Le chat de Schrödinger

J’en ai une bonne pour vous autres : c’est une fois le chat de Schrödinger qui entre dans un bar… et qui n’entre pas.

LOL, n’est-ce pas? Non?

Voici un argument puissant en faveur d’apprendre la science : pour comprendre les blagues de scientifiques. Aujourd’hui, les enfants, vous comprendrez celle du chat de Schrödinger.

Mais pourquoi ne pas laisser le Dr Sheldon Cooper, de la délicieuse sitcom The Big Bang Theory (réseau CBS, le jeudi à 20h00), donner une explication de cette notion? La vidéo dure un petit quatre minutes, je vous recommande de l’écouter au complet :D

Alors, que pouvons-nous en retenir? Le chat de Schrödinger est d’abord une expérience de pensée, une « thought experiment », quoi. Aucun chat n’a jamais été placé dans une boîte par Schrödinger. À ma connaissance, Erwin Schrödinger ne possédait pas de chat.

L’histoire se passe au début du vingtième siècle, une époque fertile pour la recherche en physique, notamment grâce à la découverte d’un stupéfiant outil d’investigation de la nature la plus intime de la matière : la radioactivité (par Henri Becquerel en 1896 et confirmé par Marie Curie, 1898).

Conférence Solvay, 1927. Sur cette photo, 17 des 29 personnes ont reçu ou recevront un prix Nobel.

Erwin Shrödinger était un physicien allemand, qui allait fuir l’Allemagne pendant la guerre pour se réfugier en Angleterre. Déjà en 1926, il avait proposé un nouveau modèle de l’atome, le modèle probabiliste. En effet, depuis Schrödinger, l’atome n’est plus constitué d’électrons qui gravitent autour d’un noyau. Le modèle de Schrödinger pense plutôt les électrons comme des ondes qui occupent l’espace autour du noyau.

[C’est plutôt capoté, tout ça, mais si vous voulez des infos supplémentaires, venez à mon cours de demain (mardi le 12 octobre) de 12h à 15h, c’est exactement de ça dont je parlerai.]

Une implication du nouveau paradigme de la mécanique quantique impliquait un apparent paradoxe : en effet, cette interprétation des nouvelles théories en développement, qu’on appela l’école de Copenhague, voulait que les particules puissent être à la fois dans deux états qui paraissaient absolument incompatibles.

Prenons l’exemple du spin de l’électron. Ce concept peut être simplifié en imaginant l’électron comme une minuscule toupie. Le spin de l’électron peut, dans cette analogie, être modélisé comme étant le sens dans lequel tourne la toupie : soit le sens horaire, soit le sens antihoraire.

Les modèles de la physique quantique, des modèles mathématiques bien entendu, admettent que l’électron peut à la fois avoir un spin positif et un spin négatif, qu’il soit dans les deux états en même temps. Cet état de coexistence des possibilités existerait jusqu’à ce qu’on résolve l’équation de la fonction d’onde, cette fonction qui décrit le comportement de l’électron. La résolution de l’équation impose à l’électron de se décider – si vous me passez l’anthropomorphisme –à avoir un spin positif ou un spin négatif. Après la résolution de l’équation, le paquet d’onde qu’est l’électron est réduit à une seule possibilité : un spin positif ou un spin négatif. Ce phénomène est peut-être mieux connu par la terminologie anglaise : on parle alors du « wave function collapse ». Mais tant qu’on ne résout pas l’équation, l’électron est à la fois de spin positif et de spin négatif.

Ce paradoxe apparent était ridicule aux yeux de Schrödinger : selon lui, un objet ne peut pas être à la fois une chose et son contraire. Une toupie ne peut pas à la fois tourner dans le sens horaire et dans le sens antihoraire. Un chat ne peut pas être à la fois vivant et mort.

C’est pourquoi Schrödinger a imaginé l’expérience du chat dans la boîte, qui peut être tué à un moment aléatoire. Selon cette expérience, tant qu’on n’ouvre pas la boîte, le chat peut être considéré à la fois comme mort et vivant. Bien entendu, c’est ridicule de penser qu’un chat peut être mort et vivant à la fois. C’est ridicule de penser que, tant qu’on ne la regarde pas, une toupie peut tourner à la fois dans le sens horaire et dans le sens antihoraire en même temps.

Ce paradoxe n’était qu’apparent, parce que dans les faits, l’interprétation de Copenhague de la physique quantique était correcte. Mais comment est-ce possible? Sortez votre plus grande capacité d’abstraction et écoutez bien ceci (figurativement) : les particules subatomiques ne se comportent pas comme les objets qui sont à notre échelle. À notre échelle, si on veut partir de la maison et aller au dép, il faut marcher tout le long du chemin et être successivement dans tous les points de l’espace entre l’appart et le dép. À notre échelle, on ne peut pas être à la fois vivant et mort.

Pourtant, pour ce qui est des particules subatomiques, comme on ne peut pas les voir, il faut se contenter des modèles, bien imparfaits, qu’on peut construire pour les représenter. Bien que ces modèles viennent d’observations expérimentales, on ne peut pas observer directement les électrons. On ne peut donc pas avoir une idée précise de leur comportement. Mais selon l’interprétation la plus actuelle de la physique quantique, les particules subatomiques peuvent se déplacer tout d’un coup d’un point A au point B sans passer par l’espace qui les sépare. Et un électron peut avoir en même temps un spin positif et un spin négatif.

En terminant, si vous êtes fan d’Alexandre Astier et de physique quantique, vous ne pouvez pas passer à côté du numéro de stand-up que vous trouverez ici.

À bientôt!