L’histoire du Chat de Schrödinger expliquée simplement

Physique 1 août 2014

L’histoire du Chat de Schrödinger expliquée simplement

Il est une histoire des sciences que tout le monde connaît plus ou moins : celle du chat de Schrödinger. Je vais vous la raconter rapidement comme n’importe qui vous la raconterait, sans chercher à l’expliquer.

Erwin Schrödinger, l’un des piliers de la physique quantique, a imaginé une expérience de pensée à base de boite et de chat mort-vivant. Une expérience de pensée, c’est tenter de résoudre un problème en utilisant uniquement son imagination. C’est se poser la question : “que se passerait-il si….. ?”.

Le bon Erwin a donc imaginé l’expérience suivante : il enferme son chat dans une boite close, contenant un dispositif qui tue l’animal dès qu’il détecte la désintégration d’un atome d’un corps radioactif. De l’extérieur, on ne peut pas savoir ce qui se passe dans la boite.

En clair : le chat dans la boite peut vivre ou mourir, sans que l’on sache ce qui se passe depuis l’extérieur.

Dessin de l'expérience de Schrödinger
Dessin de l’expérience de Schrödinger

Schrödinger était-il un psychopathe, pour inventer cette expérience ?

Oh non, Erwin n’était pas dingue. Il a proposé cette expérience pour une bonne raison : il voulait confronter les gens aux paradoxes de la physique quantique.

Du temps d’Erwin Schrödinger, la physique quantique n’était pas encore vraiment acceptée par tous les scientifiques. En particulier, la théorie de la superposition quantique posait carrément problème.

Cette théorie nous explique que dans le monde quantique (c’est-à-dire à l’échelle de l’atome),  une particule – prenons un électron – peut être à plusieurs endroits en même temps. Vous devriez vous dire : “What ? Que l’on parle d’un électron ou d’une balle de tennis, comment un objet peut-il être à plusieurs endroits à la fois ?!”

Voila comment c’est possible (spoiler : c’est la faute aux maths)

Lorsqu’on parle des théories quantiques, il n’y a (presque) qu’une chose à garder en tête : la physique quantique est née grâce aux maths et continue à vivre grâce aux maths.

En physique classique, on dispose d’équations mathématiques pour décrire le monde qui nous entoure. On connaît par exemple l’équation “P = mg”, pour calculer un poids. En physique quantique aussi, il existe un tas d’équations pour décrire ce qui se passe à l’échelle de l’atome.

Et accrochez-vous (ouais, bon, j’exagère) : l’équation pour connaître la position d’un électron à un instant donné fait rentrer en jeu des probabilités. Autrement dit, un électron a “x% de chance d’être ici, y% d’être là, z% d’être ici ou là”. Mathématiquement, cela se traduit littéralement par : “l’électron est aux trois endroits en même temps“.

Voila pourquoi on parle de superposition quantique.

Wouahou ! Bref, donc le chat, il meurt à la fin ou pas ?

Vous avez raison, revenons-en au chat. Schrödinger a proposé cette expérience de chat dans une boite pour une raison assez simple : il voulait illustrer les paradoxes de la physique quantique à l’échelle humaine. Au lieu de parler d’un électron et d’un atome (dont tout le monde se fiche et que personne ne comprend), il a pris l’image d’un chat tout mignon.

Dans sa boite, le chat est accompagné d’un horrible mécanisme qui casse une fiole de poison s’il détecte la désintégration d’un atome d’un corps radioactif (voir le dessin plus haut).

Pas la peine de savoir à quoi correspond la désintégration d’un atome, blablabla. Tout ce qu’il faut comprendre, c’est que cet évènement de désintégration est totalement aléatoire. Autrement dit, personne au monde, pas même le scientifique le plus doué, ne serait capable de vous dire à quel moment le mécanisme dans la boite se déclenchera (ou même s’il se déclenchera).

Maru, un des chats les plus drôles du web
Maru, un des chats les plus drôles du web

Schrödinger s’imagine donc à côté de cette boite totalement fermée et se dit :

Je n’ai aucun moyen de savoir si le mécanisme s’est déclenché. Si mon chat était un objet quantique, je dirais qu’il est à la fois mort et vivant car selon la théorie de la superposition quantique, c’est tout à fait possible.

La seule manière pour lui de savoir si son chat est mort ou vivant, c’est d’ouvrir la boite et de constater. Lorsqu’Erwin ouvrira la boite, on parlera de décohérence quantique. La situation ambiguë (“mort ou vivant ?”) se résout instantanément car une fois la boite ouverte, le minou n’est plus “ou mort ou vivant”, il est clairement soit l’un, soit l’autre.

J’insiste sur la forme : Schrödinger dit que son chat est “mort ou vivant” car il s’est amusé à décrire le monde qui l’entourait avec une théorie propre à la physique quantique (la théorie de la superposition quantique). Or, les théories quantiques ne peuvent pas être utilisées pour décrire le monde à notre échelle. Elles ne fonctionnent qu’à l’échelle de l’atome.

Que faut-il retenir de cette expérience ?

Conclusion n°1 : la physique quantique doit rester quantique

J’aurais l’occasion d’y revenir dans un autre article mais la première conclusion est la suivante : les propriétés de la physique quantique doivent rester dans le monde quantique. Exporter les propriétés quantiques dans notre monde macroscopique conduit à des situations irréalistes, comme un chat mort et vivant en même temps.

À l’échelle de l’atome, le fait qu’un élément soit tout et son contraire est interprétable (voir l’interprétation de Copenhague). À notre échelle humaine, cela n’a aucun sens et aucun intérêt.

Les gourous (ceux des sectes) et les mordus de développement personnel adorent la physique quantique et l’utilisent de plus en plus dans une optique marketing (du gros lol ici par exemple). Ils font dire à la PQ des trucs absurdes du genre “il n’existe pas une réalité mais une superposition de réalités, blabla”. Ces gars là sont des tordus et n’ont rien compris à la PQ.

Conclusion n°2 : le chat n’est pas un objet quantique

À l’échelle de l’atome, les choses se déroulent de manière aléatoire. Un électron est un objet quantique. Un chat n’est pas un objet quantique car il ne dispose d’aucune propriété quantique. En d’autres termes : il ne suit pas le principe de superposition quantique.

Une pièce de monnaie n’est pas non plus un objet quantique : lorsque vous jouez à “pile ou face”, la pièce tombe soit sur pile, soit sur face, soit sur la tranche. On ne peut pas dire que la tranche soit une superposition de deux états, c’est un état comme un autre.

Conclusion n°3 : il existe peut-être des univers parallèles

L’interprétation de Copenhague est un courant de pensée qui cherche à donner une interprétation cohérente aux phénomènes quantiques. Par exemple : “À quoi correspond intellectuellement un objet quantique qui est dans deux états à la fois (par exemple une particule qui est à deux endroits différents en même temps) ?”. Avec l’expérience du chat, on vient de voir que donner un sens à ce truc délirant n’est pas du tout facile.

Selon l’interprétation de Copenhague, l’état quantique n’a pas de sens physique. Selon cette interprétation, il est inutile de chercher une signification physique, réelle, palpable, à ce qui n’est et ne doit rester qu’une pure formule mathématique. Autrement dit : la superposition quantique est en quelque sorte un artifice mathématique utile dans les calculs des physiciens quantiques qui ne peut pas être illustré.

Pour une autre interprétation, la Théorie d’Everettl’état de superposition admet une interprétation physique. Les états superposés (chat mort et chat vivant) existeraient dans une infinité d’univers parallèles. Par exemple : si le chat de Schrödinger était un objet quantique, alors il serait mort dans un univers et vivant dans un autre univers parallèle. Lorsque Schrödinger ouvrirait la boite pour voir comment va son chat, il serait instantanément transporté dans l’un des deux univers créés, en fonction de l’état du chat. Why not ?

Aucune interprétation ne fait aujourd’hui l’unanimité des physiciens.

Pour résumer en 2 mots

En physique quantique, c’est-à-dire à l’échelle de l’atome et de l’électron, certaines particules peuvent être dans deux états contraires en même temps. On appelle ça la superposition quantique. D’un point de vue mathématique c’est tout à fait exact : un électron est mathématiquement à plusieurs endroits à la fois, car on utilise des calculs de probabilité pour connaître sa position. Il est “peut-être là, ici ou encore là”. Chaque position étant associée à un  coefficient de probabilité.

D’un point de vue physique, il y a deux écoles : d’abord l’école de Copenhague, qui dit que la superposition quantique ne doit pas chercher à être illustrée. Elle réfute l’histoire du chat de Schrödinger qui, selon elle, n’a aucun intérêt car la superposition quantique ne doit pas être interprétée physiquement. Le phénomène doit rester un concept mathématique.

Ensuite, la théorie d’Everett qui nous dit que concrètement, il existe peut-être des univers parallèles pour chaque état superposé.

Un dernier truc pour finir : si la physique quantique vous passionne et que vous voulez en savoir ENCORE plus, regardez le livre qu'on a écrit, il est facile à lire et répondra à toutes vos questions.

Comprenez enfin la physique quantique ! .

Auteur turbulent, et fondateur de l'Institut Pandore. Je me lasse de tout, sauf d'apprendre et de dire des gros mots. J'écrivais sous pseudonyme (Félix Boussa et Charles Cohle).

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89commentaires

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1

Bonjour, je n’ai aucune connaissances en physique quantique et mes connaissances en physique sont limitées mais l’aléatoire n’a t’il pas toujours symbolisé les événements sortant de la maîtrise humaine ?

Si leur état n’est pas mesurable avant d’avoir effectué la mesure, ne peut’on pas imaginer que l’écoulement du temps en soit la cause. Si celui-ci s’écoule bien plus vite dans l’espace quantique (micro) que dans l’espace humain (macro) ?

2

Votre article est excellent. Je vous recommande fortement le film COHÉRENCE, qui est basé sur cette expérience. IL EST GÉNIAL !!! A voir absolument pour tous les passionnés de physique quantique (ou pas)

3

Masturbation cérébrale !!!

Auteur4

Quand on ne comprend pas de quoi il s’agit, ça doit en avoir l’air effectivement 😂

5

Bonjour Stephane,

Je suis tombée sur ton article en lisant Stiegler qui cite Schrödinger, càd en venant de loin.ton article est très clair, mais j’ai aussi été passionnée par les commentaires qu’il a suscités: qui à la fois légitiment superbement la vulgarisation et donnent une belle image de l’humanité vivante

6

Bonjour Stéphane,

Merci pour cette petite anecdote quantique!

J’ai lu, relu, rerelu, .. et davantage encore ton récit du déroulement de l’expéience du Chat de Schrödinger.

J’ai compris, je crois, partiellement l’idée de cette expérience.

Cela sous-entend que la boîte est hérmétique et opaque. Qu’en advient-il si cette boîte était transparente? Considère t-on que c’est comme il n’y avait pas de boîte et que l’expérience deviendrait caduque?

Dans le cas de la boîte totalement noire, sans possibilité d’y voir à l’intérieur, constitue le paramètre essentiel de cette expérience semble t-il.

J’ai compris récemment que dans le monde macroscopique une particule est considérée comme une onde ce qui explique qu’elle peut se trouver partout en même temps!

Qu’en penses-tu?

Par ailleurs, je pense que la couleur du chat est indifférente: tigré, noir ou angora c’est la même histoire?

mdr

Bien cordialement,

Thierry 😉

7

Erratum:

“… dans le monde MICROscopique une particule est considérée comme une onde ce qui explique qu’elle peut se trouver partout en même temps!

8

merci Stephane pour cette porte ouverte sur nos ignorances…

tes réponses heureusement s ‘adressent a un large public…

la boite de Pandore que tu laisses ouverte pour nous est un véritable trésor…

Encore merci…JC

9

Merci beaucoup, excellent article. J’ai tout compris et pourtant je ne suis pas un adepte de la physique !

10

théorie totalement loufoque car un ensemble de probabilités ne signifie pas que l’on est à 2 endroits en même temps, on pourrait très bien mette un humain à la place du chat, et s’il est en vie au moment ou l’on ouvre la boîte il n’est pas subitement vivant, il a toujours été vivant et toujours eu conscience d’avoir été vivant. Bref je ne comprends absolument pas le but de cette théorie et ce n’est absolument pas la mesure qui fait passer l’objet d’un état à l’autre. gros ramassis de conneries. heureusement je suis pratiquement tout le temps en phase avec steven hawking et je me félicite qu’il existe également des scientifiques qui font preuve de rationalité et pas seulement des auteurs de science-fiction à 2 balles.

Auteur11

Aie aie aie, vous n’avez rien compris à l’article… Relisez-le calmement, cela vous permettra de mieux comprendre Hawking :))

12

Tout d’abord, c’est tellement bien expliqué, bravo.

Ensuite, tu dis que la physique quantique est et dois rester quantique (bah voui c’est logique non?)sauf que la physique quantique c’est que, en gros, c’est tout petit, et que l’humain ou le chat ne sont pas quantique. Mais si on “zoom” jusqu’à obtenir une vision quantique (je sais pas si c’est possible pour le moment mais on fait comme si), alors l’humain où le chat est quantique, non ? Ou au moins la partie qu’on regarde ? Donc si cette partie du chat (on va rester sur le chat parce que j’en ai marre de mettre l’humain ou le chat 😅) peu être éventuellement dans deux ou plus univers parallèles alors si TOUTES les parties du chat sont dans plusieurs univers le chat est tout entier dans plusieurs univers, non ? Ou peu être que je n’ai rien compris, je ne sais pas !? Bon ben voilà c’est tout !

13

Fichtre ! Enfin je commence à concevoir ce qu’est la physique quantique. Avant je pensais pouvoir “modéliser” cela au niveau physique, mais comme vous l’expliquez si bien, c’était une erreur car “la quantique n’est qu’un concept et ne doit pas être transposée dans l’univers physique”. En somme, le monde de la PQ échappe à toutes nos tentatives de le délimiter dans une zone précise de l’espace. Un peu comme si l’univers était une flaque d’eau. Et si j’y jette un caillou, les ondes sur la surface sont autant de possibilités de position des éléments de cet univers. Et donc, ce n’est qu’en arrivant sur la berge que je peux déterminer où se situent ces éléments. Ai-je bien compris ?

14

Merci beaucoup, ça m’a aidé à reformuler ce que je pensais et pense toujours : ne pas appliquer à notre vision des choses des conventions ou procédés qui ont leur utilité, mais dans d’autres environnements. Juste pour sourire : si on parlait d’un suspect dans une affaire criminelle, pourrait-on dire que c’est le suspect de Schrödinger sachant qu’il est à la fois (présumé) coupable puisque mis en examen et (présumé) innocent tant qu’il n’a pas été jugé ? Finalement j’aime encore assez le “peut-être” ….

15

Bonjour Mr Paton, j’ai découvert votre article grâce à un manga nommé : “Pétales de Réincarnation” de Mikihisa Konishi. Dans ce manga (ne vous inquiétez pas, je ne vais pas expliquer pendant des heures ce que ça raconte) en gros, des personnages grâce à une lame “magique” ils peuvent refaire apparaître en eu un talent, un don, d’une personne célèbre mais ils ne peuvent pas choisir bien-sûr, ils peuvent très bien avoir le talent de Hitler comme celui de Picasso, la seule condition il faut juste qu’ils fassent parti de leur descendance. Et dans ce manga ( tome 3) il y a un personnage qui possède le “choix de Schrödinger” et je m’y suis intéressée. Et pris par mes recherches, je suis tombé sur votre article, et je suis impressionnée !! Je crois bien que c’est la première fois que je comprends aussi facilement sans trop essayer de réfléchir, et j’aime beaucoup votre façon d’expliquer ! Vous êtes un homme incroyable 🙂

Seule petite question, l’utilisation du “chat”, alors qu’il pouvait utiliser un autre être vivant, c’est juste pour attirer l’attention, non ? ( pour moi ce n’est qu’une hypothèse ^^’ parce que je me disais qu’un chat c’est plus intéressant qu’une simple grenouille ou souris [ même si il les utilise pas vraiment )

Auteur16

Bonjour Flavie,

Pourquoi un chat : je crois que personne ne sait vraiment. Pour info, Einstein avait imaginé la même expérience que Schrödinger mais avec un baril de poudre. Clairement moins bien pensé sur le plan marketing… il faut avouer que ça n’a pas beaucoup marqué les esprits.

Des historiens et des chercheurs (comme Etienne Klein) se posent la même question que vous. L’une des réponses pourrait être la référence au chat d’Alice au pays des merveilles, mais on ne saura jamais vraiment.

Merci pour vos encouragements qui m’ont fait très plaisir ! Bonnes fêtes de Noël.

18

slt c’est la premiere fois que je rentre sur ce site et franchement sa m’a beaucoup plu mais j’aurais une question est ce que cette experience peut interpreter le concept de la lumiere puisqu’avant qu’on la mesure la lumiere est a la fois onde et particule. merci

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J’y comprends que dalle à ta théorie, mais ta prose me plait !

20

Explication claire.

Chapeau l’artiste !

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superbe article, et clarté de l’explication

juste une remarque l’abréviation PQ pour je suppose physique quantique n’est pas du meilleur effet, il y a longtemps que ce sigle est associé à Lotus papier présenté en rouleau prédécoupé

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Ce qui est le plus troublant, tout de même, est que ces états quantiques, avec leur calculs appropriés, sont la réalité qui nous compose!

Une particules ne peut pas être, logiquement et selon toute probabilité, observée ou connaitre sa place exacte…Bien, mais ces mêmes particules constituent pour le plus grand nombre des atomes, puis ceux-ci des molécules et celles-ci des cellules et donc notre monde macroscopique!

Puisque nous sommes dans les hypothèses, ne pourrions nous pas penser logiquement que notre monde visible est constitué d’un dénominateur commun insituable, presque inexistant?

Lorsque l’on achète une maison nous contrôlons les fondations, ce sur quoi elle est posée. Mais là, sur quoi notre monde est t’il posé? Le pondérable existe t’il vraiment?

Et même si nous nous plaisons à ne pas vouloir faire de mélange des genres en dissociant dogmatiquement la physique du monde macroscopique de celle de la mécanique quantique, nous ne pouvons pas négliger le fait que l’une se repose sur l’autre?

A l’échelle du quark, notre monde n’est qu’une constellation d’éléments improbables, indéfinissable et que nous ne pouvons percevoir avec nos sens. C’est d’ailleurs eux qui sont en cause. Car au-delà de l’observation que nous faisons du monde et donc des sciences, l’existence est fatalement tout autre chose…Seule l’idée que nous avons de la vie est une réalité pour nous, mais ce n’est pas la seule.

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Tout cela est bien déroutant !

Ce que j’ai du mal à “accepter”, c’est le fait que le fait d’ouvrir la boite va “fixer” un des deux états de l’atome et par voie de conséquence tuer ou non le chat.

Mais du point de vue du chat, qui est dans la boite fermée, lui sait s’il est vivant ou non. Remplaçons le par un compère scientifique, et les deux états vivant mort, par sain/malade.

Si la boite est fermée, le compère sait s’il est malade ou non, quand le scientifique ne sait pas. Du coup de ce point de vue, le compère n’est pas dans deux états à la fois quand la boite est fermée, c’est plus que le scientifique à l’extérieur ne sait pas.

Je pousse le raisonnement. C’est quoi être au courant, c’est observer, c’est ouvrir la boite. Alors l’état est fixé. L’info on l’a parce qu’on observe le chat, parce que des photons vont du chat à notre œil et que notre cerveau interprète ça en image etc. Si on enlève le chat, l’expérience devient, la fiole a dégagé/pas dégagé le poison, si on enlève la fiole, l’atome est désintégré/pas désintégré …

Bref je m’embrouille, mais j’ai l’impression que ce qui vient “fixer” l’état de la particule, c’est le fait qu’elle interagisse avec le monde qu’il l’entoure. Le fait de “regarder” la particule va la fixer, alors que si on la regarde pas, elle est dans ses deux états. Mais quand on l’a regarde pas, la particule est quand même ici, entourée d’autre particule, pourquoi l’interaction avec d’autres particule ne vient pas la fixer ? L’œil, la caméra ou autre dispositif d’observation ne peuvent avoir un statut particulier … je veux dire pourquoi une particule devant une caméra se comporterait différemment d’une particule devant un mur. Est-ce que c’est parce qu’on observe quelque chose que les photons vont de l’objet observé jusqu’à l’œil, ou les photon vont de toutes façons de l’objet vers toutes les directions d’où il pourrait être observé ??

bref, j’ai pas tout saisi … mais est-ce possible ?

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C’est dommage de s’arreter la sans parler de la décohérance quantique…

L’interpretation de Copenhage réfute en effet mathématiquement la théorie d’Everett.

Prendre le module carré d’une fonction d’onde isolée pour décrire une probabilité de présence et donc une superposition d’état, comme le fait Heisenberg dans son exercice de pensée, n’a aucune réalité macroscopique.

A notre échelle, les fonctions d’ondes sont combinées et intriquées. Chaque éventualité d’un état superposé interagit avec son environnement ; la complexité des interactions est telle que les différentes possibilités deviennent rapidement incohérentes (d’où le nom de la théorie). On peut démontrer mathématiquement que chaque interaction « déphase » les fonctions d’onde des états les unes par rapport aux autres, jusqu’à devenir orthogonales et de produit scalaire nul. En conséquence, la probabilité d’observer un état superposé tend rapidement vers zéro.

Il n’y a donc pas de multitudes de réalités parallèles (comme le dit Everett), dont nous serions simplement les observateurs d’une branche des possibles, mais une probabilité gobale qui tend vers une seule réalité à l’échelle macroscopique.

Voilà je ne suis pas sur que ca aide, mais ca complète peut être un peu 😉

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Le chat, il va s’asphyxier,

je rigole c’est juste un exemple pour rapprocher les autres aux malheurs des savants,

merci c’est bien expliqué.

Aïcha

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