What is the connection between quantum relationality and symmetry-based relationality?

La physique est depuis longtemps divisée en deux camps qui semblent parler des langues différentes. D'un côté se trouve la mécanique quantique, le code de la route du très petit, où les particules peuvent exister dans plusieurs états à la fois et où l'acte d'observer quelque chose semble changer sa nature. De l'autre côté se trouve la relativité générale, la théorie de la gravité et du très grand, où l'espace et le temps sont flexibles et où la position d'un objet n'a de sens que lorsqu'elle est comparée à autre chose. Pendant des décennies, les physiciens ont remarqué que les deux théories reposent largement sur l'idée de « relationalité » — la notion que les propriétés ne sont pas des faits absolus sur l'univers, mais plutôt des relations entre les choses. Dans le monde de la gravité, l'emplacement d'un objet est dénué de sens sans un point de référence, comme une horloge ou un repère. Dans le monde quantique, l'état d'une particule dépend souvent de celui qui la mesure. Pourtant, malgré cette dépendance commune aux relations, les deux théories sont restées obstinément séparées, et il n'était pas clair si leurs versions respectives de la « relationalité » étaient réellement la même chose ou simplement une coïncidence de vocabulaire.

Un nouvel article d'Emily Adlam propose une unification audacieuse : la nature relationnelle de la mécanique quantique n'est pas une bizarrerie étrange et unique du monde subatomique, mais est en fait exactement le même phénomène que celui trouvé dans la relativité. L'auteure suggère que la raison pour laquelle les états quantiques semblent changer en fonction de l'observateur est simplement qu'ils décrivent des propriétés qui sont intrinsèquement relatives, tout comme la direction ou la position dans l'espace. Dans cette perspective, un état quantique n'est pas une description de la réalité absolue d'une particule, mais une description de la manière dont cette particule se tient par rapport à un système de référence spécifique, tout comme une aiguille de boussole n'a de sens que lorsqu'elle est comparée au champ magnétique environnant. Si cette idée se vérifie, elle pourrait dissiper certains des mystères les plus profonds de la physique quantique, en particulier le puzzle déroutant de savoir comment une réalité unique et définie émerge d'un monde de possibilités.

Pour comprendre l'argument, il faut d'abord saisir la différence entre deux types de grandeurs physiques. En physique, certains faits sont absolus et immuables, tandis que d'autres sont « partiels ». Une observable partielle est une quantité qui peut être mesurée, mais qui n'a de sens que lorsqu'elle est liée à une référence. Par exemple, dire qu'une voiture roule à soixante miles à l'heure est une observable partielle ; cela n'est vrai que par rapport à la route. La vitesse elle-même n'est pas une propriété fixe de la voiture en isolation. En revanche, une observable « complète » est un fait entier et autonome, comme la distance entre la voiture et un arbre spécifique à un moment précis. Dans la théorie de la relativité, les physiciens savent depuis longtemps que nous ne pouvons mesurer que des observables partielles. Nous ne pouvons pas mesurer une vitesse absolue ou une direction absolue ; nous pouvons seulement mesurer comment les choses se rapportent à nos outils de mesure.

Adlam prend ce fait établi de la relativité et l'applique au domaine quantique. Elle soutient que chaque état quantique que nous avons jamais écrit ou mesuré décrit une observable partielle. Lorsqu'un physicien écrit un état quantique pour le spin d'une particule, il ne décrit pas une direction absolue vers laquelle le spin pointe dans l'univers. Au lieu de cela, il décrit l'orientation du spin par rapport à un axe spécifique, défini par l'appareil de mesure. L'article suggère que le célèbre paradoxe de « l'ami de Wigner » — une expérience de pensée où deux observateurs sont en désaccord sur le fait qu'une particule soit entrée en effondrement dans un état unique ou qu'elle demeure en superposition — provient simplement du fait que les deux observateurs utilisent des axes de référence différents. Un observateur décrit la particule par rapport à son propre équipement de laboratoire, tandis que l'autre la décrit par rapport à un cadre différent. Il n'y a pas de contradiction, soutient l'auteure, car les deux rapportent simplement des relations différentes.

L'article étaye ce cas en montrant que les états quantiques de propriétés variant selon la symétrie — des propriétés qui changent lorsque l'on fait pivoter ou que l'on déplace sa perspective — doivent toujours être relativisés. Si vous essayez de décrire un état quantique sans un système de référence, la description devient un mélange incohérent et désordonné qui perd toute l'information spécifique sur l'état de la particule. Cependant, une fois que vous introduisez un système de référence, comme une direction spécifique dans l'espace définie par un aimant, l'état quantique se fige en une forme claire et cohérente. L'auteure utilise un cadre développé par d'autres chercheurs pour démontrer qu'il est mathématiquement cohérent d'avoir une situation où la relation entre deux systèmes est un fait défini et non superposé, alors que l'état d'un système par rapport à l'autre apparaît en superposition. Cela signifie que la « bizarrerie » de la superposition quantique pourrait ne pas être une caractéristique de la réalité elle-même, mais une caractéristique de la manière dont nous décrivons les choses par rapport à un point de référence.

Cette perspective offre une nouvelle façon d'envisager le problème de la mesure, la difficulté de longue date consistant à expliquer pourquoi nous voyons un résultat unique alors qu'un système quantique semble être dans de nombreux états. Dans la mécanique quantique standard, la transition d'une superposition de possibilités à un résultat unique est souvent décrite comme un « effondrement » de la fonction d'onde, un processus mathématiquement abrupt et physiquement mystérieux. Adlam suggère que cet effondrement n'est pas un événement soudain et magique, mais une conséquence naturelle de l'interaction entre une observable partielle et un système de référence. Lorsqu'un système quantique interagit fortement avec un dispositif de mesure, le système n'est plus seulement une collection de propriétés relatives ; il s'enchevêtre avec le référentiel d'une manière qui brise les règles linéaires de l'évolution quantique. L'« effondrement » est simplement le moment où l'approximation consistant à traiter le système comme indépendant du référentiel échoue.

L'article ne prétend pas avoir résolu entièrement le problème de la mesure. Il ne fournit pas une nouvelle équation qui prédit exactement quand un effondrement se produit, ni n'offre un modèle complet du mécanisme physique qui lie le monde quantique relatif au monde classique absolu. Au lieu de cela, il suggère que la solution réside dans la reconnaissance du fait que la mécanique quantique s'applique uniquement aux observables partielles, tandis que les résultats définis que nous observons sont des observables complètes. L'auteure soutient que, parce que nous ne pouvons mesurer que des observables partielles, nous n'avons jamais réellement vu l'état quantique d'une observable complète. Le comportement étrange de la mécanique quantique, y compris la capacité d'être à deux endroits à la fois, s'applique uniquement aux quantités relatives et variant selon la symétrie. Les résultats uniques et définis que nous expérimentons sont les faits invariants et complets qui émergent lorsque ces quantités relatives sont liées à un système de référence.

En proposant que la relationalité quantique et la relationalité relativiste sont une seule et même chose, l'article comble un fossé qui sépare la physique depuis un siècle. Il suggère que l'univers n'est pas composé d'objets absolus et indépendants, mais de relations. L'état quantique n'est pas un instantané de l'âme d'une particule, mais une description de sa posture par rapport à l'observateur. Cette vision ne nous oblige pas à abandonner l'idée d'un monde réel et objectif ; elle recadre plutôt ce monde comme un réseau de connexions. L'article conclut que, bien que des travaux supplémentaires soient nécessaires pour décrire pleinement comment ces connexions se forment et se rompent, la voie à suivre est de cesser de chercher des états quantiques absolus pour commencer à comprendre la nature relationnelle spécifique des quantités que nous pouvons réellement mesurer. Ce faisant, l'article offre une explication logique et discrète de la raison pour laquelle le monde quantique semble si étrange : il est étrange uniquement parce que nous essayons de décrire des choses relatives comme si elles étaient absolues.