Le paradoxe EPR N’a pas réussi à discréditer l’interprétation de Copenhague

Par Dan Hooper, Ph.D., Université de Chicago
 Une illustration d'une expérience en cours pour démontrer le paradoxe EPR.
Une illustration de l’expérience de pensée du paradoxe EPR, qui est réalisée ici en utilisant des paires électron-positron. (Image: Krishnavedala / Domaine public)

Qu’Est-Ce Que Le Réalisme Scientifique ?

Einstein était mal à l’aise avec la façon dont une particule donnée pouvait se trouver à plusieurs endroits à la fois ou comment elle pouvait se déplacer à plusieurs vitesses, toutes simultanément, selon l’interprétation de Copenhague. Après des années de débats et de réflexions, Einstein en est finalement venu à adopter et à insister sur une position philosophique connue sous le nom de réalisme scientifique pour contrer cela.

Comme Einstein l’a vu, on est un réaliste scientifique s’il croit en l’existence d’un état réel et bien défini du monde, et que le monde existe indépendamment de toute observation que vous pourriez en faire. En d’autres termes, le monde est une chose réelle et bien définie qui existe indépendamment de nous. En l’observant, nous pouvons apprendre des choses sur le monde, mais nos observations ne font pas du monde ce qu’il est.

L’insistance d’Einstein sur le réalisme scientifique contrastait fortement avec l’interprétation de Copenhague de la mécanique quantique. Selon l’interprétation de Copenhague, un électron pourrait se trouver à plusieurs endroits en même temps, mais lorsqu’une observation est faite d’un électron, sa fonction d’onde s’effondre et elle se transforme en n’étant plus à plusieurs endroits mais en un seul. Cette interprétation n’était pas compatible avec les idées d’Einstein sur le monde ou son adhésion au réalisme scientifique.

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La Théorie de la Mécanique Quantique est-elle incomplète ?

Même si Einstein n’était pas d’accord avec l’interprétation de Copenhague, il devait accepter que les prédictions faites avec les équations de la mécanique quantique étaient en accord avec un certain nombre de mesures et de tests de laboratoire. La mécanique quantique ne semblait pas être simplement fausse.

 Portrait d'Albert Einstein en 1931.
Un portrait d’Albert Einstein de 1931, environ quatre ans avant qu’il ne publie l’article EPR avec Podolsky et Rosen. (Image: Doris Ulmann / Division des estampes et Photographies de la Bibliothèque du Congrès)

Il a donc concentré ses efforts sur la démonstration que la théorie de la mécanique quantique était en quelque sorte incomplète. Einstein espérait pouvoir trouver une version plus complète de la mécanique quantique, déterministe et compatible avec le réalisme scientifique.

Cependant, toutes les objections philosophiques qu’Einstein a réussi à soulever contre les interprétations de Copenhague étaient au mieux subjectives et n’ont pas réussi à persuader d’autres physiciens que la vision consensuelle de la théorie quantique était incorrecte ou incomplète.

Einstein devait exposer une incohérence logique ou identifier un problème majeur dans l’interprétation de Copenhague qui pourrait être reconnu comme une faille fatale pour convaincre ses collègues.

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Enchevêtrement quantique et paradoxe EPR

 Titre du New York Times qui dit qu'Einstein attaque la théorie quantique.
Un titre du New York Times du 4 mai 1935, après la publication du document EPR. (Image : New York Times / Domaine public)

Pendant un certain nombre d’années, Einstein pensait à des groupes de particules avec des fonctions d’onde qui dépendent directement les unes des autres. Aujourd’hui, nous appelons ces fonctions d’onde « enchevêtrées », mais cette terminologie n’avait pas encore été inventée à la fin des années 1920.

Alors qu’Einstein n’avait pas encore complètement exploré ou compris les implications de l’intrication quantique, il a reconnu que l’intrication quantique était une conséquence inévitable de l’interprétation de Copenhague de la mécanique quantique. Il a également reconnu qu’un comportement particulièrement étrange pouvait résulter d’un enchevêtrement quantique.

En 1933, Einstein a pris un poste à l’Institute for Advanced Study de Princeton, après avoir fui l’Allemagne nazie. Là, il a travaillé avec deux autres physiciens, Boris Podolsky et Nathan Rosen. Au cours des deux années suivantes, ils ont écrit un article influent intitulé « Une Description Mécanique Quantique de la Réalité Physique peut-elle être considérée Comme Complète? »Cet article contenait la première description de ce qui allait devenir connu sous le nom de paradoxe EPR ou paradoxe d’Einstein-Podolsky-Rosen.

Ceci est une transcription de la série vidéo What Einstein Got Wrong. Regardez-le maintenant, sur Les Grands Parcours Plus.

L’article de l’EPR décrivait une expérience hypothétique, destinée à démontrer ce qu’Einstein considérait comme les conséquences paradoxales de l’interprétation de Copenhague. L’expérience EPR était l’une des expériences de pensée les plus célèbres d’Einstein.

Un certain nombre de versions différentes de l’expérience de pensée EPR ont été discutées et proposées au fil des ans. Ils ont tous les mêmes éléments de base, y compris une paire de particules qui commencent près l’une de l’autre et interagissent, puis se déplacent loin l’une de l’autre dans des directions différentes.

L’une des meilleures versions ultérieures décrit un atome sur le point de se désintégrer. Il produit deux particules de même masse. Puisque le système commence sans élan, la loi de conservation de l’élan indique que l’élan total des deux particules devra s’additionner à zéro. Cela signifie que ces deux particules doivent s’éloigner de l’atome dans des directions opposées, et à des vitesses égales.

Cependant, ce sont des particules quantiques sans valeurs uniques de leurs vitesses. Au lieu de cela, ils sont décrits par une fonction d’onde qui peut être utilisée pour calculer la probabilité qu’ils aient une vitesse particulière lorsqu’ils sont mesurés. De plus, avant toute mesure, les vitesses de ces particules ont plusieurs valeurs, et toutes en même temps.

Imaginez que ces particules se déplacent à une distance significative de l’atome et qu’elles deviennent de plus en plus séparées les unes des autres. Une fois qu’ils sont séparés, vous prenez une mesure de la vitesse de l’une des particules. Disons, par exemple, que vous mesurez la particule à une vitesse de 100 miles par heure.

Selon l’interprétation de Copenhague, en effectuant cette mesure, vous réduisez la fonction d’onde de la particule. Cependant, selon l’expérience EPR, vous semblez avoir également fait autre chose. Et c’est le point principal de l’expérience EPR.

Comme l’élan est toujours conservé, en mesurant la vitesse de l’une des particules, vous apprenez également la vitesse de l’autre particule. Après tout, les deux particules doivent se déplacer à des vitesses égales. Ainsi, en mesurant la vitesse de l’une des particules, vous ne provoquez pas seulement l’effondrement de la fonction d’onde de cette particule, vous effondrez également la fonction d’onde de l’autre particule. Sans vous approcher de la deuxième particule, vous avez en quelque sorte forcé sa fonction d’onde à s’effondrer.

Einstein croyait que ce genre de comportement était manifestement impossible. Il a soutenu qu’il n’y a rien que l’on puisse faire à une particule à un endroit qui puisse affecter une particule différente à un endroit différent. Alors que l’expérience EPR démontre que ce genre de chose doit se produire selon la vision de Copenhague de la mécanique quantique. Cette objection est l’essence même du paradoxe de l’EPR. Einstein pensait avoir finalement montré pourquoi la vue de Copenhague devait être incomplète. Ou peut-être même faux.

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La réponse de Niels Bohr au paradoxe EPR

Le physicien danois Niels Bohr, qui fut l’un des principaux partisans de l’interprétation de Copenhague de la mécanique quantique, a estimé qu’il était de sa responsabilité de répondre à l’attaque d’Einstein et de clarifier et peut-être de corriger la situation.

Bohr était convaincu que la mécanique quantique était une théorie valable, et il craignait que les attaques d’Einstein ne diminuent injustement sa crédibilité. Bohr a donc mis tout le reste de côté et a passé six semaines intenses à formuler et à rédiger une réponse au document EPR et à ses critiques de l’interprétation de Copenhague de la mécanique quantique.

Dans son article répondant au document EPR, Bohr n’a pas essayé de contester la conclusion selon laquelle l’interprétation de Copenhague conduit à l’enchevêtrement des fonctions d’onde. Il était clair que oui. Bohr a soutenu qu’il n’y avait rien d’incompatible logique avec l’enchevêtrement. L’enchevêtrement est étrange, mais cela ne signifie pas qu’il n’est pas aussi réel.

L’une des raisons pour lesquelles on pourrait s’opposer à l’intrication quantique est qu’elle semble impliquer un voyage plus rapide que la lumière. Selon la relativité, rien ne peut se déplacer dans l’espace plus vite que la vitesse de la lumière.

Ce problème apparent vient du fait que lorsque l’on mesure la vitesse d’une des particules dans l’expérience EPR, elle effondre instantanément les fonctions d’onde des deux particules. Étant donné qu’une distance importante sépare ces deux particules, cela semble nécessiter un voyage instantané dans l’espace.

Einstein a appelé cela une « action effrayante à distance », et cela semblait violer un principe central de la relativité.

Après un examen plus approfondi, il s’avère que l’enchevêtrement quantique peut sembler violer la relativité, mais en réalité ce n’est pas le cas. Plus précisément, il ne permet à aucune particule ou autre forme d’information de se déplacer entre deux emplacements à une vitesse plus rapide que la lumière. Deux particules peuvent être liées par leur enchevêtrement, mais cela ne pourrait jamais être utilisé pour envoyer un signal ou un objet, d’un endroit à un autre à une vitesse plus rapide que la vitesse de la lumière.

Bohr avait montré qu’un examen plus approfondi du paradoxe EPR révélait qu’il n’y avait vraiment aucun paradoxe là-bas. Bien que la réponse de Bohr ait peu fait changer d’avis Einstein, la plupart des physiciens semblent avoir trouvé sa réfutation convaincante. Aujourd’hui, le document EPR est largement considéré comme un faux pas par Einstein.

L’article de l’EPR a attiré l’attention sur les phénomènes d’enchevêtrement quantique, mais il n’a finalement pas fourni de preuve valable contre l’interprétation de Copenhague de la mécanique quantique. Einstein avait espéré que le document EPR porterait un coup fatal à la vision consensuelle de la mécanique quantique, mais la théorie a survécu et est devenue plus forte que jamais auparavant.

Questions courantes Sur le paradoxe EPR

Q: Pourquoi le paradoxe EPR est-il faux?

Einstein avait espéré que le paradoxe EPR, qui semblait suggérer que la théorie de la mécanique quantique était incomplète, finirait par dégonfler le consensus autour de l’interprétation de Copenhague. Le paradoxe EPR suggérait que les particules voyageaient à des vitesses plus rapides que celles de la lumière, ce qui violait les barrières de la relativité générale. Cependant, cela a été démontré plus tard comme incorrect. Par conséquent, le paradoxe EPR est faux.

Q : Quelle est la théorie de l’enchevêtrement?

La théorie de l’enchevêtrement dit que les particules quantiques qui sont enchevêtrées restent enchevêtrées, et toute action effectuée sur l’une des particules affecte également les autres particules, même si lesdites particules sont éloignées les unes des autres.

Q: L’enchevêtrement quantique est-il plus rapide que la lumière?

Non, l’enchevêtrement quantique suit les règles de la relativité et ne permet pas de voyager plus vite que la vitesse de la lumière. Les objets enchevêtrés se comportent de la même manière, ce qui donne l’impression de voyager plus vite que la lumière, mais aucun voyage ou communication réel plus rapide que la lumière n’a lieu.

Q: Qu’est-ce que la superposition et l’enchevêtrement?

En termes simples, l’intrication quantique fait référence au transfert d’informations entre une paire de particules quantiques. D’autre part, la superposition quantique fait référence à la théorie qui suggère que les particules quantiques existent simultanément dans plusieurs états.

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