Qu’est-ce que la « réduction du paquet d’ondes » en physique quantique ?

Qu’est-ce que la « réduction du paquet d’ondes » en physique quantique ?

La réduction du paquet d’ondes est la cassure de la dynamique quantique réalisée par l’opération de mesure par un appareillage macroscopique. Cette interaction entre une particule quantique et un appareil macroscopique (donc classique) casse la dualité onde/corpuscule et donc la fonction d’onde (de Schrödinger) de la particule immédiatement après que le corpuscule soit capté. Ce phénomène a contraint les physiciens quantiques à se poser la « question de la mesure », en se demandant quelle transformation cette action de l’observateur réalisait sur la dynamique matérielle observée.

Tout d’abord remarquons qu’en physique quantique, étude de la matière/lumière au niveau microscopique, on n’a pas « un » état ou « une » onde mais une « superposition d’états » et un « paquet d’ondes ». Cela signifie que, tant qu’aucune observation ou interaction n’est réalisée, il n’y a pas une valeur de l’énergie, un état, une onde mais une dispersion, un relatif désordre. La particule, qui est à la fois onde et corpuscule, est décrite alors par l’équation de Schrödinger qui comprend différents états et différentes ondes, en superposition, sans qu’on puisse trancher sur « quel est l’état de la particule » mais seulement sur « quelle est la probabilité d’un tel état ».

Selon l’interprétation de Max Born retenue par la physique quantique, ce qui va trancher, c’est le fait d’effectuer une mesure. C’est cela « la réduction du paquet d’ondes » car, du moment que l’on aura mesuré d’une manière ou d’une autre la particule, l’équation de Schrödinger (qui décrit la fonction d’onde de la particule) sera interrompue, cassé, supprimée et une nouvelle fonction d’onde sera éventuellement créée…

La détection de la particule est donc une rupture, une discontinuité, un choc réel mais aussi un choc logique.

On montrera que ce n’est pas une limite de la connaissance humaine qui est pointée ici mais un mécanisme de fonctionnement de la matière/lumière et du vide quantique.

En effet, le caractère imprécis ou « indéterminé » de la particule, marqué par la fonction d’onde qui indique seulement une probabilité de présence de la particule, étalée dans un espace assez large ne provient pas de l’observation mais du fonctionnement quantique. L’observation et la captation de la particule a, au contraire, un caractère plus précis et même ponctuel. C’est avant détection que la particule s’étale dans l’espace…

Ce qui impressionne dans « la réduction du paquet d’ondes », c’est la rupture de continuité de la description, c’est aussi le changement brutal, instantané, et le passage d’une réalité étalée dans l’espace à une réalité ponctuelle. Cela a un petit caractère de mystère, de miracle, une odeur de soufre en somme…

Bien sûr, ceux qui veulent minimiser la difficulté feront comme si on détectait un objet que l’on pourchassait, et qui, rapidement, disparaissait à notre vue, puis était à nouveau capté, et ainsi de suite jusqu’à être définitivement attrapé, n’étant plus dès lors cet objet inattrappable et insaisissable autrement que par une « probabilité de présence ».

Cette image est rassurante mais elle ne convient nullement. Tout d’abord parce que ce que nous avons cherché à capter n’est pas un objet « corpuscule » mais réellement un mixte de corpuscule et d’une espèce d’onde, le corpuscule et l’onde n’étant pas tout à fait ce qu’on imaginait d’un corpuscule ni d’une onde.

On voit bien, notamment dans l’expérience des fentes de Young, que la réalité qui passe dans les deux fentes proches puis parvient à l’écran est un mixage d’onde et de corpuscule. Il y a les interférences (ondulatoires) et les impacts sur l’écran (corpusculaires).

On remarque également que la « réalité quantique » a des particularités qu’aucun objet, que l’on aurait seulement du mal à détecter, ne pourrait avoir. Par exemple, l’effet tunnel montre que la fonction d’onde peut traverser des obstacles, des barrières, infranchissables pour un objet.

Avec la théorie de la décohérence, les physiciens ont montré que la fonction d’onde de Schrödinger n’est pas interrompue ni cassée par la détection de la particule. La mesure est traitée comme une interaction comme une autre, avec un appareil obéissant lui aussi à des lois quantiques, au moins dans ses atomes. L’interprétation de la « réduction du paquet d’ondes » reste encore ouverte et est discutée par les physiciens.

Voyons comment les fondateurs de la physique quantique se posaient la question…

Erwin Schrödinger dans « Physique quantique et représentation du monde » :

« Une variable n’a, en général, pas de valeur déterminée avant que je ne la mesure ; la mesurer ne signifie donc pas trouver la valeur qu’elle a. mais alors qu’est-ce que cela signifie ? Il doit exister un critère permettant de savoir si une mesure est correcte ou fausse, si une mesure est bonne ou mauvaise, si elle est précise ou imprécise, et même si elle mérite le nom de mesure. Il ne suffit pas de jouer avec un appareil à aiguille à proximité d’un corps et de faire une lecture au hasard pour qu’on puisse parler de mesure relative à ce corps… Le catalogue des prévisions étant radicalement modifié par la mesure, l’objet ne permet plus de vérifier dans leur totalité les prédictions statistiques faites antérieurement, et c’est particulièrement vrai pour la variable mesurée… Lorsqu’on dispose, sous la forme de la fonction phi, d’un catalogue complet de prévisions, d’une somme maximale de connaissances pour l’ensemble formé de deux corps totalement séparés ou, mieux, pour chacun des deux corps considérés séparément, alors on en dispose évidemment aussi pour les deux corps pris ensemble… mais l’inverse n’est pas vrai. La connaissance maximale d’un système entier, formé de plusieurs parties, n’entraîne pas nécessairement la connaissance maximale de chacune des parties, pas même si ces dernières sont entièrement séparées et sans influence mutuelle au moment considéré… »

Heisenberg dans « Physique et Philosophie » :

« La fonction de probabilité ne représente pas en elle-même le déroulement du phénomène dans le temps : elle représente une tendance du phénomène et de notre connaissance du phénomène. »

Einstein, dans sa lettre à Schrödinger du 8 août 1935 :

« La fonction phi ne décrit pas l’état d’un système unique, mais (de façon statistique) un ensemble de systèmes. »

Einstein, dans sa lettre à Mme Ehrenfest du 12 octobre 1938 :

« On ne peut pas simplement remplacer les électrons par des paquets d’ondes, conçus pour ainsi dire comme une description du réel physique, un peu comme un champ électromagnétique dans la théorie de Maxwell. Le paquet d’ondes qui est attribué à un électron se disperse au cours du temps,, c’est-à-dire qu’il est de moins en moins localisé. Par exemple, s’il est enfermé dans une cavité aux parois réfléchissantes, le processus ondulatoire remplit peu à peu régulièrement tout l’espace intérieur de la cavité, quelle que soit la grandeur de celle-ci.. L’onde ne décrit pas l’état réel, mais la probabilité pour que l’’électron se trouve en un endroit déterminé… Ce que l’on décrit n’est que la représentation des probabilités pour l’ensemble de toutes les mesures possibles. Voilà ce que donne la théorie, il ne faut pas lui en demander plus… Je trouve tout bonnement épouvantable l’idée qu’il n’y aurait pas de lois pour ce qui est, mais seulement pour les probabilités de ce qui est (description indirecte qui me répugne). »

La réduction du paquet d’ondes est l’une des propriétés étranges, dites contre-intuitives, de la physique quantique. Ce phénomène est une discontinuité quantique liée à la captation du corpuscule.

On sait que tout, en physique quantique, est à la fois onde et corpuscule : la matière, la lumière, le vide, l’énergie, le mouvement, la chaleur, etc.

Quand la particule est à la fois onde et corpuscule, c’est-à-dire avant mesure ou observation, c’est parce qu’elle est un corpuscule habillé. Cela signifie qu’elle ne se déplace jamais sans son « nuage de polarisation » qui est une modification du champ du vide quantique.

Quand il y a "réduction du paquet d’ondes", cela signifie que la disparition du corpuscule, la mesure par un écran par exemple ou par un compteur de particules entraînant instantanément celle du nuage.

Au niveau quantique il n’y pas un état d’une particule mais une superposition d’états, superposition ramenée à un seul état de manière brutale au moment de la mesure (réduction du paquet d’ondes).

Pour la théorie de la décohérence, l’effondrement de la fonction d’onde n’est pas spécifiquement provoquée par un acte de mesure, mais peut avoir lieu spontanément, même en l’absence d’observation et d’observateurs. Ceci est une différence essentielle avec le postulat de réduction du paquet d’onde qui ne spécifie pas comment, pourquoi ou à quel moment a lieu la réduction, ce qui a ouvert la porte à des interprétations mettant en jeu la conscience et la présence d’un observateur conscient.

Là où la physique classique envisageait la particule comme un état déterminé et fixe, la physique quantique a dû développer la notion de superposition d’états. Cette superposition s’est appelée fonction d’onde. Il ne s’agissait plus d’ondes au sens classique. L’un des problèmes que cela posait était celui appelé "réduction du paquet d’ondes" puisque la superposition d’états était brutalement supprimée en cas de mesure (ou d’interaction), ce passage de la superposition à un seul état restant mystérieux et inconcevable comme un miracle, ce qui est inacceptable. Tout d’abord, cela suppose qu’une dynamique serait une somme de stationnarité. Ensuite, cela n’explique ni le passage d’un état à un autre ni ne donne une interprétation à la superposition. Du coup, la physique a dû reconcevoir sa thèse en adoptant un point de vue dynamique qui remettait en cause l’ancien point de vue philosophique.

L’infiniment petit se comporte très différemment de l’environnement macroscopique auquel nous sommes habitués. Quelques différences fondamentales qui séparent ces deux mondes sont par exemples :

• la quantification : Un certain nombre d’observables, par exemple l’énergie émise par un atome lors d’une transition entre états excités, sont quantifiés, c’est-à-dire qu’ils ne peuvent prendre leur valeur que dans un ensemble discret de résultats. A contrario, la mécanique classique prédit le plus souvent que ces observables peuvent prendre continûment n’importe quelle valeur.

• la dualité onde-particule : La notion d’onde et de particule qui sont séparées en mécanique classique deviennent deux facettes d’un même phénomène, décrit de manière mathématique par sa fonction d’onde. En particulier, l’expérience prouve que la lumière peut se comporter comme des particules (photons, mis en évidence par l’effet photoélectrique) ou comme une onde (rayonnement produisant des interférences) selon le contexte expérimental, les électrons et autres particules pouvant également se comporter de manière ondulatoire.

• le principe d’incertitude de Heisenberg : Une incertitude fondamentale empêche la mesure exacte simultanée de deux grandeurs conjuguées. Il est notamment impossible d’obtenir une grande précision sur la mesure de la vitesse d’une particule sans obtenir une précision médiocre sur sa position, et vice versa. Cette incertitude est structurelle et ne dépend pas du soin que l’expérimentateur prend à ne pas « déranger » le système ; elle constitue une limite à la précision de tout instrument de mesure.

• le principe d’une nature qui joue aux dés : Si l’évolution d’un système est bel et bien déterministe (par exemple, la fonction d’onde régie par l’équation de Schrödinger), la mesure d’une observable d’un système dans un état donné connu peut donner aléatoirement une valeur prise dans un ensemble de résultats possibles.

• l’observation influe sur le système observé : Au cours de la mesure d’une observable, un système quantique voit son état modifié. Ce phénomène, appelé réduction du paquet d’onde, est inhérent à la mesure et ne dépend pas du soin que l’expérimentateur prend à ne pas « déranger » le système.

• la non-localité ou intrication : Des systèmes peuvent être intriqués de sorte qu’une interaction en un endroit du système a une répercussion immédiate en d’autres endroits. # Ce phénomène contredit en apparence la relativité restreinte pour laquelle il existe une vitesse limite à la propagation de toute information, la vitesse de la lumière ; toutefois, la non-localité ne permet pas de transférer de l’information.

• la contrafactualité : Des évènements qui auraient pu se produire, mais qui ne se sont pas produits, influent sur les résultats de l’expérience.

En physique quantique, c’est le cas lors de la « réduction du paquet d’ondes » qui fait passer d’une particule quantique à la détection brutale d’un niveau corpusculaire (ponctuel) de la particule (fractale). La réalité existant à la fois à tous les niveaux hiérarchique peut être perçue brutalement à un seul niveau du fait d’une interaction à ce niveau. En conclusion, la réaction est réversible si elle se situe à un seul niveau hiérarchique et irréversible s’il y a interaction d’échelle.

En mécanique quantique, la dualité onde-particule est expliquée comme ceci : tout système quantique et donc toute particule sont décrits par une fonction d’onde qui code la densité de probabilité de toute variable mesurable (nommées aussi observable). La position d’une particule est un exemple d’une de ces variables. Donc, avant qu’une observation soit faite, la position de la particule est décrite en termes d’ondes de probabilité. Les deux fentes peuvent être considérées comme deux sources secondaires pour ces ondes de probabilité : les deux ondes se propagent à partir de celles-ci et interfèrent. Sur la plaque photographique, il se produit ce que l’on appelle une réduction du paquet d’onde, ou une décohérence de la fonction d’onde : le photon se matérialise, avec une probabilité donnée par la fonction d’onde : élevée à certains endroits (frange brillante), faible ou nulle à d’autres (franges sombres). Cette expérience illustre également une caractéristique essentielle de la mécanique quantique. Jusqu’à ce qu’une observation soit faite, la position d’une particule est décrite en termes d’ondes de probabilité, mais après que la particule est observée (ou mesurée), elle est décrite par une valeur fixe.

La réduction du paquet d’ondes, c’est l’effondrement brutal du nuage probabiliste dans une seule réalité corpusculaire.

Le caractère probabiliste de l’électron provient du fait qu’il n’est pas un seul objet mais un ensemble de niveaux emboîtés fondés sur l’agitation du vide.
La propriété de dualité de la particule élémentaire (se comportant à la fois comme un corpuscule et comme une onde) a été l’une des interrogations les plus difficiles de la physique quantique. L’onde et le corpuscule sont deux descriptions très opposées de la réalité et pourtant la matière comme la lumière se sont révélés être à la fois corpusculaires et ondulatoires. A la fois ne signifie pas que l’on peut effectuer en même temps une expérience qui donne les deux résultats. Par contre, dès que l’on effectue une expérience donnant un résultat du type onde, on obtient une onde. Et, à chaque fois que l’on effectue une expérience du type corpuscule, on obtient un corpuscule. De là a découlé une interprétation selon laquelle c’était l’observation par l’homme qui décidait de la nature du réel… En fait, la dualité provient du caractère fractal de la particule. Celle-ci existe à plusieurs échelles. Si l’on mesure à une échelle, on obtient un résultat à cette échelle. On perd, du coup, le résultat trouvé à une autre échelle. Si l’expérience effectue une mesure sur le nuage de polarisation, on obtient un résultat ondulatoire. Si on interagit avec le point matériel, on obtient un résultat corpusculaire qui prouve que l’électron est bien ponctuel et est bien un seul être. Mais cet être existe simultanément aux différents niveaux. Par contre, dès que le corpuscule est capté, dans un temps extrêmement court, le nuage disparaît. En effet, au niveau où se situent les particules virtuelles, la limite de vitesse de la lumière n’a plus cours. C’est la « réduction du paquet d’ondes » qui a tellement compliqué la vie des physiciens quantiques. On peut interpréter ainsi l’ensemble des propriétés, souvent apparemment étranges, de la particule dite élémentaire, l’électron. Les physiciens avaient, depuis longtemps, remarqué qu’il y avait un problème pour en comprendre la nature. Comme le relève Abraham Pais dans « Subtle is the lord », probablement la meilleure biographie d’Einstein, « Tout ce qui reste de ceci (des travaux de Abraham, Lorentz, Poincaré, Einstein,… sur l’auto-énergie de électron), c’est que nous ne comprenons toujours pas ce problème. » Certains physiciens théorisent même l’impossibilité de se le représenter Margenau (1961) : « Les électrons ne sont ni des particules, ni des ondes (…) Un électron est une abstraction, qui ne peut plus être décrite par une image intuitive correspondant à notre espérance de tous les jours mais déterminé au travers de formules mathématiques. » Mais, comme Einstein le disait à Wheeler : « Si je ne peux pas l’imaginer, je ne peux pas le comprendre. » Et Einstein affirmait : « Vous savez, il serait suffisant de réellement comprendre l’électron. » En 1991, la conférence internationale sur l’électron de Antigonish écrivait encore : « Nous sommes réunis ici pour discuter de nos connaissances actuelles sur l’électron. (…) Il est étrange de constater quelle masse énorme de technologie est fondée sur l’électron sans que nous soyons capable de comprendre cette particule. » Ce pessimisme des physiciens devant les contradictions de l’électron a un fondement réel : il est impossible de donner une seule image cohérente de son fonctionnement si on considère que l’électron est un seul objet à une seule échelle.

Résumé : la « particule » est fondée sur le vide quantique où l’on trouve toute une agitation de couples particules/antiparticules dits virtuels car ils apparaissent et disparaissent dans des temps très brefs et de photons virtuels du même type. La particule est dite réelle quand elle a capté un boson de Higgs du champs du vide quantique. Ce boson saute d’une particule virtuelle à une autre. La particule passe ainsi très rapidement d’une particule à une autre du nuage de couples particules/antiparticules qui l’entourent. C’est pour cela que l’on ne peut pas savoir par avance où se situe la particule réelle mais seulement connaître une probabilité de présence au sein du nuage qui l’entoure. Ce nuage est lié à la présence d’une particule réelle. Il disparaît dès que celle-ci est captée. C’est l’origine de ce « mystère » de la réduction du paquet d’ondes !!!

Cela ne signifie pas que le monde réel n’existerait pas ni qu’il serait une création de l’esprit humain de l’observateur, mais que le monde du vide quantique est réel, même si on continue à l’appeler « virtuel » et que le vide quantique est indispensable pour comprendre les phénomènes quantiques de la matière/lumière.