HAL Id: jpa-00236410
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Submitted on 1 Jan 1961
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Sur l’interprétation de la mécanique quantique. IV.
Observation et réalité
A.B. Datzeff
To cite this version:
A.B. Datzeff. Sur l’interprétation de la mécanique quantique. IV. Observation et réalité. J. Phys.
Radium, 1961, 22 (2), pp.101-112. �10.1051/jphysrad:01961002202010100�. �jpa-00236410�
SUR L’INTERPRÉTATION DE LA
MÉCANIQUE
QUANTIQUE IV.OBSERVATION ET RÉALITÉ.
par A. B.
DATZEFF,
Chaire de Physique Théorique à l’Université de Sofia, Bulgarie.
Résumé. 2014 On a attribué aux relations d’incertitude le sens objectif suivant, où l’observation n’est pas un facteur décisif : En accord avec [1], [2] les valeurs de chaque grandeur physique dans
le domaine du microcosmos sont soumises à des variations chaotiques avec le temps. Les disper-
sions d’un couple quelconque de variables canoniquement conjuguées ne sont pas indépendantes, mais il existe entre elles une relation exprimée par la relation d’incertitude correspondante.
Abstract. 2014 The following objective sense has been ascribed to the relations of uncertainty,
with which observation is not a decisive factor. In accordance with [1], [2] the values of each
physical quantity in the field of the microworld are subjected to chaotic changes in the course of
time.
The dispersions of each couple of canonically conjugated quantities are not independent but
there exists a dependence between them expressed by the corresponding relation of uncertainty.
LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM 22, MAI 1961,
C. Relations d’incertitude. Observation et rda- lit6. - 1. RELATIONS D’INCERTITUDE. DIFFI- CULTÉS LIÉES AU PASSAGE A LA MÉCANIQUE CLAS-
SIQUE. - Un resultat
important
etsingulier
de lam6canique quantique
estrepr6sent6
par les rela- tions bien connues d’incertitude(relations
d’Hei-senberg).
Toutes les tentativesd’interprétation
de la
mecanique quantique
y touchent inevitable- ment.L’interprétation
d3 ces relations est liee aurole
d6ja soulign6
de l’observateurpendant
cha-que
experience,
ainsi que au ccprincipe
d’indéter-mination »
d’Heisenberg
et au «principa
decomplé-
mentarit6 » de Bohr. On peut dire la meme chose
des différentes conclusions
philosophiques,
devenues assez
populaires,
tir6es de lamecanique quantique.
Pour cette raison nous nous occuperonsplus
en detail de ces relations et d’autre part, de laquestion
du rapport entre observation et reality posee souvent au coursd’interprétation
des diff6-rentes
experiences
ayant pour but la v6rification des diff6rentesconsequences
de lamecanique quantique.
Cesquestions
souvent discut6es 6tantevidemment assez délicates, nous
d6velopperons
nos considerations
plus
endetail,
meme en prenantle
risque
de répéterquelques
fois des chosesconnus avec l’intention de donner un peu
plus
declarte au probleme pose.
Les relations d’incertitude
s’imposent
d’une facon naturellequand
on veut former par super-position
d’ondes planesmonochromatiques
un paquet d’onderepr6sentant
le mouvement d’unmicrocorpuscule ti
(afin de fixer l’id6e on parlerasouvent d’un electron). Admettons que la fonction d’onde en cas de mouvement sur OX a un mo-
ment donne est essentiellement différente de zero dans un domaine
dependant
de la coordonnée x etdue. l’impulsion
p,, x variant dans un intervalleAz = X2 - Xl et px dans l’intervalle
a px
= p 2x - p 1x. On trouve entre eux la relationsimple
que leurproduit
est de l’ordre degrandeur
de la constante de Planck
[3], [4]
Si le mouvement est a trois dimensions et le
paquet limit6 suivant y et z, on trouve de m6me
et d’une
faqon analogue
ou E est la variation de
1’energie
sur les ondesformant le paquet et 0394t le temps d’existence du paquet a un endroit fixe.
D’un autre cote en cherchant le
produit
des6carts moyens
quadratiques
des variables x et px,on trouve de maniere connue
et de meme pour les axes OY, OZ. Les relations (28) (28’),
(28"),
resp. (29) sont les relations celebresd’Heisenberg
ou relations d’incertitudequi
appa- raissentchaque
foisquand
on veut 6tudier lemouvement du corpuscule dans un domaine limite par rapport aux coordonn6es et a
l’impulsion,
c’est-à-dire
toujours quand
on veut localiser lecorpuscule. (On pourrait
des maintenantsouligner
le fait que les relations d’incertitude ont deux
representations
tout a fait diff6rentes : par les difiérences Ax, etc., et par leurs carr6s moyensAz2,... etc. Nous y reviendrons
plus tard).
L’interprétation
orthodoxe de ces relationsqui
est
largement
accept6e enrnécanique quantique,
est la suivante. Pendant
chaque experience
l’ob-Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01961002202010100
servateur (ses moyens d’observation) introduit
des
perturbations
non contr6lables dans le mou-vement 6tudi6 du
corpuscule,
d’ou il suit une in-certitude Ax sur la
position
etAp,
surl’impulsion
du
corpuscule,
leurproduit
6tant soumis à larelation (28). D’ici on tire la conclusion que l’on
ne peut pas mesurer simultanement, avec une
pr6ei-
sion arbitraire la
position
et la vitesse du corpus-cule, et que meme le
corpuscule
n’a pas deposition
et de vitesse simultan6es. Ces derni6res sont pour ainsi dire virtuellement distribuées dans
1’espace
avec une
probabilité
donn6equi s’exprime
par la fonction d’onde T. On peuts’imaginer
que 03C8 corres-pond
à un certain paquet d’onde. Ces dimensionsd’espace
dans un certain domaine V donnent uneexpression
de l’information que nousposs6dons
sur la condaite du corpuscule. Si une
experience
effectuee d6eouvre avec surete le
corpuscule
dansun domaine
VI,
contenu dans V, alors le paquet ser6duit instantanément dans le domaine V,, c’est-
a-dire que la
probabilité
de presenceIT12
s’annu-lera hors du domaine
V1,
et aura, a l’int6rieur deVI,
une nouvelle distributioncorrespondant
ànos nouvelles connaissances sur le
corpuscule, données
par la derniereexperience.
De l’affirma-tion que notre connaissance
plus precise
sur laposition
ducorpuscule
faitplus
incertaine notre connaissance sur sa vitesse et inversement (ccprin- cipe
d’indetermination ))d’Heisenberg),
on a essay6d.e tirer la conclusion que nos
possibilités
deconnaissance dans le microcosmos sont limitees
en
principe.
Bohrcomplete
cetteinterpretation
par le
principe
decomplementarite qui pourrait
etre resume ainsi. La
description
desph6nom6nes
dans le microcosmos contient deux cotes :
descrip-
tion dans
1’espace-temps
et par1’energie-impul-
sion,qui
secompl6tent
mutuellement. Notre connaissance totale sur l’un des cotes exclut lapossibilite
de connaitre I’autre c6t6.Dans
1’expos6 qui
suit nous nous arrêteronsplus
en detail etprendrons position
sur les affir-mations mentíonnées. Mais il serait bien de sou-
ligner
ici encore la difficulté deprincipe
fondamen-tale dressee par la
m6eanique quantique
devant lesphysiciens.
Ainsi une affirmation fondamentale enmecanique quantique,
basee sur les relations (28) -(28"),
est que lemicrocorpuscule
neposs6de
pas simultanement uneposition
3t une vitesse, et que la notion de vitesse et deposition
simultanées,qui
n’a pas de sens ici.appartiendrait
à un do-maine
plus primitif
- lam6canique classique
etserait sugg6r6e par
1’emploi d’images
naives. Mais,d’un autre cote, le
language
de lamecanique
quan-tique
se sert couramment de notionsclassiques parmi lesquelles
celles deposition
et de vitesse,meme aussi de la notion
d’expérience
[6],qui
n’ontpas ici un sens determine. Voila
pourquoi
memele ,contenu da la notion de
microcorpuscule
est tr6speu clair. Le
microcorpuscule
n’estqu’un f antom.e qui apparait
une fois avec’desproprietes corpus-
culaires, une autre fois avec des
propri6t6s
ondu-latoires et
qui
ne peut etre conçu par aucunphysicien
doue d’uneimagination
humaine ordi-naire (si l’on peut supposer
qu’il
en existe une autre). 11ais peut-on dire que cette diniculte de concevoir la double nature ducorpuscule,
repre-sent6e comme une nouveauté
physique
r6volu- tionnaire, r6sulteuniquement
de nos habitudesacquises
grace a une educationclassique
et de notreimagination
barneequi
doit donc etrerééduquée
afin de devenir
capable
decomprendre
cette nou-velle
6tape
de notre connaissance ? Enprincipe,
bien entendu, cela n’est nullement exclu et la
phy- sique
connait depareils
cas. Mais il y a aussi uneautre
possibility :
quel’image
ducorpuscule
d6critepar la m6canique quantique contemporaine
et seraitdue d’un cote a nos nouvelles
conquotes
scien-tifiques qui
se sont 6lev6es au-dessus des connais-sances
classiques,
mais en meme temps aussi anos connaissances limit6es dans ce domaine et à notre
ignorance
totale sur ladynamique
intimedes
phenomenes
du mondeatomique.
Nous sommesde ce dernier avis.
Pour
plusieurs physiciens qui appliquent
avecsucces le formalisme
math6matique
de la m6ca-nique quantique
et de la theorie duchamp
àbeaucoup
deprobl6mes
concrets, laquestion
sepose ainsi. La
mecanique quantique
contempo- raine nous donne des recettesmathématiques
pour calculer laprobabilité correspondant
a ungrand
nombre de
phénomènes
d’interaction entre cor-puscules
elementaires etl’expérience
engeneral
confirme ces calculs. Pour cette raison la
question
d’une certaine essence
physique plus profonde
deces
phenomenes
est d6elar6e comme 6tantprivee
d’intérêt. Mais une telle
position
duprobleme
n’estpas satisfaisante pour tout le monde. D’un cote il serait raisonnable de donner an
physicien
le droitde penser que la
physique
estplus
facile a com-prendre
que ne lepermet
laphysique quantique contemporaine
et de poser desquestions
sur1’essence meme des
phenomenes correspondants
sans avoir peur de
« l’ opinion publique
» para-lysante
enphysique th6orique.
D’un autre cote ilest fort
probable
que c’est 1’eclaircissement du cotephysique
intime de cesphénomènes qui,
nonseulement écartera les difficult6s existantes de nature
physique
etlogique,
mais permettra ausside voir et de p6n6trer
plus profond6ment
dansle domaine du microcosmos.
En relation avec la creation en son temps de la
m6canique quantique,
lecorpuscule-electron qui jusqu’alors
a ete decrit par lam6eanique classique
et
1’electrodynamique,
a, reçu despropri6t6s
ondu-latoires
exprimees
par unappareil mathematique appartenant
a un autre domaine. 11 est clair doncque les difficult6s li6es a la double nature de Felec- tron comme
onde-corpuscule
seront tres marqueesdans le cas ou la
mecanique
parait avoir ledroit
s’appliquer, c’est-à-díre -dans
le cas limite h- ’0.Voila
pourquoi
nous allonsrappeler
etd6velopper plus
en detail les difficult6s li6es au passage de lam6canique
ondulatoire a lam6canique classique
mentionnees en [1].
la) On sait
qu’en
effectuant dans1’equation
deSchrodinger .
la substitution
on trouve
L’equation
(32) sededuit,
dans les cours demecanique quantique
de Fanirmation que pour 1ï ---> 0 on trouve1’equation
de Hamilton-Jacobi[S] =
0,
c’est-a-dire le mouvementclassique
de1’electron avec ses
trajectoires.
Cela parait vraipour h
= 0,quand
le terme en h de (32) disparaiten
effet,
mais alors la transformation(31)
pour Tperd
son sens. D’un autre cote, pour valeur donnee ? >0, 1’6quation
deSchrodinger
(30)ne permet pas l’introduction de
trajectoires
clas-siques.
On doit en outre tenir compte du fait que la solution S del’équation
(32)depend
du para-m6tre E
(1’6nergie),
tandis que1’equation
(32)ne
poss6de
pas de solution pour chaque E. 11s’ensuit que le passage a la limit,e 1ï --> 0 ne peut
pas 6treeffectu6 sans
precautions.
Consid6rons parexemple
le cas ou1’equation
deSchrodinger
a un spectre discontinu En. Alors pour h - 0 la diff6-rence entre deux niveaux voisins
E,, - E,,-, I-> 0
et simultanement
chaque
valeur de n --> 0. Mais pourchaque
valeur E,, de1’6nergie
pourlaquelle
En >
E,,
> En_11’equation
deSchrodinger
n’apas de solution et la valeur
E’n
n’est paspermise.
On n’aura donc ni le spectre
classique
continu, niles
trajectoires classiques.
En d’autres mots, lam6canique quantique
ne donne pas comme casparticulier
pour h --> 0 lam6canique classique,
contrairement a
l’opinion
repandue.D’un autre cote
1’6quation
deSchrodinger
d6- pend duparametre
continu m, masse du cor-puscule,
et il est tout a fait natureld’exiger qu’une
variation continua de m
jusqu’aux
valeurs macros-copiques
aboutisse au mouvementclassique
du corpuscule.Cependant
cela n’a pas lieu du fait que pour m ---> oo dansFequation
(30) on seheurte a des difficult6s de la meme nature que celles
accompagnant le
passage A
--> 0. (En effet les para- m6tres h et m dans1’equation
(30) ont en generalun effet
oppose).
Prenons, pour fixer lesid6es,
lecas bien connu de l’oscillateur
harmonique
M surOX
d’energie potentielle
U = kx2/2. Admettonsque m a une valeur
macroscopique (par
exempleI
gramme).
Alors lamécanique classique
donne pour le mouvement de M la loi
x = A sin wt, v = x’ = A w cos wt. Consid6rons le mouvement
quantique
de M dans un 6tat sta-tionnaire n
d’energie
En. La sclution03C8(x,
t) de1’equation
correspondante deSchrodinger
seraou
Hn(x)
est lepolyn6me
d’Hermite d’ordre n etAn une constante de normal’sation. La
probabilité
de distribution wq des
positions
de NI et laproba-
bilit6 «
classique
» Wel seront donn6esrespective-
ment par
11 est clair que les deux fonctions (34), (34’) sont
tout a fait diff erentes pour
chaque n
donne (Pourn = 10 les
graphiques
de ces deux fonctions sontdonn6es en [7],
chap.
4) - laprobabilité
depr6-
sence de M en
chaque
racine de Hn(x) = 0 est nulle, tandis que (34’)correspond
a un mouvementcontinu. 11 est bien clair que
l’image
donn6e par (34)ast
incompatible
avecl’image classique
(34’).(L’affirmation, par
exemple
en [7] que pour ngrand
on doit considerer les fonctions (34) et (34’)comme
identiques
en ayant en vue une certaine moyenne de w, (34), est arbitraire et non fondee.)Consid6rons d’un autre cote un ’intervalle E’ E E" et admettons que
1’equation
del’oscillateur a un certain nombre de valeurs pro- pres El (l =
1,
2, ...) dans cet intervalle. Pourchaque
valeur de E dans l’intervaileE’,
E" 1’oscil-lateur
classique poss6de
un mouvement determinede
probabilité classique correspondante
semblablea
(34’). Quant
a l’oscillateurquantique,
pour E = El il aura uneprobabilité
depresence
de laforme (34). Mais pour E * E¿
1’6quation
de l’oscil-lateur n’a pas de solution, et a cette valeur de
1’energie
necorrespond
aucuneprobabilité,
donerien ne
correspond
a laprobabilité classique.
Cetexemple
montre que si la masse m a des valeursmacroscopiques,
ou si m -> oo, on ne trouvera pas lamecanique classique
comme casparticulier
dela mecamque
quantique.
Une des demonstrations souvent
employee
pour etablir le passage enquestion
est celle du paquet d’onde, dont le mouvement imite celui d’un cor-puscule classique. Supposons qu’on
ait forme Ie paquetcorrespondant
a un oscillateurharmonique
dans le cas ou sa masse et son
energie
ont desvaleurs de l’ordre des valeurs
classiques
corres- pondantes.Compte
tenu de lagrande
masse ducorpuscule,
les dimensions du paquet,qui
peuventetre
appr6ci6es
facilement, seront trespetites.
Mais au cours du temps, comme il est bien connu, le paquet s’etale et le mouvement
qu’il
repre-sente ressemblera de moins en moins au mouvement
classique x
= A sin wt, pour t sufflsammentgrand.
L’objection,
que pour un tel 6tat des choses ondoit attendre des dur6es de temps d’ordre astrono-
mique,
cequi
n’aurait pas de senspratique,
n’a pas de valeur demonstrative. En effet lam6canique classique,
comme lam6canique quantique aussi,
dans leurs
representations mathematiques,
corres-pondent
a certaines abstractions de la réalitéqui,
une fois
faites,
doivent etre suiviesjusqu’au
bout.Le temps dans ces deux theories est variable de
- oo a oo. Voila
pourquoi chaque
limitation de la variation du temps ou d’une autregrandeur dyna- mique
est uneoperation
arbitraire nonpermise
enmecanique quantique contemporaine.
(Si l’on pou- vaitl’accepter,
toutes lesdivergences
en theoriesdes
champs
auraient tout de suitedisparu grace
a des limitations convenables aux variables corres-
pondantes.) L’exemple
considéré montre (et dememe pour les autres cas
pareils) qu’a
1’aide d’un paquet d’onde on ne peut nonplus
r6aliser unpassage
mathematiquement rigoureux,
valable pourchaque
valeur de t, de lamecanique quantique
a lamecanique classique.
Nous
ajouterons
encore la remarque suivante. Il suit de la formule de deBroglie X
=h;mv
que pourune masse m
grande
on aura unepetite longueur ),
del’onde attachee, ce
qui
est necessaire pour le passage a lam6canique classique.
Mais dans le cas de masseassez
grande
(parexemple m
= 1 g) choisissons sa vitesse v suffisammentpetite,
donepratiquement
un
corpuscule
au repos. (On peut aussi bien rap-porter le mouvement a un
systeme
d’inertie de vitesse v, ou la vitesse relative ducorpuscule
est6gale
a zero, cequi
est un resultat tres banal de lamecanique classique.)
Pour cecorpuscule
clas-sique
au repos, lam6canique quantique
d6ter-mine une onde de
longueur
illimitee (donc rem-plissant 1’espace),
cequi
n’a aucun sens. Ces consi-d6rations ramenent a la
pensee
que pour éviter depareilles consequences,
repr6sentant evidemmentdes
paradoxes,
on doit determiner les limites de validite des formules de lamecanique quantique
du cote de la
m6canique classique.
1b)
Rappelons
aussil’objection
connue d’Eins-tein [1].
Supposons qu’un
electron passe par un orifice 0perce
sur Fecran A derrierelequel
satrouve un autre écran B de forme
spherique,
decentre 0 et de rayon R (une
plaque photogra- phique).
Ladescription
du mouvement de 1’61ec-tron entre 0 et B se fait a 1’aide de l’onde V dif- fract6e par 0, donnant la
probabilité
de presencede 1’electron dans tout le domaine entre A et B
(c’est-a-dire l’ électron est virtuellement distribué dans tout
1’espace
derriere A). Mais si a un mo-ment t == t1 une
experience
fixe 1’61ectron en unpoint
C sur 1’6cran B, laprobabilité
de presencedevient instantanement l’unit6 aux environs de C et nulle partout ailleurs. (La destruction pour ainsi dire de l’onde T dans
1’espace
a lieu instantan6-ment, done avec une vitesse
infinie.)
Mais bienque nous connaissions surement la
position
de1’61ectron au
point
C au moment t = t1, nousn’aurions pas le droit d’affirmer
qu’en
des mo-ments
qui precedent t,
1’electron aurait eu despositions
certaines entre lespoints
0 et C. Celadoit avoir lieu pour des valeurs arbitrair3s du rayon R, donc pour des
experiences
tout a faitmacroscopiques
(memecosmologiques,
avec unpeu
plus d’imagination
de la part de l’observateur).Une telle conclusion est en conflit non seulement
avec la
m6canique classique qui
a des échellespareilles
a le droitlégitime
d’etre consideree commevalable. Elle contredit aussi toutes nos id6es
logiques
du mouvement. Une reponse satisfai-sante a cette
objection
d’Einstein n’a pas ete donn6ejusqu’a
present pour lasimple
raisonqu’elle
ne peut pas etre donn6e dans les cadres actuels de la
m6canique quantique.
1c) Un autre
exemple
interessant de telles diffi- cult6s est 1’oscillateurharmonique
(et d’autresproblemes analogues aussi).
Soit 1’electron en mou- vement sur OX enpresence
dupotentiel
U =kx2/2.
Admettons
qu’il
se trouve en etat stationnaire determine nd’énergie
En = (n +1/2)hv.
11 existealors une
probabilité
w(x) # 0,quoique
trespetite,
de trouver l’élactron a une distance
ixi
arbitrairede 0. Si 1’61ectron est une
particule
de type clas-sique
den’importe quelle
vitesse v (même avecv =
0),
sonenergie
y sera E yU(x) = kX2/2.
Alorson peut faire
l’énergie E fantastiquement grande
avec un choix de
lxl convenable ;
et en tout casE » En, bien que nous ayons admis que
Fenergie
totale est constante,
6gale A
l§. C’est une contra- diction,qui
ne peut pas etre 6cart6e en utilisant les relations d’incertitude[3],
cequi repr6sente
iciune
operation
arbitraire. Elle est li6e a laquestion
de 1’essence
physique
duphenomene
en cause, entre autre a laquestion
de la limite entre les domainesd’application
de lam6canique quantique
et
classique.
On peut donner encore
beaucoup d’exemples
de la nature des
precedents,
mais ceuxqui
ont etecites sont suffisants pour
prendre position
sur laquestion
6tudi6e.Remarque.
- En liaison avec le passage h --> 0nous ferons encore la remarque suivante. Nous
avons montre
plus
haut que la substitution immé- diate h -> 0 dans1’appareil
de lam6canique
quan-tique
ne conduit pas a lam6canique classique.
Mais cela ne veut nullement dire que ce passage a la limite ne peut recevoir un sens si 1’on
impose
des conditions
mathematiques supplémentaires.
De telles recherches ont ete faites par MASLOV
[8]
qui
trouve un type derepresentation
(enélargis-
sant d’une mani6re convenable 1’espace L,), ou le
passage h -> 0 devient