@sobriquet

"quand la lumière détruit la cohérence de l’objet quantique, qu’est-ce qui fait qu’un état réel particulier est observé plutôt qu’un autre ?« 

Le hasard et les probabilités.

On postule, dès le départ de la théorie, que la fonction d’onde définissant totalement un objet quantique se propage dans le temps selon l’équation déterministe de Schrödinger.
Comme postulat, on admet que cette équation doit être linéaire, ses solutions sont dites »fonctions propres« .
Chacune de ces fonctions propres est associée à une »énergie propre« , valeur mesurable et observable.

Le fait que l’équation de Schrödinger soit linéaire et déterministe fait que toute combinaison linéaire des »fonctions propres« est également un état possible de l’objet quantique.

Cela peut sembler totalement absurde et vide de sens dans le monde macroscopique.
Pour essayer de schématiser, voici un exemple grossier pour que vous ayez une idée de ce que cela veut dire.
C’est comme si on vous disait, »je peux mesurer une particule avec une vitesse de 10 km/heure (« fonction propre 1 »), je peux mesurer cette particule à une vitesse de 130 km/heure (« fonction propre 2 »), alors cette particule peut se trouver également dans un état particulier combinant 10km/heure et 130 km/heure. (combinaison linéaire des « fonction propre 1 » et « fonction propre 2 »).
Cet état particulier serait la combinaison linéaire de deux « fonctions propres », un « mélange » de vitesses respectives 10km/heure et 130km/heure, et ne correspond donc à rien de ce qui peut être connu et décrit dans le monde physique.

Cet état particulier, impossible à décrire physiquement, (défini mathématiquement par un nombre complexe dépendant des coordonnées spatiales et temporelles) se propage dans l’espace et dans le temps de manière parfaitement déterminée par l’équation de Schrödinger.

C’est lorsque vous allez réaliser une mesure de cet objet quantique, par l’interaction de la lumière pour le regarder, que vous allez réaliser la « réduction du paquet d’ondes », vous allez briser le déterminisme de l’équation de Schrödinger d’une manière brutale par la mesure. Vous allez changer l’état quantique de cet objet, qui se projettera soit vers l’état 10km/heure, soit vers l’état 130km/heure.

Et là, la réponse à votre question : qui décide vers quel état sera projeté vers 10km/heure ou 130km/heure ?

Le hasard.

L’état quantique est décrit avec un coefficient devant chaque « fonction propre ».
Lorsque l’on résout l’équation de Schrödinger, (avec un opérateur hamiltonien (énergie), mais je ne vais pas rentrer dans les détails), ces coefficients sont calculés.
Ces coefficients, ÉLEVÉS AU CARRÉ, DONNENT LA PROBABILITÉ DE RÉALISATION de l’évènement auquel il est associé.

Si la fonction d’onde de l’objet quantique est avant sa mesure : 0,86 fois 10km/heure + 0,5 fois 130km/heure, alors quand vous réalisez la mesure sur la particule, vous avez 75% de chances de trouvez votre particule avec une vitesse de 10km/heure et 25% de chance de la trouver à une vitesse de 130km/heure.

Les mesures statistiques sur un très grand nombre de particules donnent des résultats toujours conformes aux prévisions de la mécanique quantique.

Ne pas prendre cet exemple de manière rigoureuse, c’est juste pour vous faire « sentir » la logique de l’appareillage quantique qu’il y a derrière.

Toutes ces règles semblent absurdes, mais ont été élaborées patiemment et minutieusement par plusieurs dizaines de physiciens, durant plus de 25 ans de tâtonnement, de discussions, d’âpres et houleux débats par les meilleurs physiciens de l’époque (1900-1927).

Jusqu’à aujourd’hui, la théorie quantique n’a jamais été prise en défaut, et a permis de comprendre au plus haut degré la structure de la matière, les réactions chimiques (nombre de valence et la compréhension complète de la table de classification chimique des éléments de Mendeleiev) et la réalisation de technologies utilisées dans les objets courants de tous les jours (lasers, lecteurs optiques, semi-conducteurs, transistor, chimie des matériaux...)

« ce comportement est-il une propriété démontrée formellement, ou uniquement un axiome qui s’appuie sur l’expérience ? »

Ce sont des postulats de départ, c’est à partir de l’expérience, en remarquant que la physique classique est un échec pour décrire le monde microscopique, que l’on a fini par poser les principes empiriques suivants  :

- la fonction d’onde est régie par l’équation de Schrödinger
- le principe d’incertitude (élaboré en 1927 par Heisenberg) qui explique que la notion même de trajectoire est indéfini pour une particule au niveau quantique, elle ne peut avoir une vitesse et une position déterminées à un instant t.
Seule une distribution statistique pour mesurer des « observables » position, vitesse, énergie, moment cinétique,etc... par « projection » sur les états propres (voir l’exemple précédent) peut expliquer son comportement. Certaines de ces « observables » ne peuvent être mesurées simultanément (dites variables conjuguées) comme la position et la vitesse.