An Exactly Solvable Model of Local Energy Oscillations in Everettian Branching

Dans le monde quantique, les règles de la conservation de l'énergie sont généralement absolues. Si l'on additionne l'énergie de chaque particule d'un système fermé, ce montant total ne change jamais ; il se déplace simplement d'un endroit à un autre. Ce principe est vrai que l'on observe un pendule oscillant ou une particule subatomique. Cependant, une interprétation spécifique de la mécanique quantique, connue sous le nom d'Interprétation des Mondes Multiples, introduit un tournant déroutant. Cette vision suggère que lorsqu'une mesure a lieu, l'univers ne s'effondre pas en un résultat unique. Au lieu de cela, il se divise en plusieurs versions parallèles de la réalité, souvent appelées « branches », où chaque résultat possible d'un événement se produit réellement. Pendant des décennies, les physiciens ont débattu d'une question subtile au sein de ce cadre : si l'énergie totale de l'univers entier est strictement conservée, l'énergie à l'intérieur d'une seule de ces nouvelles branches qui se sont séparées reste-t-elle également constante ? Il semblait possible qu'un observateur vivant à l'intérieur d'une seule branche puisse voir l'énergie apparaître ou disparaître, créant une violation locale de la physique même si le total global restait parfait.

Un chercheur de l'Institut de Technologie de Bandung a désormais construit un modèle mathématique précis pour trancher cette question. En créant une version simplifiée et soluble d'une mesure quantique impliquant seulement deux minuscules particules, l'étude suit exactement comment l'énergie se comporte lors de la division du système. Le travail démontre que si l'énergie totale de l'ensemble du système reste parfaitement stable, l'énergie mesurée par un observateur piégé à l'intérieur d'une seule branche peut effectivement fluctuer de manière sauvage. Le chercheur a découvert que ces fluctuations locales ne sont pas le signe d'une physique brisée. Au contraire, elles sont une conséquence naturelle de la façon dont le « poids » ou la probabilité de chaque branche change au fil du temps. À mesure que l'énergie dans une branche augmente, la probabilité que cette branche existe diminue d'un montant correspondant, garantissant que la somme globale ne vacille jamais.

Pour étudier cela, le chercheur a construit un modèle utilisant deux bits quantiques, ou qubits, qui servent de système de mesure et de dispositif de mesure. Un qubit représente l'objet mesuré et l'autre représente l'appareil. Ils interagissent par le biais d'une connexion spécifique qui leur permet d'échanger de l'énergie, de la même manière que deux pendules connectés par un ressort pourraient échanger leur mouvement de va-et-vient. L'étude a commencé avec le système dans un état de superposition, où l'objet est dans deux états à la fois, et l'appareil est prêt à mesurer. Au fil du temps, l'interaction a provoqué l'intrication des deux qubits, un processus qui divise effectivement l'univers unique en deux branches distinctes. Dans une branche, l'appareil enregistre un résultat « zéro », et dans l'autre, il enregistre un résultat « un ».

Le chercheur a ensuite calculé l'énergie à l'intérieur de chacune de ces branches émergentes séparément. Les résultats ont révélé une asymétrie frappante. Dans la branche où l'appareil a enregistré un « un », l'énergie est restée parfaitement plate et constante au fil du temps. Cela pourrait sembler être un résultat ennuyeux, mais c'était crucial pour comprendre le mécanisme. Le chercheur a montré que cette stabilité ne se produisait pas parce que la branche était dans un état d'énergie spécial et immuable. C'était constant simplement parce que les règles de l'interaction restreignaient cette branche à une configuration spécifique et unique. C'était une limitation structurelle, et non un état de repos.

Dans l'autre branche, où l'appareil a enregistré un « zéro », l'histoire était complètement différente. L'énergie à l'intérieur de cette branche ne restait pas immobile ; elle oscillait, montant et descendant selon un motif rythmique et régulier. À certains moments, l'énergie dans cette branche était à son plus bas, et à d'autres, elle était à son plus haut. Pour un observateur vivant à l'intérieur de cette branche spécifique, il semblerait que l'énergie soit créée et détruite, violant les lois fondamentales de la thermodynamique. Cependant, le chercheur a prouvé que ce n'était qu'une illusion causée par le fait de ne regarder qu'une partie de l'ensemble de l'image.

La clé de la solution résidait dans la probabilité de chaque branche. À mesure que l'énergie dans la branche oscillante montait vers son sommet, la probabilité que vous vous trouviez dans cette branche chutait à son point le plus bas. Inversement, quand l'énergie dans cette branche était basse, la probabilité de son existence était élevée. Le chercheur a calculé que ces deux changements s'annulaient parfaitement. Lorsque vous multipliez l'énergie fluctuante par la probabilité changeante, le résultat est un nombre constant. Ce équilibre mathématique garantit que si vous additionniez l'énergie de toutes les branches, pondérée par leur probabilité d'occurrence, le total resterait exactement le même qu'au début. L'étude a confirmé cela avec des simulations informatiques de haute précision, montrant que l'énergie totale ne dérivait pas de plus d'une partie sur un milliard, une différence si petite qu'elle est effectivement nulle.

La recherche a également exploré comment ces branches se séparent les unes des autres. Initialement, les deux possibilités étaient liées, permettant d'interférer les unes avec les autres comme des ondes qui se chevauchent. À mesure que l'interaction continuait, cette connexion s'affaiblissait, et les branches devenaient des réalités distinctes et séparées. Le chercheur a suivi cette séparation en mesurant la quantité d'information partagée entre les deux parties du système. Les données ont montré qu'à mesure que les branches devenaient plus isolées, l'interférence entre elles disparaissait, laissant place à deux mondes indépendants. Ce processus s'est produit rapidement, en un seul cycle de l'échange d'énergie, reflétant la façon dont les mesures du monde réel semblent se produire instantanément.

L'une des découvertes les plus significatives de l'étude fut de corriger une incompréhension courante concernant la raison pour laquelle une branche avait une énergie constante. Beaucoup pourraient supposer qu'une branche avec une énergie stable doit être dans un état spécial et immuable de l'univers. Le chercheur a explicitement exclu cela, montrant que l'énergie constante était le résultat de la branche étant confinée à un seul type de configuration par la conservation du nombre total d'excitations. C'était une contrainte géométrique, et non un état d'équilibre. Cette distinction est vitale car elle prouve qu'un observateur peut expérimenter un niveau d'énergie stable sans être dans un état spécial et immuable de l'univers.

L'étude a également testé la robustesse de ce comportement en modifiant la force de la connexion entre les deux qubits. Que la connexion soit faible ou forte, le même schéma émergeait : une branche restait plate, l'autre oscillait, et les probabilités se déplaçaient pour maintenir l'énergie totale conservée. Cette cohérence à travers différentes conditions suggère que le phénomène est une caractéristique fondamentale de la façon dont les systèmes quantiques se divisent, plutôt qu'un hasard lié à une configuration spécifique. Le chercheur a noté que bien que ce modèle n'utilise que deux particules, la logique sous-jacente devrait s'appliquer à des systèmes plus larges et plus complexes, bien que les oscillations deviendraient plus compliquées et la séparation entre les branches deviendrait permanente plutôt que temporaire.

Enfin, ce travail apporte une réponse mathématique claire à une question de longue date sur les fondements de la physique quantique. Il montre que la violation apparente de la conservation de l'énergie dans une seule branche n'est pas une faille de la théorie, mais une caractéristique naturelle du fait de vivre à l'intérieur d'un sous-système d'un univers unitaire plus vaste. L'énergie ne disparaît pas et n'apparaît pas de nulle part ; elle est simplement redistribuée entre l'énergie de la branche et la probabilité d'existence de cette branche. Pour un observateur à l'intérieur de l'une de ces branches, les lois de la physique peuvent sembler vaciller, mais du point de vue de l'univers entier, le bilan est toujours équilibré. L'étude confirme que l'Interprétation des Mondes Multiples peut accommoder des fluctuations d'énergie locales sans briser la règle universelle de conservation, offrant une explication rigoureuse de la manière dont notre expérience subjective de la réalité s'inscrit dans un cadre globalement cohérent.