Introduction
Comment la réalité objective émerge-t-elle de la palette de possibilités offerte par la mécanique quantique ? Cette question - la question la plus profonde et la plus controversée posée par la théorie - fait toujours l'objet d'arguments vieux d'un siècle. Les explications possibles de la manière dont les observations du monde produisent des résultats définis et « classiques », s'appuyant sur différentes interprétations de ce que signifie la mécanique quantique, n'ont fait que se multiplier au cours de ces quelque cent ans.
Mais maintenant, nous sommes peut-être prêts à éliminer au moins une série de propositions. Des expériences récentes ont mobilisé l'extrême sensibilité des instruments de physique des particules pour tester l'idée que "l'effondrement" des possibilités quantiques en une seule réalité classique n'est pas seulement une commodité mathématique mais un véritable processus physique - une idée appelée "effondrement physique". Les expériences ne trouvent aucune preuve des effets prédits par au moins les variétés les plus simples de ces modèles d'effondrement.
Il est encore trop tôt pour dire avec certitude que l'effondrement physique ne se produit pas. Certains chercheurs pensent que les modèles pourraient encore être modifiés pour échapper aux contraintes que leur imposent les résultats nuls des expériences. Mais alors qu'"il est toujours possible de sauver n'importe quel modèle", a déclaré Sandro Donadi, physicien théoricien à l'Institut national de physique nucléaire (INFN) de Trieste, en Italie, qui a dirigé l'une des expériences, il doute que "la communauté continuera à modifier les modèles [indéfiniment], car il n'y aura pas trop à apprendre en faisant ça. L'étau semble se resserrer sur cette tentative de résoudre le plus grand mystère de la théorie quantique.
Qu'est-ce qui cause l'effondrement ?
Les modèles d'effondrement physique visent à résoudre un dilemme central de la théorie quantique conventionnelle. En 1926, Erwin Schrödinger affirmé qu'un objet quantique est décrit par une entité mathématique appelée fonction d'onde, qui encapsule tout ce qui peut être dit sur l'objet et ses propriétés. Comme son nom l'indique, une fonction d'onde décrit une sorte d'onde, mais pas une onde physique. Il s'agit plutôt d'une «onde de probabilité», qui nous permet de prédire les différents résultats possibles des mesures effectuées sur l'objet, et la chance d'observer l'un d'eux dans une expérience donnée.
Introduction
Si de nombreuses mesures sont effectuées sur de tels objets lorsqu'ils sont préparés de manière identique, la fonction d'onde prédit toujours correctement la distribution statistique des résultats. Mais il n'y a aucun moyen de savoir quel sera le résultat d'une seule mesure - la mécanique quantique n'offre que des probabilités. Qu'est-ce qui détermine une observation spécifique ? En 1932, le physicien mathématicien John von Neumann a proposé que, lorsqu'une mesure est effectuée, la fonction d'onde est "effondrée" dans l'un des résultats possibles. Le processus est essentiellement aléatoire mais biaisé par les probabilités qu'il encode. La mécanique quantique elle-même ne semble pas prédire l'effondrement, qui doit être ajouté manuellement aux calculs.
En tant qu'astuce mathématique ad hoc, cela fonctionne assez bien. Mais cela semblait (et continue de sembler) à certains chercheurs un tour de passe-passe insatisfaisant. Einstein l'a comparé à Dieu jouant aux dés pour décider ce qui devient "réel" - ce que nous observons réellement dans notre monde classique. Le physicien danois Niels Bohr, dans son interprétation dite de Copenhague, a simplement prononcé la question hors limites, affirmant que les physiciens devaient simplement accepter une distinction fondamentale entre les régimes quantique et classique. En revanche, en 1957, le physicien Hugh Everett a affirmé que l'effondrement de la fonction d'onde n'est qu'une illusion et qu'en fait tous les résultats sont réalisés dans un nombre presque infini d'univers ramifiés - ce que les physiciens appellent maintenant "de nombreux mondes. »
La vérité est que "la cause fondamentale de l'effondrement de la fonction d'onde est encore inconnue", a déclaré Inwook-Kim, physicien au Lawrence Livermore National Laboratory en Californie. "Pourquoi et comment cela se produit-il?"
En 1986, les physiciens italiens Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini et Tullio Weber suggéré une réponse. Et si, disaient-ils, l'équation d'onde de Schrödinger n'était pas toute l'histoire ? Ils ont postulé qu'un système quantique est constamment poussé par une influence inconnue qui peut l'inciter à sauter spontanément dans l'un des états observables possibles du système, sur une échelle de temps qui dépend de la taille du système. Un petit système isolé, tel qu'un atome dans une superposition quantique (un état dans lequel plusieurs résultats de mesure sont possibles), le restera très longtemps. Mais des objets plus gros - un chat, par exemple, ou un atome lorsqu'il interagit avec un appareil de mesure macroscopique - s'effondrent presque instantanément dans un état classique bien défini. Ce soi-disant modèle GRW (d'après les initiales du trio) a été le premier modèle d'effondrement physique ; un plus tard raffinement connu sous le nom de modèle de localisation spontanée continue (CSL) impliquait un effondrement progressif et continu plutôt qu'un saut soudain. Ces modèles ne sont pas tant des interprétations de la mécanique quantique que des ajouts à celle-ci, a déclaré le physicien Madeleine Zych de l'Université du Queensland en Australie.
Qu'est-ce qui cause cette localisation spontanée via l'effondrement de la fonction d'onde ? Les modèles GRW et CSL ne le disent pas ; ils suggèrent simplement d'ajouter un terme mathématique à l'équation de Schrödinger pour la décrire. Mais dans les années 1980 et 90, les physiciens mathématiciens Roger Penrose de l'Université d'Oxford et Lajos Diósi de l'Université Eötvös Loránd de Budapest ont proposé indépendamment une cause possible de l'effondrement : la gravité. En gros, leur idée était que si un objet quantique se trouve dans une superposition d'emplacements, chaque état de position "sentira" les autres via leur interaction gravitationnelle. C'est comme si cette attraction faisait se mesurer l'objet, le forçant à s'effondrer. Ou si vous le regardez du point de vue de la relativité générale, qui décrit la gravité, une superposition de localités déforme le tissu de l'espace-temps de deux manières différentes à la fois, une circonstance que la relativité générale ne peut pas accepter. Comme Penrose l'a dit, dans une impasse entre la mécanique quantique et la relativité générale, le quantique craquera en premier.
L'épreuve de la vérité
Ces idées ont toujours été hautement spéculatives. Mais, contrairement aux explications de la mécanique quantique comme les interprétations de Copenhague et d'Everett, les modèles d'effondrement physique ont la vertu de faire des prédictions observables - et donc d'être testables et falsifiables.
S'il existe effectivement une perturbation de fond qui provoque un effondrement quantique - qu'elle provienne d'effets gravitationnels ou d'autre chose - alors toutes les particules interagiront continuellement avec cette perturbation, qu'elles soient en superposition ou non. Les conséquences doivent en principe être détectables. L'interaction devrait créer un "zigzag permanent de particules dans l'espace" comparable au mouvement brownien, a déclaré Catalina Curceanu, physicienne à l'INFN.
Les modèles actuels d'effondrement physique suggèrent que ce mouvement de diffusion n'est que très faible. Néanmoins, si la particule est chargée électriquement, le mouvement générera un rayonnement électromagnétique dans un processus appelé bremsstrahlung. Un morceau de matière devrait donc émettre en continu un très faible flux de photons, que les versions typiques des modèles prédisent être dans la gamme des rayons X. Donadi et son collègue Angelo Bassi avons montré que l'émission d'un tel rayonnement est attendue de tout modèle d'effondrement spontané dynamique, y compris le modèle Diósi-Penrose.
Pourtant, "si l'idée est simple, en pratique, le test n'est pas si facile", a déclaré Kim. Le signal prédit est extrêmement faible, ce qui signifie qu'une expérience doit impliquer un nombre énorme de particules chargées pour obtenir un signal détectable. Et le bruit de fond - qui provient de sources telles que les rayons cosmiques et les radiations dans l'environnement - doit être maintenu à un faible niveau. Ces conditions ne peuvent être satisfaites que par les expériences les plus extrêmement sensibles, telles que celles conçues pour détecter les signaux de la matière noire ou les particules insaisissables appelées neutrinos.
En 1996, Qijia Fu du Hamilton College de New York - alors juste étudiant de premier cycle - proposé utilisant des expériences de neutrinos à base de germanium pour détecter une signature CSL d'émission de rayons X. (Des semaines après avoir soumis son article, il a été frappé par la foudre lors d'une randonnée dans l'Utah et tué.) L'idée était que les protons et les électrons du germanium devraient émettre le rayonnement spontané, que les détecteurs ultrasensibles capteraient. Pourtant, ce n'est que récemment que des instruments dotés de la sensibilité requise ont été mis en ligne.
En 2020, une équipe en Italie, comprenant Donadi, Bassi et Curceanu, ainsi que Diósi en Hongrie, a utilisé un détecteur au germanium de ce type pour tester le modèle Diósi-Penrose. Les détecteurs, créés pour une expérience sur les neutrinos appelée IGEX, sont protégés des radiations en raison de leur emplacement sous le Gran Sasso, une montagne de la chaîne des Apennins en Italie.
Introduction
Après avoir soigneusement soustrait le signal de fond restant - principalement la radioactivité naturelle de la roche - les physiciens n'a vu aucune émission à un niveau de sensibilité qui excluait la forme la plus simple du modèle Diósi-Penrose. Ils aussi placé des limites fortes sur les paramètres dans lesquels divers modèles CSL pourraient encore fonctionner. Le modèle GRW original se trouve juste dans cette fenêtre étroite : il a survécu par une moustache.
Dans un article publié en août, le résultat de 2020 a été confirmé et renforcé par une expérience appelée le démonstrateur Majorana, qui a été mise en place principalement pour rechercher des particules hypothétiques appelées neutrinos de Majorana (qui ont la curieuse propriété d'être leurs propres antiparticules). L'expérience est hébergée dans le Sanford Underground Research Facility, qui se trouve à près de 5,000 XNUMX pieds sous terre dans une ancienne mine d'or du Dakota du Sud. Il dispose d'un plus grand réseau de détecteurs au germanium de haute pureté que l'IGEX, et ils peuvent détecter les rayons X jusqu'aux basses énergies. "Notre limite est beaucoup plus stricte par rapport aux travaux précédents", a déclaré Kim, membre de l'équipe.
Une fin désordonnée
Bien que les modèles d'effondrement physique soient gravement malades, ils ne sont pas tout à fait morts. "Les différents modèles font des hypothèses très différentes sur la nature et les propriétés de l'effondrement", a déclaré Kim. Les tests expérimentaux ont maintenant exclu les possibilités les plus plausibles pour ces valeurs, mais il reste encore une petite île d'espoir.
Les modèles de localisation spontanée continue proposent que l'entité physique perturbant la fonction d'onde soit une sorte de "champ de bruit", que les tests actuels supposent être un bruit blanc : uniforme à toutes les fréquences. C'est l'hypothèse la plus simple. Mais il est possible que le bruit soit « coloré », par exemple en ayant une coupure haute fréquence. Curceanu a déclaré que tester ces modèles plus compliqués nécessitera de mesurer le spectre d'émission à des énergies plus élevées que ce qui a été possible jusqu'à présent.
Introduction
L'expérience Majorana Demonstrator tire à sa fin, mais l'équipe forme une nouvelle collaboration avec une expérience appelée Gerda, basé au Gran Sasso, pour créer une autre expérience sondant la masse des neutrinos. Appelé La Légende, il aura des réseaux de détecteurs au germanium plus massifs et donc plus sensibles. "Legend pourrait être en mesure de repousser les limites des modèles CSL", a déclaré Kim. Il y a aussi propositions en vers les tests ces modèles dans des expériences spatiales, qui ne souffriront pas du bruit produit par les vibrations environnementales.
La falsification est un travail difficile et atteint rarement un point final bien rangé. Même maintenant, selon Curceanu, Roger Penrose - qui a reçu le Prix Nobel de physique 2020 pour son travail sur la relativité générale - travaille sur une version du modèle Diósi-Penrose dans laquelle il n'y a pas de rayonnement spontané du tout.
Tout de même, certains soupçonnent que pour cette vision de la mécanique quantique, l'écriture est sur le mur. "Ce que nous devons faire, c'est repenser ce que ces modèles essaient d'accomplir", a déclaré Zych, "et voir si les problèmes de motivation peuvent ne pas avoir une meilleure réponse grâce à une approche différente." Bien que peu de gens diraient que le problème de la mesure n'est plus un problème, nous avons également beaucoup appris, au cours des années qui ont suivi la proposition des premiers modèles d'effondrement, sur ce qu'implique la mesure quantique. "Je pense que nous devons revenir à la question de savoir pourquoi ces modèles ont été créés il y a des décennies", a-t-elle déclaré, "et prendre au sérieux ce que nous avons appris entre-temps."
