{"id":9575,"date":"2022-12-08T07:40:41","date_gmt":"2022-12-08T06:40:41","guid":{"rendered":"https:\/\/scienceetonnante.com\/?p=9575"},"modified":"2022-12-08T22:07:42","modified_gmt":"2022-12-08T21:07:42","slug":"mesure-quantique-coleman","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/2022\/12\/08\/mesure-quantique-coleman\/","title":{"rendered":"Le probl\u00e8me de la mesure existe-t-il vraiment en m\u00e9canique quantique ?"},"content":{"rendered":"<p><img decoding=\"async\" class=\"aligncenter wp-image-9600 lazyload\" data-src=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2022\/12\/colemanPNG.png\" alt=\"\" width=\"701\" height=\"467\" data-srcset=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2022\/12\/colemanPNG.png 807w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2022\/12\/colemanPNG-300x200.png 300w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2022\/12\/colemanPNG-270x180.png 270w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2022\/12\/colemanPNG-370x245.png 370w\" data-sizes=\"(max-width: 701px) 100vw, 701px\" src=\"data:image\/svg+xml;base64,PHN2ZyB3aWR0aD0iMSIgaGVpZ2h0PSIxIiB4bWxucz0iaHR0cDovL3d3dy53My5vcmcvMjAwMC9zdmciPjwvc3ZnPg==\" style=\"--smush-placeholder-width: 701px; --smush-placeholder-aspect-ratio: 701\/467;\" \/>Un petit billet pour vous parler d&rsquo;une lecture r\u00e9cente qui m&rsquo;a \u00e9norm\u00e9ment marqu\u00e9 : <strong>le texte de Sidney Coleman intitul\u00e9 <\/strong><em><strong>\u00ab\u00a0Quantum Mechanics in your face\u00a0\u00bb<\/strong>.<\/em> J&rsquo;en avais d\u00e9j\u00e0 entendu parler mais je n&rsquo;avais jamais pris le temps de l&rsquo;\u00e9tudier. Il s&rsquo;agit initialement d&rsquo;un expos\u00e9 donn\u00e9 par S.Coleman, dont il existe au moins <a href=\"https:\/\/www.youtube.com\/watch?v=EtyNMlXN-sw\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">une vid\u00e9o sur Youtube<\/a> et une transcription <a href=\"https:\/\/arxiv.org\/abs\/2011.12671\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">sur arXiv<\/a>.<\/p>\n<p>La premi\u00e8re partie de l&rsquo;expos\u00e9 parle des in\u00e9galit\u00e9s de Bell, mais dans la deuxi\u00e8me partie du papier, <strong>Coleman pr\u00e9sente un argument que j&rsquo;ai trouv\u00e9 extr\u00eamement fort, et qui va dans le sens de dire que le probl\u00e8me de la mesure&#8230;n&rsquo;existe pas !<\/strong> L&rsquo;argument est simple et tr\u00e8s \u00e9l\u00e9gant, et je suis \u00e9tonn\u00e9 de ne l&rsquo;avoir jamais lu ailleurs.\u00a0 (Alors que j&rsquo;ai pourtant lu quelques trucs sur cette question, et sur les interpr\u00e9tations de la m\u00e9canique quantique qui d\u00e9coulent de ce \u00ab\u00a0probl\u00e8me de la mesure\u00a0\u00bb.)<\/p>\n<p>Comme je ne suis pas Sydney Coleman, il est probable que je ne fasse pas justice \u00e0 l&rsquo;argument en le racontant ici, donc je vous invite \u00e9galement \u00e0 aller lire ou \u00e9couter l&rsquo;original plut\u00f4t que la copie. Mais je crois que \u00e7a m&rsquo;aide d&rsquo;essayer de le reformuler par \u00e9crit, pour m&rsquo;assurer que je l&rsquo;ai bien compris.<\/p>\n<p>Ce billet de blog va forc\u00e9ment \u00eatre plus technique que d&rsquo;habitude. Dans la suite, je vais supposer quelques familiarit\u00e9s avec la m\u00e9canique quantique : espace de Hilbert, \u00e9tat propre, observable, intrication&#8230;<\/p>\n<h3>Le probl\u00e8me de la mesure<\/h3>\n<p>Une fa\u00e7on de formuler le probl\u00e8me de la mesure est la suivante : <em><strong>comment se fait-il que quand je fais une mesure, j&rsquo;obtiens toujours un r\u00e9sultat \u00ab\u00a0bien d\u00e9fini\u00a0\u00bb<\/strong>, y compris quand le syst\u00e8me est dans un \u00e9tat superpos\u00e9 pour la quantit\u00e9 que je mesure ?<\/em><\/p>\n<p>La r\u00e9solution \u00ab\u00a0orthodoxe\u00a0\u00bb de ce probl\u00e8me, c&rsquo;est l&rsquo;id\u00e9e de <strong>r\u00e9duction du paquet d&rsquo;onde<\/strong> (ou d&rsquo;effondrement de la fonction d&rsquo;onde)\u00a0: quand j&rsquo;effectue une mesure, la fonction d&rsquo;onde du syst\u00e8me se trouve projet\u00e9e dans un \u00e9tat qui semble al\u00e9atoirement s\u00e9lectionn\u00e9 parmi les \u00e9tats propres de l&rsquo;observable mesur\u00e9e.<\/p>\n<p>Ce qu&rsquo;il y a d&rsquo;insatisfaisant dans cette vision des choses, c&rsquo;est qu&rsquo;on se retrouve en m\u00e9canique quantique avec<strong> la coexistence de deux m\u00e9canismes d&rsquo;\u00e9volution tr\u00e8s diff\u00e9rents <\/strong>:<\/p>\n<ul>\n<li>d&rsquo;un c\u00f4t\u00e9 l&rsquo;\u00e9quation de Schr\u00f6dinger (d\u00e9terministe) qui gouverne l&rsquo;\u00e9volution de l&rsquo;\u00e9tat quantique en fonction du temps, tant qu&rsquo;il n&rsquo;y a pas de mesure;<\/li>\n<li>et de l&rsquo;autre la r\u00e9duction du paquet d&rsquo;onde (probabiliste), qui modifie instantan\u00e9ment la fonction d&rsquo;onde au moment de la mesure.<\/li>\n<\/ul>\n<p>De surcroit cette vision orthodoxe ne pr\u00e9cise pas exactement ce qu&rsquo;est une \u00ab\u00a0mesure\u00a0\u00bb, et \u00e0 partir de quel moment on passe d&rsquo;une \u00e9volution unitaire d\u00e9terministe \u00e0 un effondrement de la fonction d&rsquo;onde probabilisite.<\/p>\n<p>Toutes les interpr\u00e9tations de la m\u00e9canique quantique ont pour objectif d&rsquo;essayer d&rsquo;\u00e9clairer cette question, et donc en d\u00e9finitive d&rsquo;expliquer le caract\u00e8re toujours \u00ab\u00a0bien d\u00e9fini\u00a0\u00bb des r\u00e9sultats de mesures, m\u00eame quand on mesure un \u00e9tat superpos\u00e9 de l&rsquo;observable consid\u00e9r\u00e9e.<\/p>\n<p>Or l&rsquo;argument de Coleman va dans le sens de dire qu&rsquo;<strong>il n&rsquo;y a, en fait, aucun \u00ab\u00a0probl\u00e8me\u00a0\u00bb de la mesure<\/strong>, et donc nul besoin d&rsquo;invoquer l&rsquo;effondrement de la fonction d&rsquo;onde, ou d&rsquo;essayer de l&rsquo;expliquer ou l&rsquo;interpr\u00e9ter d&rsquo;une fa\u00e7on ou d&rsquo;une autre.<\/p>\n<p><strong>Pour Sidney Coleman, le seul m\u00e9canisme d&rsquo;\u00e9volution des syst\u00e8mes quantiques est l&rsquo;\u00e9quation de Schr\u00f6dinger<\/strong>, il ne se passe rien de particulier au moment d&rsquo;une mesure, et il n&rsquo;y a donc pas de \u00ab\u00a0probl\u00e8me de la mesure\u00a0\u00bb \u00e0 interpr\u00e9ter. (<em>Ce qui place philosophiquement cette position dans la m\u00eame famille que les tenants de l&rsquo;interpr\u00e9tation \u00ab\u00a0mondes multiples\u00a0\u00bb d&rsquo;Everett, m\u00eame si Coleman ne le pr\u00e9sente pas comme \u00e7a<\/em>).<\/p>\n<p>Coleman estime que quand une nouvelle th\u00e9orie (ici la m\u00e9canique quantique) remplace une ancienne th\u00e9orie (ici la m\u00e9canique classique), <strong>on essaye g\u00e9n\u00e9ralement d&rsquo;interpr\u00e9ter l&rsquo;ancienne th\u00e9orie dans les termes de la nouvelle, et pas l&rsquo;inverse<\/strong> ! Il estime que beaucoup d&rsquo;interpr\u00e9tations font fausse route en essayant de calquer des images classiques sur la m\u00e9canique quantique, plut\u00f4t que de l&rsquo;accepter pleinement. Et pour lui, accepter pleinement la m\u00e9canique quantique, cela signifie <em>\u00ab\u00a0Schr\u00f6dinger et puis c&rsquo;est tout\u00a0\u00bb<\/em>, et pas de probl\u00e8me de la mesure.<\/p>\n<p>Avant de voir l&rsquo;argument en lui-m\u00eame, faisons un petit d\u00e9tour par un pr\u00e9liminaire indispensable : la mesure en m\u00e9canique quantique selon John Von Neumann.<\/p>\n<h3>Von Neumann : la mesure comme une intrication<\/h3>\n<p>Dans la th\u00e9orie orthodoxe, on s\u00e9pare de fa\u00e7on radicale les syst\u00e8mes quantiques et les appareils de mesure, qui eux sont consid\u00e9r\u00e9s comme \u00ab\u00a0classiques\u00a0\u00bb. Mais le mod\u00e8le de Von Neumann propose un point de vue diff\u00e9rent, et propose de regarder ce qu&rsquo;il se passe si on choisit de traiter un appareil de mesure comme un syst\u00e8me quantique \u00ab\u00a0comme un autre\u00a0\u00bb.<\/p>\n<p>Pour faire \u00e7a, on doit d\u00e9crire l&rsquo;appareil de mesure avec des \u00e9tats d&rsquo;un certain espace de Hilbert, et ces \u00e9tats vont \u00e9voluer selon l&rsquo;\u00e9quation de Schr\u00f6dinger, avec un certain hamiltonien qui gouverne cette \u00e9volution. Vu qu&rsquo;un appareil de mesure est \u00ab\u00a0gros\u00a0\u00bb, o<span style=\"font-size: 19px;\">n imagine que cet espace de Hilbert est tr\u00e8s grand et le hamiltonien associ\u00e9 tr\u00e8s compliqu\u00e9; mais en principe il n&rsquo;y a pas de difficult\u00e9 conceptuelle \u00e0 traiter l&rsquo;appareil de mesure comme un syst\u00e8me quantique.<\/span><\/p>\n<p>Consid\u00e9rons donc un appareil qui mesure le spin \\(+\\) ou \\(&#8211;\\) d&rsquo;une particule selon un certain axe. Pour fonctionner comme tel, initialement l&rsquo;appareil va \u00eatre dans un \u00e9tat \u00ab\u00a0neutre\u00a0\u00bb \\(|M_0\\rangle \\), puis en interagissant avec la particule mesur\u00e9e, il va \u00e9voluer<span style=\"font-size: 19px;\">\u00a0vers un \u00e9tat \\(|M_+\\rangle \\) si le spin de la particule est d\u00e9tect\u00e9 comme \\(+\\), et \\(|M_-\\rangle \\)si c&rsquo;est \\(&#8211;\\). Imaginez par exemple que ces deux \u00e9tats correspondent respectivement \u00e0 quelque chose du genre \u00ab\u00a0+1\/-1 s&rsquo;affiche sur l&rsquo;\u00e9cran\u00a0\u00bb.<\/span><\/p>\n<p>Consid\u00e9rons maintenant <strong>le syst\u00e8me complet \u00ab\u00a0particule ET appareil de mesure\u00a0\u00bb<\/strong>. Si par exemple la particule est dans un \u00e9tat propre \\(|+\\rangle \\), le syst\u00e8me complet sera initialement d\u00e9crit par l&rsquo;\u00e9tat<\/p>\n<p>$$|+\\rangle\\otimes|M_0\\rangle,$$<\/p>\n<p>et \u00e0 la fin du processus de mesure il se trouvera dans l&rsquo;\u00e9tat<\/p>\n<p>$$|+\\rangle\\otimes|M_+\\rangle.$$<\/p>\n<p>Dans ce cas l&rsquo;op\u00e9ration de mesure correspond \u00e0 une \u00e9volution<\/p>\n<p>$$|+\\rangle\\otimes|M_0\\rangle\\ \\ \\longrightarrow\\ \\ |+\\rangle\\otimes|M_+\\rangle$$<\/p>\n<p>Notez qu&rsquo;on parle bien l\u00e0 d&rsquo;une \u00e9volution unitaire normale, selon l&rsquo;\u00e9quation de Schr\u00f6dinger. Il n&rsquo;y a pas de projection ou de r\u00e9duction du paquet d&rsquo;onde. C&rsquo;est le hamiltonien total du syst\u00e8me (qui comprend notamment le hamiltonien d&rsquo;interaction entre la particule et l&rsquo;appareil) qui provoque cette \u00e9volution. On a \u00e9videmment l&rsquo;\u00e9volution sym\u00e9trique pour la mesure d&rsquo;un \u00e9tat qui est initialement un \u00e9tat propre de spin n\u00e9gatif<\/p>\n<p>$$|-\\rangle\\otimes|M_0\\rangle\\ \\ \\longrightarrow\\ \\ |-\\rangle\\otimes|M_-\\rangle$$<\/p>\n<p>Maintenant imaginons que l&rsquo;\u00e9tat initial de la particule soit un \u00e9tat superpos\u00e9<\/p>\n<p>$$\\left(|+\\rangle + |-\\rangle \\right).$$<\/p>\n<p>(<em>je vous \u00e9pargne la normalisation<\/em>). Par lin\u00e9arit\u00e9 de l&rsquo;\u00e9volution unitaire du syst\u00e8me complet, un tel \u00e9tat \u00e9voluera selon<\/p>\n<p>$$ \\left(|+\\rangle + |-\\rangle\\right) \\otimes |M_0\\rangle\\ \\ \\longrightarrow\\ \\ |+\\rangle\\otimes|M_+\\rangle\\ +\\ |-\\rangle\\otimes|M_-\\rangle$$<\/p>\n<p>On voit bien ici que pour un \u00e9tat initial superpos\u00e9, le syst\u00e8me mesur\u00e9 s&rsquo;intrique avec l&rsquo;appareil de mesure. L&rsquo;\u00e9tat initial peut \u00eatre d\u00e9crit comme un produit tensoriel (donc pas d&rsquo;intrication entre particule et appareil de mesure) mais pas l&rsquo;\u00e9tat final. L&rsquo;\u00e9tat final est un \u00e9tat intriqu\u00e9.<\/p>\n<p><strong>Si on traite un appareil mesure comme un syst\u00e8me quantique comme un autre, une op\u00e9ration de \u00ab\u00a0mesure\u00a0\u00bb est une intrication entre l&rsquo;appareil de mesure et le syst\u00e8me mesur\u00e9.<\/strong><\/p>\n<p>Evidemment \u00e0 ce stade, on n&rsquo;a pas r\u00e9solu le probl\u00e8me de la mesure. On a juste \u00e9vacu\u00e9 l&rsquo;effondrement de la fonction d&rsquo;onde en traitant l&rsquo;appareil de mesure comme un syst\u00e8me quantique, et en montrant que l&rsquo;appareil de mesure se retrouve lui aussi dans un \u00e9tat superpos\u00e9 suite \u00e0 l&rsquo;intrication avec la particule qu&rsquo;il mesure.<\/p>\n<p>Mais le probl\u00e8me initial est toujours l\u00e0 : pourquoi MOI quand je fais une mesure avec l&rsquo;appareil de mesure, j&rsquo;obtiens toujours un r\u00e9sultat bien d\u00e9fini ? Sur mon \u00e9cran o\u00f9 je lis le r\u00e9sulte de mesure, il ne s&rsquo;affiche pas une superposition de +1 et -1 : je lis soit l&rsquo;un, soit l&rsquo;autre&#8230;<em>ou du moins c&rsquo;est l&rsquo;impression que j&rsquo;ai !<\/em><\/p>\n<p>Alors voyons ce qu&rsquo;en dit Sydney Coleman, et il commence par un petit \u00e9chauffement.<\/p>\n<h3>\u00c9chauffement : les trajectoires rectilignes dans les chambres \u00e0 brouillard<\/h3>\n<p>Coleman commence par un argument pr\u00e9liminaire qui vient r\u00e9pondre \u00e0 un vieux paradoxe formul\u00e9 par le physicien Neville Mott d\u00e8s 1929. <a href=\"https:\/\/royalsocietypublishing.org\/doi\/pdf\/10.1098\/rspa.1929.0205\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">Le probl\u00e8me pos\u00e9 par Mott<\/a> \u00e0 l&rsquo;\u00e9poque est le suivant : consid\u00e9rons une chambre \u00e0 brouillard, dans laquelle on place une source de particules, disons un bout de mat\u00e9riau radioactif qui \u00e9met des particules alpha.<\/p>\n<p>Les particules alpha \u00e9mises vont se visualiser dans la chambre \u00e0 brouillard sous la forme de trace rectilignes. Ces traces sont dues \u00e0 l&rsquo;ionization des mol\u00e9cules de gaz qui baignent la chambre \u00e0 brouillard, ionisation provoqu\u00e9e par le passage de la particule alpha. Par exemple ci-dessous (<a href=\"https:\/\/commons.wikimedia.org\/wiki\/File:Radioactivity_of_a_Thorite_mineral_seen_in_a_cloud_chamber.jpg\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">source<\/a>) on a un morceau de thorite (ThSiO4) radioactif dans une chambre \u00e0 bulle, et on visualise bien les traces rectilignes qui en partent.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" class=\"aligncenter size-large wp-image-9576 lazyload\" data-src=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2022\/12\/Radioactivity_of_a_Thorite_mineral_seen_in_a_cloud_chamber-1024x426.jpg\" alt=\"\" width=\"770\" height=\"320\" data-srcset=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2022\/12\/Radioactivity_of_a_Thorite_mineral_seen_in_a_cloud_chamber-1024x426.jpg 1024w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2022\/12\/Radioactivity_of_a_Thorite_mineral_seen_in_a_cloud_chamber-300x125.jpg 300w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2022\/12\/Radioactivity_of_a_Thorite_mineral_seen_in_a_cloud_chamber-1536x639.jpg 1536w\" data-sizes=\"(max-width: 770px) 100vw, 770px\" src=\"data:image\/svg+xml;base64,PHN2ZyB3aWR0aD0iMSIgaGVpZ2h0PSIxIiB4bWxucz0iaHR0cDovL3d3dy53My5vcmcvMjAwMC9zdmciPjwvc3ZnPg==\" style=\"--smush-placeholder-width: 770px; --smush-placeholder-aspect-ratio: 770\/320;\" \/><\/p>\n<p>Ce qui perturbait Neville Mott est la chose suivante : au niveau microscopique, la d\u00e9sint\u00e9gration provoque l&rsquo;\u00e9mission d&rsquo;une particule alpha qui (selon la th\u00e9orie de Gamow) est typiquement dans <strong>un \u00e9tat d&rsquo;onde s, c&rsquo;est-\u00e0-dire avec une sym\u00e9trie sph\u00e9rique.<\/strong> Pourquoi dans ce cas observe-t-on toujours des traces rectilignes ? On s&rsquo;attendrait plut\u00f4t \u00e0 observer dans la chambre \u00e0 brouillard un motif ayant une sorte de sym\u00e9trie sph\u00e9rique, comme des traces d&rsquo;ionisations r\u00e9parties en disque autour de la source.<\/p>\n<p>Si on regarde \u00e7a comme un probl\u00e8me de m\u00e9canique quantique \u00ab\u00a0orthodoxe\u00a0\u00bb, on pourrait dire que la particule est \u00e9mise dans une superposition de toutes les orientations (onde s), mais que la chambre \u00e0 brouillard joue simplement le r\u00f4le d&rsquo;appareil de mesure classique, et donc s\u00e9lectionne une orientation en particulier qui est celle que l&rsquo;on observe dans la trace. Cette s\u00e9lection fait effondrer la fonction d&rsquo;onde de la particule alpha \u00e9mise.<\/p>\n<p>Mais <strong>Coleman propose de regarder cette question en reprenant le principe des mesures \u00ab\u00a0\u00e0 la Von Neumann\u00a0\u00bb<\/strong>, c&rsquo;est-\u00e0-dire en traitant l&rsquo;appareil de mesure (la chambre \u00e0 brouillard) comme un syst\u00e8me quantique, qui va interagir et s&rsquo;intriquer avec la particule alpha qui vient d&rsquo;\u00eatre \u00e9mise.<\/p>\n<p>Notons \\(|C_0\\rangle\\) l&rsquo;\u00e9tat initial de la chambre \u00e0 brouillard, dans lequel la chambre est vierge de toute trace. Notons \\(|p\\rangle\\) l&rsquo;\u00e9tat initial qu&rsquo;aurait une particule qui serait \u00e9mise au centre de la chambre avec une impulsion bien d\u00e9termin\u00e9e \u00a0\\(p\\) (attention \\(p\\) est un vecteur, mais je vous fais gr\u00e2ce des fl\u00e8ches). Suivons donc Von Neumann et consid\u00e9rons le syst\u00e8me complet \u00ab\u00a0particule \u00e9mise + chambre \u00e0 brouillard\u00a0\u00bb. Ce syst\u00e8me est d\u00e9crit par des \u00e9tats qui sont dans un espace de Hilbert qui est le produit tensoriel de l&rsquo;espace de Hilbert de la particule et de celui de la chambre \u00e0 brouillard. Le syst\u00e8me complet est initialement dans l&rsquo;\u00e9tat<\/p>\n<p>$$|p\\rangle\\otimes |C_0\\rangle.$$<\/p>\n<p>C&rsquo;est un \u00e9tat (pour l&rsquo;instant) non-intriqu\u00e9, puisqu&rsquo;il peut se d\u00e9crire comme un produit tensoriel d&rsquo;un \u00e9tat de la particule et d&rsquo;un \u00e9tat de la chambre. Puis cet \u00e9tat va \u00e9voluer vers un \u00e9tat intriqu\u00e9 qui d\u00e9crit\u00a0<em>\u00ab la chambre \u00e0 brouillard contenant une trace rectiligne dans la direction de \\(p\\) \u00bb<\/em>. Notons cet \u00e9tat \\(|\\psi_p\\rangle\\), l&rsquo;op\u00e9ration de mesure \u00ab\u00a0\u00e0 la Von Neumann\u00a0\u00bb correspond donc \u00e0 l&rsquo;\u00e9volution (unitaire)<\/p>\n<p>$$ |p\\rangle\\otimes |C_0\\rangle \\longrightarrow |\\psi_p\\rangle$$<\/p>\n<p>Derri\u00e8re cette \u00e9volution se cache un hamiltonien du syst\u00e8me complet qui d\u00e9crit notamment l&rsquo;interaction entre la particule et la chambre, interaction qui est responsable de l&rsquo;intrication, mais dont on n&rsquo;a pas besoin de conna\u00eetre explicitement le hamiltonien.<\/p>\n<p>D\u00e9finissons maintenant un op\u00e9rateur que l&rsquo;on va noter \\( T \\), et qui est simplement le projecteur sur le sous-espace engendr\u00e9 par tous les \u00e9tats \\( |\\psi_p\\rangle \\). Cela veut dire tout simplement que<\/p>\n<p>$$ T|\\psi_p\\rangle = |\\psi_p\\rangle$$<\/p>\n<p>et que \\( T \\) s&rsquo;annule sur tous les \u00e9tats de l&rsquo;espace de Hilbert qui sont orthogonaux aux \\( |\\psi_p\\rangle \\). Cet op\u00e9rateur est une observable (au sens du formalisme quantique), \u00e0 laquelle ne sont associ\u00e9es que deux valeurs propres : 0 et 1. Puisque les \\( |\\psi_p\\rangle \\) sont les vecteurs propres associ\u00e9s \u00e0 la valeur propre 1, on peut voir \\( T \\) comme <strong>une observable (binaire) qui en quelque sorte r\u00e9pond \u00e0 la question :\u00a0<em>\u00ab\u00a0Y a-t-il oui ou non une trace rectiligne dans la chambre \u00e0 brouillard ?\u00a0\u00bb<\/em>.<\/strong><\/p>\n<p>Maintenant consid\u00e9rons le cas o\u00f9 la particule alpha est \u00e9mise comme une onde s de sym\u00e9trie sph\u00e9rique. Elle est donc initialement dans un \u00e9tat superpos\u00e9 qui est en gros (excusez la notation math\u00e9matique pas rigoureuse)<\/p>\n<p>$$\\int |p\\rangle $$<\/p>\n<p>Quand cette particule est \u00e9mise, l&rsquo;ensemble du syst\u00e8me est dans l&rsquo;\u00e9tat initial (non-intriqu\u00e9, donc produit tensoriel)<\/p>\n<p>$$\\left(\\int |p\\rangle\\right) \\otimes |C_0\\rangle = \\int \\left(|p\\rangle \\otimes |C_0\\rangle\\right)$$<\/p>\n<p>puis par lin\u00e9arit\u00e9 de l&rsquo;\u00e9volution selon l&rsquo;\u00e9quation de Schr\u00f6dinger, on a<\/p>\n<p>$$\\int \\left(|p\\rangle \\otimes |C_0\\rangle\\right) \\longrightarrow \\int |\\psi_p\\rangle$$<\/p>\n<p>On va noter \\(|\\Psi\\rangle\\) cet \u00e9tat final qui est une superposition<\/p>\n<p>$$|\\Psi\\rangle = \\int |\\psi_p\\rangle.$$<\/p>\n<p>Maintenant le point cl\u00e9 : <strong>que vaut l&rsquo;observable <em>\u00ab\u00a0Y a-t-il une trace rectiligne dans la chambre ?\u00a0\u00bb<\/em> sur cet \u00e9tat superpos\u00e9 ?<\/strong> Puisque l&rsquo;op\u00e9rateur \\( T \\) est lin\u00e9aire, on a<\/p>\n<p>$$ T |\\Psi\\rangle = T \\int |\\psi_p\\rangle = \\int T|\\psi_p\\rangle = \\int |\\psi_p\\rangle = |\\Psi\\rangle $$<\/p>\n<p>Donc l&rsquo;\u00e9tat superpos\u00e9 \\(|\\Psi\\rangle\\) est un vecteur propre de valeur propre 1 de l&rsquo;op\u00e9rateur <em>\u00ab\u00a0Y a-t-il une trace rectiligne ?\u00a0\u00bb<\/em>. En d&rsquo;autres termes, <b>m\u00eame quand la particule est initialement dans un \u00e9tat superpos\u00e9, la chambre \u00e0 brouillard va \u00ab\u00a0contenir une trace rectiligne\u00a0\u00bb <\/b>(au sens que son \u00e9tat quantique est un \u00e9tat propre de valeur 1 de l&rsquo;op\u00e9rateur \u00ab\u00a0contient une trace rectiligne\u00a0\u00bb). Et vous voyez qu&rsquo;on aboutit \u00e0 cette conclusion sans avoir eu besoin d&rsquo;invoquer une r\u00e9duction du paquet d&rsquo;onde !<\/p>\n<p>Ca parait difficile \u00e0 appr\u00e9hender, mais <strong>cette conclusion d\u00e9coule simplement des notions de superposition et de lin\u00e9arit\u00e9, et du fait de traiter compl\u00e8tement l&rsquo;appareil de mesure comme un syst\u00e8me quantique<\/strong> sans faire intervenir de processus de mesure \u00ab\u00a0classique\u00a0\u00bb.<\/p>\n<h3>L&rsquo;argument de Coleman<\/h3>\n<p>Passons maintenant \u00e0 l&rsquo;argument pr\u00e9sent\u00e9 par Coleman (qu&rsquo;il attribue \u00e0 David Albert mais que je n&rsquo;ai pas retrouv\u00e9 aussi clairement \u00e9nonc\u00e9 dans le bouquin de Albert.)<\/p>\n<p>Consid\u00e9rons trois \u00e9l\u00e9ments : (1) un \u00e9lectron dont on veut connaitre le spin, (2) un appareil de mesure appropri\u00e9, et (3) un exp\u00e9rimentateur que je vais appeler David. On va consid\u00e9rer que les trois pris ensemble forment un syst\u00e8me quantique. Je vais r\u00e9utiliser la m\u00eame notation que quand je pr\u00e9sentais la mesure \u00e0 la Von Neumann, je vais juste ajouter les \u00e9tats quantiques de l&rsquo;exp\u00e9rimentateur.<\/p>\n<p>En particulier on va noter \\(|D_0\\rangle\\) l&rsquo;\u00e9tat initial <em>\u00ab\u00a0David est pr\u00eat \u00e0 faire la mesure\u00a0\u00bb<\/em>, \\(|D_+\\rangle\\) l&rsquo;\u00e9tat <strong><em>\u00ab\u00a0David est persuad\u00e9 que le r\u00e9sultat de la mesure qu&rsquo;il a obtenue est un spin +\u00a0\u00bb<\/em><\/strong> et enfin \\(|D_-\\rangle\\) l&rsquo;\u00e9tat <em>\u00ab\u00a0David est persuad\u00e9 que le r\u00e9sultat de la mesure qu&rsquo;il a obtenue est un spin -\u00ab\u00a0<\/em>.<\/p>\n<p>Le processus de mesure d&rsquo;un \u00e9lectron initialement dans l&rsquo;\u00e9tat + correspond donc \u00e0 l&rsquo;\u00e9volution (unitaire)<\/p>\n<p>$$|+\\rangle\\otimes|M_0\\rangle\\otimes|D_0\\rangle\\ \\ \\longrightarrow\\ \\ |+\\rangle\\otimes|M_+\\rangle\\otimes|D_+\\rangle.$$<\/p>\n<p>L&rsquo;\u00e9lectron s&rsquo;intrique avec l&rsquo;appareil de mesure qui \u00e0 son tour s&rsquo;intrique avec l&rsquo;exp\u00e9rimentateur David. A la fin de la mesure l&rsquo;appareil indique \u00ab\u00a0+\u00a0\u00bb et David pense effectivement que le r\u00e9sultat de la mesure qu&rsquo;il vient d&rsquo;obtenir est \u00ab\u00a0+\u00a0\u00bb. Notons \\(|\\psi_+\\rangle\\) cet \u00e9tat final du syst\u00e8me complet :<\/p>\n<p>$$ |\\psi_+\\rangle = |+\\rangle\\otimes|M_+\\rangle\\otimes|D_+\\rangle.$$<\/p>\n<p>Evidemment on a le m\u00eame genre d&rsquo;\u00e9volution pour un \u00e9lectron initialement dans l&rsquo;\u00e9tat propre associ\u00e9 \u00e0 un spin n\u00e9gatif<\/p>\n<p>$$|-\\rangle\\otimes|M_0\\rangle\\otimes|D_0\\rangle\\ \\ \\longrightarrow\\ \\ |-\\rangle\\otimes|M_-\\rangle\\otimes|D_-\\rangle.$$<\/p>\n<p>Et on prend la m\u00eame notation :<\/p>\n<p>$$ |\\psi_-\\rangle = |-\\rangle\\otimes|M_-\\rangle\\otimes|D_-\\rangle.$$<\/p>\n<p><strong>Maintenant le moment cl\u00e9<\/strong> : consid\u00e9rons l&rsquo;op\u00e9rateur \\(T\\) qui repr\u00e9sente l&rsquo;observable <strong><em>\u00ab\u00a0David l&rsquo;exp\u00e9rimentateur est persuad\u00e9 d&rsquo;avoir obtenu un r\u00e9sultat de mesure bien d\u00e9fini\u00a0\u00bb<\/em><\/strong>. Les \u00e9tats \\(|\\psi_+\\rangle\\)\u00a0 et \\(|\\psi_-\\rangle\\) sont des \u00e9tats propres de valeur propre 1 de cet op\u00e9rateur, puisque dans chacun de ces \u00e9tats, David l&rsquo;exp\u00e9rimentateur est effectivement convaincu d&rsquo;avoir obtenu un r\u00e9sultat bien d\u00e9fini.<\/p>\n<p>Imaginons maintenant que l&rsquo;\u00e9lectron soit dans un \u00e9tat initial superpos\u00e9. Comme pour la chambre \u00e0 brouillard, on aura par lin\u00e9arit\u00e9 de l&rsquo;\u00e9volution unitaire<\/p>\n<p>$$\\left(|+\\rangle + |-\\rangle\\right) \\otimes|M_0\\rangle\\otimes|D_0\\rangle\\ \\ \\longrightarrow\\ \\ \u00a0|+\\rangle\\otimes|M_+\\rangle\\otimes|D_+\\rangle + |-\\rangle\\otimes|M_-\\rangle\\otimes|D_-\\rangle$$<\/p>\n<p>et donc l&rsquo;\u00e9tat final de l&rsquo;ensemble du syst\u00e8me sera simplement l&rsquo;\u00e9tat superpos\u00e9 qui est une combinaison des deux \u00e9tats pr\u00e9c\u00e9dents<\/p>\n<p>$$|\\Psi&gt; = |\\psi_+\\rangle + |\\psi_-\\rangle.$$<\/p>\n<p>Et l\u00e0 vous me voyez surement venir : puisqu&rsquo;\u00e0 la fois \\(|\\psi_+\\rangle\\)\u00a0 et \\(|\\psi_-\\rangle\\) sont des \u00e9tats propres de valeur propre 1 de l&rsquo;op\u00e9rateur \\(T\\), alors cet \u00e9tat \\(|\\Psi&gt;\\) l&rsquo;est aussi !<\/p>\n<p>$$T |\\Psi&gt; = T ( |\\psi_+\\rangle + |\\psi_-\\rangle) = T |\\psi_+\\rangle + T|\\psi_-\\rangle = |\\psi_+\\rangle + |\\psi_-\\rangle = |\\Psi&gt;$$<\/p>\n<p>Donc <strong>m\u00eame si le syst\u00e8me est dans l&rsquo;\u00e9tat final intriqu\u00e9 et superpos\u00e9, l&rsquo;exp\u00e9rimentateur David est tout de m\u00eame convaincu avoir mesur\u00e9 un r\u00e9sultat bien d\u00e9fini :\u00a0<\/strong>en tant que \u00ab\u00a0syst\u00e8me quantique comme un autre\u00a0\u00bb, il n&rsquo;a aucun moyen de sentir la diff\u00e9rence.<\/p>\n<p>En conclusion de cet argument, il n&rsquo;y a rien de surprenant \u00e0 ce que les exp\u00e9riences de m\u00e9canique quantique \u00ab\u00a0donnent toujours des r\u00e9sultats bien d\u00e9finis\u00a0\u00bb, puisque <strong>si on traite l&rsquo;ensemble de la cha\u00eene de mesure comme un syst\u00e8me quantique, il n&rsquo;aurait pas pu en \u00eatre autrement<\/strong> ! Et pour Coleman, cela \u00e9vacue donc le probl\u00e8me de la mesure. Ce probl\u00e8me n&rsquo;existe plus\u00a0\u00e0 partir du moment o\u00f9 on consid\u00e8re que l&rsquo;\u00e9volution quantique c&rsquo;est Schr\u00f6dinger et rien d&rsquo;autre, et qu&rsquo;on admet (comme il nous le d\u00e9montre avec son argument) que cela suffit \u00e0 expliquer la ph\u00e9nom\u00e9nologie de la m\u00e9canique quantique.<\/p>\n<p>(Coleman poursuit ensuite avec un argument suppl\u00e9mentaire sur la perception des probabilit\u00e9s, je vous en fais gr\u00e2ce mais vous pouvez aller le lire directement.)<\/p>\n<h3>Wittgenstein et \u00ab de quoi aurait l&rsquo;air le contraire ? \u00bb<\/h3>\n<p>Pour marteler son point, Coleman termine sur <strong>une anecdote concernant le philosophe Wittgenstein :<\/strong>\u00a0<em>Un ami de Wittgenstein le croise un jour perdu dans ses pens\u00e9es, l&rsquo;ami lui demande pourquoi, et Wittgenstein r\u00e9pond<\/em><\/p>\n<ul>\n<li><em>Je me demandais pourquoi les gens ont pens\u00e9 que c&rsquo;est le Soleil qui tournait autour de la Terre, plut\u00f4t que le contraire ?<\/em><\/li>\n<li><em>Eh bien parce tout \u00e0 l&rsquo;air comme si le Soleil tournait autour de la Terre !<\/em><\/li>\n<li><em>Ah bon, mais de quoi \u00e7a aurait eu l&rsquo;air, si \u00e7a avait eu l&rsquo;air d&rsquo;\u00eatre le contraire ?<\/em><\/li>\n<\/ul>\n<p>Je vous laisse r\u00e9fl\u00e9chir \u00e0 cette punchline. Coleman pense qu&rsquo;il se passe la m\u00eame chose avec la r\u00e9duction du paquet d&rsquo;onde. On est persuad\u00e9 que la r\u00e9duction du paquet d&rsquo;onde se produit, et nous le sommes tout simplement parce qu&rsquo;elle <em>a effectivement l&rsquo;air<\/em> de se produire, <strong>mais de quoi est-ce que \u00e7a aurait l&rsquo;air si elle ne se produisait pas ?<\/strong> L&rsquo;argument de Coleman nous dit que \u00e7a aurait l&rsquo;air d&rsquo;exactement la m\u00eame chose : la vie normale de tous les jours.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Un petit billet pour vous parler d&rsquo;une lecture r\u00e9cente qui m&rsquo;a \u00e9norm\u00e9ment marqu\u00e9 : le texte de Sidney Coleman intitul\u00e9 \u00ab\u00a0Quantum Mechanics in your face\u00a0\u00bb. J&rsquo;en avais d\u00e9j\u00e0 entendu parler mais je n&rsquo;avais jamais pris le temps de l&rsquo;\u00e9tudier. Il s&rsquo;agit initialement d&rsquo;un expos\u00e9 donn\u00e9 par S.Coleman, dont il existe au moins une vid\u00e9o sur<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":9600,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"jetpack_post_was_ever_published":false,"_jetpack_newsletter_access":"","_jetpack_dont_email_post_to_subs":false,"_jetpack_newsletter_tier_id":0,"_jetpack_memberships_contains_paywalled_content":false,"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":""},"categories":[6],"tags":[42],"class_list":{"0":"post-9575","1":"post","2":"type-post","3":"status-publish","4":"format-standard","5":"has-post-thumbnail","7":"category-physique","8":"tag-mecanique-quantique"},"jetpack_featured_media_url":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2022\/12\/colemanPNG.png","jetpack_sharing_enabled":true,"post_mailing_queue_ids":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/9575","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=9575"}],"version-history":[{"count":40,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/9575\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":9619,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/9575\/revisions\/9619"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/media\/9600"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=9575"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=9575"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=9575"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}