Une version revisitée du «paradoxe du chat de Schrödinger» pourrait unifier la relativité et la mécanique quantique

Des physiciens-théoriciens ont proposé une version revisitée du célèbre « paradoxe du chat de Schrödinger », qui pourrait enfin permettre d’unifier la relativité générale et la mécanique quantique. En introduisant des paramètres spécifiques à l’équation initiale, il serait notamment possible d’induire un mécanisme d’effondrement spontané, quelle que soit l’échelle du système. Cela permettrait d’expliquer à la fois pourquoi les particules subatomiques obéissent aux lois de la mécanique quantique, tandis que les objets cosmiques semblent obéir aux lois de la physique classique.

D’après la physique quantique, les objets microscopiques peuvent exister selon plusieurs combinaisons d’états à la fois, et même se trouver dans deux endroits différents en même temps. Selon cette théorie, le système conserve cet état de superposition jusqu’au moment où on le mesure et qu’il acquiert ainsi une valeur définie. Cette modification soudaine de l’état de superposition est appelée « effondrement ».

Dans les années 1935, Erwin Schrödinger illustre cet étrange phénomène avec son célèbre paradoxe du chat placé dans une boîte scellée contenant une fiole de poison mortel pouvant être brisée selon un détecteur quantique (sensible à la mesure). Tant que la boîte reste scellée, on peut donc considérer que le chat est à la fois mort et vivant, par analogie à l’état de superposition quantique. Cependant, l’ouverture de la boîte implique une mesure par le détecteur quantique (sensible à la mesure/observation), conduisant ainsi à l’effondrement du système et révélant l’état définitif du chat.

Cependant, l’application de ces lois à des scénarios réels comporte des défis de taille, surtout en ce qui concerne les objets cosmiques. Alors que la superposition quantique s’applique aux particules subatomiques, elle n’a jamais été observée au niveau d’étoiles ou de galaxies qui, pourtant, sont elles-mêmes composées de ces mêmes particules. Au lieu de cela, les objets cosmiques semblent se comporter conformément aux lois de la relativité d’Einstein.

D’un autre côté, l’application des lois de la mécanique quantique à l’échelle de l’Univers se heurte à un obstacle majeur, étant donné qu’il ne dispose d’aucun observateur extérieur pour mesurer son état, à l’instar de celui qui ouvre la boîte pour vérifier l’état du chat. « La question est de savoir si l’Univers, qui n’a pas d’environnement extérieur, peut se trouver dans une telle superposition », explique à Live Science Matteo Carlesso, physicien-théoricien à l’Université de Trieste en Italie. « Les observations disent non : tout va dans le sens des prédictions classiques de la relativité générale. Alors, qu’est-ce qui provoque l’effondrement de sa superposition ? ».

Carlesso et ses collègues ont tenté de répondre à cette question en proposant une nouvelle version du paradoxe du chat de Schrödinger. Leur version consiste notamment à introduire de nouveaux paramètres pouvant concilier la mécanique quantique et la relativité pour les objets cosmiques. La nouvelle équation est présentée dans le Journal of High Energy Physics.

Des effondrements spontanés et auto-induits

L’équation de Carlesso et ses collègues comporte des modifications permettant de capturer la manière dont un système interagit avec lui-même, introduisant ainsi un effet d’effondrement auto-induit ou conduisant à une rupture spontanée de la superposition. Si ces modifications ont peu d’impact à l’échelle subatomique, elles permettent aux plus grands systèmes de s’effondrer à intervalles fréquents. Cela leur permettrait d’acquérir spontanément des valeurs définies, reflétant ainsi leur comportement « classique ». « Ces effets sont d’autant plus importants que le système est grand », indique Carlesso.

D’autre part, les chercheurs ont également supprimé la distinction entre les objets mesurés et les appareils de mesure (ou l’action de mesurer). Cela équivaudrait, dans l’expérience de pensée du chat Schrödinger, à éliminer l’observateur extérieur ainsi que son action de vérification de l’état du chat. De cette manière, sans action de la part d’un observateur extérieur, tout système s’effondrerait spontanément dans un état bien défini. Plutôt que d’avoir un chat à la fois mort ET vivant, il serait ainsi mort OU vivant (état classique).

Dans cette vision, pour les systèmes d’échelle cosmique, l’effondrement spontané se produit fréquemment et de façon régulière, leur conférant ainsi un comportement qui correspond à la physique classique. Selon les experts, ce modèle pourrait expliquer pourquoi la géométrie spatiotemporelle de notre univers ne semble pas exister dans des états de superposition. « Nous démontrons comment les modèles d’effondrement spontané peuvent expliquer l’émergence d’un univers classique à partir d’une superposition quantique d’univers, chacun ayant une géométrie espace-temps distincte », suggère Carlesso.

Toutefois, bien que le modèle permette de concilier des lois apparemment contradictoires, sa vérification expérimentale pose un défi de taille. En effet, bien que ce modèle puisse expliquer pourquoi l’Univers semble régi uniquement par les lois de la relativité, il ne permet pas de prédire les processus physiques à grande échelle. D’un autre côté, il permet de prédire le comportement des particules subatomiques, bien qu’avec une légère différence par rapport à la mécanique quantique conventionnelle.

« En collaboration avec des collaborateurs expérimentaux, nous essaierons de tester les effets des modifications d’effondrement ou de déduire des limites sur leurs paramètres. Cela équivaut à tester les limites de la théorie quantique », conclut Carlesso.

Source : Journal of High Energy Physics