Foundational puzzles on quantum universality: From Wigner's friend to black holes
Cette thèse étudie les énigmes fondamentales de la théorie quantique en étendant les scénarios de l'ami de Wigner pour dériver de nouveaux résultats d'impossibilité sur la non-classicité et le libre choix, et en unifiant ces arguments avec les paradoxes de l'information des trous noirs afin de renforcer les contradictions liées au clonage et aux pare-feux tout en analysant les réponses des détecteurs à proximité de trous noirs en superposition.
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La physique moderne repose sur deux piliers imposants : la théorie quantique, qui régit le comportement de l'infiniment petit, et la relativité générale, qui décrit la courbure de l'espace et du temps causée par les objets massifs. Pendant plus d'un siècle, les scientifiques ont tenté d'unifier ces deux cadres en une seule théorie du tout, pourtant ils restent obstinément séparés. La tension est plus visible dans deux énigmes spécifiques. La première concerne l'acte de mesure lui-même. Dans le monde quantique, les particules peuvent exister dans un flou de multiples possibilités simultanées, un état connu sous le nom de superposition. Pourtant, lorsque nous les observons, elles se figent dans un état unique et défini. Il n'est pas clair pourquoi cela se produit, ni même ce qui constitue un « regard ». Le second puzzle implique les trous noirs, ces pièges cosmiques où la gravité est si forte que rien ne s'en échappe. Lorsque ces objets s'évaporent au fil du temps, ils semblent détruire l'information sur ce qui est tombé à l'intérieur d'eux, ce qui viole une règle fondamentale de la physique quantique stipulant que l'information ne peut jamais être perdue.
Une nouvelle thèse de Laurens Walleghem, chercheur à l'Université de York, plonge au cœur de ces contradictions. Ce travail ne propose pas de solution finale au mystère de l'univers, mais plutôt d'affiner les questions que nous devons poser. Il explore ce qui se passe lorsque nous appliquons les règles de la mécanique quantique avec assez de sérieux pour les appliquer aux observateurs eux-mêmes. Imaginez un scientifique à l'intérieur d'un laboratoire scellé mesurant une particule. Pour le scientifique, la particule a un résultat défini. Mais pour un observateur extérieur observant l'ensemble du laboratoire depuis la rue, le scientifique et la particule sont toujours dans un flou de possibilités jusqu'à ce que la porte soit ouverte. Ce scénario, connu sous le nom d'ami de Wigner, est depuis longtemps une expérience de pensée. Walleghem va plus loin, combinant cela avec la physique des trous noirs pour voir si les contradictions deviennent inévitables.
La première partie de la recherche affine un argument célèbre connu sous le nom de paradoxe de Frauchiger–Renner. Ce paradoxe implique plusieurs observateurs et des super-observateurs raisonnant sur les mesures les uns des autres. Les versions précédentes de cet argument reposaient sur une configuration spécifique, quelque peu fragile, où une contradiction n'apparaissait que si certains résultats rares se produisaient. Walleghem a construit une version plus robuste utilisant un arrangement spécifique de trois particules. Dans cette nouvelle configuration, la contradiction surgit à chaque passage de l'expérience, et non seulement lors des cas chanceux. Le résultat est un puissant théorème d'impossibilité (no-go theorem) : il prouve que vous ne pouvez pas maintenir simultanément trois croyances qui semblent parfaitement raisonnables. Vous ne pouvez pas croire que la théorie quantique s'applique à tout le monde et à tout, que chaque mesure possède une vérité absolue sur laquelle tout le monde s'accorde, et que les observateurs peuvent utiliser les règles de probabilité standard pour prédire ce que les autres verront. Le travail suggère que si nous voulons maintenir la théorie quantique comme universelle, nous devons accepter que les « faits » d'une expérience puissent ne pas être absolus pour tout le monde. Au lieu de cela, ce qui est vrai pour un observateur pourrait être relatif à sa perspective.
La seconde partie de la thèse tourne son regard vers le cosmos, spécifiquement vers les trous noirs. Ici, le chercheur combine la logique des paradoxes de l'observateur avec la physique des trous noirs pour créer des versions plus aiguës des paradoxes du clonage et du mur de feu (firewall). Le paradoxe du clonage demande comment l'information peut être à la fois à l'intérieur d'un trou noir et rayonnante à l'extérieur sans être copiée, ce qui est interdit. Le paradoxe du mur de feu suggère que le bord lisse d'un trou noir pourrait en réalité être un mur de feu. Walleghem montre que ces paradoxes ne sont pas de simples curiosités d'une théorie spécifique, mais des incohérences profondes dans notre description actuelle de l'univers. En traitant le trou noir et l'observateur comme des systèmes quantiques pouvant être en superposition, la recherche démontre qu'aucune théorie ne peut satisfaire toutes nos hypothèses standards sur la façon dont l'information et la gravité interagissent sans se heurter à un mur logique.
Pour aller au-delà de la simple mise en évidence de ces contradictions, la thèse effectue un calcul détaillé impliquant un détecteur de particules placé près d'un trou noir qui est en superposition de deux positions différentes. Il s'agit d'une configuration hautement théorique, imaginant un trou noir situé simultanément à deux distances différentes d'un détecteur. Le chercheur a utilisé un outil mathématique appelé référentiel quantique pour décrire cette situation, déplaçant essentiellement le point de vue de sorte que le détecteur soit stationnaire et que le trou noir soit celui qui possède une localisation floue et duale. L'objectif était de voir comment le détecteur réagirait à cet espace-temps étrange.
Le calcul a révélé quelque chose de spécifique sur la nature de la masse du trou noir. Dans des études précédentes, des chercheurs avaient trouvé que si un trou noir est en superposition de masses différentes, un détecteur enregistrerait des pics nets et distincts dans sa réponse, ce que certains interprétaient comme la preuve que la masse d'un trou noir vient par morceaux discrets, ou quanta. Le nouveau calcul de Walleghem, cependant, portait sur un trou noir en superposition de positions mais avec une masse unique et fixe. Dans ce cas, les pics nets ont totalement disparu. La réponse du détecteur était lisse et dépourvue de ces pics distincts. Cette découverte soutient l'idée que les pics nets observés dans d'autres scénarios sont effectivement une signature de la quantification de la masse, et non un trait général de n'importe quel trou noir quantique. Cela suggère que le « flou » de la localisation du trou noir ne crée pas le même signal dramatique que le « flou » de son poids.
Le travail conclut en soulignant que ces paradoxes ne sont pas de simples jeux mathématiques mais des indicateurs que notre compréhension actuelle de la réalité est incomplète. La recherche ne prétend pas avoir résolu le problème de l'information des trous noirs ou le problème de la mesure. Au contraire, elle agit comme un test de résistance rigoureux, montrant précisément là où nos hypothèses actuelles s'effondrent. En prouvant que certaines combinaisons de croyances mènent à des impossibilités logiques, la thèse force les physiciens à reconsidérer la nature de la réalité, le rôle de l'observateur et le comportement de la gravité au niveau quantique. Elle suggère que l'univers est peut-être plus relationnel que nous ne le pensions, où les faits ne sont pas des vérités absolues attendant d'être découvertes, mais des résultats qui dépendent de celui qui pose la question.
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