Locality, Probability and the Relevance of History

Dans le vaste paysage de la physique moderne, deux piliers imposants se tiennent côte à côte, mais semblent souvent parler des langues différentes. L'un est la théorie de la relativité, qui nous enseigne que rien ne peut voyager plus vite que la lumière et que les causes doivent précéder leurs effets selon un ordre local strict. L'autre est la mécanique quantique, le code de conduite du monde subatomique, qui décrit une réalité où les particules peuvent être liées à travers de vastes distances d'une manière qui semble défier ce même ordre local. Pendant des décennies, cette tension a été accentuée par un puzzle célèbre connu sous le nom de théorème de Bell. Ce théorème suggère que si l'univers suit les règles de la relativité et si les particules possèdent des propriétés définies avant que nous ne les mesurions, alors certains motifs statistiques dans les expériences ne devraient jamais se produire. Pourtant, dans des laboratoires du monde entier, ces motifs se produisent. L'univers semble briser les règles de la causalité locale et de l'effet, forçant les physiciens à choisir entre abandonner l'idée que les causes sont locales ou accepter que l'univers est plus étrange que nous ne le pensions.

Un nouvel article du philosophe Sebastian Horvat propose une autre façon d'aborder ce puzzle. Au lieu de choisir entre la localité et le comportement étrange des particules quantiques, Horvat suggère que c'est notre compréhension de la manière dont l'histoire influence le futur qui nécessite peut-être un ajustement. Il propose que le conflit ne provient pas du fait que la nature soit non-locale, mais du fait que nous avons supposé que le passé était non pertinent pour le présent dans un sens technique spécifique. En redéfinissant ce que signifie être « local » dans un monde probabiliste, Horvat soutient que les phénomènes quantiques peuvent rester parfaitement locaux sans violer la vitesse de la lumière, à condition d'accepter que l'histoire complète de la manière dont une situation est survenue importe plus que nous ne le pensions auparavant.

Pour comprendre ce changement, il faut d'abord voir comment les anciennes règles ont été écrites. Pendant longtemps, les physiciens croyaient que si vous connaissiez tout ce qui se passait dans le passé immédiat d'un événement, vous pourriez déterminer exactement ce qui se passerait ensuite. C'est l'idée de la détermination fonctionnelle : le présent est un résultat direct du passé immédiat. Cependant, la mécanique quantique n'est pas déterministe ; elle traite en probabilités. Vous ne pouvez pas dire avec certitude où un électron atterrira, seulement quelle est la probabilité qu'il atterrisse en divers endroits. Pour accommoder cela, le célèbre physicien John Bell a proposé une règle modifiée. Il a suggéré que, bien que le passé puisse ne pas déterminer le résultat exact, il devrait déterminer la probabilité de ce résultat. Selon la vue de Bell, si vous connaissez l'état du passé immédiat, la probabilité qu'un événement se produise ici ne devrait pas changer, peu importe ce qui se passe ailleurs, dans un endroit que la lumière ne peut atteindre. Cela est devenu le test standard de la « causalité locale ».

Horvat soutient que le test de Bell, bien que logique, manque une nuance cruciale lorsqu'il est appliqué à un monde de probabilités. Il souligne que la règle de Bell traite chaque scénario possible de manière isolée. Elle demande : « Étant donné ce passé spécifique, quelle est la probabilité de ce futur ? » Mais Horvat suggère qu'une manière plus naturelle de généraliser l'idée de détermination locale est d'observer comment les probabilités elles-mêmes se rapportent les unes aux autres à travers différents passés possibles. À ses yeux, une théorie véritablement locale devrait garantir que la distribution de probabilité d'un événement est déterminée par la distribution de probabilité des événements de son passé immédiat. C'est un changement subtil mais profond : au lieu que les événements déterminent d'autres événements, ou que les événements déterminent les probabilités, les distributions de possibilités déterminent les distributions de futures possibilités.

Lorsque Horvat applique cette nouvelle définition plus flexible de la localité aux données, un résultat surprenant émerge. Les corrélations étranges observées dans les expériences quantiques, qui violent les inégalités de Bell, ne violent pas nécessairement cette nouvelle règle. La violation ne se produit que si nous maintenons une hypothèse supplémentaire et cachée : l'idée que l'histoire est non pertinente. Cette hypothèse, que les physiciens prennent souvent pour acquise, est la croyance qu'une fois que vous connaissez l'état actuel d'un système, le chemin spécifique qu'il a parcouru pour y arriver n'importe pas pour prédire son futur. C'est la croyance que le moment présent contient toutes les informations nécessaires, et que le passé n'est qu'une histoire oubliée.

Horvat démontre que si vous abandonnez cette hypothèse, le conflit disparaît. Il propose que la probabilité future d'un événement peut dépendre de l'histoire de la manière dont l'état actuel a été atteint. Pour visualiser cela, imaginez un cube rouge apparaissant dans une pièce. Si vous supposez que l'histoire est non pertinente, vous prédirez son comportement futur en vous basant uniquement sur le fait qu'il est un cube rouge en ce moment, peu importe comment il est arrivé là. Mais si l'histoire est pertinente, le futur du cube pourrait dépendre de s'il est arrivé via une pyramide rouge ou une sphère rouge. Dans le monde quantique, le « cube rouge » est un résultat de mesure, et son « histoire » inclut la chaîne spécifique d'événements qui a conduit les particules intriquées à être dans l'état où elles se trouvent. L'article suggère que les corrélations que nous voyons ne sont pas des connexions magiques à travers l'espace, mais le résultat du fait que l'état actuel porte une mémoire de son origine spécifique.

Cela ne signifie pas que les causes voyagent vers le passé ou que le futur change le passé. Cela signifie plutôt que la probabilité de ce qui se passe ensuite n'est pas fixée uniquement par l'instantané du présent, mais est affinée par le contexte complet de la formation de cet instantané. L'article soutient que l'univers n'est pas « markovien », un terme technique pour les systèmes où le futur dépend uniquement du présent. Au contraire, l'univers est sensible à sa propre histoire. La probabilité d'un événement est déterminée par la probabilité des événements de son passé immédiat, mais cette distribution de probabilité passée est elle-même façonnée par l'histoire plus profonde. Cela permet à la théorie de respecter la vitesse de la lumière et la nature locale de la cause et de l'effet, tout en rendant compte des connexions étranges que la mécanique quantique révèle.

Les implications de cette vision sont significatives pour notre compréhension de la réalité. Elle suggère que l'« action fantomatique à distance » que Einstein n'aimait pas tant pourrait être une illusion créée par l'ignorance de la pertinence de l'histoire. Si nous acceptons que le passé importe, nous pouvons conserver l'idée réconfortante que les causes sont locales et que rien ne voyage plus vite que la lumière. L'article ne prétend pas avoir résolu tous les mystères de la mécanique quantique, ni fournir une nouvelle théorie complète de l'univers. Au lieu de cela, il offre un nouveau cadre logique qui élimine la contradiction entre la relativité et la mécanique quantique. Il suggère que la voie à suivre ne consiste pas à abandonner la localité, mais à reconnaître que l'histoire de la manière dont nous sommes arrivés ici est essentielle pour comprendre où nous allons.

En fin de compte, ce travail nous invite à repenser la nature du temps et de la causalité. Il propose que l'univers est une tapisserie où les fils du passé sont tissés dans les probabilités du futur. En reconnaissant que l'histoire est pertinente, nous pouvons réconcilier les deux grands piliers de la physique sans sacrifier le principe fondamental selon lequel les causes sont locales. L'article nous laisse avec la possibilité qu'une théorie locale et réaliste du monde quantique est encore à portée de main, pourvu que nous soyons prêts à écouter l'histoire complète du passé, et pas seulement le moment présent.