Des physiciens soupçonnent depuis longtemps que la mécanique quantique permet à deux observateurs de vivre des réalités différentes et contradictoires. Ils ont fait la première expérience qui le prouve.
Depuis 1961, le physicien Eugène Wigner, lauréat du prix Nobel de physique, décrit une expérience de pensée qui démontre l’un des paradoxes les moins connus de la mécanique quantique. L’expérience montre comment la nature étrange de l’univers permet à deux observateurs – ou plutôt l’ami de Wigner et Wigner – de vivre des réalités différentes.
Depuis lors, les physiciens ont utilisé l’expérience de pensée “ami de Wigner” pour explorer la nature de la quantification et pour discuter de l’existence de faits objectifs. C’est important parce que les scientifiques font des expériences pour établir des faits objectifs. Mais s’ils vivent des réalités différentes, l’argument est le suivant : comment peuvent-ils s’entendre sur ce que pourraient être ces faits ?
Cela a fourni du fil à retordre divertissant pour les conversations après le dîner, mais l’expérience de pensée de Wigner n’a jamais été plus que cela – juste une expérience de pensée.
L’an dernier, cependant, les physiciens ont remarqué que les progrès récents des technologies quantiques ont permis de reproduire le test de l’ami de Wigner dans une expérience réelle. En d’autres termes, il serait possible de créer des réalités différentes et de les comparer en laboratoire pour voir si elles peuvent être réconciliées.
Et aujourd’hui, Massimiliano Proietti de l’Université Heriot-Watt d’Edimbourg et quelques collègues disent qu’ils ont fait cette expérience pour la première fois : ils ont créé et comparé des réalités différentes. Leur conclusion est que Wigner avait raison – ces réalités peuvent être irréconciliables de sorte qu’il est impossible de s’entendre sur des faits objectifs concernant une expérience.
L’expérience de pensée originale de Wigner est simple en principe. Elle commence par un seul photon polarisé qui, lorsqu’il est mesuré, peut avoir soit une polarisation horizontale, soit une polarisation verticale. Mais avant la mesure, selon les lois de la mécanique quantique, le photon existe dans les deux états de polarisation en même temps, une soi-disant superposition.
Wigner a imaginé un ami dans un laboratoire différent mesurant l’état de ce photon et stockant le résultat, tandis que Wigner observait de loin. Wigner n’a aucune information sur la mesure de son ami et est donc forcé de supposer que le photon et sa mesure sont dans une superposition de tous les résultats possibles de l’expérience.
Wigner peut même effectuer une expérience pour déterminer si cette superposition existe ou non. Il s’agit d’une sorte d’expérience d’interférence montrant que le photon et la mesure sont en effet en superposition.
Du point de vue de Wigner, c’est un “fait” – la superposition existe. Et ce fait suggère qu’une mesure ne peut pas avoir eu lieu.
Mais cela contraste fortement avec le point de vue de l’ami, qui a effectivement mesuré la polarisation du photon et l’a enregistrée. L’ami peut même appeler Wigner et lui dire que la mesure a été faite (à condition que le résultat ne soit pas révélé).
Les deux réalités sont donc en contradiction l’une avec l’autre. “Cela remet en question le statut objectif des faits établis par les deux observateurs”, déclarent Proietti et Cie.
C’est la théorie, mais l’année dernière, Caslav Brukner, de l’Université de Vienne en Autriche, a trouvé un moyen de recréer l’expérience Wigner’s Friend en laboratoire au moyen de techniques impliquant l’emmêlement de plusieurs particules en même temps.
La percée que Proietti et ses associés ont réalisée est d’y parvenir. “Dans une expérience ultramoderne avec 6 photons, nous avons réalisé le scénario de l’ami de Wigner”, disent-ils.
Ils ont utilisé ces six photons emmêlés pour créer deux réalités alternatives, l’une représentant Wigner et l’autre représentant l’ami de Wigner. L’ami de Wigner mesure la polarisation d’un photon et stocke le résultat. Wigner effectue ensuite une mesure d’interférence pour déterminer si la mesure et le photon sont en superposition.
L’expérience donne un résultat sans ambiguïté. Il s’avère que les deux réalités peuvent coexister même si elles produisent des résultats irréconciliables, comme l’avait prédit Wigner.
Cela soulève des questions fascinantes qui obligent les physiciens à reconsidérer la nature de la réalité.
L’idée que les observateurs peuvent finalement concilier leurs mesures d’une réalité fondamentale repose sur plusieurs hypothèses. La première est qu’il existe des faits universels et que les observateurs peuvent s’entendre sur ceux-ci.
Mais il y a aussi d’autres hypothèses. La première est que les observateurs sont libres de faire toutes les observations qu’ils veulent. Et un autre est que les choix qu’un observateur fait n’influencent pas les choix que font les autres observateurs – une hypothèse que les physiciens appellent localité.
S’il y a une réalité objective sur laquelle tout le monde peut s’entendre, alors ces hypothèses sont toutes valables.
Mais les résultats de Proietti et Cie suggèrent que la réalité objective n’existe pas. En d’autres termes, l’expérience suggère qu’une ou plusieurs des hypothèses – l’idée qu’il existe une réalité sur laquelle nous pouvons nous entendre, l’idée que nous avons la liberté de choix, ou l’idée de localité – doivent être fausses.
Bien sûr, il y a une autre issue pour ceux qui s’accrochent à la vision conventionnelle de la réalité. C’est qu’il y a une autre faille que les expérimentateurs ont négligée. En effet, les physiciens ont essayé de combler des lacunes dans des expériences similaires pendant des années, bien qu’ils admettent qu’il ne sera peut-être jamais possible de les combler toutes.
Néanmoins, ces travaux ont des implications importantes pour le travail des scientifiques. “La méthode scientifique s’appuie sur des faits, établis par des mesures répétées et universellement acceptés, indépendamment de celui qui les a observés”, déclarent Proietti et al. Et pourtant, dans le même document, ils sapent cette idée, peut-être de façon fatale.
L’étape suivante est d’aller plus loin : construire des expériences créant des réalités alternatives de plus en plus bizarres et irréconciliables. Personne ne sait où cela nous mènera. Mais Wigner, et son ami, ne seraient sûrement pas surpris.
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