Le mot incertitude est beaucoup utilisé en mécanique quantique. Une école de pensée est que cela signifie qu’il y a quelque chose dans le monde dont nous ne sommes pas certains. Mais la plupart des physiciens pensent que la nature elle-même est incertaine.

L’incertitude intrinsèque était au cœur de la façon dont le physicien allemand Werner Heisenberg, l’un des initiateurs de la mécanique quantique moderne, a présenté la théorie.

avancer le principe d’incertitude qui a montré que nous ne pouvons jamais connaître toutes les propriétés d’une particule en même temps.

Par exemple, mesurer la position de la particule nous permettrait de connaître sa position. Mais cette mesure perturberait nécessairement sa vitesse, d’une quantité inversement proportionnelle à la précision de la mesure de position.

Heisenberg avait-il tort?

Heisenberg a utilisé le principe d’incertitude pour expliquer comment la mesure détruit cette caractéristique classique de la mécanique quantique, le modèle d’interférence à deux fentes (plus à ce sujet ci-dessous).

Mais dans les années 1990, certains physiciens quantiques éminents ont affirmé avoir prouvé qu’il était possible de déterminer lequel des deux fentes qu’une particule traverse, sans perturber significativement sa vitesse.

Cela signifie-t-il que l’explication de Heisenberg doit être erronée? Dans des travaux qui viennent d’être publiés dans Science Advances, mes collègues expérimentaux et moi-même avons montré qu’il ne serait pas sage de sauter à cette conclusion.

Nous montrons une perturbation de vitesse – de la taille attendue du principe d’incertitude – existe toujours , dans un certain sens.

Mais avant d’entrer dans les détails, nous devons expliquer brièvement l’expérience à deux fentes.

L’expérience à deux fentes

Dans ce type d’expérience, il est une barrière avec deux trous ou fentes. Nous avons également une particule quantique avec une incertitude de position suffisamment grande pour couvrir les deux fentes si elle est tirée sur la barrière.

Comme nous ne pouvons pas savoir par quelle fente la particule traverse, elle agit comme si elle allait à travers les deux fentes. La signature de ceci est le soi-disant «motif d’interférence»: des ondulations dans la distribution de l’endroit où la particule est susceptible d’être trouvée sur un écran dans le champ lointain au-delà des fentes, ce qui signifie un long chemin (souvent plusieurs mètres) après les fentes .

Mais que faire si nous mettons une mesure l’appareil près de la barrière pour savoir par quelle fente la particule passe? Verrons-nous toujours le motif d’interférence?

Nous savons que la réponse est non, et l’explication de Heisenberg était que si la mesure de position est suffisamment précise pour le dire quelle fente la particule traverse, elle perturbera au hasard sa vitesse juste assez grande pour affecter où elle se termine s dans le champ lointain, et ainsi éliminer les ondulations des interférences.

Ce que les éminents physiciens quantiques ont réalisé, c’est que découvrir par quelle fente la particule traverse ne nécessite pas de mesure de position en tant que telle. Toute mesure qui donne des résultats différents en fonction de la fente traversée par la particule fera l’affaire.

Et ils ont proposé un appareil dont l’effet sur la particule n’est pas celui d’un coup de pied de vitesse aléatoire au cours de sa traversée. Par conséquent, ont-ils soutenu, ce n’est pas le principe d’incertitude de Heisenberg qui explique la perte d’interférence, mais un autre mécanisme.

Comme Heisenberg l’a prédit

Nous n’avons pas à entrer dans ce qu’ils revendiqué était le mécanisme de destruction des interférences, parce que notre expérience a montré qu’il y a un effet sur la vitesse de la particule, de la taille que Heisenberg prédit.

Nous avons vu ce que d’autres ont manqué car cette perturbation de la vitesse ne se produit pas lorsque la particule passe à travers l’appareil de mesure. Il est plutôt retardé jusqu’à ce que la particule soit bien au-delà des fentes, en route vers le champ lointain.

Comment est-ce possible? Eh bien, parce que les particules quantiques ne sont pas vraiment de simples particules. Ce sont aussi des ondes.

En fait, la théorie derrière notre expérience en était une dans laquelle la nature des ondes et des particules se manifeste – l’onde guide le mouvement de la particule selon l’interprétation introduite par le physicien théoricien David Bohm , une génération après Heisenberg.

Expérimentons

Dans notre dernière expérience, des scientifiques chinois ont suivi une technique suggérée par moi en 2007 pour reconstruire le mouvement hypothétique des particules quantiques, à partir de nombreux points de départ possibles à travers les deux fentes, et pour les deux résultats de la mesure.

Ils ont comparé les vitesses au fil du temps lorsqu’il n’y avait pas d’appareil de mesure présent à celles du moment, et ont ainsi déterminé le changement des vitesses à la suite de la mesure.

L’expérience a montré que l’effet de la mesure sur la vitesse des particules se poursuivait longtemps après que les particules aient dégagé l’appareil de mesure lui-même, jusqu’à 5 mètres de lui.

À ce stade, dans le champ lointain, le changement cumulé de vitesse était juste assez grand, en moyenne, pour éliminer les ondulations du motif d’interférence.

Donc, à la fin, le principe d’incertitude d’Heisenberg sort triomphant.

Le message à retenir? Ne faites pas d’affirmations de grande portée sur le principe qui peut ou ne peut pas expliquer un phénomène tant que vous n’avez pas examiné toutes les formulations théoriques du principe.

Oui, c’est un message un peu abstrait, mais ce sont des conseils qui pourraient s’appliquer dans des domaines éloignés de la physique.