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~~Einstein tue le chat de Schrödinger : La relativité ruine le monde quantique.

L’article qui a le titre cité ci-dessus a été publié le 16/06 sur le site du NewScientist. Cet article mérite d’être analysé et commenté, c’est ce que je propose après l’avoir traduit en français. La version originale est renvoyée en fin du présent article.

Traduction :

« La même particularité de la relativité générale, cela signifie que votre tête vieillit plus vite que vos pieds et cela veut dire que nous devons aller dans l’espace pour voir en action la mécanique quantique à grande échelle.

Etre à deux places en même temps n’est pas aisé pour de simples humains. … Un bilan avisé de l’effet de la gravité sur des systèmes quantiques pourrait ruiner des expériences quantiques. Si cela est confirmé, cela suggère que des études quantiques peuvent être impossibles à réaliser sur terre.

Qu’elle que soit la peine que vous y mettez, vous ne pouvez pas être à deux places à la fois. Mais si vous êtes un électron, surgir de plusieurs places à la fois est un mode de vie. Les lois de la mécanique quantique nous disent que les particules subatomiques existent (sic) dans des états superposés jusqu’à ce qu’elles soient observées et trouvées dans une seule place – lorsque leur fonction d’onde est réduite.

Chasser les chats

Alors pourquoi nous ne pouvons pas réaliser le même tour que celui d’un électron ? Cela semble provenir du fait qu’une fois que quelque chose devient suffisamment grand, il perd ses propriétés quantiques : un processus appelé décohérence. C’est parce que principalement des objets grands interagissent avec leur environnement que cela les force d’être dans une position ou une autre. E. Schrödinger, d’une façon fameuse, pointa l’absurdité des superpositions à grande échelle avec l’exemple d’un chat mort et vivant.

Mais cela n’a pas arrêté les physiciens d’essayer des expériences en isolant des objets des influences externes. En 2010, une équipe de l’université de Californie, à Santa Barbara, a placé une lame de métal de 60 micromètres de longueur en superposition pendant quelques nanosecondes, en la refroidissant juste au-dessus du zéro absolu pour la protéger des fluctuations de température.

L’espoir est que des expériences plus précises puissent être réalisées avec des objets plus grands, tels des virus, placés dans des états superposés, obtenant ainsi une meilleure proximité avec le chat mythique de Schrödinger. Mais maintenant il semblerait qu’il y ait un obstacle plus fondamental : la gravité.

Dans le champ gravitationnel.

La relativité générale, tend à être ignorée par la physique quantique. ‘Habituellement les gens ne la prennent pas plus en compte parce qu’elle agit sur des grandes échelles’ dit I. Pikovski de l’université de Harvard. « Ils pensent qu’il n’y a pas beaucoup d’effets qui soient significatifs ». Maintenant Pikovski et ses collègues ont calculé ce qui se produit quand vous réalisez des expériences quantiques dans le champ gravitationnel. Ils disent qu’une particularité de la relativité appelée dilatation du temps pourrait faire perdre aux grands systèmes leur nature quantique.

Une des prédictions d’Einstein est que la gravité ralentit le temps. Pour les objets massifs, l’effet peut être extrême, comme cela est rendu dans le film Interstellar, où une heure sur une planète qui orbite autour d’un trou noir est équivalent à sept ans sur la terre.

Mais ceci vous affecte aussi. Les expériences en laboratoire avec des horloges atomiques ont révélé que l’âge de votre tête vieillit plus vite que vos pieds, à cause de la subtile différence de la force du champ gravitationnel.

Le calcul de Pikovski montre que les molécules mises en superposition peuvent subir cette différence temporelle et ainsi rompre leur état quantique. Cela peut se produire parce que les liens entre les atomes dans une molécule connaissent des sauts et vibrent constamment. Si une molécule est en superposition de deux états qui sont à des hauteurs distinctes du sol, chacun des états vibrera à des fréquences distinctes, ce qui détruirait la superposition.

Matières hautes

La décohérence se produit plus vite quand plus de particules sont ajoutées au système. Par exemple, prenons l’expérience qui tente de mettre 1 gramme de carbone – environ 1023 atomes – dans une superposition de 2 états. S’ils peuvent être séparés verticalement d’1 micromètre, Pikoski dit que le champ gravitationnel terrestre provoquera la décohérence en une milliseconde, même si rien d’autre n’interfère. « Même complètement isolés les systèmes sont de toute façon affectés par leur propre composition »

Ceci ne se produit pas avec des plus petites particules comme les électrons, parce qu’ils n’ont pas de parties en mouvement, donc ne sont pas affectés par la dilatation du temps, ce qui explique qu’ils se maintiennent en superposition d’états jusqu’à la mesure.

Pour le moment, les idées de Pikoski restent théoriques, mais il considère que cela peut être testé avec des horloges atomiques, qui utilisent la fréquence régulière d’émission d’énergie d’atomes pour conserver le temps. Si vous pouvez placer une horloge atomique dans une superposition verticale, elle ‘tic-tacquera’ à deux fréquences simultanément, forçant ainsi la décohérence.

Cet effet est relativement petit, donc les équipements doivent être encore améliorés, mais Pikovski pense que cela pourra se faire dans quelques années.

Laisser la terre en arrière.

Si l’effet est confirmé, cela suggère que les physiciens doivent quitter l’emprise de la gravité terrestre pour réaliser des expériences quantiques extrêmes.

« Cela serait probablement plus facile de faire des expériences quantiques de grands systèmes sur la lune ou dans l’espace que sur terre. » puisque la plus faible gravité ralentira la décohérence. « Si les gens veulent obtenir des superpositions macroscopiques, il faut aller dans l’espace » Ce serait bien, l’International Space Station, pourrait être appropriée.

D’autres personnes ne sont pas convaincues. « C’est un effet ténu, et je ne pense pas qu’il nous conduira dans l’espace prochainement. » indique S. Hossenfelder du centre de Stockholm. L’effet est de l’ordre de grandeur en dessous de ce qui pourrait affecter une expérience courante.

Des observateurs partout.

Faire des expériences dans l’espace a son propre objet, dit R. Bondarescu de Zurich. Travailler en gravité faible est difficile, coûteux et les équipements doivent être blindés contre les radiations cosmiques, mais ceci n’est pas déraisonnable dit-elle. « Peut-être que dans le futur, l’effet dominant sera la décohérence quantique due à la gravité. »

La dilatation du temps pourrait résoudre un épineux problème philosophique. Quelques physiciens s’inquiètent que la mécanique quantique requière un observateur conscient pour réduire une fonction d’onde. Est-ce qu’un chat quantique dans une boite devrait rester à la fois mort et vivant pour toujours si personne ne le vérifie ? Est-ce que le chat lui-même pourrait réduire la fonction d’onde ? La décohérence gravitationnelle règle le problème, dit Pikovski. Même si vous isolez le système des effets qui provoquent la décohérence normalement, l’effet gravitationnel sur le chat réduira le système. « La dilatation du temps induit ce type d’observateur. » dit-il.

Préserver la superposition.

Mais ceci ne règle pas le problème, indique T. Ralph d’Australie. Il se pourrait qu’il n’y ait pas de dilatation du temps si les deux états sont à la même hauteur. « En principe, il est toujours possible de préserver une superposition si un contrôle suffisant peut être réalisé sur le système quantique » dit-il.

En pensant plus : comment la gravité et les effets quantiques interagissent, comme l’a fait l’équipe de Pikovski, cela peut conduire au prix ultime de la physique quantique. Les mathématiques derrière la relativité générale et la mécanique quantique produisent des solutions incompatibles quand les deux physiques sont importantes, comme la singularité au cœur d’un trou noir.

Les tentatives pour développer une théorie unifiée de la gravité quantique étudient comment les mathématiques se transforment pour l’interpréter, mais luttent pour réaliser des expériences qui confirmeraient ces idées – il est compliqué d’introduire des trous noirs dans un laboratoire. « Cette approche peut contribuer à une meilleure compréhension de l’interaction entre mécanique quantique et gravité », « Cela nous permettra d’envisager une compréhension des phénomènes qui font appel à ces deux théories à la fois. »

Ce travail peut permettre de savoir comment les deux théories se comportent ensemble mais cela ne signifie pas que c’est la route de la théorie du tout, dit C. Rovelli. « La gravité quantique se réfère aux propriétés quantiques de l’espace-temps, et pas au comportement quantique de la matière dans l’espace-temps, ce qui est quelque chose qui est parfaitement maitrisé théoriquement. » affirme-t-il.

Mais Ralph pense que c’est un bon départ. « Les effets prédits combinent mécanique quantique et relativité générale d’une façon non triviale. » dit-il. « Jusqu’à présent il n’y a pas d’expériences qui virtuellement testent si cette voie du calcul est correcte, ces expériences qui testeraient ces types de prédictions sont extrêmement importantes – même si minimalement elles ne font que confirmer que l’on est dans la bonne direction. »

Analyse de l’article :

C’est annoncé dans le titre, l’auteur est convaincu qu’il y a un monde quantique indépendant de l’observateur, ce qui ne peut être accepté puisque jamais constaté. Dans l’article il est souvent fait référence à des expériences théoriques, sans que soit pris en compte l’expérimentateur (l’observateur), comme si celles-ci parlaient d’elles-mêmes, ce qui est incongru. En aucun cas la fonction d’onde avant sa réduction ne correspond à la description réelle de l’objet quantique. La fonction d’onde comprend la connaissance que nous : ‘sujet pensant’, pouvons avoir de l’objet, sans plus. Ainsi les deux phrases suivantes citées : «Mais si vous êtes un électron, surgir de plusieurs places à la fois est un mode de vie. Les lois de la mécanique quantique nous disent que les particules subatomiques existent (sic) dans des états superposés jusqu’à ce qu’elles soient observées et trouvées dans une seule place – lorsque leur fonction d’onde est réduite » violent les fondements de la mécanique quantique. Le terme d’existence est inacceptable. Seule l’affirmation suivante : « apparaissent à l’observateur », serait correcte. Malheureusement, il n’y a pas que ces arguments qui soient erronés. En M.Q. l’observateur embrasse l’objet quantique dans une unité. S’il distingue le haut, du bas de l’objet ou une partie de celui-ci (voir les travaux d’A. Zeilinger et son équipe), la décohérence est déjà établie, ceci annule donc une grande partie des expériences théoriques de l’auteur. En plus cette unité implique que ce soit la temporalité de l’observateur qui s’impose et non pas celle de l’objet puisque celui-ci est doté de multiples scansions possibles. Prenons en compte qu’il y a dans certaines situations une unité indestructible, même quand on sait que l’objet quantique de la fonction d’onde est composite comme dans le cas d’intrication d’objets simples ou complexes (voir les travaux de N. Gisin et son équipe).

Pikovski ose formuler l’idée suivante : « Est-ce que le chat lui-même pourrait réduire la fonction d’onde ? La décohérence gravitationnelle règle le problème » Ceci étant dit, je propose de dépasser simplement l’intérêt pédagogique de ce genre d’article contenant tellement d’extrapolations erronées de la M.Q. que le rétablissement de la vérité conceptuelle de celle-ci remet les ‘pendules à l’heure’. Cela se comprend dans une certaine mesure car penser quantique n’est pour aucun de nous une chose naturelle.

Toutefois, il serait certainement important que nous sachions réaliser des expériences quantiques sous l’influence de champs gravitationnels différents. Il est rappelé dans la fin de l’article de la difficulté de la réalisation mais cela devrait pouvoir se faire bientôt. Il y a certainement plusieurs cas de figure à envisager : 1) l’observateur se trouve subir les mêmes variations du champ gravitationnel que le dispositif expérimental physique ; 2) l’observateur se trouve subir des variations différentes du champ gravitationnel que le dispositif ou maintenu dans un champ constant. Rien que la variation des résultats, ou leur invariance, sera très instructif. En effet, il est essentiel de savoir comment gravitation et M.Q. se combinent et interagissent, et donc quel nouvel espace de connaissances cela pourrait nous révéler.

Einstein kills Schrödinger's cat: Relativity ruins quantum world 

Version originale. 18:30 16 June 2015 by Jacob Aron

"The same quirk of general relativity that means your head ages faster than your feet may mean we have to go to space to see large-scale quantum mechanics in action Being in two places at the same time isn't easy for mere humans (Image: Chen Liu/EyeEm/Getty) It's been holding us back as well as holding us down. A previously overlooked effect of gravity on quantum systems could be messing up quantum experiments. If confirmed, it suggests that some quantum studies may be impossible to perform on Earth. No matter how hard you try, you can't be in two places at once. But if you're an electron, popping up in multiple places is a way of life. The laws of quantum mechanics tell us that subatomic particles exist in this superposition of states until they are measured and found to be in just one – when their wave function collapses. Chasing cats So why can't we do the same party trick as an electron? It seems that once something gets large enough, it loses its quantum properties, a process known as decoherence. That's mainly because larger objects interact with their environment, which forces them into one position or another. Erwin Schrödinger famously pointed out the absurdity of large-scale superposition with the example of a cat that is both dead and alive. But that hasn't stopped physicists from trying quantum experiments by isolating objects from external influences. In 2010, a team at the University of California, Santa Barbara, placed a strip of metal 60 micrometres long into a superposition for a few nanoseconds, cooling it to just above absolute zero to shield it from temperature fluctuations. The hope is that more precise experiments could place larger objects, such as a virus, into a superposition, getting us closer to Schrödinger's mythical cat. But now it looks like there is a more fundamental obstacle: gravity. In the gravitational field General relativity, Albert Einstein's sweeping reassessment of gravity that celebrates its centenary this year, tends to be ignored by quantum physicists. "Usually people don't look much at it because gravity acts on very large scales," says Igor Pikovski of Harvard University. "They think there are probably not many effects that are relevant." Now Pikovski and his colleagues have calculated what happens when you do quantum experiments in Earth's gravitational field. They say a quirk of relativity called time dilation could be making large systems lose their quantum nature. One of Einstein's predictions is that gravity slows down time. For massive objects, the effect can be extreme, as shown in the film Interstellar, where an hour on a planet orbiting a black hole is equivalent to seven years on Earth . But it also affects you. Lab experiments with atomic clocks have revealed that your head ages slightly faster than your feet, because of the tiny differences in gravitational field strength. Pikovski's calculations show that molecules placed in a superposition should also experience this time difference, and it can disrupt their quantum state. This happens because the bonds between atoms in a molecule act like springs and constantly vibrate. If a molecule is in a superposition of two states that are at different heights from the ground, each state will vibrate at a different rate, destroying the superposition. Height matters Decoherence happens faster as more particles are added to the system. For example, take an experiment attempting to place 1 gram of carbon – about 1023 atoms – in a superposition of two states. If they could be separated vertically by 1 micrometre, Pikovski says Earth's gravitational field will cause the experiment to decohere in a millisecond, even if nothing else interferes. "Even completely isolated systems are somehow affected by their own composition," he says. This doesn't happen to smaller particles like electrons, because they don't have moving parts, so are unaffected by time dilation, which explains why they happily remain in superposition until we measure them. For the moment, Pikovski's idea remains theoretical, but he says it could be tested with atomic clocks, which use the regular frequencies of energy emitted by atoms to keep time. If you could place an atomic clock in a vertical superposition, it would tick at two rates simultaneously, forcing it to decohere. "This effect is relatively small, so the equipment needs to be a little better than currently," says Pikovski, but he thinks it could be done within a few years. "I think it's brilliant, I love it," says Andrew Briggs of the University of Oxford. He is working on tests of large-scale superposition involving vibrating nanotubes, and thinks he might be able to adapt his experiment to test Pikovski's theory. "If it is right, it might be a serious contribution to the mismatch between our everyday experience and the exquisitely tested theory of quantum mechanics." Leaving Earth behind If the effect is confirmed, it suggests that physicists may have to leave the clutches of Earth's gravity to perform extreme quantum experiments. "It would probably be easier to do a quantum experiment of large systems on the moon or in space than it is on Earth," says Pikovski, because lower gravity would slow decoherence. "If people really want to do macroscopic superposition, eventually you will have to go to space." "Wouldn't that be nice?" says Briggs. "We might get some of my bench-top experiments out into orbit." One location could be the International Space Station, where astronauts already run low-gravity experiments. But others aren't convinced. "It is a tiny effect and I don't think it will force us into space any time soon," says Sabine Hossenfelder of the Nordic Institute for Theoretical Physics in Stockholm, Sweden. The effect is orders of magnitude below what could affect current experiments, she says. Observers everywhere Doing experiments in space has its own issues, says Ruxandra Bondarescu of the University of Zurich, Switzerland. Working in low gravity is difficult, expensive and equipment must be hardened against cosmic radiation, but it's not totally unreasonable, she says. "Maybe in the future, the dominant effect will be quantum decoherence due to gravity." Time dilation could also solve a thorny philosophical issue. Some physicists worry that quantum mechanics requires a conscious observer to collapse a wave function. Would a quantum cat in a box stay both dead and alive forever if no one checked on it? Could the cat itself collapse the wave function? Gravitational decoherence solves the issue, says Pikovski. Even if you perfectly isolated a system from the effects that cause decoherence normally, gravity's effect on the cat would collapse the system. "Time dilation induces this kind of observer," he says. Preserving the superposition But this doesn't entirely remove the problem, says Tim Ralph of the University of Queensland in Australia. There should be no time dilation if both states are at the same height. "In principle, it is still possible to preserve a superposition if sufficient control over the quantum systems can be achieved," he says. Thinking more about how gravity and quantum effects interact, as Pikovski's team has done, could lead to the ultimate prize in modern physics. The mathematics behind general relativity and quantum mechanics produce nonsense solutions in situations where both are important, like the singularity at the heart of a black hole. Those attempting to develop a unified theory of quantum gravity study how the maths breaks and try to fix it, but struggle to do experiments to confirm their ideas – black holes are hard to come by in the lab. "This approach can contribute to a better understanding of the interplay between quantum mechanics and gravity," says Pikovski. "It allows you to build up understanding of phenomena that take place where both theories really matter." The work may be about how quantum physics and gravity work together, but that doesn't mean it's a route to a theory of everything, says Carlo Rovelli of Aix-Marseille University, France. "Quantum gravity refers to the quantum properties of space-time, not the quantum behaviour of matter in space-time, which is something for which we have perfectly credible theories," he says. But Ralph thinks it is a good start. "The predicted effect does combine quantum mechanics and general relativity in a non-trivial way," he says. "There are virtually no experiments so far that test whether this way of doing calculations is correct, thus experiments testing these sorts of predictions are very important – even if they just confirm that we are on the right track."

Journal reference: Nature Physics, DOI: 10.1038/nphys3366