Par Geoff Brumfiel de Magazine Nature

Contrairement à ce que l’on enseigne à de nombreux élèves, l’incertitude quantique n’est pas toujours présente dans l’œil du spectateur. Une nouvelle expérience montre que mesurer un système quantique n’introduit pas nécessairement d’incertitude. L’étude renverse un point commun. explication en classe des raisons pour lesquelles le monde quantique semble si flou, mais la limite fondamentale à ce qui est connaissable aux plus petites échelles reste inchangée.

Le principe d’incertitude de Heisenberg est à la base de la mécanique quantique. En termes simples, le principe déclare qu’il existe une limite fondamentale à ce que l’on peut savoir sur un système quantique: par exemple, plus on connaît précisément la position d’une particule, moins on peut en savoir sur son élan, et vice versa. La limite est exprimée sous la forme d’une équation simple qu’il est facile de prouver mathématiquement.

Heisenberg a parfois expliqué le principe d’incertitude comme un problème de mesure. Son expérience de pensée la plus connue consistait à photographier un électron. Pour prendre la photo, un scientifique pourrait faire rebondir une particule lumineuse sur la surface de l’électron. Cela révélerait sa position, mais cela donnerait également de l’énergie à l’électron, le faisant bouger. Apprendre la position de l’électron créerait de l’incertitude dans sa vitesse; et l’acte de mesure produirait l’incertitude nécessaire pour satisfaire le principe.

Les étudiants en physique apprennent toujours cette version de mesure-perturbation du principe d’incertitude dans les classes d’introduction, mais il s’avère que ce n’est pas toujours vrai. Aephraim Steinberg de l’Université de Toronto au Canada et son équipe ont effectué des mesures sur des photons (particules de lumière) et ont montré que l’action de mesurer peut introduire moins d’incertitude que ne l’exige le principe de Heisenberg. L’incertitude totale de ce qui peut être connu à propos des propriétés du photon, cependant, reste au-dessus de la limite de Heisenberg.

Mesure délicate
Le groupe de Steinberg ne mesure pas la position et l’impulsion, mais plutôt deux propriétés interdépendantes d’un photon : ses états de polarisation. Dans ce cas, la polarisation le long d’un plan est intrinsèquement liée à la polarisation le long de l’autre, et selon le principe de Heisenberg, il y a une limite à la certitude avec laquelle les deux états peuvent être connus.

Les chercheurs ont fait un mesure «faible» de la polarisation du photon dans un plan – pas assez pour le perturber, mais assez pour produire une idée approximative de son orientation Ensuite, ils ont mesuré la polarisation dans le deuxième plan. Ensuite, ils ont fait une mesure exacte, ou « forte », de la première polarisation pour voir si elle avait été perturbée par la deuxième mesure.

Lorsque les chercheurs ont fait l’expérience plusieurs fois, ils ont trouvé que la mesure d’une la polarisation n’a pas toujours perturbé l’autre état autant que le prédit le principe d’incertitude. Dans le cas le plus fort, le flou induit était aussi peu que la moitié de ce qui serait prédit par le principe d’incertitude.

Ne soyez pas trop excité: le principe d’incertitude tient toujours, dit Steinberg: «En fin de compte , il « est impossible de savoir avec précision en même temps. » Mais l’expérience montre que l’acte de mesurer n’est pas toujours ce qui cause l’incertitude. «S’il y a déjà beaucoup d’incertitude dans le système, alors il n’y a pas du tout besoin de bruit provenant de la mesure», dit-il.

La dernière expérience est la deuxième à faire un Plus tôt cette année, Yuji Hasegawa, physicien à l’Université de technologie de Vienne en Autriche, a mesuré des groupes de spins neutroniques et obtenu des résultats bien inférieurs à ce qui serait prédit si les mesures inséraient toute l’incertitude dans le système.

Mais les derniers résultats sont l’exemple le plus clair à ce jour de la raison pour laquelle l’explication de Heisenberg était incorrecte. « C’est le test expérimental le plus direct du principe d’incertitude de mesure-perturbation de Heisenberg », déclare Howard Wiseman, physicien théoricien chez Griffith Université de Brisbane, Australie « J’espère que cela sera utile pour éduquer les rédacteurs de manuels scolaires afin qu’ils sachent que la relation naïve mesure-perturbation est fausse. »

Il peut être difficile de secouer l’ancienne explication de l’incertitude de mesure t, cependant. Même après avoir fait l’expérience, Steinberg a toujours inclus une question sur la façon dont les mesures créent une incertitude sur un devoir récent pour ses étudiants. «C’est seulement en le notant que j’ai réalisé que mes devoirs étaient mal», dit-il. « Maintenant, je dois être plus prudent. »

Cet article est reproduit avec l’autorisation du magazine Nature. L’article a été publié pour la première fois le 11 septembre 2012.