L’expérience du chat de Schrödinger expliquée simplement

Qu’est-ce que cette expérience du chat de Schrödinger, qui parle de physique quantique à l’aide d’un chat, enfermé dans une boîte, à la fois mort et vivant ? Décryptons ensemble cette histoire, qui compte aujourd’hui parmi les expériences de pensée les plus célèbres des sciences physiques !

Qu’est-ce que l’expérience du chat de Schrödinger ?

L’expérience du chat de Schrödinger fut inventée par l’un des piliers de la physique quantique, le physicien autrichien Erwin Schrödinger, en 1935. Cette expérience de pensée consiste à enfermer un chat dans une boîte close, avec une matière radioactive et un dispositif empoisonné. Si ledit mécanisme détecte la désintégration d’un atome radioactif dans la boîte, il casse une fiole de poison qui tue l’animal.

Comme l’on ne sait pas ce qu’il se passe dans la boîte tant qu’on ne l’a pas ouverte, le chat peut être aussi bien vivant que mort. Ce n’est que lorsqu’on ouvrira la boîte que le sort du chat sera en quelque sorte « fixé » : on sait qu’il est vivant ou mort. Il ne peut pas être les deux à la fois.

Avant de nous plonger dans une interprétation de cette expérience de pensée, attardons-nous sur quelques notions de physique quantique.

Physique quantique : un monde de probabilités

La physique quantique est née au début du XXe siècle ; elle s’intéresse aux règles qui décrivent les comportements des atomes et particules. Ceux-ci ne sont pas régis par les mêmes lois que nous autres, corps macroscopiques, qui obéissons à la physique dite « classique » – mécanique newtonienne, par exemple -.

Dans la physique quantique, on trouve la mécanique quantique, qui regroupe l’ensemble des lois auxquelles répondent les particules atomiques. Seulement voilà : en mécanique quantique, le monde est décrit en termes de probabilités, contrairement à la mécanique newtonienne. 

Par conséquent, dans notre univers régit par la physique classique, on peut situer précisément la position d’un élément – « cette personne est en position A » -. En physique quantique en revanche, une particule telle qu’un électron aura x % de chance de se trouver en position A, y % de chance d’être en position B ou encore z % de chance de se trouver en position C. Mathématiquement, on peut dire que cet électron est aux trois endroits A, B et C en même temps. C’est pourquoi on parle de théorie de la superposition quantique.

Le chat de Schrödinger pour expliquer la physique quantique

Une expérience de pensée

Le chat de Schrödinger est une expérience de pensée, c’est-à-dire que l’on essaie de résoudre un problème donné à l’aide de son imagination, en se posant la question « que se passerait-il si… ? ».

En effet, si l’on peut tout à fait admettre que le monde microscopique répond à des lois quantiques spécifiques, cela est plus compliqué lorsqu’on mentionne le quotidien. C’est pourquoi l’expérience de pensée du chat de Schrödinger vise à illustrer les paradoxes de la physique quantique à l’échelle humaine. De fait, le chat l’image du chat (ou de tout autre animal de votre choix) est plus parlante pour le tout venant, que celle de l’électron et de l’atome pour expliquer la mécanique quantique et la théorie de la superposition quantique.

Le chat de Schrödinger en superposition quantique

Ainsi, nous avons vu que le chat est enfermé dans sa boîte avec une matière radioactive, et un mécanisme empoisonné qui se déclenche en cas de désintégration d’un noyau radioactif. Or, la désintégration d’un atome est un événement totalement aléatoire que même le plus grand scientifique au monde ne saurait prévoir. Impossible de savoir quand il se produira, ni même s’il se produira !

Ainsi, à côté de sa boîte, Erwin Schrödinger se dit qu’il n’a aucun moyen de savoir si le mécanisme s’est déclenché. Si le chat était un objet quantique, on pourrait dire qu’il est à la fois mort et vivant – 50 % de chance pour chaque situation – : c’est la théorie de la superposition quantique.

La théorie de la décohérence quantique

La seule manière de lever cette situation ambiguë et de savoir si le chat est mort ou vivant est donc d’ouvrir la boîte. A l’instant où l’on ouvre la boîte pour regarder dedans, l’un des deux états de l’animal devient la réalité. C’est la théorie de la décohérence quantique, qui est susceptible d’expliquer la transition entre les lois de la physique quantique et celles de la physique classique. 

Bref, on passe de « le chat est à la fois vivant et mort » – théorie de la superposition en mécanique quantique – à « il est clairement soit vivant, soit mort » déterminisme de la physique classique.  

Vous êtes perdus ? Reprenons l’explication de manière ludique avec les premiers concernés, grâce à la chaîne « Parole de chat » :

Que retenir de l’expérience du chat de Schrödinger ?

Laisser la mécanique quantique à la physique quantique

Tout d’abord, on peut retenir du paradoxe du chat de Schrödinger que les propriétés de la physique quantique doivent rester dans l’univers quantique. Elles ne fonctionnent qu’à l’échelle de l’atome et utiliser ces théories pour décrire le monde à notre échelle conduit à des situations irréalistes. C’est le cas du chat de Schrödinger qui serait mort et vivant en même temps.

Aucune interprétation scientifique ne fait aujourd’hui l’unanimité

Les théories de deux physiciens, Copenhague et Everett, sont généralement liées à l’expérience du chat de Schrödinger. Cependant, leurs interprétations sont toujours largement débattues dans la communauté scientifique aujourd’hui et ni elles, ni de plus récentes ne font l’unanimité auprès des physiciens.

Ainsi, d’après l’interprétation de Copenhague, il est inutile de chercher un sens physique, palpable et réel à l’état quantique. Celui-ci doit rester une formule mathématique. D’après ce physicien, les lois quantiques décrivent une représentation de la réalité. Aussi peu importe que les résultats soient paradoxaux tant que les calculs et prédictions des résultats expérimentaux sont corrects.

Enfin, selon l’interprétation d’Everett, les états superposés du chat de Schrödinger (vivant et mort) existeraient dans une infinité d’univers parallèles. C’est pourquoi si le chat était un objet quantique, il serait vivant dans un univers et mort dans un autre univers parallèle. Au moment d’ouvrir la boîte, on serait alors transporté dans un des univers parallèles créés, en fonction de l’état du chat.

Pour aller plus loin

Biographie d’Erwin Schrödinger – Astronoo
Ecole de Copenhague (physique) – Wikipedia
Théorie d’Everett – Wikipedia