Question (existentielle) sur la décohérence

firestorm54 · Message par **firestorm54** » 25/03/2007 - 18:50:48

Bonjour,
Je me pose une question sur la décohérence quantique, et j’aimerais beaucoup qu’un spécialiste m’éclaire de ses lumières, s’il veut bien prendre le temps de lire les quelques lignes ci-dessous. Je résume brièvement ce que j’ai compris, ou cru comprendre.
Un atome, ou tout système, possède (ou se présente sous) un état quantique, caractérisé par une superposition intérieure d'états, qui explique certaines propriétés de la matière (les couleurs, la conductibilité ?), et un comportement classique, caractérisé par un état simple, qui explique d'autres propriétés. Si ces deux états, quantique et classique, sont fonctionnels et observables à tout instant, cela suppose qu'ils coexistent dans la matière, de même que la physique quantique coexiste avec la physique classique.
Le passage de l'état quantique au comportement classique, la décohérence, est due aux interactions de l'atome, ou du système, avec son environnement, qui détruisent, brouillent les interférences quantiques du système, et sa superposition d'états intérieurs, donc lui font adopter un comportement classique. (Peut-on dire que l'état quantique est un état individuel d'un système, et l'état décohéré un état collectif ?)
Cette destruction des interférences possède un temps donné, elle n'est pas instantanée : d'après ce que j'ai lu, sa vitesse augmente avec la taille du système, un chat, qui comporte 10 puissance 27 particules, décohère en 10 puissance -23 secondes (c'est pourquoi, pour essayer d'observer la décohérence, on choisit un système de petite taille).
Voilà ma question : tout système, et notamment notre organisme, n'existe-t-il pas à la fois, au même instant (au sens d’un instant donné du monde réel), dans un état quantique, où nos atomes sont dans une superposition intérieure d'états d'énergie, nos particules dans plusieurs positions à la fois, et dans un comportement classique, décohéré, celui où s'appliquent les lois sûres de la physique classique ? Ces deux états, ou comportements, différents, étant séparés par un intervalle de 10 puissance -x secondes, le temps de la décohérence, déterminé par la taille de cet organisme, le nombre de particules qui le constituent ? Et la décohérence, étant liée aux interactions de chacun des atomes avec son environnement, n'est-elle pas un processus permanent dans notre organisme, comme dans tout système, expliquant que tous les objets puissent avoir à la fois des propriétés quantiques et des propriétés classiques ? Enfin, si la vitesse de cette décohérence, dans un objet macroscopique, augmente avec la taille du système, n'y a-t-il pas une frontière qui n'est pas seulement une question de choix de l'observateur d'isoler un système plus ou moins grand, mais une frontière objective, définissant le nombre d'atomes constituant le système et qui interagissent entre eux - qui, en interagissant d'autant plus qu'ils sont plus nombreux, expliqueraient que les interférences quantiques soient brouillées d'autant plus vite ? Mais alors, comment expliquer qu’un atome, en tant qu’il appartient à un système plus petit, comme le foie du chat, devrait décohérer en, mettons, 10 puissance -5 secondes, et en tant qu’il appartient aussi à un système plus grand, comme le chat tout entier, décohère en 10 puissance -23 secondes ?
Pardon pour les approximations scientifiques, et merci beaucoup à celui qui prendra quelques minutes pour me répondre, car j'aimerais vraiment comprendre.

Message par **fffred** » 27/03/2007 - 11:18:46

Je vais essayer de te répondre avec ce que je sais sur ce sujet très intéressant :

firestorm54 a écrit :Un atome, ou tout système, possède (ou se présente sous) un état quantique, caractérisé par une superposition intérieure d'états, qui explique certaines propriétés de la matière (les couleurs, la conductibilité ?), et un comportement classique, caractérisé par un état simple, qui explique d'autres propriétés. Si ces deux états, quantique et classique, sont fonctionnels et observables à tout instant, cela suppose qu'ils coexistent dans la matière, de même que la physique quantique coexiste avec la physique classique.

Il n'y a pas de "cohabitation" entre physique classique et quantique. Si tu veux résoudre le système d'une façon la plus exacte possible, il faut utiliser la mécanique quantique. La physique classique ne te donnera qu'une approximation de la physique quantique. Cependant cette approximation est souvent, dans le cas de systèmes macroscopiques, très très très très proche de ce que donne la résolution quantique.

firestorm54 a écrit :Le passage de l'état quantique au comportement classique, la décohérence, est due aux interactions de l'atome, ou du système, avec son environnement, qui détruisent, brouillent les interférences quantiques du système, et sa superposition d'états intérieurs, donc lui font adopter un comportement classique. (Peut-on dire que l'état quantique est un état individuel d'un système, et l'état décohéré un état collectif ?)

Tu as raison lorsque tu dis "la décohérence, est due aux interactions de l'atome, ou du système, avec son environnement, qui détruisent, brouillent les interférences quantiques du système, et sa superposition d'états intérieurs". En effet, si par exemple deux atomes sont "cohérents" (même phase), les collisions avec les atomes voisins (par exemple) peuvent modifier leur phase, ce qui fera qu'au bout d'un moment il n'y aura plus aucune relation entre leurs deux phases => interférences impossibles =>les effets de la physique quantique ne se font plus ressentir.

Mais de dire que l'on passe de la physique quantique à la physique classique me parait trop : le comportement des atomes est toujours quantique, mais il nous apparaît comme classique.

firestorm54 a écrit :Peut-on dire que l'état quantique est un état individuel d'un système, et l'état décohéré un état collectif ?

Non ! il existe des processus quantiques cohérents produits à partir d'un grand nombre d'atomes ou de photons. Par exemple l'effet laser est obtenu par amplification cohérente de lumière, les condensats de bose-einstein sont des gazs macroscopiques d'atomes cohérents, on sait stocker de la lumière dans un ensemble d'atomes cohérents, ... Autre exemple, l'écho de photon : en envoyant deux pulses de lumière bien paramétrés sur un ensemble d'atomes, on arrive à exciter leurs cohérences en même temps, et ainsi à leur faire émettre, un peu plus tard, un nouveau pulse.

firestorm54 a écrit :Cette destruction des interférences possède un temps donné, elle n'est pas instantanée : d'après ce que j'ai lu, sa vitesse augmente avec la taille du système, un chat, qui comporte 10 puissance 27 particules, décohère en 10 puissance -23 secondes (c'est pourquoi, pour essayer d'observer la décohérence, on choisit un système de petite taille).

C'est plus compliqué que cela. Il faut aussi prendre en compte le fait que deux atomes proches vont probablement garder leur cohérence relative plus longtemps que deux atomes éloignés.

firestorm54 a écrit :Voilà ma question : tout système, et notamment notre organisme, n'existe-t-il pas à la fois, au même instant (au sens d’un instant donné du monde réel), dans un état quantique, où nos atomes sont dans une superposition intérieure d'états d'énergie, nos particules dans plusieurs positions à la fois, et dans un comportement classique, décohéré, celui où s'appliquent les lois sûres de la physique classique ?

Encore une fois, la description quantique du système, en terme de niveaux d'énergie, d'état quantique, de cohérence, etc. est plus exacte que la description classique. On ne passe pas de l'une à l'autre. La mécanique quantique reste vrai. C'est juste que la description classique est moins fausse qu'avant : c'est devenu une bonne approximation. Les lois de la physique classique ne cohabitent pas avec celles de la physique quantique : elles sont uniquement très similaire à partir du moment où les cohérences sont perdues. Bref on ne peut pas dire que deux états (quantique et classique) coexistent : ce sont deux descriptions différentes du problème, mais qui marchent toutes les deux dans certaines conditions.

firestorm54 a écrit :Ces deux états, ou comportements, différents, étant séparés par un intervalle de 10 puissance -x secondes, le temps de la décohérence, déterminé par la taille de cet organisme, le nombre de particules qui le constituent ?

Encore une fois on ne peut pas dire que ce sont deux états "séparés". Ce sont deux descriptions différente : l'une est vraie tout le temps, l'autre est vraie au bout d'un moment.

firestorm54 a écrit :Et la décohérence, étant liée aux interactions de chacun des atomes avec son environnement, n'est-elle pas un processus permanent dans notre organisme, comme dans tout système,

oui

firestorm54 a écrit :expliquant que tous les objets puissent avoir à la fois des propriétés quantiques et des propriétés classiques ?

euh si on veut, mais il est toujours sous-entendu que la mécanique quantique explique dans tous les cas la mécanique classique : cette dernière est seulement plus facile à calculer.

firestorm54 a écrit : la vitesse de cette décohérence, dans un objet macroscopique, augmente avec la taille du système, n'y a-t-il pas une frontière qui n'est pas seulement une question de choix de l'observateur d'isoler un système plus ou moins grand, mais une frontière objective, définissant le nombre d'atomes constituant le système et qui interagissent entre eux - qui, en interagissant d'autant plus qu'ils sont plus nombreux, expliqueraient que les interférences quantiques soient brouillées d'autant plus vite ?

Oui il y a probablement une frontière, mais pas aussi nette : il y a une distance caractéristique de cohérence, qui dépent probablement de plein de trucs et que je serais totalement incapable de calculer.

firestorm54 a écrit :Mais alors, comment expliquer qu’un atome, en tant qu’il appartient à un système plus petit, comme le foie du chat, devrait décohérer en, mettons, 10 puissance -5 secondes, et en tant qu’il appartient aussi à un système plus grand, comme le chat tout entier, décohère en 10 puissance -23 secondes ?

On ne dit pas qu'un atome décohère "tout seul". Il décohère par rapport à un autre atome : il va décohérer beaucoup plus vite par rapport à un atome proche que par rapport à un atome lointain. En effet il aura beaucoup moins d'interactions avec un atome lointain.

ouf ben dis donc, pas facile

firestorm54 · Message par **firestorm54** » 27/03/2007 - 12:18:34

Merci beaucoup de ta réponse très longue et très détaillée. Je retiens déjà, ou crois retenir, une première chose, sur le plan épistémologique, à partir de ta dernière phrase:

je suis certain que vous croyez avoir compris ce que j'essayais de vous dire, mais êtes-vous sûr que ce que j'ai dit correspondait vraiment à ce que je voulais dire ?

que toute discussion sur la physique quantique fait intervenir en fait trois interlocuteurs, en l'occurence la réalité quantique, toi, et moi, et qu'une question préalable est de savoir si la part d'incertitude, "que ce que j'ai dit correspondait vraiment à ce que je voulais dire ?", est due à toi ou à la réalité quantique - est-ce que l'écart éventuel entre ta pensée et ton discours est une question réthorique, de formulation, ou bien est-ce qu'il ne fait que transmettre une incertitude fondamentale, bref, que pour savoir vraiment, il ne faut pas que le physicien cherche trop à savoir vraiment...
Mais, autre question, quand tu dis:

il est toujours sous-entendu que la mécanique quantique explique dans tous les cas la mécanique classique : cette dernière est seulement plus facile à calculer

cela veut-il dire que les propriétés classiques de la matière sont en fait des cas limites de leurs propriétés quantiques (je ne me trompais pas à ce propos quand je parlais des couleurs, et de la conductibilité différente des matériaux?), plus simples, et surtout prévisibles ?
Une citation pour finir, que j'aime beaucoup (c'est Thomas de Quincey qui la cite, l'attribuant à "un auteur français", sans dire qui, malheureusement): "Le hasard n'est peut-être que le pseudonyme que prend Dieu quand il ne veut pas signer lui-même." Alors, le physicien qui fait la part de l'incertitude Lui emprunte peut-être son stylo...

Message par **fffred** » 27/03/2007 - 12:54:04

1.

2. oui la mécanique classique est un cas limite. Si elle permet d'expliquer certaines choses, elle ne permet pas d'en expliquer d'autres. La couleur : dépend souvent de spectres moléculaires nécéssitant de calculs quantiques. La conductivité : des modèles simples (drude par exemple) classiques ne peuvent pas tout expliquer et on a souvent recours à la quantique (supraconductivité, semiconducteurs, ...). D'ailleurs le comportement quantique est tout à fait prévisible pour les effets macroscopiques. A l'inverse, il existe de nombreux comportements classiques très difficiles à prévoir (chaotiques). Donc faire très attention à ce que les articles de vulgarisation disent à propos du hasard en mécanique quantique ...
3. pas mal comme citation ... mais je crois qu'il ne veut pas dire que dieu introduit une "incertitude" à la manière de la rhétorique du physicien.

Ze Venerable · Message par **Ze Venerable** » 28/03/2007 - 0:14:26

On a déja résolu des problèmes macroscopiques avec la physique quantique ?
(J'ai pas pris le temps de lire vos précédents posts, j'espère que c'est pas redondant)

Message par **fffred** » 28/03/2007 - 13:14:04

oui oui bien sur
les semiconducteurs par exemple on vraiment besoin de la physique quantique
la physique statistique nécessite la physique quantique pour déterminer les volumes élémentaires de l'espace des phases
l'IRM et la RMN sont des procédés couramment utilisés qui sont basés sur des comportements quantiques du spin (de façon macroscopique)
de plus toutes les techniques d'excitation cohérente d'un ensemble d'atomes (stockage de lumière, laser à atomes, echo de photon, ...) dont j'ai déjà parlé sont des manifestations de la physique quantique.
autre exemple, l'émission spontanée ne peut-etre expliquée correctement que par la mécanique quantique.
il y a plein d'autres exemples

Message par **fffred** » 29/03/2007 - 10:35:42

j'oubliais la structure en bandes des niveaux d'énergie de la plupart des matériaux

Maulus · Message par **Maulus** » 30/03/2007 - 14:39:18

fffred a écrit :j'oubliais la structure en bandes des niveaux d'énergie de la plupart des matériaux

tu parle du rayon de rotation de l'electron autour du noyau ?

la quantique pourait-elle expliquer la combustion spontanée ?

Message par **fffred** » 30/03/2007 - 15:38:12

Maulus a écrit :tu parle du rayon de rotation de l'electron autour du noyau ?

Non pas vraiment. Ca c'est la vision classique d'un seul atome. Je parlais de l'énergie des électrons contenus dans un matériau : la proximité des atomes tend à faire en sorte que les électrons se délocalisent. Cela revient à dire que leur énergie est modifiée par la présence des autres atomes et ils peuvent donc sortir de leur "orbite".

Maulus a écrit :la quantique pourait-elle expliquer la combustion spontanée ?

euh la combustion spontanée de quoi ??

Maulus · Message par **Maulus** » 30/03/2007 - 16:04:33

fffred a écrit :
Maulus a écrit :tu parle du rayon de rotation de l'electron autour du noyau ?
Non pas vraiment. Ca c'est la vision classique d'un seul atome. Je parlais de l'énergie des électrons contenus dans un matériau : la proximité des atomes tend à faire en sorte que les électrons se délocalisent. Cela revient à dire que leur énergie est modifiée par la présence des autres atomes et ils peuvent donc sortir de leur "orbite".

Maulus a écrit :la quantique pourait-elle expliquer la combustion spontanée ?
euh la combustion spontanée de quoi ??

Tu veux dire que les atomes modifient leur état quantique en échangeant/perdant des électrons (ionisation, courant electrique) ce qui les fait perdrent leur cohérence ? De fait, plus ils sont éloignés l'un de l'autre, plus leur décohérence est difficile ?

Oui je pense à la combustion spontannée parce que le seul moyen que je vois pour carboniser de la matière sans échauffement, c'est que la matière elle-meme ce dégrade à l'échelle atomique par un process X ou Y...

Message par **fffred** » 30/03/2007 - 17:35:42

Si les atomes sont proches alors il y aura plus de processus non cohérents je pense (collisions ...) donc à priori la décohérence de l'ensemble d'atomes devrait être en effet plus rapide.

Je ne connais pas bien l'origine de la combustion spontanée. Mais comme il s'agit probablement d'une brisure de liaison dans une molécule, alors la mécanique quantique y est peut-être importante. Je n'en sais pas plus là-dessus.

Ze Venerable · Message par **Ze Venerable** » 02/04/2007 - 13:43:49

ok fred, merci...
et pour un pb typique de méca classique, ça a déja été utilisée la MQ ?

Message par **fffred** » 02/04/2007 - 14:03:26

eeuuuh ben ya des problèmes similaires mais à beacoup plus petite échelle, car utiliser la MQ serait très compliqué, et donnerait des résultats tellement proches le la méca classique que la différence serait totalement insignifiante.
Par exemple on peut observer la vibration d'une barre de métal qui devient quantique à petite échelle.

Maulus · Message par **Maulus** » 03/04/2007 - 10:05:31

c'est un véritable problème d'echelle ça...
à partir de quelle echelle la MQ apporte des résultats différents de la méca classique...
à partir de quelle echelle doit on se servir de l'une ou de l'autre?
cette echelle varie en fonction du matériaux étudié ?

Message par **fffred** » 03/04/2007 - 10:14:55

il peut y avoir des résultats quantiques à grande échelle et je l'ai déjà dit plus haut !!!
C'est seulement pour des problèmes de mécanique (du type pendule, orbite des planètes, déplacement d'un mobile, ...) que la quantique est inutile.

Pour certaines propriétés des matériaux, la mécanique quantique peut se faire sentir quelquesoit l'échelle ...