Paradoxe EPR
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Le paradoxe (Un paradoxe est une proposition qui contient ou semble contenir une contradiction logique, ou un raisonnement qui, bien que sans faille apparente, aboutit...) Einstein-Podolsky-Rosen, abrégé en EPR, est une expérience de pensée élaborée par Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le 18 avril 1955 à Princeton, New Jersey) est un physicien qui fut successivement allemand, puis...), Boris Podolsky, et Nathan Rosen, et dont le but premier était de réfuter l'interprétation de Copenhague de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) quantique.

L'interprétation de Copenhague s'oppose à l'existence d'un quelconque état d'un système quantique avant toute mesure. En effet, il n'existe pas de preuve que cet état existe avant son observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) et le supposer amène à certaines contradictions.

Or, si deux particules sont émises et qu'une relation de conservation existe entre une de leurs propriétés (par exemple la somme de leurs spins doit être 0), la connaissance d'une des propriétés de l'une nous informe instantanément sur l'état de l'autre particule. Mais cette dernière peut à l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.) de la mesure se trouver à plusieurs kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en...), et ne peut être informée de l'état de la première ! Comment croire dans ces conditions que cette propriété n'était pas déterminée dès le départ, en contradiction (Une contradiction existe lorsque deux affirmations, idées, ou actions s'excluent mutuellement.) avec la représentation de Copenhague ?

Ce paradoxe fut élaboré par Albert Einstein et deux de ses collaborateurs Boris Podolsky et Nathan Rosen pour soulever ce qui semblait apparaître comme une contradiction dans la mécanique quantique (Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques qu'on regroupe sous l'appellation générale de physique quantique. Cette dénomination s'oppose à celle de...), ou du moins une contradiction avec au moins l'une des trois hypothèses suivantes :

  1. l'impossibilité pour un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit...) de dépasser la vitesse (On distingue :) c (causalité relativiste) ;
  2. la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de...) quantique est complète et décrit entièrement la réalité (pas de variables cachées) ;
  3. les deux particules éloignées forment des éléments indépendants de la réalité (Non localité).

L'intrication : deux interprétations possibles

Soient deux photons intriqués, polarisés perpendiculairement l'un par rapport à l'autre. Ces photons sont dans un état superposé de deux possibilités : 1) Le premier photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...) est polarisé verticalement et le second horizontalement 2) L'état inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1 désigne...). Alors la mesure de la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique,...) d'un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point de vue...) implique nécessairement que le second photon sera polarisé perpendiculairement au premier, quel que soit l'état de polarisation mesuré pour un photon (que l'on ne peut prévoir à l'avance).

En effet, selon la mécanique quantique, avant la mesure, la polarisation de ces photons est indéterminée (En mathématiques, une indéterminée est le concept permettant de formaliser des objets comme les polynômes formels, les fractions rationnelles ou encore les...). Les photons sont dans un état superposé entre les polarisations horizontale et verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.), c’est-à-dire qu'il y a une chance sur deux d'obtenir une polarisation horizontale lors de la mesure, et une chance sur deux d'obtenir une polarisation verticale.

Etant donné que l'état de polarisation de chaque photon semble aléatoirement déterminé au moment de la mesure, comment expliquer que les deux photons soient toujours perpendiculaires ? Deux interprétations sont possibles :

  • la mesure de la polarisation d'un des photons entraine une polarisation du second photon perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin per-pendiculum (fil à plomb) et justifie la généralisation de la...) à celle du premier. C'est le point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de Niels Bohr (Niels Henrik David Bohr (7 octobre 1885 à Copenhague, Danemark - 18 novembre 1962 à Copenhague) est un physicien danois. Il...) quand il en a débattu en 1930 au congrès de Bruxelles.
  • l'état des deux photons est déterminé avant la mesure, au moment de leur intrication, et est révèlé au moment de la mesure. C'est la position d'Albert Einstein, partisan du déterminisme. Pour lui, les états des particules existaient avant la mesure. Si deux particules sont corrélées, c'est donc parce qu'elles l'étaient dès le début, et non au moment de la mesure.

Le paradoxe

Ce n'était en apparence qu'un débat (Un débat est une discussion (constructive) sur un sujet, précis ou de fond, annoncé à l'avance, à laquelle prennent part des individus ayant des avis, idées, réflexions ou opinions...) philosophique entre deux manières de voir des phénomènes car ces deux points de vue donnaient a priori le même résultat. Mais dans certaines conditions particulières ces deux conceptions n'étaient pas compatibles. Albert Einstein a élaboré un paradoxe: le paradoxe EPR (Le paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen, abrégé en EPR, est une expérience de pensée élaborée par Albert Einstein, Boris Podolsky, et Nathan Rosen, et dont le but premier était de réfuter...), du nom de ses inventeurs.

Le principe du paradoxe est de mesurer simultanément (dans un intervalle de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) suffisamment court pour que l'information n'ait pas le temps de se propager d'une particule à l'autre) deux grandeurs s'excluant, telles que la position et la vitesse, ce qui serait en violation avec les inégalités d'Heisenberg, et qui donnerait plus d'information que ce que la mécanique quantique prétend décrire, pour prouver que cette théorie est incomplète.

Einstein propose ensuite d'améliorer la mécanique quantique en introduisant une théorie utilisant des variables cachées.

Le débat entre Einstein et Bohr

Niels Bohr a répondu immédiatement en rejetant les variables cachées et en insistant sur le fait que les états quantiques n'existent pas tant qu'ils n'ont pas été mesurés. Avant la mesure, on ne peut que prévoir des probabilités d'obtenir certaines valeurs pour un état quantique (En mécanique quantique, l'état d'un système décrit tous les aspects du système physique. Il est représenté par un objet mathématique qui donne le maximum d'information possible sur le système, dans le but de...). Il n'y a de déterminisme dans une mesure que si la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de...) de l'observer est de 1.

Le débat entre Einstein et Bohr sur ce paradoxe a duré 20 ans, jusqu'à la fin de leur vie (La vie est le nom donné :).

Les expériences

En 1964, John Stewart Bell (Bell Aircraft Corporation est un constructeur aéronautique américain fondé le 10 juillet 1935. Après avoir construit des avions de combat durant la Seconde Guerre mondiale, mais aussi le premier...) produisit un théorème (Un théorème est une proposition qui peut être mathématiquement démontrée, c'est-à-dire une assertion qui peut être établie comme vraie au...) permettant de quantifier les implications du paradoxe EPR, ouvrant la voie à l'expérimentation : dès lors la résolution du paradoxe EPR pouvait devenir une question expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il s'agit...), plutôt qu'un choix épistémologique.

La technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de l'époque ne permettait pas de réaliser une expérience testant les inégalités de Bell (), mais Alain Aspect (Alain Aspect est un physicien français né en 1947. Il est reconnu, entre autre, pour avoir conduit le premier test concluant portant sur un des paradoxes fondamentaux de la mécanique quantique, le paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen.) a pu le réaliser en 1981, puis en 1982, à Orsay, confirmant la validité des prédictions de la mécanique quantique dans le cas du paradoxe EPR. Cette expérience d'Aspect procédait d'une idée qu'il avait publiée dès 1976[1]mais que personne n'avait reprise depuis.

En 1988-1989, d'autres expériences (Maryland, Rochester[2][3]), encore plus perfectionnées, ont permis de tester les intrications à très grande distance et de combler des petites failles expérimentales laissées ouvertes par les expériences d'Orsay.

Toutefois, si ces expériences impliquent que l'on renonce à l'une des trois hypothèses (on s'est décidé pour la localité), elle ne permettent nullement la transmission d'un signal plus vite que la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée à la...) (sans quoi d'ailleurs soit la causalité, soit la relativité serait violée).

Un enthousiasme encombrant

Un colloque organisé de façon hâtive à Cordoue — non par des physiciens, bien que plusieurs fussent invités — fut l'occasion pour un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de " parapsychologues " ou spécialistes des " sciences occultes " de se réclamer de cette expérience pour alléguer de la possibilité théorique de phénomènes comme télépathie, télékinésie et autres, au milieu de physiciens qui ne pouvaient démentir. Cette excitation explicable sans doute par la nouveauté du propos se calma par la suite, et l'effet EPR fait aujourd'hui partie du quotidien de la physique.

Des conclusions plus sereines

Les points établis par cette expérience sont les suivants 
  • Les inégalités de Bell sont violées (ce qui implique que l'hypothèse de localité est fausse) ;
  • Il n'existe donc pas de variables cachées locales (c’est-à-dire attachées aux particules) contrairement à ce qu'espérait Einstein (en revanche, l'expérience n'exclut pas les théories à variables cachées non-locales) ;
  • Si on veut conserver l'hypothèse d'une limite à la vitesse de transmission d'une information (c, vitesse de la lumière), il faut admettre que deux particules créées conjointement, même géographiquement séparées, peuvent continuer à se comporter comme un système unique (non-localité).

Finalement le principe de causalité reste valable, mais on ne peut considérer les destins des deux particules comme des événements distincts, ayant ou non un rapport de cause à effet.

Interprétation romanesque

Le chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de...) Etienne Klein donne une métaphore très touchante de l'effet EPR: Deux coeurs qui ont interagi dans le passé ne peuvent plus être considérés de la même manière que s'ils ne s'étaient jamais rencontrés. Marqués à jamais par leur rencontre, ils forment un tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) inséparable. Si cette interprétation n'améliore pas forcément la compréhension physique du phénomène, elle brise le mythe selon lequel les scientifiques sont dépourvus de sentiments.

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