Phenomenological quantum mechanics: II. Deducing the formalism from experimental observations

Dans le vaste paysage de la physique moderne, la mécanique quantique s'impose comme la théorie la plus réussie jamais conçue, et pourtant, elle reste la plus déroutante. Elle régit le comportement des plus petites particules de l'univers, des électrons en orbite autour d'un atome aux photons de lumière qui nous permettent de voir. Depuis près d'un siècle, les scientifiques s'appuient sur un cadre mathématique spécifique pour faire des prédictions sur ces systèmes minuscules. Ce cadre fonctionne avec une précision stupéfiante, nous permettant de construire des lasers, des transistors et des appareils d'IRM. Cependant, la théorie est assortie d'un bagage étrange : elle nécessite une distinction particulière, souvent déroutante, entre le monde quantique et le monde quotidien dans lequel nous vivons. Elle suggère que les particules existent dans un flou de possibilités jusqu'à ce qu'elles soient mesurées, moment auquel elles semblent soudainement « choisir » une réalité unique. Ce changement abrupt, connu sous le nom de réduction du paquet d'ondes, n'a jamais été observé directement, et il laisse de nombreux physiciens se demander si les outils mathématiques standards qu'ils utilisent sont la seule façon de décrire la nature, ou simplement la plus pratique.

Une équipe de chercheurs de Pologne, d'Allemagne et de Chine a adopté une approche différente. Au lieu de partir des équations familières de la mécanique quantique, ils ont posé une question fondamentale : et si nous essayions de reconstruire toute la théorie à partir de zéro, en utilisant uniquement les données brutes de ce que nous voyons réellement en laboratoire ? Leur objectif était de voir si les structures mathématiques étranges de la théorie quantique, telles que les espaces abstraits où les particules « vivent » dans le modèle standard, émergeraient naturellement de l'acte simple d'enregistrer des séquences de mesures. Ils voulaient savoir si les caractéristiques les plus célèbres de la théorie étaient des lois de la nature inévitables ou simplement des artefacts de la manière spécifique dont les humains ont choisi d'écrire les mathématiques.

Les chercheurs ont commencé par examiner comment les systèmes quantiques se comportent lorsqu'ils sont sondés de manière répétée au fil du temps. Dans une expérience typique, un scientifique peut mesurer une propriété d'une particule, attendre un instant, la mesurer à nouveau, et poursuivre cette séquence. La théorie standard prédit les probabilités de ces résultats, mais elle traite l'acte de mesure comme un événement spécial qui interrompt le flux naturel du temps. L'équipe, cependant, s'est concentrée sur les motifs bruts trouvés dans les données elles-mêmes. Ils ont remarqué que, bien que les résultats de ces mesures séquentielles suivent un ordre clair de cause à effet — où le passé influence le futur mais jamais l'inverse — ils présentent également une profonde incohérence qui défie la logique classique. Dans le monde classique, si vous connaissez le chemin parcouru par une balle, vous pouvez prédire où elle sera ensuite. Dans le monde quantique, le chemin emprunté dépend de la façon dont on l'observe, et les données montrent que le système ne suit pas une trajectoire unique et continue comme une balle sur une colline.

Pour donner un sens à cela, l'équipe a introduit une nouvelle façon de penser les données. Au lieu de supposer que le système suit un seul chemin, ils ont envisagé la possibilité que le système explore simultanément deux chemins différents, l'un progressant vers l'avant dans le temps et l'autre vers l'arrière. Ils ont appelé cela une « bi-trajectoire ». En traitant les données expérimentales comme une combinaison de ces deux flux opposés, ils ont découvert que les probabilités multi-temporelles complexes enregistrées en laboratoire pouvaient être décrites avec une simplicité surprenante. Ils ont découvert que ces probabilités pouvaient être cartographiées sur une structure géométrique connue sous le nom d'espace de Hilbert. En termes courants, il s'agit d'un espace mathématique où chaque résultat possible d'une expérience correspond à une direction ou à un point spécifique. Les chercheurs ont démontré que cet espace n'est pas une invention arbitraire des physiciens, mais une conséquence nécessaire du comportement des données. Si l'on tente de décrire la séquence des mesures quantiques sans cette structure, les mathématiques ne fonctionnent tout simplement pas.

En poursuivant la construction de leur modèle, l'équipe a constaté que les outils familiers de la mécanique quantique commençaient à apparaître naturellement. Les « projecteurs » utilisés dans la théorie standard pour représenter l'acte de mesure sont apparus comme les briques fondamentales de leur nouveau cadre. L'« état » d'un système, qui dans la vision standard est un instantané de la condition d'une particule, a été réinterprété comme un enregistrement de la manière dont le système a été initialisé. Plus important encore, les lois du mouvement qui régissent la façon dont un système change au fil du temps ont été dérivées directement des données. L'équipe a découvert que le système évolue selon une règle qui ressemble exactement à l'équation de Schrödinger standard, pilotée par une quantité appelée Hamiltonien. Cela a confirmé que leur nouvelle approche, qui partait de zéro hypothèse sur les mathématiques sous-jacentes, mène inévitablement à la même puissance prédictive que la théorie établie.

Cependant, le nouveau formalisme n'est pas seulement une reformulation de l'ancien ; il change l'histoire de ce qui se passe réellement. Dans la vision standard, l'état quantique est l'objet maître, le personnage central qui dicte tout. Dans cette nouvelle image de la bi-trajectoire, l'objet maître est la mesure des deux trajectoires elles-mêmes. L'« état » est rétrogradé au rang de simple description de la manière dont l'expérience a commencé. Ce changement a des implications profondes pour l'un des plus vieux problèmes de la physique : le problème de la mesure. La théorie standard peine à expliquer comment un système quantique devient un objet classique lors de l'observation, nécessissant souvent une coupure artificielle entre les deux. Le nouveau cadre, en traitant le système comme un jeu continu de trajectoires vers l'avant et vers l'arrière, élimine le besoin de cette division nette. Il suggère que la transition du monde quantique vers le monde classique n'est pas un effondrement soudain, mais un processus graduel où les deux trajectoires de la bi-trajectoire commencent à se chevaucher et à s'aligner, fusionnant efficacement en une seule trajectoire classique.

Les chercheurs ont également exploré comment cette nouvelle vision traite les systèmes qui interagissent entre eux. Ils ont découvert que lorsque deux systèmes quantiques interagissent, leurs bi-trajectoires s'enchevêtrent, ce qui signifie que la trajectoire d'un système dépend de celle de l'autre. Cela fournit un moyen naturel de décrire comment un système quantique peut influencer un dispositif de mesure, qui est souvent traité comme un objet classique. En modélisant le dispositif de mesure comme un système qui a été poussé vers une limite classique, l'équipe a montré comment l'information sur le système quantique est encodée dans le comportement du dispositif, sans nécessiter un effondrement mystérieux et instantané. Cela offre une voie prometteuse vers la construction de modèles réalistes de la manière dont les mesures fonctionnent réellement, en traitant l'observateur et l'observé comme faisant partie d'un processus physique unique et continu.

Bien que le nouveau formalisme concorde parfaitement avec toutes les prédictions expérimentales de la théorie standard, il offre une perspective nouvelle sur la nature de la réalité. Il suggère que les caractéristiques étranges de la mécanique quantique, telles que l'impossibilité de définir une trajectoire unique pour une particule, ne sont pas des défauts de notre compréhension mais des propriétés fondamentales du fonctionnement de l'univers. L'approche de la bi-trajectoire ne prétend pas avoir résolu tous les mystères, ni prouver que la théorie standard est erronée. Au contraire, elle offre un prisme différent pour observer les mêmes données, un prisme qui pourrait aider les physiciens à aborder des problèmes restés obstinément insolubles pendant des décennies. En montnant que la machinerie complexe de la mécanique quantique peut être déduite de l'acte simple d'observer des séquences d'événements, l'équipe a ouvert une porte vers une compréhension plus profonde du monde quantique, une compréhension qui pourra peut-être, à terme, nous permettre de voir la machinerie derrière la magie.