomène que nous ne pouvons jamais, même en théorie, vérifier ? Dès que nous essayons cela, nous modifions le résultat.

L’interprétation quantique de l’expérience à double fente est qu’à tout moment donné, chaque atome doit être décrit par un ensemble de nombres qui déterminent son emplacement probable dans l’espace. C’est l’indicateur que nous avons décrit au chapitre 2 comme fonction d'onde.À l’époque, nous parlions de la fonction d’onde en prenant l’exemple du suivi d’une vague de criminalité alors qu’elle se propage dans une ville en déterminant la probabilité de vols dans différentes zones. De même, la fonction d'onde décrivant le passage d'un atome à travers deux fentes trace la probabilité de le trouver en tout point de l'appareil à un instant donné. Mais, comme nous l'avons précisé plus tôt, si le voleur doit avoir un emplacement dans l'espace et dans le temps et que l'onde de « probabilité de crime » décrit uniquement notre manque de connaissances sur son emplacement réel, alors, au contraire, la fonction d'onde de l'atome dans l'espace et le temps. expérience à double fente est vrai, c'est-à-dire qu'il décrit la position physique d'un atome, qui n'a en réalité aucune position spécifique à moins que nous la mesurions. L’atome se trouve donc partout en même temps – avec une probabilité variable, bien sûr, de sorte qu’il est peu probable que nous trouvions un atome dans des endroits où sa fonction d’onde est petite.

Ainsi, au lieu que des atomes individuels participent à une expérience à double fente, nous devons considérer la fonction d’onde passant de la source à l’écran arrière. Lors du passage à travers les fentes, la fonction d'onde est divisée en deux et chaque moitié passe par l'une des fentes. Notez que ce que nous décrivons ici est la manière dont le résumé mathématique le nombre change avec le temps. Ça ne sert à rien de demander quoi En fait cela se produit parce que nous devons chercher à vérifier. Mais dès qu’on essaie de faire cela, on déforme le résultat.

La question se pose : quand la fonction d’onde « redevient-elle » un atome localisé ? Répondons : quand on essaie de déterminer sa position. Avec une telle mesure, la fonction d'onde quantique se désintègreà une seule probabilité. Encore une fois, cela n'est pas comme la situation d'un voleur, où l'incertitude quant à l'endroit où il se trouve est soudainement réduite à un seul point, après quoi il est arrêté par la police. Dans ce cas, la détermination a affecté nos informations sur la localisation du voleur. Il n'était toujours qu'à un seul endroit à la fois. Mais pour l’atome, ce n’est pas le cas ; en l’absence de toute dimension, l’atome est véritablement partout.

Ainsi, la fonction d'onde quantique calcule la probabilité de trouver un atome à un emplacement particulier, où l'on peut mesurer sa position à un instant donné. Lorsque la fonction d’onde est grande avant la mesure, la probabilité de détecter l’atome sera élevée. Mais là où elle est faible, peut-être en raison d’interférences destructrices d’ondes, la probabilité de trouver un atome, si nous voulons le regarder, est proportionnellement faible.

Nous pouvons imaginer une fonction d’onde décrivant un seul atome après qu’il ait quitté la source. Il se comporte comme une onde qui tend vers les fentes, de sorte qu'au niveau du premier écran son amplitude sera égale dans chaque fente. Si nous plaçons une sonde sur l’une des fentes, nous devons nous attendre à des probabilités égales : 50 % du temps nous détecterons un atome sur la fente gauche et 50 % du temps sur la fente droite. Mais - et c'est important - si l'on n'essaye pas de détecter l'atome au niveau du premier écran, alors la fonction d'onde pénètre par les deux fentes sans destruction. Ainsi, en termes quantiques, on peut parler d'une fonction d'onde qui décrit un seul atome dans sa superposition : son existence à deux endroits à la fois, correspondant à sa fonction d'onde passant par les fentes droite et gauche en même temps.

De l'autre côté des fentes, chaque partie individuelle de la fonction d'onde, une de la fente gauche et une de la fente droite, se propage à nouveau et forme un ensemble d'ondes mathématiques qui se chevauchent, s'améliorant à certains endroits et s'annulant à d'autres. . L’effet combiné est que la fonction d’onde présente un motif caractéristique d’autres phénomènes ondulatoires tels que la lumière. Mais gardons à l’esprit que cette fonction d’onde complexe reste caractéristique d’un seul atome.

Sur le deuxième écran, où est effectuée la mesure finale de la position de l'atome, la fonction d'onde permet de calculer la probabilité de trouver la particule en différents points de l'écran. Les bandes claires sur l'écran correspondent aux positions où les deux parties de la fonction d'onde émanant des deux fentes se renforcent mutuellement, et les bandes sombres correspondent aux positions où elles s'annulent et produisent une probabilité nulle de trouver un atome à ces postes.

Il est important de se rappeler que ce processus d'amplification et de neutralisation - l'interférence quantique - se produit même avec la participation d'une seule particule. N'oubliez pas qu'il existe des zones sur l'écran que les atomes émis simultanément ne peuvent atteindre qu'avec une fente ouverte et qui restent inaccessibles lorsque les deux fentes sont ouvertes. Cela n’a de sens que si chaque atome tiré par un canon atomique est décrit par une fonction d’onde qui peut emprunter les deux chemins en même temps. La fonction d'onde combinée avec des régions d'interférences constructives et destructives élimine la possibilité de détecter un atome dans certaines positions de l'écran accessibles uniquement par une fente ouverte.

Toutes les particules quantiques, qu'il s'agisse de particules élémentaires, d'atomes ou de molécules constituées de ces particules, présentent un comportement ondulatoire leur permettant d'interagir les unes avec les autres. Dans un tel état quantique, ils peuvent présenter n’importe quel comportement quantique étrange, comme se trouver à deux endroits à la fois, tourner dans les deux sens en même temps, traverser des barrières impénétrables ou des connexions étrangement enchevêtrées avec des partenaires distants.

Dans ce cas, pourquoi vous et moi, qui sommes constitués de particules quantiques, ne pouvons-nous pas nous trouver à deux endroits en même temps ? Ce serait très utile dans notre époque mouvementée. La réponse à cette question est très simple : plus le corps est grand et massif, moins il possède de propriétés ondulatoires et un corps ayant la masse et la taille d'une personne ou quelque chose d'autre suffisamment grand et visible à l'œil nu aura un si petit quantum. longueur d'onde qui n'a aucun effet mesurable. Mais si vous regardez plus profondément, vous pourriez penser que chaque atome de votre corps est observé ou mesuré par les autres atomes qui l’entourent, de sorte que toutes les propriétés quantiques minimales qu’il pourrait avoir sont détruites très rapidement.

Qu’entendons-nous alors par « mesure » ? Nous avons déjà répondu brièvement à cette question au chapitre 1, mais nous devons maintenant l'examiner plus en détail, car il s'agit d'un point clé dans la question de la taille de la composante quantique en biologie quantique.

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