Au-delà de la théorie de l’onde pilote : non-linéarité et procéssus hors d’équilibre en mécanique quantique

Beyond pilot wave dynamics : non-linearity and non-equilibrium in quantum mechanics

• Auteur / Autrice : Mohamed Hatifi
• Direction : Thomas Durt
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique Théorique
• Date : Soutenance le 24/09/2019
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Fresnel (Marseille, France) - Institut FRESNEL / FRESNEL
• Jury : Président / Présidente : Alexandre Matzkin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Matzkin, Fabienne Michelini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christos Efthymiopoulos, Jacques Robert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie quantique

Mots clés libres

Fondements de la mécanique quantique

Interprétation causale

Dynamique non-linéaire

Chaos

Décohérence Quantique

Processus stochastiques

Self-gravité

Quantum foundations

Pilot wave theory

Nonlinear dynamics

Chaos

Quantum decoherence

Stochastic processes

Self-gravity

Résumé

La mécanique quantique a modifié notre façon d'interpréter ce que jadis l'on appelait communément "réalité physique". A titre d'exemple, selon l'interprétation standard de la mécanique quantique (dite interprétation probabiliste de Copenhague) les propriétés d’un objet quantique n'ont pas de réalité physique, du moins, pas avant que l’observateur ne les mesure. De plus, tout semble se passer comme s'il y avait un indéterminisme intrinsèque à la dynamique quantique qui ne permettrait pas de prédire avec certitude le résultat d'une mesure. Dès lors, plusieurs interprétations physiques et philosophiques ont vu naissance afin de décrire (notre connaissance de) cette réalité.C'est au cours de la conférence de Solvay en 1927 que Louis de Broglie, un opposant à l'interprétation probabiliste, proposa une solution alternative qui permettait d'une part de restaurer le déterminisme (ainsi que le réalisme) et d'autre part de remettre au premier plan la notion de trajectoire. Par la suite cette théorie fut redécouverte et complétée par David Bohm pour donner naissance à la théorie connue aujourd'hui sous l'appellation de théorie de l'onde pilote. John Bell a dit à propos de cette interprétation : " En 1952, l'impossible a été rendu possible. C'était dans l'article de David Bohm. Bohm a montré explicitement comment une description indéterministe pouvait être transformée en théorie déterministe."Les travaux présentés dans ce manuscrit de thèse s'inscrivent dans la continuité de la vision de de Broglie et consistent en deux parties, chacune d'elles ayant pour but de répondre à une problématique particulière. Dans la première, on considère deux formalismes du type onde pilote, une version déterministe (dynamique de de Broglie-Bohm chapitre 2) ainsi qu'une de ses extensions stochastiques (dynamique de Bohm-Hiley-Nelson chapitre 3). On s'attardera notamment sur l’émergence de la probabilité quantique à partir de ces dynamiques dans l’approche dite du "Quantum Non-Equilibrium". Cette approche permet entre autres de s'affranchir du statut axiomatique de la distribution de probabilité mais aussi de la justifier par des arguments similaires à ceux que l'on retrouve en mécanique statistique. Parmi ces arguments on retrouvera à titre d’exemple la notion d’ergodicité, de chaos, de mixing ainsi que d’autres propriétés qui feront l’objet d’une étude approfondie (chapitre 4). En particulier, l’émergence de l’équilibre s'accompagne d'un processus de relaxation que nous allons caractériser dans chacune de ces dynamiques (dans le chapitre 3 nous dériverons un théorème H qui décrit quantitativement ce processus dans le cas stochastique). Par ailleurs, nous nous efforcerons, dans une approche phénoménologique, d’appliquer ces théories quantiques d'onde pilote à la dynamique macroscopique des gouttes d'huile rebondissantes dans un bain (chapitre 5).La deuxième problématique quant à elle, repose sur une hypothétique généralisation non-linéaire de la mécanique quantique. En particulier, nous considérerons l'équation de Schrodinger Newton comme une première proposition a cette généralisation. Cette équation non-linéaire découle d’une approximation semi-classique de la gravité et a été entre autres proposée par Roger Penrose pour expliquer le collapse de la fonction d’onde. Nous montrerons dans un premier temps comment le programme de la double solution de Louis de Broglie se développe dans ce contexte (chapitre 6). Par la suite nous verrons comment tester cette généralisation non-linéaire par deux propositions expérimentales (chapitre 7). En particulier, l’une de ces propositions nous conduira à étudier des effets de décohérence lors du refroidissement laser (Doppler cooling, chapitre 8). Pour cela on utilisera le modèle de Ghirardi–Rimini–Weber (GRW) comme modèle de décohérence. Ce qui nous permettra par la suite de généraliser les résultats obtenus auparavant par GRW dans leur modèle.

The quantum theory has modified the way we interpret what in the past was commonly called "physical reality". As an example, according to the standard interpretation of quantum mechanics (the so-called probabilistic interpretation of Copenhagen), the properties of a quantum object have no physical reality, at least not before the observer measures them. Moreover, everything seems to happen as if there was an intrinsic indeterminism in the quantum dynamics that forbids to predict with certainty the result of a measurement. From then, several physical and philosophical interpretations were born to describe (our knowledge of) this reality.It is in 1927, during the Solvay conference, that Louis de Broglie, an opponent of the probabilistic interpretation, proposed an alternative solution to that problem. He proposed on the one hand to restore determinism (as well as realism) and on the other hand to bring back the notion of trajectory to the foreground. Subsequently this theory was rediscovered and supplemented by David Bohm to give birth to the theory known today as pilot wave theory. John Bell said about this interpretation: " In 1952, I saw the impossible done. It was in papers by David Bohm. Bohm showed explicitly how .... the indeterministic description could be transformed into a deterministic one."The works carried out in this manuscript are in continuity with de Broglie’s view and can be summed up in two main parts, each of them having the aim of answering a particular problem. In the first part, we consider two versions of the pilot wave theory: a deterministic version (de Broglie-Bohm dynamics in chapter 2) as well as one of its stochastic extensions (Bohm-Hiley-Nelson dynamics in chapter 3). In the framework of what is called the "Quantum non-equilibrium" approach we shall see how the quantum probability emerges from those dynamics. This approach makes it possible to get rid of the axiomatic status of the probability distribution but also to justify it by arguments similar to those found in statistical mechanics. Among these arguments we shall for instance find ergodicity, chaos, mixing and other properties that will be studied in depth (chapter 4). In particular, the emergence of the quantum probability is accompanied by a relaxation process that will be characterized for both dynamics (in chapter 3 we derive a strong H-theorem for the stochastic dynamics which quantitatively describes how this process occurs). In addition, we will try in a phenomenological approach to apply these quantum pilot wave theories to the macroscopic dynamics of bouncing oil droplets (chapter 5).The second problem is linked to a hypothetical nonlinear generalization of the quantum theory. In particular, we considered the Schrodinger Newton equation as a first proposal to this generalization. In a nutshell, this non-linear equation derives from a semi-classical approximation of gravity and has been proposed by Roger Penrose among others to explain the collapse of the wave function. We shall first show how it is related to the double solution program of Louis de Broglie (chapter 6). Subsequently we will see how to test this nonlinear generalization by considering two experimental proposals (chapter 7). In particular, one of these proposals will lead us to study the interplay between decoherence and Doppler cooling (chapter 8). To do this we shall use the model of Ghirardi-Rimini and Weber (GRW) as a decoherence model, which will allow us to generalize their original results.