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
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 de Schrödinger, 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
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’Everett, l’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 le Chat de Schrödinger
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.
190 Commentaires
Julien Itard
2 août 2014 à 9 h 11 minExcellent article comme le premier j’aime beaucoup !
Par contre,j’ai une question : le chat est dans quel état quand il ouvre la boite ?
Stéphane
2 août 2014 à 9 h 33 minSalut Julien,
Étant donné que Schrödinger n’a jamais fait l’expérience (c’est une expérience de pensée, un truc imaginaire), je ne pourrai pas te donner la réponse. Mais on pourrait très bien imaginer les deux issues possible à l’expérience.
Dans tous les cas, pendant l’expérience (lorsque la boite est close avec le chat dedans), on pourra dire « le chat est mort et vivant ». Encore une fois, si Schrödinger utilise cette formulation bizarre pour parler de son chat, c’est parce qu’il utilise la façon de penser de la physique quantique. En physique quantique (à l’échelle de l’électron donc), dire qu’une particule est « ici ET là en même temps » ou « excitée ET non-excitée en même temps » n’a rien de choquant. Ça devient choquant quand on utilise cette manière de penser à l’échelle macroscopique, sur un chat par exemple. C’est le but de Schrödinger avec son expérience : montrer que le mode de pensée de la physique quantique ne doit pas être utilisé pour décrire notre monde macroscopique.
Suite à son expérience, disons que Schrödinger ouvre la boite. Dans sa tête, son chat est à la fois mort et vivant. Mais toujours en suivant un des principes de la physique quantique, il sait qu’en observant le résultat (en ouvrant la boite), il va se passer ce qu’on appelle un « effondrement de la fonction d’onde« .
Autrement dit en ouvrant la boite, l’objet qui était dans un état superposé va subitement ne passer que dans un seul état. Concrètement ça veut dire que le chat, qui était MORT ET VIVANT, va subitement être soit mort, soit vivant, à l’instant où on ouvrira la boite.
À l’échelle de l’électron, l’effondrement se justifie bien (si tu as envie d’aller plus loin : http://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9coh%C3%A9rence_quantique). Mais à l’échelle humaine, encore une fois, ça devient assez absurde de voir les choses comme ça.
Pour résumer, tout est question de formalisme. Si tu demandes à un enfant de te décrire l’expérience de Schrödinger il te dira « le chat est mort, peut-être pas, je saurai en ouvrant la boite ». Il aura raison de dire ça.
Si tu demandes à un physicien quantique de décrire la même expérience, il te dira « Par le principe de superposition quantique, le chat est mort ET vivant. Pour fixer son état, il faut l’observer en ouvrant la boite et provoquer un effondrement de sa fonction d’onde. Ainsi, le chat sera subitement mort OU vivant. »
L’enfant aura utilisé un formalisme classique, le physicien un formalisme quantique. Les deux décrivent l’expérience à leur manière.
Merci beaucoup pour ton commentaire, j’espère à bientôt !
Stéphane
Mouldi
4 juin 2017 à 1 h 43 minmerci Mr Stephani pour ces éclaircissement mais comment on pourrait convaincre physiquement un apprenant en s’éloignant du model mathématique .
Nessa
15 mars 2018 à 10 h 53 minBen là ç était encore plus claire. Bravo. J adore.
Imopector
20 mars 2018 à 21 h 29 minJe pense que depuis le temps le chat est mort , il est donc inutile d’ouvrir la boîte.
Bee
2 avril 2018 à 13 h 28 minPour faire simple, je dirai en PQ il est l’un ET l’autre en macroscopie il est l’un OU l’autre
sara
25 septembre 2014 à 0 h 37 minje voudrais savoir pourquoi specialement un chat dans l’experience et pas une souris par exemple
Stéphane
4 octobre 2014 à 16 h 54 minSalut Sara,
Il aurait pu choisir un chat, une souris, un crocodile : ça ne change rien à l’expérience.
lefort
2 mars 2018 à 16 h 39 minMoi je crois le choix du chat pas du tout innocent: chat noir maléfique et rusé
Je propose de percer 2 trous d’Young dans la boite du chat de Schrödinger…pour voir !!!
Zefa
23 décembre 2014 à 12 h 17 minMerci Stéphane,
Superbe article !
J’espère que tu continueras cette série sur la physique quantique, jusqu’à aboutir aux grandes questions actuelles.
L’ordinateur quantique, la cryptographie quantique ou bien la téléportation quantique.
Stéphane
29 janvier 2015 à 18 h 18 minMerci beaucoup pour ton commentaire !
Antoll MA
26 décembre 2014 à 13 h 11 minJ’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?
Matouche
2 janvier 2015 à 13 h 16 minMerci 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).
nico
7 février 2015 à 14 h 21 minSi 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).
li
16 février 2015 à 11 h 56 minJ’ai du mal à comprendre le saut qui se fait entre les 2 échelles, microscopique et macroscopique. Si on dit, comme vous le faites, que les lois de la physique quantique ne valent que pour les atomes, les quantas etc, comment extrapoler jusqu’à parler « d’univers parallèles » comme avec la théorie d’Everett ? De même dans la conception de Bohm, qui projette une vision de l’univers à l’échelle cosmique, à partir justement des lois de la physique quantique ? Il semble bien que la frontière ne soit pas si nette, non ? Je cherche à comprendre ! Est-ce qu’il est inexact de dire que les découvertes sur la physique quantique peuvent changer notre vision de la réalité de l’univers ?
Kiki
24 mars 2015 à 23 h 56 minBonjour, je pense l’inverse.. Que justement la PQ est notre avenir et qu’il est tout a fait possible de l’utiliser a notre echelle. Prenon une fourmis par exemple, elle se deplace rapidement quand on l’a regarde, mais a l’echelle de la fourmis sont allure est dite normale voir lente… Un atome se deplace a plus d’un milliard de km a la seconde, mais dans le monde des atomes c’est une vitesse normale ou lente. Ce qui nous donne la theorie que les atomes se teleportent avant meme de se deplacer. Pour nous c pareil, nous sommes dans un cycle de vis qui nous parait lent ou normal mais si on va au dessus de nous, s’il y a un autre monde au dessus de nous, notre vitesse sera probablement ultra rapide pour ce monde. Ce qui est plotot fascinant c’est de savoir qu’un atome est une onde et qelle est particule uniquement s’il est regarder…. Da c’est troublant, car sa signifierait que nous tous, et tout ce qui nous entoure, la terre, les etoiles etc, existent uniquement parce qu’elles sont regardees……si notre univers n’etait pas regarder alors nous ne serions pas matieres mais onde et donc inexistant. Voila pk la PQ pose probleme, personne ne veut accepter qu’il y a plus grand que l’Homme, saug pour les croyants (pas forcement religieux). L’Homme veut se prouver quz la vie existe ailleurs, il restera le dominateur, et si la theorie scientifique de la PQ prouverait en detail au monde qu’en effet on n’existe que parce que l’etre nous regarde, ce serait le chaos total sur la terre, de voir que l’Homme a fait fausse route toute sa vie….. 🙂
Stéphane
31 mars 2015 à 15 h 07 minKamoulox ?
Jean Yves
9 avril 2015 à 22 h 56 minBonsoir, votre article : c’est du grand art. Bravo !
Quelle capacité didactique et en plus avec une pointe d’humour.
J’ai lu tellement sur le fameux Chat sans comprendre vraiment. Je sais maintenant que ceux qui avaient écris n’avait peut-être pas compris vraiment… D’où la pertinence du titre que vous avez bien choisi.
Meilleures salutations.
Stéphane
7 mai 2015 à 11 h 35 minMerci Jean-Yves, je suis ravi que le blog vous plaise ! Très bonne journée à vous, et à bientôt je l’espère.
Stéphane
Philippe
7 juin 2015 à 12 h 35 minMerci pour cette explication à la fois humoristique et surtout lumineuse, à moi pauvre terrien … la physique quantique expliquée aux nuls… bravo Stéphane et continuez à nous rendre intelligent… (prochain repas entre amis, je fais « péter » ma science avec l’expérience du chat de Chrodingé… j’avais dit que j’étais nul …).
Stéphane
7 juin 2015 à 13 h 58 minMerci Philippe, c’est avec plaisir 🙂 Bon déballage de science alors.
Stéphane
Patrick
1 août 2015 à 8 h 04 minBonjour,
Bel article. Les points de vue divergent sur la PQ. A ce titre je vous communique un lien (que vous avez peut être)certainement déjà lu : – http://hitek.fr/actualite/scientifiques-affirment-univers-paralleles-existent_4144 .
Alors je suis peut être hors sujet mais cela me rappelle le projet Montauk et/ou les paroles D’Hermès : « ce qui est ici bas est comme ce qui est en haut » (dogme universel des analogies).
Cordialement
Daniel Diaz
15 octobre 2015 à 15 h 25 minExcellent article.
Je suis un étudiant en physique et je félicite votre capacité pédagogique que pas beaucoup de mes professeurs ont (désolé s’il y a des fautes de rédactions je ne suis pas français)
J’aurais une question par rapport à quand on parle du spectre (ex: de l’hydrogène), javais compris que les « raies » étaient à chaque fois (dans chaque structure, fine hyper-fine, etc), les différents états d’énergie de l’atome. Mais pourquoi on parle de la longueur d’onde émise par l’hydrogène (réussite de la mécanique quantique), est de 21 cm; cette longueur d’onde est la réunion de tous les états possibles où il peut se trouver l’hydrogène? et si oui, pourquoi est-il une réussite vu que on pourrait encore diminuer les possibilités, (enfin je la trouve assez grande, je pense que je n’ai rien compris le rapport de la mécanique quantique au « spectre démission »)
BAUMONT J-F
17 décembre 2015 à 4 h 29 minla physique quantique et l homme sont lier qu on le veuille ou pas
la physique quantique est l étude des atomes et de leurs interactions dans la matière , on peut même parler de décomposition de la matière quel qu ‘elle soit et si on prend la peine de ce pencher sur étudie l homme et tout ce qui l’entour on ce rend conte que l’homme est comme la matière , que l homme est matière , que comme tout élément , l homme est constitué d’ atomes qui interagissent entre eux ! ( prenez la peine d’y réfléchir )
en ce qui concerne la superposition quantique , cela me fait penser au paradoxe du multivers qui voudrais qu’ en un temps donner , l homme pourrait ce trouver ( selon l’action qu’il accomplit ) dans plusieurs couloirs temporel simultanément .
Stéphane
17 décembre 2015 à 10 h 33 minBonjour,
Personne n’a jamais nié que l’homme est composé d’atomes, c’est même le point de départ de ce blog. Concernant le multivers : c’est l’une des réponses possibles à la superposition quantique (c’est d’ailleurs expliqué dans l’article).
Stéphane
BAUMONT J-F
17 décembre 2015 à 14 h 28 minen effet.
je n avais pas tout lu , je m’ étais juste contenter de lire ce qui concerne le chat de schrödinger .
je n ai pas lu plus loi que jusqu’au chapitre VOILA COMMENT C EST POSSIBLE .
( faut dire qu’ a 3h du matin je n’ai pas eu le courage de tout lire )
cordialement
Camelia
25 janvier 2016 à 22 h 01 minTres bien expliqué car wikipedia c’etait du charabia
Merci ?
Stéphane
1 février 2016 à 14 h 29 minMerci beaucoup, ça fait très plaisir 🙂
Cyril
22 février 2016 à 9 h 58 minMerci pour cette article ! Il est pédagogiquement très bien… Vous faite un travail extraordinaire . La physique quantique est un peux l arlésienne de la physique confirmiste . On sait que l univers est fait de hasard et de probabilités et que ce hasard fait que nous somme la à en parler ! Donc nous l’univers et tout ce qui suit la singularité que nous connaissons tous le big bang est fait quantique… .
bahidjat
23 février 2016 à 16 h 45 mintout d’abord merci je dois présenter un expo le 22/02/2016 j’avais rien compris franchement merci bcp <3 :* 🙂
Eliane Tournier
23 avril 2016 à 21 h 50 minExellent ludique et amusant.
Question, si je suis dans mon canapé et que je m’imagine au restaurant ou que je suis au restaurant et que je m’imagine dans mon canapé, ou que je suis au restaurant,que je m’imagine dans mon canapé m’imaginant que je suis au restaurant!! suis je à deux endroits en même temps?
C’est pas très clair mon truc….
Stéphane
31 juillet 2016 à 11 h 32 minÉliane,
La réponse est non, sans ambiguïté. En tous cas, ce n’est pas la question que pose la physique quantique et l’expérience de pensée de Schrödinger.
Merci pour votre commentaire !
Stéphane
Djamel AIT AMRANE
15 juin 2016 à 19 h 52 minA propos de de la question de Sara, évidement l’animal ne change rien a l’expérience, mais un crocodile dans une boite …
je pense plutôt a Alice au pays des merveilles et le chat de Cheshire, souvent evoqué dans la littérature anglo-saxonne traitant de la mécanique quantique, dans un cadre de vulgarisation.
Dianou
20 juin 2016 à 15 h 02 minJe suis tombée par hasard sur ce post…. Enrichissant, ludique, bien imagé et écrit, merciii !!
Je comprends déjà mieux la physique quantique et beaucoup de points (noirs/sombres pour moi) évoqués dans ton article me paraissent plus clairs à présents.
Stéphane
31 juillet 2016 à 11 h 30 minAvec plaisir 🙂