Le temps quantique

Rappels sur le temps classique et relativiste

De façon classique on imagine le temps comme une ligne. Le présent serait un point qui se déplace sur cette ligne, toujours dans le me sens et à la même vitesse. Derrière lui il laisse une trace, le passé, devant lui se trouve la ligne du futur qui n’existe pas encore.

La relativité restreinte a montré qu’on ne pouvait plus définir de présent absolu commun pour tous les observateurs. Le temps de l’univers n’existe pas, il y a une infinité de lignes temporelles qui s’éloignent et se croisent. Les durées ne sont plus identiques, certains observent 2 phénomènes qui se produisent à quelques minutes d’intervalle. Un autre voit ces mêmes phénomènes se produire en même temps, un autre voit le 2ème phénomène survenir des millions d’années après le premier. Enfin, un autre observateur voit le 2ème événement se produire avant le premier.

Irréversibilité de l’observation

Les équations de physiques sont toutes réversibles : il n’y a pas de sens particulier d’écoulement du temps. Lorsqu’on remplace l’instant t par -t on obtient les même équations avec les mêmes solutions. Il en est de même en mécanique quantique : une entité évolue selon l’équation de Schrödinger. Cependant cette équation ne s’applique que lorsqu’il n’y a aucune observation faite sur cette entité.

Lorsqu’on effectue une mesure sur un système quantique, c’est-à-dire qu’on l’observe pendant un instant ou une certaine durée, son état se trouve modifié. Un certain type d’information, par exemple sa position, s’y trouvait sous la forme de possibilités ou virtualités. L’instrument de mesure qui détecte où se trouve une particule ne lit pas l’information sur sa position, il la force à choisir parmi ses virtualités pour qu’une seule devienne réelle. L’information était un nuage de possibilités juste avant la mesure, parce que l’univers n’avait pas besoin de connaître ce type d’information. Le système expérimental sert à générer une information d’un type particulier (position, taille, vitesse, énergie, etc.) et à enregistrer un phénomène dans le champ d’information. L’observateur conscient semble indispensable pour finaliser l’information. Tant que personne n’a vu les données enregistrées lors d’une l’expérience, celle-ci sont indéfinies.

Cela implique au moins 3 étapes d’évolution de l’information vers un état réel :

  • Existence sous forme d’une superposition de virtualités
  • Existence sous forme d’un ensemble indéterminé de valeurs d’un certain type d’information défini
  • Existence sous forme d’un ensemble réel de résultats d’observations

L’observation fige le temps

L’observateur conscient joue un rôle particulier dans l’univers matériel. Reprenons l’exemple de l’expérience des fentes de Young. (Voir l’article –La physique quantique-)

Vous avez facilement accepté l’hypothèse que la particule envoyée à travers les fentes était dans un état quantique. Elle est donc dans un état superposé de toutes ses virtualités, une sorte d’état flou dont certaines informations sont indéfinies. Dans cet état la particule est autant dans la fente de gauche que dans celle de droite car rien ni personne ne la force à choisir.

D’un autre côté, nous avons supposé que la plaque avec les fentes et l’écran ne sont pas eux-mêmes dans un état quantique superposé. Pourtant on sait que les états d’un système s’obtiennent par la superposition des états de tout ce qui compose le système. Pourquoi, au moment de la mesure la plaque n’est pas composée de particules dans des états superposés ? Pourquoi une fente n’est-elle qu’à un seul endroit et ne deviendrait-elle pas formée de la superposition de plusieurs fentes virtuelles placées partout sur la plaque ?

Imaginons qu’on fasse une plaque avec un système mécanique pouvant ouvrir ou refermer les fentes. Imaginons que ce système obéisse à un autre système quantique, par exemple la même expérience avec 3 fentes et un système de mesure de position. On y envoie une particule. Lorsqu’elle est détectée dans la fente du milieu, on ouvre les 2 fentes de la première expérience. Lorsqu’elle passe à gauche on ouvre la fente de gauche. Lorsqu’elle passe à droite on ouvre celle de droite.

Imaginez une plaque percée d’une seule fente légèrement sur la gauche.

Quand le futur agit sur le passé

Voir l’article –L’expérience de Wheeler – gomme quantique à choix retardé

Tant qu’on n’observe pas une particule, on ne peut pas distinguer son évolution vers le futur de celle vers le passé. Son état est obtenu en combinant toutes les possibilités allant du présent vers le futur et toutes les possibilités allant du futur vers le présent. (Le présent étant le début de l’état sans interaction, la futur étant l’acte d’observation qui va modifier l’entité.)

Propriétés du temps quantique

  • une observation est irréversible, elle permet de définir un ordre chronologique entre le passé et le futur.
  • il existe une durée minimale pour produire un changement d’état. Une certaine action est alors fournie pour provoquer le changement d’état et donner un résultat de mesure réel. La plus petite action qu’on puisse fournir est appelée constante de Planck. Cela signifie qu’en dessous de cette valeur de changement l’état est considéré comme identique. La constante de Planck est le plus petit changement qui permet de distinguer l’état de l’univers à un instant donné de l’état l’univers à l’instant précédent.
  • tous les événements possibles se superposent pendant toute la durée (vue de l’extérieur) de l’expérience. Les événements virtuels ne se succèdent pas, ils ont lieu tous en même temps (du point de vue du système) même ceux qui se produisent dans un futur possible.
  • Si on restreint les futurs possibles, alors cela modifie les événements possibles passés.

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