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.

PS : 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).
202 Comments
  1. Antoll MA

    J'ai lu le livre « La Physique Quantique ». Cela m'à rappelé mes cours de faculté et je me suis rafraîchi la mémoire. J'ai toujours été perplexe avec la Physique Quantique qui pour moi n'est rien d'autre qu'un jeu de probabilié pour grands mathématiciens. Le problème pour trouver 5 boules du loto sur 49 est exactement le même que pour trouver 5 électrons à un endroit dans un atome de Bore. Qu'en serait il si le boulier se trouvait dans de l'eau? ou dans du sable? N'est ce pas nous qui sommes emourbés dans la matière? La vraie science n'est peut être pas de ce monde? ni ans le monde Quantique? Comme je vois que je m'y suis pris à trois fois pour écrire ce message le monde quantique semblerait bien maladroit lui aussi pour ne pas pourvoir se comporter d'une manière déterministe, saus si on lui ajoute un capuchon déterministe sur la marmite. Mais ou est le cuisinier? et à quoi sert il? et pour Qui? et pour Quoi?

  2. nico

    Si je ne me trompe pas, c'est pas la fin de l'histoire. Les équations sont probablistes, mais pas parce que "la particule a une certaine probabilité de se trouver en x" (représentation corpusculaire incorrecte), mais parce que "la particule quantique EST tout l'objet mathématique décrit par une densité de probabilité". La nature probabiliste de l'équation fait partie de la nature de la matière. Ainsi, par exemple, l'expérience des fentes de Young ne marche pas si on se dit "la particule se trouve soit en [x1,x2] avec la proba P1, soit en [x2,x3] avec la proba P2, ...", car dans ce cas, on ne peut pas expliquer les phénomènes de superposition destructive ou constructive. En effet, prenons la représentation corpusculaire où simplement "je ne sais pas où la particule est". Dans ce cas, la particule passant dans la fente de gauche ne devrait pas connaitre l'existence de la fente de droite et donc il n'y a pas de raisons d'avoir les superpositions. En réalité, la présence de la fente de droite influence le résultat parce que avant décohérence quantique, la particule est un objet décrit par une équation probabiliste où elle est passée avec une certaine probabilité à gauche et une certaine probabilité à droite (la particule a donc connaissance des deux fentes).

  3. Matouche

    Merci pour cet article très clair ! La Physique quantique me semble déjà un peu moins obscure. Un article sur le qubit m'intéressera aussi grandement (et je pense que je ne serai pas le seul).

  4. Lola

    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

  5. stef

    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.

    • Stéphane Paton

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

  6. Thierry

    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? mdrBien cordialement,Thierry ;)

    • Thierry

      Erratum:"... dans le monde MICROscopique une particule est considérée comme une onde ce qui explique qu'elle peut se trouver partout en même temps!

  7. Juliette

    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)

  8. Nora

    Si j'ai bien compris pour encore simplifier il suffirait de dire que la boîte représente notre incapacité à voir (ou à prévoir ?!) quand et si le phénomène se déroulera ?

  9. Jean

    Masturbation cérébrale !!!

    • Stéphane Paton

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

  10. Samuel

    bonjour, vous dites "why not ?" à la théorie de Everett selon laquelle il y aurait des univers parallèles, mais vous appelez "tordus" ceux qui parlent d'une superpositions de réalités. Pourtant ça revient au même, non ? en tant que conseiller en développement personnel au service des plus démunis, j e ne me vois pas comme un "tordu". Et puis, quand vous dites laisser le quantique au quantique, j'ai envie d'ajouter, et pas seulement à des fins poétiques, que la particule, ou l'électron sont à l'échelle humaine, ce que nous humains sommes à l'échelle de l'univers...

    • Stéphane Paton

      Si vous avez une croyance qui vous aide tant mieux ! Mais ceux qui imposent une croyance "quantique", ou pire, qui s'en servent pour faire des ronds, en violant toutes les règles de la physique quantique, j'appelle ça des tordus.

      • samuel

        non, je n'ai aucune croyance spécifique en ce domaine. Je suis simplement curieux, et j'ai plutôt l'esprit rationnel. Mais je reconnais que la théorie quantique me fascine, c'est vrai. Ma remarque tenait juste à la différence que vous faites entre "univers parallèles" et "superposition de réalités" dont les définitions me semblent très proches. Je suis cependant d'accord avec vous (comment pourrait-on ne pas l'être ! )sur le fait que des personnes déforment des préceptes dans l'intention de servir leurs intérêts personnels. Malheureusement, cela ne s'étend pas qu'à la théorie quantique...

        • sansnom

          La différence entre "univers parallèles" et "superposition de réalités" ? Bah...pour un néophyte comme moi ça semble tout bête, la réponse me semble se trouver dans l'association des particules sub-atomiques et dans ce que produit cette association. Ainsi: superposition des réalités signifierait que, peu importe leur assemblage (association), les particules se communiqueraient la même chose et produiraient un "ensemble stable" (réalité) chaque fois le même PARCE QU'IL est différent (même et différent, au niveau de l'assemblage sub-atomique n'étant plus antagoniste) Par contre, les univers parallèles sont plutôt des spéculations de fous car, assemblages différents menant à échanges et productions identiques, il va de soi que...propulsés sur un même espace-temps, il ne reste plus qu'un seul univers de probabilité. Il faudrait avoir fait le tour des probabilité de l'univers (100%) pour envisager de trouver l'univers suivant et c'est là le hic: Impossibilité rationnelle. (et je me rends compte comme c'est infiniment plus clair dans ma tête que dans mes doigts qui tapent, désolé si j'en ai ennuyé certains)

  11. Wulstecke

    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) ?

  12. Paul

    Bonjour, Je n'essaie pas de comprendre la PQ...Pour certains cela signifierait autre chose...si je reviens a l'expérience de ce pauvre chat si l'on extrapole les probabilités qu'en serait il si dans une de ces probabilités le chat n'existerait pas..si dans une autre la boîte n'existerait pas. Ou si elle était transparente ..ou Schrodinger ne serait pas né ou alors mort a la date de l'expérience ...un des commentateurs a dit masturbation cérébrale , mais parler d'un dieu omniprésent mais invisible n' eds ce point de la masturbation cérébrale ?

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