Effet zénithal quantique

L’effet Zénon quantique est un phénomène de la physique quantique où l’observation d’une particule l’empêche de se désintégrer comme elle le ferait en l’absence d’observation.

Le paradoxe du zénith classique

Le nom vient du paradoxe logique (et scientifique) classique présenté par l’ancien philosophe Zénon d’Eléa. Dans l’une des formulations les plus simples de ce paradoxe, pour atteindre un point distant, il faut parcourir la moitié de la distance jusqu’à ce point. Mais pour atteindre ce point, il faut parcourir la moitié de cette distance. Mais d’abord, la moitié de cette distance. Et ainsi de suite… de sorte qu’il s’avère que vous avez en fait un nombre infini de demi-distances à franchir et que, par conséquent, vous ne pouvez jamais y arriver !

Origines de l’effet zénithal quantique

L’effet Zénon quantique a été présenté à l’origine dans l’article de 1977 « The Zeno’s Paradox in Quantum Theory » (Journal of Mathematical Physics, PDF), écrit par Baidyanaith Misra et George Sudarshan.

Dans l’article, la situation décrite est une particule radioactive (ou, comme décrit dans l’article original, un « système quantique instable »). Selon la théorie quantique, il y a une probabilité donnée que cette particule (ou « système ») subisse une désintégration dans un certain laps de temps et passe dans un état différent de celui dans lequel elle a commencé.

Cependant, Misra et Sudarshan ont proposé un scénario dans lequel l’observation répétée de la particule empêche en fait le passage à l’état de décomposition. Cela peut certainement rappeler l’expression courante « une marmite surveillée ne bout jamais », sauf qu’au lieu d’une simple observation sur la difficulté de la patience, il s’agit d’un résultat physique réel qui peut être (et a été) confirmé expérimentalement.

Comment fonctionne l’effet zénithal quantique

L’explication physique en physique quantique est complexe, mais assez bien comprise. Commençons par penser à la situation telle qu’elle se présente normalement, sans l’effet Zénon quantique à l’œuvre. Le « système quantique instable » décrit a deux états, appelons-les l’état A (l’état non désintégré) et l’état B (l’état désintégré).

Si le système n’est pas observé, il évoluera au fil du temps de l’état non décomposé à une superposition de l’état A et de l’état B, la probabilité d’être dans l’un ou l’autre de ces états étant basée sur le temps. Lorsqu’une nouvelle observation est effectuée, la fonction d’onde qui décrit cette superposition d’états s’effondrera dans l’état A ou B. La probabilité de l’état dans lequel elle s’effondre est basée sur le temps qui s’est écoulé.

C’est la dernière partie qui est la clé de l’effet Zénon quantique. Si vous faites une série d’observations après de courtes périodes de temps, la probabilité que le système soit dans l’état A lors de chaque mesure est considérablement plus élevée que la probabilité que le système soit dans l’état B. En d’autres termes, le système continue à s’effondrer dans l’état non décomposé et n’a jamais le temps d’évoluer dans l’état décomposé.

Aussi contre-intuitif que cela puisse paraître, cela a été confirmé expérimentalement (ainsi que l’effet suivant).

Effet anti-zeno

Il existe des preuves d’un effet inverse, qui est décrit dans le Paradoxe de Jim Al-Khalili comme « l’équivalent quantique de fixer une bouilloire et de la faire bouillir plus rapidement ». Bien qu’elle soit encore quelque peu spéculative, cette recherche va au cœur de certains des domaines scientifiques les plus profonds et peut-être les plus importants du XXIe siècle, comme la construction de ce que l’on appelle un ordinateur quantique ». Cet effet a été confirmé expérimentalement.