How Aharonov Solved a 60-Year Quantum Puzzle

Le débat sur la mesure en mécanique quantique est complexe. Initialement, on envisage une mesure discrète où l'interaction d'une particule avec un système permet de déterminer soit son impulsion, soit sa position. Pour minimiser la perturbation, on utilise des particules à faible changement d'impulsion, ce qui réduit la résolution et la quantité d'informations obtenues. Cependant, les expérimentateurs savent qu'une seule mesure est insuffisante. C'est pourquoi ils effectuent des mesures sur des heures, voire des années, pour accumuler des statistiques. L'existence du boson de Higgs, par exemple, n'a pas été déduite d'un seul muon, mais d'une analyse statistique approfondie. Dans les années 1980, Yakhir Aharonov et ses collaborateurs ont commencé à explorer des mesures qui perturbent minimalement le système. L'idée était de réaliser des millions de mesures et d'observer la moyenne, sans chercher à connaître l'état exact du système à chaque essai. Ce concept est pertinent car la mécanique quantique soulève des questions fondamentales sur le temps et la mesure. Classiquement, si une particule est émise d'un point A et détectée en un point B, sa trajectoire semble évidente. Quantiquement, c'est moins clair. La question se pose alors : peut-on déterminer l'impulsion moyenne de la particule entre son émission et sa détection ? Le problème réside dans le fait de devoir se conditionner à la partie de la fonction d'onde qui atteint le détecteur, et non à l'ensemble de la fonction d'onde qui se propage. De 1960 à 1980, cela semblait insoluble car toute mesure d'impulsion sur le chemin perturberait la particule. Les mesures sont connues pour perturber les particules. Si une particule est détectée, on ne peut pas affirmer que c'était sa trajectoire initiale, car la mesure elle-même a influencé son parcours. En 1988, Aharonov, Albert et Vaidman ont développé les "mesures faibles" (weak measurements). Ces mesures permettent de déterminer l'état d'une particule sans la perturber de manière significative. Ils ont pu affirmer que si l'impulsion avait été mesurée sans perturbation, la particule aurait atteint le détecteur final. Ainsi, il est possible de revenir sur les résultats et d'analyser le comportement moyen des particules qui ont suivi une trajectoire spécifique de A à B, sans se préoccuper de toutes les particules. Ces recherches ont des implications profondes pour la philosophie des sciences et la gravité quantique. La question de l'impulsion moyenne des particules arrivant à un point donné, et de ce qu'elles faisaient auparavant, est centrale pour comprendre la nature de la réalité. Les mesures faibles sont un outil essentiel pour corréler les mesures finales avec ces questions fondamentales. Il est intéressant de noter que l'idée de mesures faibles, qui fournissent des "images floues" mais informatives, n'a émergé que dans les années 80. Pourtant, cinq ans après Heisenberg, on aurait pu imaginer des "instantanés" (snapshots) qui perturbent moins le système. La raison en est que la communauté scientifique était habituée à l'idée d'une mesure comme une opération mathématique précise. Bien que conscients des incertitudes, les physiciens tendaient à considérer cela comme une limitation expérimentale, plutôt que comme une composante intrinsèque de la mesure. L'approche est nouvelle : il faut non seulement accepter l'incertitude, mais aussi en avoir besoin. Aharonov s'est également intéressé à la symétrie temporelle en mécanique quantique. Contrairement à la physique classique où le futur peut être prédit à partir du présent et le passé rétrodit, la mécanique quantique introduit une asymétrie due à la mesure, qui réinitialise l'état du système. Aharonov a lutté pendant des décennies pour faire comprendre la symétrie. Il a suggéré que si l'on connaît l'état d'un système à t=0 et à t=1, ces deux informations devraient être utilisées de manière égale pour comprendre ce qui s'est passé à t=0.5. Les mesures faibles ont permis de valider cette idée. Aharonov pense que cela implique que le futur informe le passé, d'un point de vue ontologique et métaphysique. Bien que cette idée soit difficile à accepter pour certains, la rétrocausalité, où le futur affecte le passé, est une notion sérieusement envisagée par de nombreux physiciens. La flèche du temps est l'un des mystères les plus profonds de la physique, précédant même la mécanique quantique, mais devenant plus dramatique avec elle. La question se pose de savoir s'il existe plusieurs "flèches du temps". Il est possible, à l'échelle du laboratoire, que certaines directions du temps aillent en avant et d'autres en arrière. Pour l'univers dans son ensemble, il semble y avoir une seule flèche du temps, définie par différentes approches. La seconde loi de la thermodynamique, par exemple, stipule que l'entropie augmente dans la même direction que l'évolution du temps. Est-ce une coïncidence ou une nécessité ? L'hypothèse que l'univers pourrait un jour s'inverser et que la flèche du temps, l'entropie et la psychologie pourraient également s'inverser est une spéculation intéressante. Classiquement, la flèche du temps et la seconde loi de la thermodynamique semblent devoir être introduites "à la main". L'explication actuelle est que le temps avance dans une direction parce que l'univers a commencé d'une manière particulière. Si ce n'était pas le cas, il n'y aurait peut-être pas de flèche du temps. La physique cherche toujours à simplifier les explications. On peut expliquer un effet en postulant un axiome, mais on ne peut pas expliquer l'origine de l'axiome lui-même, ni pourquoi le Big Bang a eu lieu. Cependant, si l'on accepte un axiome, le reste en découle. Certains argumentent que l'univers n'est pas seulement déterminé par une condition limite passée il y a 15 milliards d'années, mais aussi par une condition limite future. Si l'univers est contraint à la fois par son début et sa fin, cela garantirait certaines choses au milieu, et la condition future influencerait ce que nous faisons. Cette idée, bien que non conventionnelle, n'est pas dénuée de sens. Concernant le principe d'incertitude de Heisenberg, qui lie l'impulsion et la position, il existe d'autres paires de variables conjuguées. La question se pose de savoir si une "énergie négative" pourrait violer ce principe. Il est important de noter que le principe d'incertitude ne peut pas être violé. L'analogie est souvent faite avec l'emprunt temporaire d'énergie pour une durée limitée, comme dans le cas de la propagation par résonance. Cependant, ces principes d'incertitude ne semblent pas directement applicables à la "délivrance du temps". Un problème majeur dans l'enseignement de la physique, surtout expérimentale, est la conception que les étudiants ont de l'expérimentation. Ils ont souvent une vision mécanique et rigide de ce qu'est un rapport de laboratoire, pensant qu'il s'agit de reproduire une "bonne réponse". Or, en recherche, la bonne réponse n'est pas connue. L'essentiel est d'être sceptique, de limiter ses conclusions et de discuter de l'étendue de l'incertitude. L'idée qu'une mesure idéale est parfaite, et que toute incertitude découle d'une mauvaise expérimentation, est également un problème. Il est crucial d'enseigner que chaque mesure a des limites finies et qu'il existe un formalisme plus général, souvent non enseigné à l'université, qui gère mieux cette réalité. Des expériences récentes, comme celles sur la double fente, ont fait les gros titres il y a une dizaine d'années. Elles ont montré qu'il est impossible de connaître la trajectoire d'une particule avant la mesure. En envoyant un photon à travers une double fente et en mesurant sa position sur l'écran, on ne peut pas savoir par quelle fente il est passé. Si l'on tente de mesurer la position exacte du photon, on l'absorbe, et il n'atteindra jamais l'écran. Même avec des méthodes non destructives, toute tentative de haute résolution perturbera l'impulsion du photon, modifiant le motif sur l'écran. Les mesures faibles permettent de déterminer, en moyenne, où se trouvait le photon dans le plan de la fente sans le perturber. Cette approche permet de poser la question : si le photon a été détecté ici, où était-il en moyenne avant ? La motivation de ces expériences est complexe. Il est important de noter que les théories de la mécanique quantique ne peuvent pas être "invalidées". Depuis les années 1950, il existe une théorie des variables cachées, celle de David Bohm et de Broglie, qui est indiscernable de la mécanique quantique standard. C'est une théorie dualiste où chaque particule a une position définie, et les statistiques de leurs positions finales sont décrites par la fonction d'onde.