Effondrement de la fonction d'onde

Pour expliquer le résultat expérimental selon lequel des mesures répétées d'un système quantique donnent les mêmes résultats, la théorie postule un « effondrement » ou une « réduction du vecteur d'état » lors de l'observation, convertissant brusquement un état arbitraire en un état propre à composante unique de l'observable :

où la flèche représente une mesure de l'observable correspondant à la

Les coefficients complexes

Par exemple, dans une expérience de fentes de Young avec des électrons, les comptages individuels apparaissent aléatoirement sur le détecteur ; après sommation de nombreux comptages, la distribution présente une figure d’interférence. Dans une expérience de Stern-Gerlach avec des atomes d’argent, chaque particule apparaît de manière imprévisible dans l’une des deux zones, mais le résultat final montre un nombre égal d’événements dans chaque zone.

Cet aspect statistique des mesures quantiques diffère fondamentalement de la mécanique classique . En mécanique quantique, la seule information dont nous disposons sur un système est sa fonction d'onde, et les mesures de cette fonction d'onde ne peuvent fournir que des informations statistiques.

Les termes « réduction du vecteur d'état » (ou « réduction d'état ») et « effondrement de la fonction d'onde » désignent le même concept. Un état quantique est une description mathématique d'un système quantique ; un vecteur d'état quantique utilise les vecteurs de l'espace de Hilbert pour cette description. La réduction du vecteur d'état consiste à remplacer le vecteur d'état complet par un seul état propre de l'observable.

Le terme « fonction d'onde » est généralement utilisé pour une représentation mathématique différente de l'état quantique, celle qui utilise des coordonnées spatiales, également appelée « représentation de position ». Lorsque la représentation par fonction d'onde est utilisée, la « réduction » est appelée « effondrement de la fonction d'onde ».

L'équation de Schrödinger décrit les systèmes quantiques, mais pas leur mesure. Les solutions de l'équation incluent toutes les valeurs observables possibles lors des mesures, mais les mesures ne aboutissent qu'à un seul résultat précis. Cette différence est appelée le problème de la mesure en mécanique quantique. Pour prédire les résultats de mesure à partir des solutions quantiques, l'interprétation orthodoxe de la théorie quantique postule l'effondrement de la fonction d'onde et utilise la règle de Born pour calculer les résultats probables. Malgré le succès quantitatif largement reconnu de ces postulats, les scientifiques restent insatisfaits et ont recherché des modèles physiques plus détaillés. Plutôt que de suspendre l'équation de Schrödinger pendant le processus de mesure, l'appareil de mesure devrait être inclus et régi par les lois de la mécanique quantique.

La théorie quantique n’offre aucune description dynamique de l’« effondrement » de la fonction d’onde. En tant que théorie statistique, aucune description n’est attendue. Comme l’ont formulé Fuchs et Peres, « l’effondrement est un phénomène qui se produit dans notre description du système, et non au niveau du système lui-même »

Diverses interprétations de la mécanique quantique tentent de fournir un modèle physique de l'effondrement quantique. Parmi les interprétations courantes, on distingue trois approches de l'effondrement. Le premier groupe comprend les théories à variables cachées, comme la théorie de de Broglie-Bohm ; dans ce cas, les résultats aléatoires résultent uniquement des valeurs inconnues de variables cachées. Les résultats des tests du théorème de Bell montrent que ces variables doivent être non locales. Le deuxième groupe modélise la mesure comme un enchevêtrement quantique entre l'état quantique et l'appareil de mesure. Ceci aboutit à une simulation des statistiques classiques appelée décohérence quantique. Ce groupe inclut l' interprétation des mondes multiples et les modèles d'histoires cohérentes . Le troisième groupe postule une base physique supplémentaire, mais encore non découverte, à l'aléatoire ; ce groupe inclut par exemple les interprétations de l'effondrement objectif . Bien que les modèles de tous les groupes aient contribué à une meilleure compréhension de la théorie quantique, aucune explication alternative des événements individuels ne s'est révélée plus utile que l'effondrement quantique suivi d'une prédiction statistique avec la règle de Born.

La signification attribuée à la fonction d'onde varie selon les interprétations, et même au sein d'une même interprétation (comme l' interprétation de Copenhague ). Si la fonction d'onde se contente d'encoder la connaissance qu'a un observateur de l'univers, alors son effondrement correspond à la réception d'une nouvelle information. Ceci est en quelque sorte analogue à la situation en physique classique, à ceci près que la « fonction d'onde » classique n'obéit pas nécessairement à une équation d'onde. Si la fonction d'onde est physiquement réelle, d'une certaine manière et dans une certaine mesure, alors son effondrement est également perçu comme un processus réel, dans la même mesure.