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Effondrement de l'onde quantique par l'observation


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Bonjour à tous !

 

Je suis en train de lire un Nième livre de vulgarisation sur la physique quantique, et je me rend compte qu'il y a un concept que je n'ai jamais compris.

 

Dans l'expérience de la double fente de Young, la particule peut soit se comporter comme une onde et faire des franges d'interférences, soit se comporter comme un corps et faire 2 franges. Il semble que la lumière se comporte comme une onde lorsque l'on ne l'observe pas, et que cette onde se "fixe" à un endroit précis lorsqu'on l'observe au détecteur. On dit que la fonction d'onde s'effondre pour apparaitre fixée dans notre réalité.

 

Jusque là d'accord. Seulement : ça veut dire quoi "observer" ? Notre réalité est fixée justement parce qu'à l'échelle macroscopique, les particules réagissent comme si elles étaient constamment observées (c'est le principe de la décohérence). Mais alors, pourquoi la simple présence d'un scientifique dans un laboratoire ne suffit-elle pas à faire effondrer l'onde quantique ? Il observe pourtant son expérience non ?

 

Je vais expliquer mon problème autrement. Imaginez les deux situations suivantes 

1) Un scientifique dans son laboratoire réalise l'expérience de la fente de Young et ne branche aucun détecteur au niveau des fentes : on observe des franges d'interférences.

1) Un scientifique dans son laboratoire réalise l'expérience de la fente de Young et branche un détecteur au niveau des fentes : on observe seulement 2 franges.

 

Ici, on a deux situations extrêmes avec un détecteur éteint ou allumé, et on a donc les deux situations possibles. Mais qu'en est-il pour l'entre deux ? A quelle distance, par exemple, peut-on mettre le détecteur pour continuer à avoir l'aspect corpusculaire ? A 1cm la particule va-elle considérée qu'elle est encore observée ou non ? A 2cm ? à  10 centimètres ? Et si le détecteur, on le met exactement au niveau du scientifique ?

 

Et dernière question : dans l'expérience de Young, le passage des franges d'interférences à 2 franges se fait comment exactement ? En un temps court ? Un temps long ? Instantanément ? 

 

Merci pour vos réponses, car j'ai mon cerveau qui fume là haha ! Bonne journée !

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il y a 12 minutes, AstronomieLorraine a dit :

Je suis en train de lire un Nième livre de vulgarisation sur la physique quantique, et je me rend compte qu'il y a UN concept que je n'ai jamais compris.

 

Veinard !

  • Haha 1
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Posted (edited)

Bonjour

 

Citation

 

Dans l'expérience de la double fente de Young, la particule peut soit se comporter comme une onde et faire des franges d'interférences, soit se comporter comme un corps et faire 2 franges. Il semble que la lumière se comporte comme une onde lorsque l'on ne l'observe pas, et que cette onde se "fixe" à un endroit précis lorsqu'on l'observe au détecteur. On dit que la fonction d'onde s'effondre pour apparaitre fixée dans notre réalité.

 

Non ce n'est pas comme ça que ça marche.

Il est possible de produire des photons un par un avec un certain dispositif. Si on dirige ce dispositif vers un détecteur on sera capable de les compter, au fur et à mesure qu'ils sont émis  : On mesure l'effet "corpusculaire".

Si on dirige ces photons, toujours émis un par un, vers 2 fentes, on observera des figures d'interférences, ce qui est surprenant car 1 seul photon ne devrait logiquement pas pouvoir interagir avec lui même. Cette fois  on mesure l'effet "ondulatoire".

Par conte il est impossible de simultanément de compter les photons, et de former des franges d'interférence.

 

Citation

Et dernière question : dans l'expérience de Young, le passage des franges d'interférences à 2 franges se fait comment exactement ? En un temps court ? Un temps long ? Instantanément ? 

 

Je ne comprend pas très bien le sens de la question...

Edited by Hans Gruber
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il y a 42 minutes, Hans Gruber a dit :

Il est possible de produire des photons un par un avec un certain dispositif. Si on dirige ce dispositif vers un détecteur on sera capable de les compter, au fur et à mesure qu'ils sont émis  : On mesure l'effet "corpusculaire".

Si on dirige ces photons, toujours émis un par un, vers 2 fentes, on observera des figures d'interférences, ce qui est surprenant car 1 seul photon ne devrait logiquement pas pouvoir interagir avec lui même. Cette fois  on mesure l'effet "ondulatoire".

Par conte il est impossible de simultanément de compter les photons, et de former des franges d'interférence.

 

Oui je vois bien le paradoxe : on sait émettre des particules l'une après l'autre, et on voit ensuite qu'en passant dans les fentes elles se comportent comme étant des ondes. Mais justement, vous dites "Il est impossible de simultanément compter les photons et former des franges d'interférences". Cela veut dire que si on compte les photons, on obtient deux franges simples. Jusqu'ici, je suis d'accord.

 

Donc si on considère un moment ou je ne fait aucune détection, il y aura donc des franges d'interférences. Mais si tout à coup, à un instant t, je décide d'allumer mon détecteur et de mesurer le passage des particules une à une, la fonction d'onde s'effondre, et on voit apparaitre deux franges. Cela signifie qu'il y a un moment précis ou ce que l'on voit sur l'écran change : on passe des franges d'interférences à deux franges. D'où ma question : en combien de temps se produit le phénomène ? Combien de temps dure cette transition entre le fait de voir des franges d'interférence et les deux franges ? C'est instantané ou juste très rapide ?

 

Et justement, ça veut dire quoi "compter les photons" ? L'observation détruit la fonction d'onde et fixe la particule comme étant un corps : c'est donc qu'il y a eu une interaction entre la mesure et la particule. Mais jusqu'à quelle distance peut-on "mesurer des photons" ? Je veux dire que si on recul progressivement le détecteur de la fente, existe-il un moment précis où la particule considère qu'elle n'est plus observée et redevient une onde ( = les deux franges redeviennent des franges d'interférences) ?

 

Je sais pas si je me fais bien comprendre ou pas ^^

 

 

Edited by AstronomieLorraine
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Non c'est plus pragmatique que ça : Si on place un détecteur sur le trajet du photon il n'arrivera pas sur les fentes, donc il n'y a pas d'interférence.

Si on place un miroir semi réfléchissant, qui peut soit envoyer le photon vers un détecteur, soit vers les fentes, on ne pourra pas à la fois avoir une détection et apparition des franges.

La mesure du photon est forcément "destructive"

 

Edited by Hans Gruber
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il y a une heure, AstronomieLorraine a dit :

Je sais pas si je me fais bien comprendre ou pas ^^

Humm ! Demandez donc à un ami de vous observer en train d'observer un phénomène quantique à deux états pour faire simple au départ. Votre exemple du photon corpusculaire "ou exclusivement" ondulatoire est parfait pour commencer. Ensuite demandez à cet ami de vous dire quel état quantique il a mesuré, étant entendu que nous ne remettons pas en cause un principe fondateur, celui de la superposition.

 

Mettez la bière au frais, la discussion va être longue, passionnée et "abyssalement" indéterministe sans jamais devenir "hautement" probabiliste.

 

Tenez nous au courant

 

Ney

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il y a 38 minutes, Hans Gruber a dit :

Non c'est plus pragmatique que ça : Si on place un détecteur sur le trajet du photon il n'arrivera pas sur les fentes, donc il n'y a pas d'interférence.

Si on place un miroir semi réfléchissant, qui peut soit envoyer le photon vers un détecteur, soit vers les fentes, on ne pourra pas à la fois avoir une détection et apparition des franges.

La mesure du photon est forcément "destructive"

 

 

D'accord merci !

 

Mais quand vous dites "la mesure du photon est forcément destructive" ça fait référence à quoi "mesurer" ? 

 

De ce que j'ai pu voir, le système de détection c'est une lumière vive qu'on place proche des fentes dans le but d'exciter les particules, et c'est cette excitation qu'on détecte à proximité des fentes (expérience menée par Feynmann). Mais si ce système de détection est placé à 1cm des fentes, ça marche encore ? A 2cm ? à 1m ? à l'autre bout de la pièce ? A quel moment la physique considère que la mesure est suffisamment imprécise (car plus on s'éloigne du signal, moins on est précis) pour décider de ne plus détruire l'onde en corpuscule ?

 

Si je voulais généraliser ma question, en faite ce serais celle-ci : je ne comprend pas quel est le système de mesure minimal que l'on doit placer dans l'expérience de Young pour avoir un pouvoir destructif sur l'onde. Car théoriquement, notre oeil aussi est un système de détection capable de faire des mesures. Pourtant, il ne suffit pas à faire apparaitre les deux fentes ( = faire apparaitre l'aspect corpusculaire de la particule). Pourquoi une caméra, elle, y arrive t'elle ?

 

Merci pour tes réponses d'ailleurs ! :)

 

Edited by AstronomieLorraine
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Posted (edited)

Que l'appareil de mesure se trouve à 1mm ou à1km, du moment qu'il effectue une mesure, elle sera destructive. C'est la mesure qui est destructive, pas la proximité de l'appareil.

Et dans cas on n'observe AUCUNE frange, la distribution des impacts étant aléatoire.

Edited by rmor51
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Il y a 1 heure, AstronomieLorraine a dit :

Si je voulais généraliser ma question, en faite ce serais celle-ci : je ne comprend pas quel est le système de mesure minimal que l'on doit placer dans l'expérience de Young pour avoir un pouvoir destructif sur l'onde. Car théoriquement, notre oeil aussi est un système de détection capable de faire des mesures. Pourtant, il ne suffit pas à faire apparaitre les deux fentes ( = faire apparaitre l'aspect corpusculaire de la particule). Pourquoi une caméra, elle, y arrive t'elle ?

 

Merci pour tes réponses d'ailleurs ! :)

 

 

Avec un seul photon on produit des franges, mais celles ci sont très difficiles, voire impossible à observer. Ce n'est qu'en cumulant du signal (exactement comme lorsque l'on fait de la pose longue en astrophoto) qu'on les voit apparaitre peu à peu.

 

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il y a 20 minutes, Hans Gruber a dit :

 

Avec un seul photon on produit des franges, mais celles ci sont très difficiles, voire impossible à observer. Ce n'est qu'en cumulant du signal (exactement comme lorsque l'on fait de la pose longue en astrophoto) qu'on les voit apparaitre peu à peu.

 

 

Sorry mais je n'ai pas compris en quoi ça répond à ma question. 😕  Pour résumé encore autrement ma question :

 

Avec une mesure = on voit 2 franges. Sans mesure = on voit des interférences. Mais à quel moment précisément on passe de l'un à l'autre ?

 

A quel moment la particule considère qu'on la mesure ? Car encore une fois, une "mesure" c'est un terme flou. L'œil d'un scientifique aussi "mesure" la lumière en un certain sens. Alors pourquoi l'œil du scientifique n'a pas un effet destructif sur la fonction d'onde ?

 

EDIT : je crois avoir compris en lisant la page wikipédia de l'expérience =>

 

Si j'ai bien compris, mesure = interaction lumière/électron

 

L'interprétation quantique de l'expérience repose sur le fait qu'une particule individuelle se retrouve dans un état superposé à la suite du franchissement des fentes. On peut interpréter ce fait en disant que la particule est passé par les deux fentes en même temps. Mais que se passe-t-il si, insatisfait par cette interprétation des choses, on cherche à détecter par quelle fente la particule « est réellement passée » ?

Le résultat net de l'expérience (reproduite par Frabboni) avec des électrons est qu'on détecte bien que l'électron passe soit dans la fente de droite, soit dans la fente de gauche, mais alors la figure d'interférence disparait : l'électron n'est plus dans un état superposé à cause de l'interaction avec un photon en vue d'une mesure (qu'on détecte l'électron ou non). L'interaction de l'électron avec un photon au niveau de l'une des fentes provoque un « effondrement de la fonction d'onde » et de l'état superposé. Il n'existe aucun moyen de savoir de quel côté le quantum est passé sans éliminer le phénomène d'interférence.

Edited by AstronomieLorraine
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Ce que je comprends du truc c'est qu'une mesure c'est quand le photon interagit avec un détecteur. S'il y a interaction alors le photon est transformé en autre chose (je laisse les spécialistes dirent en quoi). 

Ce n'est pas comme compter les voitures sur le bord de la route. 

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Il y a 1 heure, morbli a dit :

Ce que je comprends du truc c'est qu'une mesure c'est quand le photon interagit avec un détecteur. S'il y a interaction alors le photon est transformé en autre chose (je laisse les spécialistes dirent en quoi). 

Ce n'est pas comme compter les voitures sur le bord de la route. 

 

c'est exactement ça, à un détail près : Compter des voitures a aussi une incidence sur elle, mais à une échelle tellement infime que l'effet n'est pas significatif.

Il faut comprendre que toute mesure a une incidence sur ce qui est mesuré, et quand on mesure la plus petite quantité d’énergie possible (un seul photon) il ne reste plus rien.

 

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à propos de l'intervention de sofra, mardi à 18h20, youtube "La Dualité Onde-Corpuscule" :

 

Dans ce youtube, il est question de l'expérience de V. Jacques, E Wu, F. Grosshans, F. Treussart, P. Grangier, A. Aspect, "Expérimental Realisation of Wheeler's Delayed Choice Gedanken Expriment", Science, 315, Issue 5814, p. 916, 2007. Il se trouve que je connais (un peu) Alain Aspect. Il se trouve aussi que je connais (assez bien) Jean-Louis Basdevant, qui a enseigné la physique quantique à l'Ecole Polytechnique pendant plusieurs décennies (jusqu'au début du XXIe siècle).

En 2019, Basdevant a écrit un livre "15 leçons de mécanique quantique", De Boer Sup., 2019. Dans son chapitre 9 "Le Photon", il démolit l'article "Expérimental Realisation of Wheeler's Delayed Choice Gedanken Expriment". Basdevant a demandé à quelques personnes, dont moi, de vérifier cette conclusion. A mon grand regret (j'étais un grand admirateur de Wheeler) il me semble bien que Basdevant a raison. Mais je reste perplexe, car je n'ai pas encore vu d'article "officiel" sur ce sujet.

 

 

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