Le
paradoxe EPR et la non-séparabilité
La dualité onde-particule en mécanique
quantique n’est pas un problème en soi. Elle met simplement en évidence le fait
que les particules élémentaires ne se comportent pas comme les objets de la vie
quotidienne et que nos concepts familiers sont inadéquats pour décrire le monde
microscopique.
Des difficultés
plus sérieuses se posent lorsque l’on considère certaines des conséquences de
l’indéterminisme. C’est en particulier le cas du paradoxe EPR, basé sur une
expérience proposée en 1935 par Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan
Rosen, dans le but de mettre en évidence des contradictions supposées de la
mécanique quantique.
L’expérience
L’expérience est
la suivante. Imaginons un laboratoire tapissé de détecteurs de photons. Au
milieu de la pièce, plaçons un atome stimulé de façon telle qu’il émette
simultanément deux photons après un certain laps de temps. Pour des raisons de
symétrie, ces deux photons doivent se déplacer dans des directions exactement
opposées. C’est bien ce que l’on observe : lorsque l’un détecteur indique la
capture d’un photon, le détecteur placé du côté opposé fait de même.
Jusqu’ici, pas de
problème. Mais analysons la situation du point de vue de la mécanique
quantique. Selon cette dernière, les photons n’ont pas de direction
particulière avant d’être détectés, tout comme un électron n’a pas de position
précise. Toutes les directions ont une probabilité identique tant que nous
n’observons pas les particules. Ce n’est que lorsque nos détecteurs capturent
l’un des photons que le choix d’une direction se produit.
Le paradoxe
C’est là le
problème : le premier photon ne se voit affecté d’une direction particulière
qu’au moment où nous le capturons et de même pour le deuxième. Pourtant,
lorsqu’ils sont détectés, les deux photons se trouvent dans des directions
exactement opposées. Comment les deux particules peuvent-elles apparaître
simultanément aux extrémités opposées de la pièce si elles n’ont pas échangé
d’information au départ ?
Remarquons que la
taille du laboratoire est sans importance. Si nous plaçons nos détecteurs aux
quatre coins du Groupe Local, le résultat sera identique.
Les deux photons, même séparés par des millions d’années-lumière, seront
détectés au même moment dans des directions exactement opposées, bien qu’ils ne
savaient pas dans quelle direction ils se propageaient avant d’être observés.
L’expérience d’Alain
Aspect
Pour Einstein et
ses deux confrères, un tel paradoxe montrait que la mécanique quantique n’était
pas une description satisfaisante de la réalité. La situation resta confuse
jusqu’en 1982, lorsque le physicien français Alain Aspect montra que la mécanique
quantique avait bel et bien raison.
Alain Aspect
réalisa une expérience similaire en principe à la précédente et fut en mesure
de prouver que les photons se comportaient exactement comme la mécanique
quantique le prédisait.
Ils n’échangeaient aucune information au départ et
n’apprenaient leur direction qu’au moment de la capture. Ce qui ne les
empêchait pas d’apparaître finalement dans des directions exactement opposées.
La situation était donc véritablement paradoxale, elle n’était pas liée à une
faille de la mécanique quantique.
La
non-séparabilité
Pour essayer
d’expliquer le paradoxe EPR, il nous faut remettre en cause la vision classique
du monde microscopique. En effet, la situation pose problème car nous
considérons les deux photons comme des entités distinctes possédant des
propriétés locales. Par contre, le paradoxe n’en est plus un si nous
considérons que les deux particules forment un système avec des propriétés non
localisées dans l’un ou l’autre des photons.
Dans cette
interprétation, les deux photons, même séparés par des millions
d’années-lumière, sont en contact permanent. Ils n’ont pas besoin d’échanger
d’information à l’aide d’un moyen classique limité par la vitesse de la
lumière. Lorsque l’un est détecté, l’autre le sait de façon instantanée. Les
deux particules peuvent donc apparaître dans des directions opposées sans se
consulter au préalable.
Le paradoxe EPR
nous oblige ainsi à introduire un nouveau concept : la non-séparabilité.
Les particules ne peuvent pas toujours être décrites comme des entités
totalement indépendantes, mais doivent parfois être considérées comme des
éléments d’un tout.
Notons qu’une
autre interprétation du paradoxe EPR a été proposée avec la théorie des univers parallèles.
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