M

1
Mécanique Quantique et philosophie

• Dissoudre quelques Paradoxes

2
Plan

• La philosophie et les mystères de la mécanique
  quantique
• Retour sur une question historique
• La dualité onde-corpuscule
• La décohérence sur trois interprétations
• LInformation Quantique au-delà de la dualité
  sujet-objet

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Variétés de de Mystères en Physique Quantique

• Roger Penrose 1) Puzzles et 2) Paradoxes
   Z-mysteries and X-mysteries  (Shadows of the
  Mind, p. 237)
  Définition et exemples
• - Z Expérimentalement corroborés, Vérités
  quantiques sur le monde où nous vivons, Choses
  auxquelles nous pourrions nous habituer et finir
  par accepter comme naturelles
• Type Corrélations EPR
• -X () philosophiquement inacceptables ()
  surgissent parce que la MQ est une théorie
  incomplète
• Type Paradoxe du chat de Schrödinger
  (superposition macroscopique)

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Le rôle de la philosophie

• Dabord, quelle espèce de philosophie?
• Spéculative Formuler en langage ordinaire une
  image (métaphysique) du monde qui rende raison de
  nos pratiques ordinaires et de la forme de nos
  théories scientifiques.
• Critique La philosophie () est une lutte
  contre la fascination quexercent sur nous les
  formes dexpression (Wittgenstein, Cahier bleu)
• Une libre généralisation de la définition de
  Wittgenstein
• La philosophie des sciences est une lutte contre
  la fascination que danciens modes de
  théorisation exercent sur nous

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Dissiper les fascinations

• Chaque  mystère  de Penrose est conditionné par
  au moins une de ces fascinations dont la
  philosophie a pour but de nous libérer
• Le  mystère  des corrélations EPR est lié à une
  fascination pour le mode classique de
  théorisation
• Connecter les phénomènes spatio-temporels par le
  biais de processus eux-mêmes spatio-temporels
• Une part du  mystère  du chat de Schrödinger
  est lié à une fascination pour le langage et/ou
  le mode de théorisation classiques
• Le mot état et le mode de théorisation
  probabiliste

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Les corrélations EPR et le mode classique de
théorisation

• En physique classique, prédire un phénomène qui
  apparaît dans lespace-temps exige la description
  de processus spatio-temporels intermédiaires
  (trajectoires, ou évolutions de champs).
• Expliquer les phénomènes signifie habituellement
  utiliser une version inversée dans le temps des
  processus spatio-temporels prédictifs.
• En physique quantique, les phénomènes
  spatio-temporels sont prédits au moyen dun
  formalisme pré-probabiliste qui se déploie dans
  un espace de Hilbert. Ce formalisme prédit
  indifféremment des valeurs dobservables locales
  ou globales (doù les corrélations). Ces
  prédictions ne sont que secondairement connectées
  à travers lespace-temps.
• Comment expliquer les corrélations dans ce cas?
  Les deux types dexplications standard (causes
  communes ou signaux) comprennent des processus
  spatio-temporels.

7
Le paradoxe du chat et le langage classique

• Le mot ETAT.
• Phrase 1 Après la préparation de Schrödinger,
  le chat est dans lETAT
• 2-1/2(?vivant? ??mort??
• Phrase 2 On trouve expérimentalement que le
  chat est soit dans lETAT  vivant  soit dans
  lETAT  mort .
• Sans le mot commun état, les deux phrases ne se
  contrediraient pas
• B. Van Fraassen (Quantum Mechanics, An Empiricist
  View).
• Etat dynamique Comment le système évoluerait
  sil était isolé
• Etat de valeur Quelles observables ont une
  valeur, et quelle est cette valeur

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Paradoxe du Chat 2 Le mode de théorisation

• Quelle est la solution du problème de la mesure?
  Je dis que cest celle-ci lorsquon mesure X
  avec des états propres ?xi????le résultat xi est
  observé avec la probabilité
• ????xi????, où ????est létat initial. Cest ce
  à quoi nous en revenons, et cela conviendra aussi
  comme point de départ (S. Saunders, 1994)
• Bien sûr, il sagit là dune dissolution, pas
  dune solution du problème de la mesure

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Le paradoxe du chat 3 Le noyau résiduel du
problème de la mesure

• Laccord mutuel du langage de la prédiction et du
  langage de ce à propos de quoi est faite la
  prédiction.
• P. Mittelstaedt accord mutuel entre la théorie
  (quantique) et sa méta-theorie.

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Retour à lhistoire La Révolution Quantique

• Planck La théorie quantique est un  explosif
  puissant et dangereux pour nos concepts
  physiques 
• Heisenberg  Le changement de concept de réalité
  qui se manifeste dans la théorie quantique nest
  pas quun prolongement du passé il semble être
  une rupture réelle dans la structure de la
  science moderne 
• Schrödinger  Nos idées sur la matière ont
  changé de manière radicale durant les 50
  dernières années 

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De quoi est faite la Révolution quantique?

• Quatre composantes, ou quatre conceptions, de
  cette révolution
• Introduction dune discontinuité  quantique 
  dans lespace des états des objets microscopiques
• Dualité onde-corpuscule
• Probabilités, Indéterminisme, Incertitudes etc.
• Dune vision statique de lobjectivité à une
  conception dynamique de lobjectivation. La
  contextualité.
• Contextualité and objectivation (point 4)
  sous-tendent les moments révolutionnaires 1-3

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La dualité onde-corpuscule réévaluée 1. Einstein
1905-1911

• Einstein 1905 Dans le rayonnement
  électromagnétique, lénergie nest pas
  distribuée uniformément sur des régions de plus
  en plus vastes de lespace mais est constituée
  dun nombre fini de quanta dénergie localisés
• Einstein 1909 Létape suivante en physique
  théorique nous fournira une sorte de fusion de la
  théorie ondulatoire avec la théorie de lémission
  (corpusculaire). Je tends à imaginer ces points
  singuliers comme sils étaient entourés dun
  champ de forces ayant essentiellement la nature
  des ondes planes, mais possédant une amplitude
  qui décroît avec la distance à légard de ces
  points
• Einstein 1910 Peut-on réconcilier les quanta
  dénergie avec le principe de Huyghens? Cela
  semble impossible, mais Dieu semble avoir trouvé
  une astuce!
• Einstein 1911 (Congrès Solvay) Jinsiste sur
  le fait que cette conception (des quanta de
  rayonnement électromagnétique) est provisoire,
  puisquelle ne semble pas pouvoir être
  réconciliée avec les conséquences expérimentales
  de la théorie ondulatoire

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La dualité onde-corpuscule réévaluée. 2. L. de
Broglie 1923-1924

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La dualité onde-corpuscule réévaluée. 2. L. de
Broglie 1923-1924

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La dualité onde-corpuscule réévaluée. 3. E.
Schrödinger 1925-1926

• E. Schrödinger 1926 Les règles usuelles de
  quantification peuvent être remplacées par une
  autre condition dans laquelle la mention de
  nombres entiers ne figure même pas. Au lieu de
  cela, les nombres entiers apparaissent de la même
  manière naturelles que ceux qui spécifient le
  nombre de modes sur une corde vibrante

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Quel est le statut des ondes de de Broglie?

• Une partie du monde réel, inextricablement
  associée aux corpuscules (de Broglie et Bohm,
  théorie de londe Pilote)
• La totalité du réel, puisque les phénomènes
  dallure corpusculaire peuvent être décrits par
  des paquets dondes (Schrödinger 1926) Mais les
  paquets dondes se dispersent, sauf dans le cas
  des oscillateurs harmoniques.
• (Everett Théorie interprétée sur le mode de
  Schrödinger. Décoherence voir H.D. Zeh, 1993
  There are no particles nor are there quantum
  jumps!)
• Un outil mathématique pour calculer les
  probabilités de trouver des particules réelles
  ici ou là (Born 1926)
• Ondes réalité, demi-réalité, sans
  réalité
• Corpuscules sans réalité, demi-réalité, réalité
• Aucune de ces trois interprétations nest
  pleinement acceptable ni ne peut se réserver
  lexclusivité.

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Sur une preuve de lexistence des ondes de de
Broglie

• Davisson et Germer (1927) Figures de Diffraction
  de flux délectrons.
• Elles ont fourni la confirmation la plus simple
  possible de lhypothèse de de Broglie sur le
  caractère ondulatoire des particules de matière
  (Kramers)
• Elles ont prouvé que les ondes de de Broglie ont
  une réalité physique (Gamow)
• Mais cela prouve-t-il la nature ondulatoire de
  quoi que ce soit, voire la réalité des ondes?

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Preuves et Sous-détermination

• Pour prouver lexistence dune entité par une
  expérience, on se base sur une inférence vers la
  meilleure explication (dun résultat
  expérimental)
• Mais
• Sur le plan logique, cela nest pas suffisant.
  Une véritable preuve demanderait une inférence
  vers la seule explication possible.
• Sur le plan épistémologique, cest généralement
  faux en raison de la sous-détermination des
  théories par lexpérience. Plusieurs théories, et
  plusieurs interprétations de ces théories,
  peuvent rendre raison des mêmes données.

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Explications alternatives (1)

• Une explication alternative de la distribution
  daspect ondulatoire des impacts (figures de
  diffraction-interférence)
• Duane (1923), Bohm (1951), Landé (1961) La
  distribution angulaire daspect ondulatoire des
  particules peut être expliquée en supposant que
  léchange de quantité de mouvement entre
  particules incidentes et réseau de diffraction
  est quantifiée.
• Discussion par Bohm (1951) Etant donné que nous
  pouvons expliquer lexpérience de Davisson-Germer
  à laide de la théorie de Bohr-Sommerfeld, nous
  pourrions être tentés de ne pas franchir un pas
  aussi radical que daffirmer que les électrons
  ont certaines propriétés des ondes. Mais ce
  doute sur lexistence des  ondes de matière 
  est vite étouffé les théories ondulatoires sont
  plus générales que les conditions de
  quantification de Bohr-Sommerfeld.
• Plus général encore un theorème sur la
  contextualité
• Remarque Lexplication de Duane-Bohm-Landé
  nimplique pas seulement les propriétés des
  particules incidentes, mais aussi leur
  interaction avec le contexte expérimental (le
  réseau de diffraction).
• Un formalisme probabiliste capable de rendre
  raison de phénomènes relatifs à des contextes
  mutuellement exclusifs, prédit des distributions
  dallure ondulatoire (J.L. Destouches, P.
  Destouches-Février, 1939)

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Explications alternatives (2)

• Compton 1923. On ne rend pas raison de la
  diffusion des rayons X sur un flux délectrons,
  si les rayons X sont décrits comme des ondes et
  les électrons comme des particules. Mais on y
  arrive si les rayons X sont (aussi) décrits comme
  des particules obéissant au principe de
  conservation de la quantité de mouvement. Par
  conséquent, les rayons X sont des particules (?)
• Explications alternatives de la diffusion de
  Compton
• Schrödinger 1927. La diffusion de Compton est
  prise en compte si les ondes électromagnétiques
  du rayonnement X traversent un réseau de
  diffraction fait dondes Psi électroniques. Par
  conséquent, les rayons X sont des ondes (?)
• Mécanique quantique standard. Vecteur détat
  intriqué du système Rayons X électron. La
  conservation de la quantité de mouvement est
  automatiquement assurée (Lopérateur dévolution
  commute avec lopérateur quantité de mouvement)
• Généralisation
• Kidd, Ardini, Anton, Strnad (1985-1986). Toute
  description incorporant les lois de conservation
  rend raison de leffet Compton.
• Les ontologies sont indéterminées, pas les
  structures

21
Interpréter la Décohérence

• U. Mohrhoff (2000)  La décohérence nest pas un
  élément pour une stratégie interprétative. Elle
  est un phénomène physique prévu par la mécanique
  quantique, et en quête dinterprétation comme le
  reste de la mécanique quantique.
• Deux interprétations dominantes réalisme et
  empirisme ou un mélange des deux.
• Une interprétation alternative linterprétation
  néo-kantienne.

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Une interprétation réaliste de la décohérence

• Le vecteur détat est conçu comme la
  représentation dune caractéristique intrinsèque
  des systèmes physiques appelée leur état
• Le but de la décohérence est de montrer que la
  structure des états quantiques implique la
  structure macrospique qui est observée au
  laboratoire et dans la vie ordinaire
• Selon cette interprétation, la décohérence
  accomplit rien moins que déduire les apparences
  classiques à partir dune réalité quantiques.
• Kant 1770 (avant la Critique de la raison pure!)
  Nos sens nous montrent les choses telles quelles
  apparaissent, tandis que la raison représente les
  choses telles quelles sont.

23
Trois problèmes Pour une interprétation réaliste
de la Décohérence

1. Persistance et récurrence de termes
   dinterférence
2. Pas de vrai mélange statistique, seulement un
   mélange impropre (dEspagnat). Donc, pas de vraie
   réduction de létat (Sans parler du problème
   et/ou!)
3. Quelle est lorigine de lhypothèse que
   lunivers est divisé en sous-systèmes? Une
   origine classique! Il y a là un cercle délétère
   pour la lecture réaliste de la décohérence

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Une interprétation empiriste de la décohérence

• Les vecteurs détat ne représentent pas une
  réalité plus profonde que les faits quils
  permettent de prédire. Ils sont seulement des
  outils dévaluation des probabilités des
  phénomènes contextuels
• La décohérence décrit comment une approximation
  de la forme standard, kolmogorovienne, des
  probabilités, émerge de la forme quantique des
  probabilités (du contextuel au non-contextuel)
• Ici, lenvironnement classique nest pas du tout
  une pure apparence. Il est la seule réalité, la
  réalité factuelle!

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Retour sur les trois problèmes de la décohérence

• La persistance de petits termes dinterférence
  signifie seulement que le détachement des
  systèmes vis-à-vis de leur environnement est une
  idéalisation
• Puisque la théorie quantique nest quun genre
  particulier de formalisme probabiliste, il est
  absurde de penser quelle puisse sélectionner
  delle-même un résultat donné.
• La circularité nest pas choquante pour un
  empiriste. On ne peut pas éviter de partir de
  faits mésoscopiques tangibles pour élaborer une
  théorie physique. La seule condition à imposer à
  la théorie est dêtre compatible avec cette
  réalité tangible qui a été prise comme son point
  de départ naturel.
• Sagit-il là dune explication?

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Une interprétation néo-kantienne de la décohérence

• Dans un cadre néo-kantien, ce qui est réel nest
  ni un universel formel, ni des particuliers
  factuels pris à part, mais le processus même de
  leur définition mutuelle
• Les empiristes ont raison quand ils suggèrent que
  lorganisation classique du monde macroscopique
  est une pré-condition du formalisme quantique (Si
  ce nétait pas le cas, nul ne pourrait dire sur
  quoi portent les évaluations probabistes de la
  MQ!)
• Les réalistes ont raison daffirmer que la
  signification même des faits leur est conférée
  par le formalisme qui les ordonne
• Mais un philosophe néo-kantien est aussi peu
  attiré par le biais empiriste que par le biais
  réaliste. Selon lui, le contenu ne peut pas plus
  être rendu indépendant de la forme que la forme
  ne peut être dérivée du contenu.
• Pour paraphraser Kant, Les faits sans formalismes
  sont aveugles et les formalismes sans faits sont
  vides

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Un regard néo-kantien sur les trois problèmes de
la décohérence

• Les deux premières difficultés de la lecture
  réaliste de la décohérence sont dissoutes à la
  manière empiriste. Quen est-il de la troisième?
• Selon un philosophe néo-kantien, Les faits ne
  sont pas plus réels que les formes et les formes
  pas plus réelles que les faits
• La décohérence prouve la validité de lune des
  deux étapes de la dialectique constitutive par
  laquelle faits et formalismes sont mutuellement
  définis dans le paradigme quantique.
• La décohérence au sens néo-kantien ne se réduit
  pas à une preuve de non-contradiction. Elle
  montre comment faits et formalismes se façonnent
  lun lautre de manière cohérente.
• Au sens de causalité, ou de dérivation linéaire,
  la décohérence nexplique pas lorganisation
  classique des faits. Mais au sens de relations
  de définition mutuelle, la décohérence, prise
  avec le mouvement réciproque délaboration du
  formalisme à partir du principe de correspondance
  sur les observables, est explicative.

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Sur quelques phrases de Joos (1999)

• La décohérence résout-elle le problème de la
  mesure ? Certainement pas. A une étape ou à une
  autre nous devrons encore appliquer les règles
  probabilistes habituelles de la théorie
  quantique. Elles sont par exemple cachées dans
  les matrices densité
• Les propriétés classiques locales sont
  expliquées par les caractéristiques non-locales
  des états quantiques
• La décohérence explique pourquoi certains objets
  microscopiques (les particules) semblent être
  localisées dans lespace
•  Il nexiste pas de particules
• La décohérence explique pourquoi les systèmes
  microscopiques sont habituellement trouvés dans
  leurs états propres dénergie (et semblent donc
  sauter entre eux)
• Il nexiste pas de sauts quantiques

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Linformation comme Interface

• Zeilinger, 2003 Tout prédicat que nous
  pourrions attribuer à un système quantique, en
  nous basant toujours sur lobservation de
  propriétés de lappareil classique utilisé,
  représente notre connaissance, ou information,
  sur le système, telle que nous lavons obtenue
  par lexpérimentation.
• Information Connaissance-sur-un-système (sans
  séparation)
• Linformation est Relationnelle elle nest ni
  une reproduction de la nature, ni une création
  des observateurs
• Heisenberg, 1956 La science de la nature ne
  décrit ni nexplique simplement la nature elle
  est une partie du rapport entre la nature et
  nous-mêmes elle décrit la nature en tant
  quexposée à notre méthode dinterrogation.
• Les termes de la relation cognitive devraient et
  pourraient être redéfinis en termes dinformation
• Zeilinger, 2003 Le système le plus simple
  représente seulement un bit dinformation. Pour
  nous, un système est une construction basée sur
  linformation.

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Le cercle des théories et des métathéories

• Une théorie physique requiert une métathéorie.
  Exemple La mécanique quantique fournit des
  probabilités à propos dévénements expérimentaux.
  Lénoncé des événements expérimentaux utilise un
  langage métathéorique.
• Le niveau métathéorique nest pas un fondement
  absolu de la théorie. Il représente seulement un
  rôle qui doit être tenu.
• Grinbaum 2004 Le cercle de la théorie physique
  et de sa métathéorie

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La MQ à partir daxiomes sur linformation

• Wheeler (1988) a été le premier à formuler le
  programme consistant à dériver le formalisme
  quantique à partir de principes informationnels.
• Josza  Placer la notion dinformation à un
  niveau primaire et fondamental dans la
  formulation de la physique quantique
• Axiome 1
• Rovelli Il existe une quantité maximale
  dinformation pertinente qui peut être extraite
  dun système.
• FuchsIl y a une information maximale à propos
  dun système.
• Brukner et Zeilinger Le contenu dinformation
  dun système quantique est fini
• Axiome 2
• Rovelli Il est toujours possible dacquérir de
  linformation nouvelle sur un système.
• Fuchs Il y a toujours des questions que nous
  pouvons poser au sujet dun système mais dont
  nous ne pouvons pas prédire les résultats.
• Brukner and Zeilinger Enoncer quil y a des
  propositions mutuellement complémentaires et que
  le contenu total dinformation du système est
  invariant sous un changement de lensemble des
  propositions mutuellement complémentaires.
• Et quelques autres axiomes
• Grinbaum arXivquant-ph/0306079. Bub et al. 2001

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Conclusions

• Pas dEtats. Pas de particules. Pas dondes.
  Pas de fondement absolu (ni formel ni factuel)
• PAS DE PARADOXES
• Mais quelle thérapeutique de choc!
• Wittgenstein Le traitement philosophique dune
  question est comme le traitement dune maladie
• Chaque révolution en physique implique une
  nouvelle conception de ce quest la physique, pas
  (seulement) de la nature