vignette|redresse=1.3|Le paradoxe du chat de Schrödinger dans l’interprétation d’Everett des mondes multiples (many worlds). Ici, chaque évènement est une bifurcation. Le chat est à la fois mort et vivant, avant même l'ouverture de la boite, mais le chat mort et le chat vivant existent dans des bifurcations différentes de l'univers, qui sont tout aussi réelles l'une que l'autre. La théorie d'Everett, appelée parfois théorie des états relatifs, des mondes multiples (many-worlds) ou des observateurs multiples (many-minds), est une formulation de la mécanique quantique fondée uniquement sur l'évolution déterministe de l’équation de Schrödinger, qui, appliquée à l’univers entier, régit son état quantique.
En effet, dans la formulation et l’interprétation conventionnelle de la mécanique quantique, un état quantique peut évoluer fondamentalement selon deux manières :
processus 1 : changement discontinu (réduction du paquet d'onde) lors d’une mesure effectuée par un observateur extérieur ; processus 2 : changement continu et déterministe de l’état du système selon l’équation de Schrödinger.
Everett montre que le processus 2 suffit pour retrouver toutes les prédictions de la formulation conventionnelle. Cependant, en l’absence du processus de réduction du paquet d’onde, l’univers se trouve ramifié en une superposition d'une infinité de mondes séparés.
Savoir si ces idées constituent réellement une théorie ou seulement une interprétation de la mécanique quantique est une question débattue, car ses prévisions sont identiques à celles de la théorie conventionnelle, l'interprétation de Copenhague.
Motivations et fondements de la thèse d’Everett Dans sa thèse, publiée sous diverses versions plus ou moins longues à partir de 1956, Hugh Everett s’emploie à établir un cadre adapté à la quantification de la relativité générale. Une question qui se pose notamment est de savoir comment évolue l’état quantique de l’univers tout entier. D’après Everett, dans le cadre de la formulation et de l’interprétation conventionnelles de la mécanique quantique, un état quantique peut évoluer fondamentalement selon deux manières :
Le "processus 1" : changement discontinu (réduction du paquet d'onde) provoqué par une mesure effectuée par un observateur extérieur (l’observateur peut être un simple appareil de mesure).
Le "processus 2" : changement continu et déterministe de l’état du système selon l’équation d’onde (du type équation de Schrödinger).
Everett fait remarquer que le processus 2 (continu) ne peut pas s’appliquer si le système quantique étudié comporte un observateur, puisque celui-ci « fonctionne » selon le processus 1 (discontinu). La théorie conventionnelle devient donc incohérente dans ce cas. De plus, un observateur extérieur au système quantique étudié est forcément (selon les mots de Werner Heisenberg) décrit par la physique classique ; or il est anormal que la théorie quantique s’appuie sur la physique classique, moins fondamentale qu’elle. Des théories postérieures à celle d'Everett, telle la théorie de la décohérence, ont depuis apporté une réponse partielle au problème de la mesure quantique en prédisant la disparition rapide de la possibilité d'observer, à une échelle macroscopique, des états classiques superposés sans toutefois éliminer, comme le fait la théorie d'Everett, le conflit entre une dynamique d'évolution unitaire, déterministe et réversible des états quantiques et la violation de cette unitarité d'évolution lors d'une mesure quantique. D’autre part (toujours selon Everett), si le système étudié est l’univers entier, l’idée d’un observateur extérieur n’a plus de sens.
Everett propose donc de se débarrasser du processus 1. Il réussit à montrer que le processus 2 décrivant une mécanique purement ondulatoire suffit pour retrouver tous les concepts probabilistes et toutes les prédictions de la formulation conventionnelle. La théorie d'Everett est ainsi une formulation de la mécanique quantique comportant essentiellement une équation d'évolution déterministe, du type équation de Schrödinger, qui régit l'état quantique (ou fonction d'onde) de l'univers. Cependant, en l’absence du processus de réduction du paquet d’onde, l’univers se trouve ramifié en une superposition d'un nombre prodigieusement grand voire infini de mondes séparés. Cette conséquence de la théorie d'Everett est tellement marquante que cette dernière est appelée théorie des mondes multiples. Le physicien Thibault Damour et le scénariste Jean-Claude Carrière lui préfèrent l'expression de multiplicité du monde, celui-ci restant stricto sensu unique https://livre.fnac.com/a7610102/Jean-Claude-Carriere-Entretiens-sur-la-multitude-du-monde.
Les autres noms de la théorie Le titre de la première version de la thèse d’Everett (1956) est Théorie de la fonction d'onde universelle ; dans ce mémoire, il fait référence à son propre travail en termes d’interprétation purement ondulatoire de la mécanique quantique. Le titre de la seconde version de sa thèse (1957) est Formulation de la mécanique quantique en termes d'états relatifs. En 1973, Bryce DeWitt et Neill Graham ont publié un recueil d’essaisBryce DeWitt et Neill Graham, « The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics », Princeton Series in Physics, 1973. (comprenant la version longue de la thèse d’Everett) intitulé L'interprétation de la mécanique quantique en termes de mondes multiples. Pour toutes ces raisons, la théorie d'Everett est appelée parfois théorie des états relatifs, théorie des mondes multiples (many-worlds) ou théorie des observateurs multiples (many-minds).
Simple interprétation ou théorie à part entière ? Selon Everett, le fait que sa théorie ne soit pas fondée sur les mêmes postulats que la formulation conventionnelle de la mécanique quantique justifie qu’on la considère comme une théorie complète, une nouvelle théorie, ou au moins une théorie modifiée. Toutefois, comme elle n'effectue pas de prévisions nouvelles qui différeraient de la théorie conventionnelle, elle est considérée par beaucoup comme une simple interprétation de la mécanique quantique.
Les arguments de la théorie d'Everett Les lois quantiques sont universelles. Tous les systèmes physiques, microscopiques ou macroscopiques, obéissent aux mêmes lois. Il n'y a pas de raison qui permettrait d'affirmer que les systèmes macroscopiques échappent aux lois quantiques. La réunion de deux systèmes quantiques est toujours un système quantique. Par récurrence on en déduit qu'un système est toujours quantique, aussi gros soit-il. Comme les appareils de mesure sont des systèmes quantiques, leur dynamique est décrite par l'équation de Schrödinger, autrement dit leur évolution est unitaire. Comme la réduction du paquet d'onde n'est pas une évolution unitaire, elle contredit l'équation fondamentale de la physique quantique, celle de Schrödinger : . Il faut donc renoncer au postulat de la réduction du paquet d'onde. Sinon, la théorie quantique serait contradictoire. Lorsque le système observé n'est pas un état propre de la mesure, l'équation de Schrödinger prédit que le système complet (système observé+appareil de mesure) est dans une superposition de résultats de mesure à l'issue de l'observation. Cela vaut également pour les observateurs humains. Comme nous observons toujours un seul résultat de mesure, pas une superposition, Everett en conclut que les solutions de l'équation de Schrödinger décrivent une multiplicité de destinées des appareils de mesure et des observateurs humains. Everett avance dans sa thèse que la réduction du paquet d'ondes est une sorte d'illusion qui résulte du postulat d'évolution unitaire et de l'intrication entre le système observé et le système observateur. Il montre également que l'intersubjectivité des résultats d'observation résulte des principes quantiques et qu'elle n'est pas incompatible avec les destinées multiples. L'interprétation d'Everett suggère l'apparition d'une multiplicité de mondes classiques relatifs aux observateurs, qui ont des destinées multiples dans un unique univers quantique décrit par une unique solution de l'équation de Schrödinger : la fonction d'onde universelle (c'est le titre de la thèse d'Everett)Joos, Erich, Zeh, Heinz-Dieter, Kiefer, Claus, Giulini, Domenico, Kupsch, Joachim & Stamatescu, Ion-Olimpiu, Decoherence and the appearance of a classical world in quantum theory (2003)Schlosshauer, Maximilian, Decoherence and the quantum-to-classical transition (2007)Wallace, David, The emergent multiverse : quantum theory according to the Everett interpretation (2012)Zurek, Wojciech H., Decoherence, einselection, and the quantum origins of the classical (2003, Rev. Mod. Phys., Vol. 75, No. 3, pp.715-775). Les mathématiciens disent que ces différents univers sont contenus dans un espace de Hilbert de dimension infinie. Dans un tel espace, tous les univers possibles, tels que définis par la gigantesque fonction d’onde qui les contient, se superposent les uns aux autres. Le monde classique observé à un instant et un endroit donné correspondrait alors juste à une des réalisations possibles de la fonction d'onde, celle précisément qui a donné naissance à son observateur particulier à ce moment.
Contexte Hugh Everett, qui l'a développée, estimait peu vraisemblable qu'une fonction d'onde déterministe donne lieu à des observations qui ne le sont pas, conséquence pourtant d'un postulat de la mécanique quantique, celui de la réduction du paquet d'onde. Ce postulat pose également un problème de cohérence mathématique avec le problème de la mesure quantique dans cette même théorie.
Selon lui, la seule source d'anti-hasard possible était l'observateur lui-même, ou plus exactement : sa nature d'observateur qui lui était propre (le résultat qu'il observait le caractérisant lui-même en tant que cet observateur), et ne concernait pas l'univers, qui restait parfaitement neutre et comportait toutes les possibilités prévues par la théorie quantique. Les possibilités par lui observées définissaient seules l'observateur, qui ne percevait donc que cet univers-là, , Oxford University Press, ..
Cette interprétation inhabituelle, rappelant le principe de l'action et de la réaction, fut exposée dans sa thèse de doctorat en 1957, sous la direction de John Wheeler (voir la biographie), qui fut dès 1957 un partisan enthousiaste de cette théorie, en comparant Everett aux plus grands, Newton et les autres, dans l'article qui introduit celui d'Everett — la seule à rendre compte sans paradoxe de la mécanique quantique — et nombre de physiciens, au nombre desquels David Deutsch et Colin Bruce, la considèrent la seule possible à ne pas nécessiter quelque deus ex machina introduisant en permanence de l'anti-hasard dans l'univers. Sans indiquer réellement son opinion sur cette théorie, le prix Nobel de physique 1969 Murray Gell-Mann montre pour elle, dans son livre le Quark et le Jaguar, une sympathie bienveillante.
On peut rapprocher cette théorie des calculs fondés sur l'ensemble des possibilités offertes au système, tels que l'intégrale de Feynman ou intégrale de chemin de Richard Feynman, ou le principe des puissances virtuelles.
Le texte de la thèse de physique d'Everett a été mis en ligne en 2008 et est toujours consultable (voir dans les liens externes)
Objections Bien que vigoureusement défendue par Bryce DeWitt dans les années 1970, l'interprétation d'Everett de la mécanique quantique a longtemps été considérée comme peu crédible. Elle doit effectivement faire face à une série d'objections sur son ontologie et sur le statut qu'elle donne aux probabilités qui semblent à première vue problématiquesBernard d'Espagnat Le réel voilé, Fayard, 1994, p. 269 :
Objection ontologique