Un scénario quantique déroutant semble violer une loi de la physique

Rappelez-vous que nous traitons ici de la fonction d’onde du photon. Puisque le rebond ne constitue pas une mesure, la fonction d’onde ne s’effondre pas. Au lieu de cela, il se divise en deux : la majeure partie de la fonction d’onde reste dans la boîte, mais la petite pièce oscillant rapidement près de l’endroit où le miroir a été inséré quitte la boîte et se dirige vers le détecteur.

Parce que cette pièce superoscillatoire a été détachée du reste de la fonction d’onde, elle est maintenant identique à un photon d’énergie beaucoup plus élevée. Lorsque cette pièce frappe le détecteur, toute la fonction d’onde s’effondre. Quand c’est le cas, il y a une petite mais réelle chance que le détecteur enregistre un photon de haute énergie. C’est comme le rayon gamma sortant d’une boîte de lumière rouge. « C’est choquant », a déclaré Popescu.

Le schéma de mesure intelligent donne en quelque sorte plus d’énergie au photon que n’importe lequel des composants de sa fonction d’onde aurait permis. D’où vient l’énergie ?

Ambiguïtés juridiques

Le mathématicien Emmy Noether a prouvé en 1915 que des quantités conservées comme l’énergie et la quantité de mouvement proviennent des symétries de la nature. L’énergie est conservée grâce à la « symétrie de translation temporelle » : la règle selon laquelle les équations régissant les particules restent les mêmes d’un instant à l’autre. (L’énergie est la quantité stable qui représente cette similitude.) Notamment, l’énergie n’est pas conservée dans les situations où la gravité déforme le tissu de l’espace-temps, puisque cette déformation modifie la physique à différents endroits et à différents moments, et n’est pas non plus conservée à des échelles cosmologiques. , où l’expansion de l’espace introduit une dépendance temporelle. Mais pour quelque chose comme la lumière dans une boîte, les physiciens sont d’accord : la symétrie de la translation temporelle (et donc la conservation de l’énergie) devrait tenir.

Cependant, appliquer le théorème de Noether aux équations de la mécanique quantique devient compliqué.

En mécanique classique, vous pouvez toujours vérifier l’énergie initiale d’un système, le laisser évoluer, puis vérifier l’énergie finale, et vous constaterez que l’énergie reste constante. Mais mesurer l’énergie d’un système quantique le perturbe nécessairement en effondrant sa fonction d’onde, l’empêchant d’évoluer comme il l’aurait fait autrement. Ainsi, la seule façon de vérifier que l’énergie est conservée au fur et à mesure de l’évolution d’un système quantique est de le faire statistiquement : exécutez une expérience plusieurs fois, en vérifiant l’énergie initiale la moitié du temps et l’énergie finale l’autre moitié. La distribution statistique des énergies avant et après l’évolution du système doit correspondre.

Popescu dit que l’expérience de pensée, bien que déconcertante, est compatible avec cette version de la conservation de l’énergie. Parce que la région superoscillatoire est une si petite partie de la fonction d’onde du photon, le photon a une très faible probabilité d’y être trouvé – ce n’est qu’en de rares occasions que le photon « choquant » émergera de la boîte. Au cours de nombreuses courses, le budget énergétique restera équilibré. « Nous ne prétendons pas que la conservation de l’énergie dans la version statistique … est incorrecte », a-t-il déclaré. « Mais tout ce que nous prétendons, c’est que ce n’est pas la fin de l’histoire. »

Le problème est que l’expérience de pensée suggère que la conservation de l’énergie peut être violée dans des cas individuels, ce à quoi de nombreux physiciens s’opposent. David Griffiths, professeur émérite au Reed College dans l’Oregon et auteur de manuels standard sur la mécanique quantique, soutient que l’énergie doit être conservée dans chaque cycle expérimental individuel (même si cela est normalement difficile à vérifier).

Marletto est d’accord. À son avis, s’il semble que votre expérience viole cette loi de conservation, vous ne cherchez pas assez fort. L’excès d’énergie doit venir de quelque part. « Il existe un certain nombre de façons dont cette prétendue violation de la conservation de l’énergie pourrait se produire », a-t-elle déclaré, « dont l’une ne tient pas pleinement compte de l’environnement ».

Popescu et ses collègues pensent avoir tenu compte de l’environnement ; ils soupçonnaient que le photon tirait son énergie supplémentaire du miroir, mais ils ont calculé que l’énergie du miroir ne changeait pas.

La recherche se poursuit pour une résolution du paradoxe apparent, et avec elle, une meilleure compréhension de la théorie quantique. De telles énigmes ont été fructueuses pour les physiciens dans le passé. Comme l’a dit un jour John Wheeler : « Pas de progrès sans paradoxe !

« Si vous ignorez de telles questions », a déclaré Popescu, « vous n’allez jamais vraiment… comprendre ce qu’est la mécanique quantique. »

Histoire originale reproduit avec la permission de Quanta Magazine, une publication éditorialement indépendante de la Fondation Simons dont la mission est d’améliorer la compréhension publique de la science en couvrant les développements et les tendances de la recherche en mathématiques et en sciences physiques et de la vie.