Le chat de Schrödinger

C’est l’image la plus célèbre de la physique quantique, et l’une des plus mal comprises. Un chat est enfermé dans une boîte avec un dispositif mortel déclenché par un atome radioactif. Tant qu’on n’ouvre pas la boîte, la mécanique quantique semble dire que le chat est à la fois mort et vivant. Erwin Schrödinger ne cherchait pas à prouver que c’était vrai : il voulait montrer qu’il y avait là un problème.

Le dispositif imaginé

Schrödinger décrit le dispositif dans un article de 1935 sur la situation de la mécanique quantique, rédigé en allemand pour la revue Die Naturwissenschaften :

1. Un chat est enfermé dans une boîte d’acier, sans contact avec l’extérieur.
2. La boîte contient une infime quantité de substance radioactive, telle qu’en une heure, il y a une chance sur deux qu’un atome se désintègre (voir radioactivité).
3. Si un atome se désintègre, un compteur Geiger le détecte et déclenche un marteau qui brise une fiole de poison (de l’acide cyanhydrique).
4. Au bout d’une heure, le chat est mort si un atome s’est désintégré, vivant sinon.

Schrödinger qualifie lui-même le dispositif de « diabolique » et précise qu’il s’agit d’un cas « burlesque ». Aucun chat n’a jamais été mis dans une telle boîte.

Le problème : la superposition

En mécanique quantique, un atome radioactif non observé n’est pas « désintégré » ou « non désintégré » : il est décrit par une superposition des deux états, chacun affecté d’une probabilité. C’est seulement lors de la mesure qu’un des deux résultats se réalise.

Si l’on applique la théorie à l’ensemble du système, le compteur, le marteau, la fiole et le chat se retrouvent eux aussi dans une superposition : « atome intact, chat vivant » et « atome désintégré, chat mort ». Selon cette lecture, le chat serait à la fois mort et vivant jusqu’à ce que quelqu’un ouvre la boîte.

Pour Schrödinger, c’est absurde. Son argument est le suivant : on ne peut pas accepter naïvement que la description quantique, qui fonctionne si bien pour les atomes, s’applique telle quelle aux objets macroscopiques sans se demander où et comment la superposition cède la place à un résultat unique.

Le contexte : le débat avec Einstein

L’article paraît la même année que le paradoxe EPR d’Einstein, Podolsky et Rosen, qui critique l’incomplétude de la mécanique quantique et met en lumière l'intrication (voir intrication quantique). Schrödinger, qui a lui-même fondé la mécanique ondulatoire en 1926 avec l’équation qui porte son nom, échange alors une correspondance avec Einstein. Les deux hommes partagent le même malaise face à l'interprétation de Copenhague, défendue par Niels Bohr et Werner Heisenberg, selon laquelle la mesure fait « choisir » un résultat. C’est d’ailleurs dans ce même article que Schrödinger introduit le mot Verschränkung, traduit par « intrication ».

Comment les physiciens répondent aujourd’hui

La décohérence

La réponse la plus importante, développée à partir des années 1970 par Heinz-Dieter Zeh puis Wojciech Zurek, est la décohérence. Un objet macroscopique comme un chat, ou même un compteur Geiger, interagit sans cesse avec son environnement : molécules d’air, photons, chaleur. Ces interactions détruisent en un temps extraordinairement court les relations de phase qui caractérisent une superposition. Pour un objet de cette taille, la décohérence est quasi instantanée.

En pratique, le compteur Geiger « mesure » l’atome bien avant que quiconque ouvre la boîte. Le chat n’est jamais observé dans une superposition, et le système se comporte comme un mélange classique : mort ou vivant, avec une chance sur deux.

La décohérence explique pourquoi nous ne voyons pas de superpositions macroscopiques. Elle ne règle pas entièrement, selon de nombreux physiciens, la question de savoir pourquoi un résultat particulier se réalise.

Les interprétations

Toutes donnent les mêmes prédictions dans les expériences réalisées à ce jour. Le choix entre elles reste un débat ouvert.

Des « chats » de laboratoire

Les physiciens appellent aujourd’hui « états chat de Schrödinger » des superpositions d’objets de plus en plus gros. On en a réalisé avec des ions piégés, des photons dans des cavités (travaux de Serge Haroche, prix Nobel 2012 avec David Wineland), des circuits supraconducteurs et de grosses molécules. Ces expériences montrent que la superposition existe bien au-delà des atomes isolés, et permettent d’observer la décohérence en direct. Elles sont aussi le cœur des ordinateurs quantiques, dont les qubits doivent rester en superposition le plus longtemps possible.

Ce que l’expérience ne dit pas

• Elle ne dit pas que la conscience d’un observateur tue ou sauve le chat.
• Elle ne dit pas que les chats sont réellement dans un état mort-vivant.
• Elle n’a jamais été réalisée avec un animal : c’est une expérience de pensée.
• Ce n’est pas une illustration que Schrödinger approuvait : c’est une critique.

Questions fréquentes

Le chat de Schrödinger est-il mort ou vivant ?

Dans l’expérience de pensée, la mécanique quantique appliquée naïvement le décrit comme une superposition des deux. En réalité, la décohérence due à l’environnement fait que le chat est toujours soit mort, soit vivant, avec une probabilité d’une chance sur deux après une heure.

Que voulait prouver Schrödinger ?

Il voulait montrer qu’il est absurde d’appliquer sans précaution la superposition quantique à des objets macroscopiques, et donc que l’interprétation dominante de la mécanique quantique laissait un problème non résolu : celui de la mesure.

Qu’est-ce qu’une superposition quantique ?

C’est l’état d’un système quantique qui combine plusieurs états possibles à la fois, par exemple un atome à la fois désintégré et non désintégré, jusqu’à ce qu’une mesure fasse apparaître l’un des résultats.

Pourquoi ne voit-on pas de superpositions à notre échelle ?

Parce que les objets macroscopiques interagissent sans cesse avec leur environnement, ce qui détruit les superpositions presque instantanément : c’est la décohérence.