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Accueil du site > 02 - Livre Deux : SCIENCES > Atome : lois de la Physique ou rétroaction de la matière/lumière et du vide (...) > La question de la mesure en physique quantique

La question de la mesure en physique quantique

jeudi 9 février 2017, par Robert Paris

F. London et E. Bauer dans leur ouvrage « Exposés de Physique Générale » de 1939 :

« La théorie de l’observation en mécanique quantique

« On sait que la physique théorique s’est transformée depuis le début de ce siècle en une doctrine essentiellement statistique et que c’est la découverte des quanta qui a rendu cette révolution inévitable. L’objet principal de cette étude sera l’interprétation statistique du formalisme de la théorie quantique. Bien que ces questions d’interprétation fussent déjà réglées il y a environ dix ans (par W. Heisenberg, J.V. Neumann et P.A.M. Dirac), on rencontre encore souvent des idées assez vagues sur le sens de l’apparition des probabilités dans la physique moderne. D’après certains, ce caractère statistique serait un symptôme de ce que notre connaissance des lois atomiques est encore incomplète : il resterait à trouver des « paramètres cachés », déterminant les processus que, provisoirement, nous nous contentons de décrire en langage statistique. A les en croire, on pourrait espérer réussir quelque jour à refondre la théorie dans un moule déterministe. D’autres comprennent que c’est « l’action de l’observateur » qui est en jeu. Ils pensent parfois que celle-ci serait une action causale, mais incomplètement connue, parce qu’on ne sait jamais exactement dans quel état se trouve l’observateur. De là résulterait la dispersion statistique des mesures, dont il serait peut-être possible de prévoir les résultats exacts, si l’on pouvait mieux tenir compte de l’intervention de l’observateur. On a dit aussi que la loi de causalité serait peut-être valable mais inapplicable, parce qu’il n’y aurait aucun moyen de reproduire deux fois les conditions identiques. La discussion de ces questions n’est point un objet de spéculation, c’est un problème positif, qu’on doit traiter en appliquant la théorie quantique au processus même de mesure, sur lequel elle fournit des précisions essentielles. On peut se convaincre que les distributions statistiques, telles qu’elles sont données par la mécanique quantique et confirmées par l’expérience, ont une structure telle qu’elles sont données par la mécanique quantique et confirmées par l’expérience, ont une structure telle qu’elles ne peuvent pas être réduites à l’aide de paramètres cachés. Il ne s’agit pas, comme on l’a souvent prétendu, d’une question d’interprétation philosophique : la mécanique quantique devrait être « fausse objectivement », si les processus atomiques étaient déterminés en réalité et seulement connus incomplètement… C’est un trait assez général de la physique moderne que souvent ses conquêtes ne sont obtenues que par le sacrifice de certaines de nos convictions philosophiques traditionnelles… C’est ainsi que la discussion de ce formalisme (de la nouvelle mécanique quantique) nous apprit que le point de départ philosophique apparent de la théorie, l’idée d’un monde observable, totalement indépendant de l’observateur, était une idée vide. Sans avoir eu l’intention d’aborder une théorie de la connaissance, bien qu’ils fussent même guidés par une philosophie assez contestable, les physiciens furent entraînés, pour ainsi dire malgré eux, à découvrir que le formalisme de la mécanique quantique implique déjà une théorie bien définie de la relation entre l’objet et l’observateur, relation bien différente de ce réalisme naïf, qui semblait jusqu’alors une des bases nécessaires de toute science de la nature… L’emploi de conceptions statistiques en physique atomique est beaucoup plus ancien que la mécanique ondulatoire. Le premier pas en ce sens a peut-être été fait au moment où l’on décrivit par des lois de probabilité les décompositions radioactives spontanées. Bien entendu, on a pensé d’abord qu’il s’agissait d’un état de choses provisoire provenant de notre ignorance de ce qui se passe à l’intérieur des noyaux. Mais quand Bohr, évidemment guidé par une analogie avec ces conceptions statistiques, construisit son modèle d’atome avec ses sauts quantiques spontanés, et surtout quand Einstein établit sa démonstration célèbre de la loi fondamentale du rayonnement de Planck en prenant pour base l’idée de probabilités élémentaires de transition spontanée ou forcée (coefficients de probabilité A et B), on eut déjà le sentiment net que ces probabilités devraient être quelque chose de fondamental et d’irréductible. Dans un monde de phénomènes discontinus, l’apparition d’une forme statistique des lois élémentaires semblait presque inévitable. La théorie de Bohr, bien qu’elle ne fournit pas encore un schème mathématique complet et cohérent, permettait déjà de poser les questions principales auxquelles devait répondre plus tard la théorie quantique : dans une physique concernant des grandeurs dont les domaines de variation ne sont pas nécessairement continus ils ‘agit de savoir 1- quelles sont les valeurs possibles d’une grandeur physique ? 2- avec quelles probabilités sont-elles réalisées dans un système et dans des circonstances données ? (…) Déjà dans le mémoire classique (1926) où il posa les premières bases de l’interprétation statistique de la mécanique des quanta, Born remarqua que les probabilités qu’il y introduisait devaient avoir un caractère assez étrange et très différent de ce que l’on entend en général lorsqu’on parle de probabilités. C’est ce qu’il exprima sous une forme un peu paradoxale : « Bien que les mouvements des particules ne soient déterminés que par des probabilités, ces probabilités mêmes évoluent conformément à une loi causale ». Ce qu’il entend ici par « loi causale », c’est une connexion entre des « états » à différents instants, telle que la connaissance d’un état initial à un instant quelconque implique univoquement la connaissance de l’état à tout instant ultérieur. Un « état », d’autre part, c’est une collection bien définie de données relatives au système en question, à un instant donné. Il n’y a naturellement aucun moyen de prévoir a priori si, dans un certain domaine des sciences, il existe des lois causales ainsi définies et quelles sont les données nécessaires et suffisantes pour les constituer. Si l’on n’aboutit pas à des prévisions univoques, si l’on se voit forcé de se contenter de probabilités, cela peut provenir ou bien de ce que notre connaissance de « l’état » n’est pas encore complète, ou encore de ce qu’il n’y a pas de causalité. Mais, par contre, lorsqu’on a réussi à établir des lois causales, cela est évidemment un critérium du fait que l’on a atteint une connaissance complète de l’objet, dont on dispose ainsi, en quelque sorte, d’une description maximum. Or l’équation de Schrödinger présente tous les caractères d’une connexion causale : si la fonction phi est connue à un moment donné, elle est déterminée pour tout instant ultérieur : il semble donc difficile de concevoir que cette fonction contienne néanmoins une collection de statistiques. On pourrait concevoir que la fonction phi a le caractère d’une fonction de probabilités ordinaires telles qu’on en fait usage par exemple pour décrire le mouvement brownien : une fonction de ce type contient certaines prédictions statistiques, que nous pouvons vérifier… Dans ce cas, la fonction phi représenterait donc l’état de notre connaissance partielle de l’objet et non l’état de l’objet lui-même… Supposons que la fonction phi ait un caractère « objectif » comme, par exemple, les fonctions d’onde de l’optique. Elle prétend alors représenter, sous une forme idéalisée et simplifiée, quelque chose de complet, une image maximum de l’état de l’objet. Mais s’il en est ainsi, il semble difficile de comprendre comment cette fonction phi peut impliquer une statistique : si l’on soumet à un contrôle expérimental les prédictions qu’on peut en déduire et si l’on observe lequel est réalisé parmi les cas possibles -, de quel droit pouvons-nous ajouter cette nouvelle connaissance à notre connaissance antérieure prétendue complète ? C’est Heisenberg qui trouva la solution de ce dilemme. Il remarqua que c’est le processus de mesure lui-même qui introduit l’élément d’incertitude sur l’état de l’objet. Ainsi l’élément statistique n’interviendrait qu’à l’occasion d’une mesure et si la fonction phi nous fournit des probabilités, elle ne le fait qu’en vue d’une mesure éventuelle. Ce ne sont donc pour ainsi dire que des probabilités « potentielles » qui entrent seulement en vigueur à l’occasion d’une mesure actuelle. Elles ne touchent pas la précision avec laquelle l’état du système est actuellement connu ; celle-ci est maximum lorsque la fonction phi est donnée. Bien entendu, il peut arriver qu’il existe en outre une incertitude sur l’état du système, c’est-à-dire sur la fonction phi elle-même. Dans ce cas il s’agit de probabilités au sens ordinaire du mot : elles proviennent d’une connaissance incomplète de l’état de l’objet ; il faut les distinguer clairement des probabilités potentielles fournies par les fonction phi… A première vue, il semble qu’en mécanique quantique le concept d’objectivité scientifique soit fortement ébranlé. Depuis la période classique on s’est accoutumé à l’idée que l’objet de la physique est quelque chose de réel, existant en dehors de l’observateur, indépendant de lui, indépendant en particulier du fait qu’il soit soumis ou non à une mesure. Il n’en est plus de même en mécanique quantique. Loin qu’il soit possible d’attribuer à un système, à chaque instant, ses propriétés mesurables, on ne peut pas prétendre que cela ait un sens défini de lui attribuer une fonction d’onde, à moins de se référer explicitement à une mesure effective. En outre, il semble que le résultat d’une observation soit lié intimement à la conscience de celui qui l’a faite et que la mécanique quantique nous entraîne ainsi vers le solipsisme total. Et pourtant, nous savons qu’en réalité les relations des physiciens entre eux n’ont pratiquement pas changé depuis la découverte de la mécanique quantique ; ils ne sont pas enfermés chacun dans un isolement solipsiste, ils se servent des mêmes moyens d’échange scientifique qu’autrefois et sont capables d’étudier en commun le même objet. Il existe donc en fait quelque chose comme une communauté de conscience scientifique, un accord sur ce qui constitue l’objet de la recherche, et c’est ce qu’il faut encore justifier. Tout d’abord, il est facile de se rendre compte que l’acte d’observation, c’est-à-dire le couplage entre l’appareil de mesure et l’observateur, est en vérité une action macroscopique et non pas essentiellement quantique ; on a par conséquent toujours le droit de négliger la réaction sur l’appareil du « regard » de l’observateur ; et, en remontant le cours du temps, on obtiendra des conclusions certaines sur l’appareil (ou de la plaque photographique) et, par suite, de l’objet avant l’observation (mais, bien entendu, après leur couplage). En outre, rien n’empêche un autre observateur de regarder le même appareil et l’on peut prévoir qu’à moins d’erreur, ses observations seront les mêmes. La possibilité de faire abstraction de l’individualité de l’observateur et de créer une conscience scientifique collective ne saurait donc être mise sérieusement en question… Dans la physique actuelle, le concept d’ « objectivité » est en fait un peu plus abstrait que celui qui dérive de la notion classique d’objet matériel. Par sa cohérence interne et par la portée de ses applications, la théorie nouvelle montre qu’il n’est pas vrai que « l’objectivité » d’un objet doive être garantie par la possibilité formelle de lui attribuer ses propriétés mesurables de façon continue aux époques où il n’est pas soumis à une observation. Il suffit évidemment que ses propriétés soient présentes au moment de leur mesure et qu’elles soient prévues par la théorie en accord avec l’expérience. »

L’article historique « Le problème de la mesure en physique » de F. London et E. Bauer (1939)

Niels Bohr dans « Physique atomique et connaissance humaine » :

« On parle quelquefois, à ce propos, de perturbation du phénomène par l’observateur ou de création par les mesures d’attributs physiques des objets atomiques. De telles expressions risquent cependant de créer une confusion, car des mots comme phénomène et observation, attribut et mesure, sont employés ici d’une manière qui n’est compatible ni avec le langage courant, ni avec leur définition précise. Il est en effet plus correct, dans une description objective, de ne se servir du mot de phénomène que pour rapporter des observations obtenues dans des conditions parfaitement définies, dont la description implique tout le dispositif expérimental. »

Claude Cohen-Tannoudji rajoute à cette citation dans « Matière-espace-temps » que « C’est cette nouvelle conception des phénomènes qui est peut-être l’innovation la plus importante apportée par la théorie quantique. Les concepts quantiques ne se rapportent plus à l’objet en soi, mais ils se rapportent à des phénomènes. Un phénomène est une réalité physique placée dans des conditions bien définies d’observation. La définition de ces conditions d’observation implique la maîtrise complète de toutes les étapes de l’acte de mesure : la préparation du système et de l’appareil, la détermination de tous les états expérimentalement observables et la détection des signaux émis lors du couplage entre le système et l’appareil. Le phénomène quantique ainsi conçu est tout le contraire d’un événement passivement observé, c’est un fait expérimental consciemment construit et élaboré. »

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