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Article. Rôle de l’Observateur et chat de Schrödinger
Claude Mayer 18/08/2017

Cette Note a pour objet de proposer une « solution » au paradoxe du chat de Schrödinger qui ne nécessite aucune explication supplémentaire, telle que la décohérence. L’argument s’appuie sur la nature des incertitudes et sur l’analyse détaillée d’une expérimentation en physique quantique ; le rôle (ou plutôt le non-rôle) de l’observateur quantique y est développé.

Deux types d’incertitude

D’une manière générale, les incertitudes sur un phénomène résultent de deux types de causes possibles :

L’incertitude due à l’ignorance, totale ou partielle, du déroulement ou des conditions du phénomène ; cette ignorance peut concerner un phénomène passé, mais partiellement inconnu, ou un processus déterministe en cours – qu’il soit chaotique ou non – dont on ne maîtrise pas tous les paramètres (exemples : ignorer la main d’un adversaire au Poker ; lancer des dés) ;

L’incertitude quantique, due à l’indétermination intrinsèque du phénomène : c’est alors que l’on parle de superposition quantique. Cette incertitude quantique disparaît à l’instant même de la réduction de la fonction d’onde (par exemple, lorsqu’un photon dont la position est probabiliste heurte une plaque photographique et y laisse une trace ponctuelle et déterminée).

En pratique, ces deux incertitudes se combinent, mais il faut absolument les distinguer.

Une question fondamentale qui se pose en physique quantique est celle de la mesure. Une mesure aboutit à la levée d’une indétermination, à la réduction d’une incertitude. Seule l’observation, effectuée par un observateur humain (ci-après l’Observateur), permet de lever cette incertitude. Mais encore faut-il distinguer, dans une mesure, la levée séparée des deux types d’incertitudes ci-dessus. C’est ce qu’on ne fait pas en général, et qui peut entraîner d’importantes confusions.

La levée de l’incertitude due à l’ignorance met en jeu l’Observateur : elle prend fin lorsque celui-ci observe le résultat du phénomène et prend conscience de ce résultat.

La levée de l’incertitude quantique pure n’implique en rien l’Observateur : elle prend fin à l’instant de la réduction de la fonction d’onde (par exemple, lorsque le photon heurte la plaque photographique, et excite un atome déterminé de cette plaque). L’Observateur (qu’il soit présent ou non à cet instant) ne joue aucun rôle dans ce phénomène, et ne peut d’ailleurs même pas le constater immédiatement (il faut d’abord développer la plaque photo…)

Appliquons ce raisonnement au chat de Schrödinger.

Supposons, dans la « cabine » où est enfermé le chat, et pour rester dans notre exemple de photon, qu’un photon soit capté par l’une ou l’autre de deux cellules photoélectriques : s’il est capté par celle de gauche, il ne se passe rien ; dans l’autre cas, la cellule de droite émet un courant qui déclenche le déversement d’un poison mortel dans la cabine.

Avant cette captation du photon, nous sommes dans l’incertitude quantique, et le photon est dans une superposition d’états quantiques.

Dès l’interaction du photon avec un atome de la cellule photoélectrique, sa fonction d’onde est réduite et l’incertitude quantique disparaît, et avec elle la superposition. Cette disparition est irréversible. Dès cet instant, et avant même que le mécanisme mortel ne se déclenche, il n’y a donc déjà plus de superposition. Cependant l’incertitude due à l’ignorance de l’observateur perdure, car la cabine est opaque et l’observateur ne voit rien (d’ailleurs, même si la cabine était transparente, l’instant crucial de la captation du photon, phénomène invisible, échapperait à l’observateur).

De ce fait, il n’y a plus d’incertitude quantique, plus de superposition dans la suite des événements : versement ou non du poison, mort ou non du chat : tout est déjà déterminé, mais encore inconnu de l’Observateur tant que son ignorance persiste.

Enfin, celui-ci ouvre la porte de la cabine et constate l’état vivant ou non du chat. C’est à cet instant précis que l’incertitude due à l’ignorance prend fin. Mais ce n’est pas à cet instant que l’incertitude quantique – la superposition – prend fin : c’était bien avant. Plus question de superposition de chat mort et vivant !

Il n’est donc pas besoin d’invoquer une autre explication, comme la décohérence : non que celle-ci n’existe pas, mais elle est parfaitement inutile pour expliquer le « paradoxe » du chat de Schrödinger.

Concluons de ce qui précède qu'il ne faut pas confondre les deux types d’incertitudes. Ce n’est pas à l’instant où un observateur prend conscience d’un phénomène quantique que l’incertitude quantique est levée : c’est nécessairement avant, à l’instant de la réduction de la fonction d’onde. L’observateur n’y joue aucun rôle, sa conscience encore moins. La conscience n’intervient que plus tard, lors de la levée de l’incertitude résiduelle due à l’ignorance, sans incidence sur un phénomène déjà déterminé.

Rôle de l’Observateur en physique quantique

Lors d’une expérience de physique quantique (par exemple, détermination de la vitesse d’une particule), l’Observateur humain qui mène l’expérience intervient dans plusieurs rôles successifs :

* Préparation : conception de l’expérience, montage du dispositif ;

* Déclenchement de l’opération (clic, appui sur un bouton…) ;

* L’observation proprement dite : l’observateur regarde, puis effectue des post-traitements (développement d’une photo, calculs…), et note le résultat de l’expérience.

L’ensemble de ces rôles peut être rempli par une ou plusieurs personnes, peu importe.

Les deux premiers rôles interviennent dans le montage de l’expérience, mais pas sur le phénomène quantique observé proprement dit : dès que l’opération est déclenchée, elle se produit sans autre intervention humaine.

Quant à l’observation, elle ne devient active qu’après la fin du déroulement du processus quantique : après la capture d’un photon ou d’un électron, après l’ouverture de la porte de la cabine…

Les humains n’interviennent donc pas dans le déroulement proprement dit de l’expérience quantique.

Ce qui intervient, c’est l’ensemble des phénomènes quantiques en jeu, comportant une suite d’interactions au niveau nécessairement microscopique : par exemple, pour mesurer la vitesse d’une particule, tout est organisé à l’avance pour qu’une interaction concernant cette particule se produise et puisse être ensuite amplifiée. La particule est alors captée ; sa trajectoire est bel et bien perturbée, mais pas par un humain : par une autre particule, ou par un atome, un champ, une onde… Au moment de cette interaction, il n’y a plus d’intervention humaine possible : ce n’est pas avec nos doigts (ni même avec des micro-pincettes) que l’on peut mesurer la vitesse d’un électron... Le « rôle de l’Observateur » n’est alors qu’une image, un raccourci…

L’Observateur ne joue donc aucun rôle dans le déroulement des phénomènes quantiques.

Perturbation due à la mesure

Lorsqu’on dit que la mesure perturbe l’objet mesuré, c’est parfaitement exact, mais dans les expériences quantiques ce n’est pas un humain qui effectue cette perturbation, mais un autre objet microscopique. L’humain n’est là que pour mettre en place un dispositif préalable, mais sans intervenir sur son déroulement.

On pourrait objecter que c’est ce montage même qui constitue la perturbation en question. Mais en fait, un tel montage n’est pas nécessaire : même en l’absence de tout dispositif artificiel, ces mêmes phénomènes se déroulent sans cesse dans l’Univers, sans aucune intervention humaine, et même bien avant l’existence de l’homme : sans ces interactions quantiques permanentes et spontanées, pas d’étoiles, pas de soleil, pas d’humains. Le fait de réaliser en laboratoire un environnement intentionnellement favorable à de telles interactions n’en change ni la nature intrinsèque, ni le déroulement.

D’ailleurs, dans un tel contexte, le terme « perturbation » réfère implicitement à une intention humaine : on forme l’objectif de mesurer la vitesse d’un électron, et pour cela il faut monter un dispositif qui aura pour conséquence, entre autres, d’en faire « perturber » la trajectoire, par rapport à une trajectoire libre. Mais s’il n’y avait pas eu un objectif, une volonté humaine au départ, il n’y aurait pas eu besoin de parler de perturbation, mais d’une simple interaction naturelle. Pourtant, le phénomène aurait été parfaitement identique.

Le terme « perturbation » plutôt qu’ « interaction » est donc purement subjectif, et ne devrait pas avoir de conséquence sur l’analyse des fondements objectifs de la physique quantique.

Critique d’une interprétation classique du rôle de l’Observateur dans la physique quantique

En particulier, en parlant de « perturbation », on met en vedette le rôle de l’Observateur (pris ici dans l’ensemble des trois rôles distingués plus haut) : selon cette interprétation, si c’est lui qui perturbe, il jouerait donc un rôle central dans la physique quantique. De plus, tant qu’il n’a pas pris conscience du résultat, comme il est impossible de connaître autrement ce résultat, ce serait donc encore lui qui déterminerait ce résultat au moment de sa prise de conscience. Selon certaines interprétations, on pourrait en déduire que l’Observateur est indispensable dans tout phénomène quantique, et non seulement sa personne mais sa conscience du résultat. Et c’est même cette prise de conscience qui déterminerait ce résultat !

Intuitivement, cette interprétation anthropocentrique me semble absurde. Et en effet, toute l’analyse ci-dessus me semble pouvoir rigoureusement rejeter ce rôle et cette interprétation :

* En distinguant entre incertitude quantique et incertitude due à l’ignorance, on élimine le rôle clé de l’Observateur dans la conclusion d’un phénomène quantique : celui-ci n’intervient que pour mettre fin à l’incertitude due à l’ignorance, l’incertitude quantique étant déjà résolue par la réduction de la fonction d’onde (par exemple, lors de l’interaction d’un photon avec une plaque photographique) ;

* En démontrant l’absence de rôle de l’Observateur dans le déroulement des phénomènes quantiques : par son dispositif expérimental, l’Observateur est bien le « responsable » externe d’une perturbation, mais il n’y intervient pas directement ; de plus, même en dehors de tout dispositif expérimental, les mêmes phénomènes se produisent naturellement et constamment dans l’Univers, et relèvent pourtant de la même analyse objective et des mêmes résultats – sans requérir le moindre Observateur.


Sur l'auteur.

Jean-Paul Baquiast a demandé à Claude Mayer de préciser, sa modestie dut-elle en souffrir, son cursus universitaire et professionnel, ceci à l'intention de ceux qui ne le connaitraient pas encore. Nous serions évidemment très heureux qu'il nous offre d'autres articles à éditer sur ce site Voici:

- J'ai une thèse en mathématiques (1965), qui a été publiée en librairie sous le titre : "Outils topologiques et métriques de l'Analyse mathématique" (thèse soutenue auprès de Gustave Choquet, Institut Henri Poincaré). J'ai ensuite été pendant 3 ans chercheur au CNRS en mathématiques.

- Dans le "privé", j'ai créé, développé ou encadré puis vendu plusieurs logiciels originaux, et en particulier:

- "Global", un outil combinant Intelligence artificielle et mathématiques pour l'interprétation de mesures pétrolières de puits (Schlumberger)
- "Logident", un logiciel de gestion de cabinets dentaires sur Apple 2 puis IBM PC (en profession libérale)
- "Ultra", une suite à "Global", sur stations de travail graphiques, développé comme PDG d'une startup, la CETIS, et vendu à des majors pétroliers
- "Visual Planning", un logiciel de gestion graphique de ressources en réseau, actuellement vendu à des grands groupes, dans le monde entier.

- Après ma retraite, j'ai passé un Master de philosophie des sciences (2010 - 2012, option Philosophie de l'esprit et sciences cognitives).

- Je suis actuellement en phase de rédaction d'une thèse de philosophie/psychologie, dans le cadre de l'IHPST (Institut d'Histoire et de Philosophie des Sciences et des Techniques, rattaché à Paris 1, CNRS, ENS), dont le titre est: "Les processus inconscients en jeu dans la créativité et la résolution de problèmes".