chat de Schrödinger

Imaginez une boîte fermée contenant un chat, un atome radioactif et un mécanisme qui libère un poison si l’atome se désintègre. Dans le modèle idéal du scénario, l’atome est préparé dans une superposition de ses deux états possibles et l’ensemble est supposé évoluer de façon cohérente avant la mesure externe. Parce que le mécanisme relie de manière contrôlée l’atome au chat, le raisonnement conduit alors à décrire le chat comme mort et vivant à la fois.

Cette conclusion volontairement déroutante n’est pas une histoire sur les chats. Elle rend visible la difficulté de faire passer une superposition quantique du monde des particules à un objet macroscopique.

Le chat de Schrödinger est une expérience de pensée, c’est-à-dire un scénario imaginaire construit pour éprouver la cohérence d’un raisonnement. Erwin Schrödinger l’a proposée en 1935 afin d’illustrer les paradoxes de l’interprétation de Copenhague de la mécanique quantique. Le dispositif relie le destin d’un objet macroscopique, le chat, à l’état d’un objet quantique, l’atome radioactif.

Le raisonnement repose sur trois conditions précises. L’atome est d’abord préparé dans une superposition des états « désintégré » et « non désintégré ». L’évolution du dispositif est ensuite supposée unitaire et cohérente avant la mesure externe. Enfin, le couplage contrôlé conserve deux associations : la désintégration déclenche la libération du poison et la mort du chat ; en son absence, le poison n’est pas libéré et le chat reste vivant. C’est la superposition de ces deux branches corrélées, et non un mélange de leurs états, qui étend la description quantique à l’ensemble du dispositif.

Schrödinger ne présentait pas cette image comme une situation ordinaire à accepter littéralement. Il s’en servait pour montrer l’absurdité qui apparaît lorsque des propriétés quantiques sont extrapolées sans précaution à un objet macroscopique. Le paradoxe concentre ainsi le problème de la mesure : comment relier une superposition décrite par la théorie au résultat déterminé que fournit une observation ?

On reprend uniquement les éléments du scénario : une boîte fermée, un chat, un atome radioactif, un mécanisme et un poison. Le mécanisme dépend de la désintégration de l’atome, et l’état du chat dépend à son tour du mécanisme.

1. Dans la première branche, l’atome ne se désintègre pas. Le poison n’est pas libéré et le chat reste vivant.
2. Dans la seconde branche, l’atome se désintègre. Le mécanisme libère le poison et le chat meurt.

3. Dans le scénario quantique idéalisé, l’atome est préparé dans une superposition de ses deux états, supposée rester cohérente avant la mesure externe.
4. Le couplage contrôlé du dispositif transmet alors cette alternative au chat : à chaque état de l’atome correspond un état du chat.

5. En appliquant la description quantique à l’ensemble, on obtient donc la superposition des deux branches « atome non désintégré et chat vivant » et « atome désintégré et chat mort ». Le contrôle consiste à suivre chaque branche : aucune ne doit associer une désintégration au chat vivant, ni une absence de désintégration au chat mort.

Dans une première lecture de la mécanique quantique, le scénario sert à suivre une chaîne de dépendances. On part de l’atome, on examine l’action du mécanisme, puis on déduit l’état associé du chat.

Dans une discussion sur la mesure, le bon geste consiste à séparer ce que la description attribue au système avant l’observation et le résultat déterminé obtenu lors de l’observation. Cette séparation fait apparaître la difficulté conceptuelle au lieu de la masquer.

Pour expliquer la superposition, le chat est utile lorsque le passage du quantique au macroscopique est précisément la question. Si l’on veut seulement décrire une désintégration radioactive, le chat et le poison ajoutent une complication inutile : il vaut mieux rester au niveau de l’atome.

Superposition quantique et simple ignorance. Ne pas savoir si un événement a eu lieu signifie seulement que l’observateur ignore lequel des deux cas est réalisé. Dans le modèle idéalisé du paradoxe, l’atome préparé en superposition et supposé évoluer de façon cohérente avant la mesure externe est au contraire décrit par les états « désintégré » et « non désintégré » superposés. Le critère est donc la description physique modélisée du système, pas le seul manque d’information d’une personne.

Expérience de pensée et expérience matérielle. Une expérience matérielle rapporte un dispositif effectivement réalisé et ses observations. Ici, la boîte et son mécanisme forment un scénario imaginaire destiné à tester les conséquences d’une interprétation. Le cas tranche dès que l’on demande si le chat décrit constitue une observation expérimentale : ce n’est pas le rôle de cette expérience de pensée.

Prendre le chat au pied de la lettre. Le symptôme est d’affirmer que Schrödinger voulait établir l’existence ordinaire d’un animal réellement mort et vivant. Il faut plutôt lire cette conclusion comme le signal de l’absurdité produite par une extrapolation aux objets macroscopiques.

Oublier le couplage. Deux histoires indépendantes, l’une sur un atome et l’autre sur un chat, ne produisent pas le paradoxe. Le mécanisme doit relier la désintégration à la libération du poison ; sans ce lien, on ne peut pas associer les deux états de l’atome aux deux états du chat.

Transformer le scénario en solution. L’image met en évidence le problème de la mesure et les difficultés de l’interprétation de Copenhague ; elle ne les résout pas à elle seule. Lorsqu’une conclusion dépasse ce diagnostic, il faut revenir aux deux branches du scénario et distinguer ce qui est posé de ce qui est seulement interprété.

L’article Le chat d'Erwin Schrödinger prolonge l’étude de cette expérience de pensée et de la difficulté qu’elle met en scène.

Pour situer le formalisme dans lequel s’inscrit la mécanique quantique, Les espaces de Hilbert, un cadre pour la mécanique quantique présente le cadre mathématique associé.