Meilleure réponse
Si vous êtes un scientifique, vous ne devriez pas!
Remonter les pieds de la rationalité consiste à essayer pour comprendre pourquoi les outils efficaces fonctionnent (faire de bonnes prédictions), acquérir de nouvelles connaissances et surmonter les idées fausses. La science est et sera toujours fondée sur la philosophie – cest un processus dont le but est de parvenir à une meilleure compréhension de lunivers (pensez à la méthode scientifique, ou un doctorat – un doctorat en philosophie).
Alors pourquoi est-il devenu si courant pour les physiciens quantiques dabandonner leurs racines scientifiques et dadopter la culture du «tais-toi et calcule»? La raison la plus puissante est que, malgré le fait quil fasse des prédictions statistiques incroyablement précises, le formalisme standard de la mécanique quantique ne fournit aucune clarté ontologique ou na aucune portée explicative. La mécanique quantique canonique est, comme le dit Franck Laloë, non intuitive et conceptuellement relativement fragile. [i] Il est tellement en proie à des difficultés conceptuelles que, en 1927, Niels Bohr a déclaré: «Quiconque nest pas choqué par la théorie quantique ne la comprend pas. Et quarante ans plus tard, Richard Feynman a déclaré: «Personne ne comprend la théorie quantique.» En bref, la mécanique quantique canonique saffirme brutalement comme le jeu final du questionnement scientifique.
Il convient de noter que le même formalisme a été dérivé de différentes hypothèses fondamentales (celles qui ne nous empêchent pas de demandez ce qui se passe), mais la grande majorité des physiciens ignorent complètement ces options plus philosophiquement fondées (réponse de Thad Roberts à Pourquoi plus de physiciens ne souscrivent-ils pas à la théorie des ondes pilotes?). Donc une partie de la réponse est que les physiciens nont pas été correctement initiés à ces autres interprétations.
Pour le reste de la réponse… suivez-moi dans le terrier du lapin.
Les difficultés conceptuelles sous la mécanique quantique proviennent de lobjet quelle utilise pour décrire les systèmes physiques – le vecteur détat | \ psi \ rangle. «Alors que la mécanique classique décrit un système en spécifiant directement les positions et les vitesses de ses composants, la mécanique quantique remplace ces attributs par un objet mathématique complexe | \ psi \ rangle, fournissant une description relativement indirecte.» [ii] Que signifie exactement de dire qu’un système est mieux représenté par un vecteur d’état que par une spécification des positions et des vitesses de ses composants? Que représente un vecteur détat en réalité?
La partie la plus difficile de la mécanique quantique pénétrante ontologiquement est de déterminer le statut exact du vecteur détat. Décrit-elle la réalité physique elle-même ou ne transmet-elle quune certaine connaissance (partielle) que nous pourrions avoir de la réalité? Sagit-il fondamentalement dune description statistique, décrivant uniquement des ensembles de systèmes? Ou décrit-il des systèmes uniques ou des événements uniques? Si nous supposons que le vecteur d’état est le reflet d’une connaissance imparfaite du système, ne devrions-nous pas nous attendre à ce qu’une meilleure description existe, du moins en principe? Dans laffirmative, quelle serait cette description plus profonde et plus précise de la réalité? [iii]
Poser cette question, rester ouvert à la possibilité quà un niveau plus profond il y ait une description plus complète, cest être en contradiction avec linterprétation standard de la mécanique quantique. C’est le cas parce que l’interprétation standard ne manque pas simplement de toucher la base avec une représentation intuitive – elle tente de l’interdire. [iv] Il affirme brutalement que «la transition du possible au réel – est intrinsèquement inconnaissable». [v] Mais il ny a aucune raison de sengager logiquement dans cette revendication. Il reste possible quune description plus complète existe, et que les effets particuliers de la mécanique quantique puissent être liés à une image conceptuelle.
Cela revient donc à une question de savoir ce quest la fonction donde – également appelée vecteur détat. [vi] Examinons cette énigme plus en profondeur.
Contrairement à la mécanique classique, qui décrit les systèmes en spécifiant le positions et vitesses de ses composants, la mécanique quantique utilise un objet mathématique complexe appelé vecteur détat pour cartographier les systèmes physiques. Intercepter ce vecteur détat dans la théorie nous permet de faire correspondre statistiquement les prédictions à nos observations du monde microscopique, mais cette insertion génère également une description relativement indirecte qui est ouverte à de nombreuses interprétations également valables. Pour «vraiment comprendre» la mécanique quantique, nous devons être capables de spécifier le statut exact du vecteur détat et nous devons avoir une justification raisonnable pour cette spécification. Pour le moment, nous navons que des questions. Le vecteur détat décrit-il la réalité physique elle-même, ou seulement une certaine connaissance (partielle) que nous avons de la réalité? «Décrit-il uniquement des ensembles de systèmes (description statistique), ou un seul système également (événements uniques)?Supposons quen effet, est affectée par une connaissance imparfaite du système, nest-il pas alors naturel de sattendre à ce quune meilleure description existe, au moins en principe? »[Vii] Si oui, que serait cette description plus profonde et plus précise de la réalité be?
Pour explorer le rôle du vecteur détat, considérons un système physique composé de N particules de masse, chacune se propageant en trois -espace dimensionnel. En mécanique classique, nous utiliserions N positions et N vitesses pour décrire létat du système . Pour plus de commodité, nous pourrions également regrouper les positions et les vitesses de ces particules en un seul vecteur V , qui appartient à un espace vectoriel réel avec 6 N dimensions, appelées espace de phase . [viii]
Le vecteur détat peut être considéré comme léquivalent quantique de ce vecteur classique V . La principale différence est que, en tant que vecteur complexe, il appartient à quelque chose appelé espace vectoriel complexe , également appelé espace détats , ou espace Hilbert . En dautres termes, au lieu dêtre codé par des vecteurs réguliers dont les positions et les vitesses sont définies dans espace des phases , létat dun système quantique est codé par des vecteurs complexes dont les positions et les vitesses vivent dans un espace détats . [ix]
Le passage de la physique classique à la physique quantique est le passage de lespace des phases à lespace des états pour décrire le système. Dans le formalisme quantique, chaque observable physique du système (position, moment, énergie, moment cinétique, etc.) a un opérateur linéaire associé agissant dans lespace des états. (Les vecteurs appartenant à lespace des états sont appelés «kets».) La question est: est-il possible de comprendre lespace des états de manière classique? Lévolution du vecteur détat pourrait-elle être comprise de manière classique (sous une projection de réalisme local) si, par exemple, il y avait des variables supplémentaires associées au système qui étaient complètement ignorées par notre description / compréhension actuelle de celui-ci?
Pendant que cette question est en suspens, notons que si le vecteur détat est fondamental, sil ny a vraiment pas de description de niveau plus profond sous le vecteur détat, alors les probabilités postulées par la mécanique quantique doivent aussi être fondamentales. Ce serait une étrange anomalie en physique. La mécanique statistique classique utilise constamment les probabilités, mais ces affirmations probabilistes se rapportent à des ensembles statistiques. Ils entrent en jeu lorsque le système étudié est connu pour être lun des nombreux systèmes similaires qui partagent des propriétés communes, mais diffèrent à un niveau qui na pas été sondé (pour quelque raison que ce soit). Sans connaître létat exact du système, nous pouvons regrouper tous les systèmes similaires en un ensemble et attribuer cet état densemble des possibilités à notre système. Ceci est fait pour des raisons de commodité. Bien entendu, létat moyen flou de lensemble nest pas aussi clair que nimporte lequel des états spécifiques que le système pourrait réellement avoir. Sous cet ensemble, il y a une description plus complète de l’état du système (du moins en principe), mais nous n’avons pas besoin de distinguer l’état exact pour faire des prédictions. Les ensembles statistiques nous permettent de faire des prédictions sans sonder létat exact du système. Mais notre ignorance de cet état exact force ces prédictions à être probabilistes.
Peut-on en dire autant de la mécanique quantique? La théorie quantique décrit-elle un ensemble détats possibles? Ou le vecteur détat fournit-il la description la plus précise possible dun seul système? [x]
La façon dont nous répondons à cette question a un impact sur la façon dont nous expliquons les résultats uniques. Si nous traitons le vecteur détat comme fondamental, alors nous devrions nous attendre à ce que la réalité se présente toujours dans une sorte de sens terni. Si le vecteur détat représentait toute lhistoire, alors nos mesures devraient toujours enregistrer des propriétés étalées, au lieu de résultats uniques. Mais ce n’est pas le cas. Ce que nous mesurons en fait, ce sont des propriétés bien définies qui correspondent à des états spécifiques.
Sen tenant à lidée que le vecteur détat est fondamental, von Neumann a suggéré une solution appelée réduction du vecteur détat (également appelée réduction de la fonction donde). [xi] L’idée était que lorsque nous ne regardons pas, l’état d’un système est défini comme une superposition de tous ses états possibles (caractérisés par le vecteur d’état) et évolue selon l’équation de Schrödinger. Mais dès que nous regardons (ou prenons une mesure), toutes ces possibilités, sauf une, seffondrent. Comment cela peut-il arriver? Quel mécanisme est responsable de la sélection de lun de ces États par rapport aux autres? À ce jour, il ny a pas de réponse.Malgré cela, lidée de von Neumann a été prise au sérieux car son approche permet des résultats uniques.
Le problème que von Neumann essayait de résoudre est que léquation de Schrödinger elle-même ne sélectionne pas des résultats uniques. Cela ne peut pas expliquer pourquoi des résultats uniques sont observés. Selon lui, si un mélange flou de propriétés entre en jeu (codé par le vecteur détat), un mélange flou de propriétés en sort. Pour résoudre ce problème, von Neumann a évoqué lidée que le vecteur détat saute de manière discontinue (et aléatoire) à une valeur unique. [xii] Il a suggéré que des résultats uniques se produisent parce que le vecteur détat ne retient que «la composante correspondant au résultat observé tandis que toutes les composantes du vecteur détat associées aux autres résultats sont mises à zéro, doù le nom réduction . » [xiii]
Le fait que ce processus de réduction soit discontinu le rend incompatible avec la relativité générale. Il est également irréversible, ce qui en fait la seule équation de toute la physique qui introduit une asymétrie temporelle dans le monde. Si nous pensons que le problème de lexplication du caractère unique des résultats éclipse ces problèmes, nous serons peut-être disposés à les aborder sans relâche. Mais pour que ce commerce en vaille la peine, nous devons avoir une bonne histoire sur la façon dont leffondrement du vecteur détat se produit. Nous ne le faisons pas. Labsence de cette explication est appelée le problème de mesure quantique .
Beaucoup de gens sont surpris de découvrir que le problème de mesure quantique est toujours dactualité . Il est devenu populaire dexpliquer la réduction des vecteurs détat (effondrement de la fonction donde) en faisant appel à leffet dobservateur, affirmant que les mesures des systèmes quantiques ne peuvent pas être effectuées sans affecter ces systèmes, et que la réduction des vecteurs détat est en quelque sorte initiée par ces mesures. [xiv] Cela peut sembler plausible, mais cela ne fonctionne pas. Même si nous ignorons le fait que cette explication ne permet pas dexpliquer comment une perturbation pourrait déclencher la réduction du vecteur détat, cette réponse nest pas autorisée car « state la réduction des vecteurs peut avoir lieu même lorsque les interactions ne jouent aucun rôle dans le processus. » [xv] Ceci est illustré par des mesures négatives ou mesures sans interaction en mécanique quantique.
Pour explorer ce point, considérons une source, S , qui émet une particule avec une fonction donde sphérique, ce qui signifie que ses valeurs sont indépendantes de la direction dans lespace. [xvi] En dautres termes, il émet des photons dans des directions aléatoires, chaque direction ayant une probabilité égale. Entourons la source de deux détecteurs avec une efficacité parfaite. Le premier détecteur D1 doit être configuré pour capturer la particule émise dans presque toutes les directions, à lexception dun petit angle solide θ , et le deuxième détecteur D2 doit être configuré pour capturer la particule si elle passe par cet angle solide.
Une mesure sans interaction Lorsque le paquet donde décrivant la fonction donde de la particule atteint le premier détecteur, il peut ou non être détecté. (La probabilité de détection dépend du rapport des angles sous-tendus des détecteurs.) Si la particule est détectée par D1 elle disparaît, ce qui signifie que son vecteur détat est projeté sur un état ne contenant aucune particule et un détecteur excité. Dans ce cas, le deuxième détecteur D2 nenregistrera jamais une particule. Si la particule nest pas détectée par D1 , alors D2 détectera la particule plus tard. Par conséquent, le fait que le premier détecteur nait pas enregistré la particule implique une réduction de la fonction donde à sa composante contenue dans θ , ce qui implique que le deuxième détecteur sera toujours détecter la particule plus tard. En dautres termes, la probabilité de détection par D2 a été grandement améliorée par une sorte de « non-événement » à D1 . En bref, la fonction donde a été réduite sans aucune interaction entre la particule et le premier appareil de mesure.
Franck Laloë note que cela illustre que «lessence de la mesure quantique est quelque chose de beaucoup plus subtil que le souvent invoqué «perturbations inévitables de lappareil de mesure» (microscope de Heisenberg, etc.). » [xvii] Si la réduction du vecteur détat a vraiment lieu, alors elle a lieu même lorsque les interactions ne jouent aucun rôle dans le processus, ce qui signifie que nous ne savons pas du tout comment cette réduction est initiée ou comment elle se déroule. Pourquoi alors la réduction des vecteurs détat est-elle toujours prise au sérieux?Pourquoi un physicien pensant soutiendrait-il laffirmation selon laquelle la réduction des vecteurs détat se produit, alors quil ny a pas dhistoire plausible sur la façon dont elle se produit ou pourquoi elle se produit, et lorsque laffirmation quelle se produit crée dautres problèmes monstrueux qui contredisent les principes centraux de la physique? La réponse peut être que des générations de tradition ont largement effacé le fait quil existe une autre façon de résoudre le problème de la mesure quantique.
En revenant à lautre option, nous notons que si nous supposons que le vecteur détat est un ensemble statistique, cest-à-dire si nous supposons que le système a un état plus exact, alors linterprétation de cette expérience de pensée devient simple; initialement la particule a une direction démission bien définie, et D2 nenregistre que la fraction des particules qui ont été émises dans sa direction.
La mécanique quantique standard postule que cette direction démission bien définie nexiste pas avant toute mesure. En supposant quil y a quelque chose sous le vecteur détat, quil existe un état plus précis, cela revient à introduire des variables supplémentaires dans la mécanique quantique. Cela sécarte de la tradition, mais comme la dit T. S. Eliot dans Le bois sacré , «la tradition doit être positivement découragée». [xviii] Le cœur scientifique doit rechercher la meilleure réponse possible. Il ne peut prospérer s’il est constamment retenu par la tradition, ni se permettre d’ignorer des options valables. Les voyages intellectuels sont obligés de se forger de nouvelles voies.
Cette réponse est un extrait modifié de mon livre «Intuition dEinstein: Visualiser la nature en onze dimensions», chapitres 1 et 12.
[i] Franck Laloë. Comprenons-nous vraiment la mécanique quantique? p. xi.
[ii] Ibid., p. xii.
[iii] Ibid.
[iv] Le formalisme de la mécanique quantique qui va sous le nom de linterprétation de Copenhague «devrait probablement plus correctement être appelé la non-interprétation de Copenhague, puisque tout son argument est que toute tentative dinterpréter le formalisme en termes intuitifs est vouée à léchec… »AJ Leggett. (2002). Tester les limites de la mécanique quantique: motivation, état des lieux, perspectives. J. Phys. Condens. Matière 14 , R415-R451.
[v] ND Mermin. (1993). Variables cachées et les deux théorèmes de John Bell. Rev. Mod. Phys . 65 , 803–815; en particulier voir §III. Ceci est logiquement infondé car il nie la possibilité d’autres interprétations valables – dont il y en a beaucoup. Plus particulièrement, il nie la possibilité dune interprétation déterministe, comme linterprétation de Bohm.
[vi] Pour un système de particules sans spin avec des masses, le vecteur détat est équivalent à une fonction donde, mais pour des systèmes plus compliqués, cela nest pas le cas. Néanmoins, conceptuellement, ils jouent le même rôle et sont utilisés de la même manière dans la théorie, de sorte que nous navons pas besoin de faire une distinction ici. Franck Laloë. Comprenons-nous vraiment la mécanique quantique? , p. 7. [vii] Franck Laloë. Comprenons-nous vraiment la mécanique quantique? , p. xxi. [viii] Il y a 6 N dimensions dans cet espace de phase car il y a N particules dans le système et chaque particule sont livrés avec 6 points de données (3 pour sa position spatiale ( x, y, z ) et 3 pour sa vitesse, qui a x, y, z également). [ix] Lespace des états (espace vectoriel complexe ou espace de Hilbert) est linéaire et donc conforme au principe de superposition. Toute combinaison de deux vecteurs détat arbitraires et dans lespace détats est également un état possible pour le système. Mathématiquement, nous écrivons où & sont des nombres complexes arbitraires. [x] Franck Laloë. Comprenons-nous vraiment la mécanique quantique? , p. 19. [xi] Chapitre VI de J. von Neumann. (1932). Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik , Springer, Berlin; (1955). Fondements mathématiques de la mécanique quantique , Princeton University Press. [xii] Je conteste la validité logique de laffirmation selon laquelle quelque chose peut «provoquer un événement aléatoire». Par définition, les relations causales déterminent les résultats, tandis que «aléatoire» implique quil ny a pas de relation causale. Plus profondément que cela, je conteste la cohérence de lidée que de véritables événements aléatoires peuvent se produire. Nous ne pouvons pas affirmer de manière cohérente quil existe des événements qui sont complètement dépourvus de toute relation causale. Pour ce faire, vous évitez ce que nous entendons par «événements». Chaque occurrence est intimement liée à lensemble, et lignorance de ce qui anime un système nest pas une raison de supposer quil est conduit au hasard. Les choses ne peuvent pas être conduites au hasard.La cause ne peut pas être aléatoire. [xiii] Franck Laloë. Comprenons-nous vraiment la mécanique quantique? , p. 11. [xiv] Bohr a préféré un autre point de vue où la réduction du vecteur détat nest pas utilisée. D. Howard. (2004). Qui a inventé linterprétation de Copenhague? Une étude en mythologie. Philos. Sci. 71 , 669–682. [xv] Franck Laloë. Comprenons-nous vraiment la mécanique quantique? , p. 28. [xvi] Cet exemple s’inspire de la section 2.4 du livre de Franck Laloë, Comprenons-nous vraiment la mécanique quantique? , p. 27–31. [xvii] Franck Laloë. Comprenons-nous vraiment la mécanique quantique? , p. 28. [xviii] T. S. Eliot. (1921). Le bois sacré . Tradition et talent individuel.
Réponse
C’est un bon conseil. Se taire et calculer savère mieux fonctionner pour les problèmes qui préoccupent la plupart des physiciens. Réfléchir aux questions philosophiques de la gestion de la qualité semble bien, mais il s’est avéré très peu rentable depuis plus de cent ans.
Il y a eu quelques progrès par rapport aux arguments quEinstein et Bohr avaient dans les années 1930 sur la façon dont la QM devrait être comprise. Depuis leurs débats, nous avons eu les avancées de Bell, Bohm, Everett (plusieurs mondes) et Zeh (décohérence). Mais honnêtement, ces progrès sont assez négligeables lorsque vous les comparez aux progrès réalisés en mécanique quantique proprement dite au cours de cette période, notamment à lensemble de lexpansion vers les QFT.
En tant que tel, nous avons des preuves empiriques sur le dernier 100 ans que SUAC a prouvé lapproche supérieure si vous voulez progresser et découvrir de nouvelles choses sur le monde physique. [*]
Et puisque cest ce que la plupart des physiciens veulent faire, cest un excellent conseil pour eux.
Et pour tous ceux qui veulent progresser à partir daujourdhui, je pense que cest toujours clairement la façon de parier. Par exemple, si jétais un dictateur qui allouait des ressources, je demanderais à quelque 99 jeunes physiciens sur 100 de se taire et de calculer lensemble de leur carrière.
Et pourtant… je mettrais encore un peu mis à part: un sur cent de ces jeunes physiciens pourrait souhaiter passer son temps à explorer les implications philosophiques de la gestion de la qualité. (Pour être clair, ils devraient tous se taire et calculer tout en apprenant le pur formalisme de la gestion de la qualité – cest déjà assez difficile dapprendre au début sans faire appel à la philosophie). Mais une fois quils se sont familiarisés avec son utilisation, ils pourraient rompre avec le courant dominant et réfléchir aux fondations. Ce faisant, ils ne doivent pas interférer avec les progrès réalisés par leurs 99 collègues, mais doivent agir en complément, sachant que la leur est une approche à très faible probabilité de succès.
Pourquoi? Eh bien, je voudrais simplement revenir un peu plus loin dans l’histoire de la physique. Je regarderais la façon dont Newton, Leibniz, Clausius, Boltzmann, Gibbs et Einstein ont pensé, et comment ils ont commencé leurs explorations à partir d’une réflexion philosophique sur les fondements de la physique de leur temps. Et notez que cest souvent ainsi que les percées les plus étonnantes ont été réalisées.
Mais cette approche semble avoir échoué récemment. Nous devons admettre quau cours des cent dernières années, ce type de pensée «audacieuse, philosophique, fondatrice» vient de se révéler remarquablement infructueux lorsquil est appliqué à la gestion de la qualité. Quand recevrons-nous le message et abandonnerons-nous?
Je serais têtu: pas encore . Cest 99: 1 du côté de la fermeture et du calcul, mais pas encore 100: 0.
[*] Au cas où vous vous demandez comment comparer de manière significative la «progression» dans deux domaines qualitativement différents, la réponse est que vous les regardez tous les deux et que vous dites « Oh, viens . Cest bien plus que ça, non? «