(Phys.org) - Bien qu'il existe de nombreuses idées contre-intuitives dans la théorie quantique, l'idée que les influences peuvent remonter dans le temps (du futur au passé) n'en fait généralement pas partie. Cependant, récemment, des physiciens se sont penchés sur cette idée, appelé « rétrocausalité, " car il peut potentiellement résoudre certaines énigmes de longue date en physique quantique. En particulier, si la rétrocausalité est autorisée, alors les fameux tests de Bell peuvent être interprétés comme une preuve de rétrocausalité et non d'action à distance – un résultat qu'Einstein et d'autres sceptiques quant à cette propriété « effrayante » ont peut-être apprécié.

Dans un nouvel article publié dans Actes de la Royal Society A , les physiciens Matthew S. Leifer de l'Université Chapman et Matthew F. Pusey du Perimeter Institute for Theoretical Physics ont apporté un nouveau soutien théorique à l'argument selon lequel, si certaines hypothèses raisonnables sont formulées, alors la théorie quantique doit être rétrocausale.

L'appel de la rétrocausalité

D'abord, pour clarifier ce qu'est la rétrocausalité et ce qu'elle n'est pas :cela ne signifie pas que des signaux peuvent être communiqués du futur au passé - une telle signalisation serait interdite même dans une théorie rétrocausale pour des raisons thermodynamiques. Au lieu, rétrocausalité signifie que, lorsqu'un expérimentateur choisit le paramètre de mesure avec lequel mesurer une particule, cette décision peut influencer les propriétés de cette particule (ou d'une autre particule) dans le passé, avant même que l'expérimentateur n'ait fait son choix. En d'autres termes, une décision prise dans le présent peut influencer quelque chose dans le passé.

Dans les tests originaux de Bell, les physiciens supposaient que les influences rétrocausales ne pouvaient pas se produire. Par conséquent, afin d'expliquer leurs observations que les particules distantes semblent savoir immédiatement quelle mesure est faite sur l'autre, la seule explication viable était l'action à distance. C'est-à-dire, les particules s'influencent d'une manière ou d'une autre même lorsqu'elles sont séparées par de grandes distances, d'une manière qui ne peut être expliquée par aucun mécanisme connu. Mais en tenant compte de la possibilité que le réglage de mesure pour une particule puisse influencer rétrocausiquement le comportement de l'autre particule, il n'y a pas besoin d'action à distance, seulement une influence rétrocausale.

Rétrocausalité généralisée :avec ou sans état quantique réel

L'un des principaux partisans de la rétrocausalité en théorie quantique est Huw Price, professeur de philosophie à l'Université de Cambridge. En 2012, Price a présenté un argument suggérant que toute théorie quantique qui suppose que 1) l'état quantique est réel, et 2) le monde quantique est à symétrie temporelle (que les processus physiques peuvent se dérouler en avant et en arrière tout en étant décrits par les mêmes lois physiques) doit permettre des influences rétrocausales. Naturellement, cependant, l'idée de rétrocausalité n'a pas fait son chemin chez les physiciens en général.

"Il y a un petit groupe de physiciens et de philosophes qui pensent que cette idée vaut la peine d'être poursuivie, dont Huw Price et Ken Wharton [professeur de physique à l'Université d'État de San José], " Leifer a dit Phys.org . "Il n'y a pas, à ma connaissance, une interprétation généralement acceptée de la théorie quantique qui récupère toute la théorie et exploite cette idée. C'est plus une idée d'interprétation pour le moment, donc je pense que d'autres physiciens sont à juste titre sceptiques, et c'est à nous de donner corps à l'idée."

Dans la nouvelle étude, Leifer et Pusey tentent de le faire en généralisant l'argument de Price, ce qui le rend peut-être plus attrayant à la lumière d'autres recherches récentes. Ils commencent par supprimer la première hypothèse de Price, de sorte que l'argument tient si l'état quantique est réel ou non - une question qui fait encore l'objet d'un débat. Un état quantique qui n'est pas réel décrirait la connaissance des physiciens d'un système quantique plutôt que d'être une véritable propriété physique du système. Bien que la plupart des recherches suggèrent que l'état quantique est réel, il est difficile de confirmer d'une manière ou d'une autre, et permettre la rétrocausalité peut donner un aperçu de cette question. Permettre cette ouverture sur la réalité de l'état quantique est l'une des principales motivations pour enquêter sur la rétrocausalité en général, Leifer a expliqué.

« La raison pour laquelle je pense que la rétrocausalité mérite d'être étudiée est que nous avons maintenant une multitude de résultats infructueux sur les interprétations réalistes de la théorie quantique, y compris le théorème de Bell, Kochen-Specker, et des preuves récentes de la réalité de l'état quantique, " at-il dit. " Ceux-ci disent que toute interprétation qui s'inscrit dans le cadre standard des interprétations réalistes doit avoir des caractéristiques que je considérerais comme indésirables. Par conséquent, les seules options semblent être d'abandonner le réalisme ou de sortir du cadre réaliste standard.

"Abandonner le réalisme est assez populaire, mais je pense que cela prive la science d'une grande partie de son pouvoir explicatif et il est donc préférable de trouver des comptes rendus réalistes lorsque cela est possible. L'autre option est d'explorer des possibilités réalistes plus exotiques, qui incluent la rétrocausalité, relationnel, et plusieurs mondes. Mis à part les nombreux mondes, ceux-ci n'ont pas été beaucoup étudiés, donc je pense qu'il vaut la peine de les étudier tous plus en détail. Je ne suis pas personnellement attaché à la solution rétrocausale au dessus des autres, mais il semble possible de le formuler rigoureusement et de l'étudier, et je pense que cela devrait être fait pour plusieurs des possibilités les plus exotiques."

Ne peut pas avoir à la fois la symétrie temporelle et la non-rétrocausalité

Dans leur papier, Leifer et Pusey reformulent également l'idée habituelle de symétrie temporelle en physique, qui est basé sur l'inversion d'un processus physique en remplaçant t avec - t dans les équations du mouvement. Les physiciens développent ici un concept plus fort de symétrie temporelle dans lequel l'inversion d'un processus est non seulement possible mais que la probabilité d'occurrence est la même que le processus avance ou recule.

Le résultat principal des physiciens est qu'une théorie quantique qui suppose à la fois ce type de symétrie temporelle et que la rétrocausalité n'est pas autorisée se heurte à une contradiction. Ils décrivent une expérience illustrant cette contradiction, dans laquelle l'hypothèse de symétrie temporelle exige que les processus avant et arrière aient les mêmes probabilités, mais l'hypothèse de non-rétrocausalité exige qu'elles soient différentes.

Donc finalement tout se résume au choix de garder la symétrie temporelle ou la non-rétrocausalité, car l'argument de Leifer et Pusey montre que vous ne pouvez pas avoir les deux. Puisque la symétrie temporelle semble être une symétrie physique fondamentale, ils soutiennent qu'il est plus logique de permettre la rétrocausalité. Cela éliminerait le besoin d'action à distance dans les tests Bell, et il serait encore possible d'expliquer pourquoi l'utilisation de la rétrocausalité pour envoyer des informations est interdite.

« Les arguments en faveur de la rétrocausalité me semblent plus solides pour les raisons suivantes :" dit Leifer. " Premièrement, avoir la rétrocausalité permet potentiellement de résoudre les problèmes soulevés par d'autres théorèmes de non-droit, c'est à dire., cela nous permet d'avoir des corrélations de Bell sans action à distance. Donc, même si nous devons encore expliquer pourquoi il n'y a pas de signalisation dans le passé, il semble que nous puissions regrouper plusieurs puzzles en un seul. Ce ne serait pas le cas si nous abandonnions la symétrie temporelle à la place.

"Seconde, nous savons que l'existence d'une flèche du temps doit déjà être expliquée par des arguments thermodynamiques, c'est à dire., c'est une caractéristique des conditions aux limites spéciales de l'univers et non une loi de la physique. Puisque la capacité d'envoyer des signaux uniquement dans le futur et non dans le passé fait partie de la définition de la flèche du temps, il me semble probable que l'incapacité à signaler dans le passé dans un univers rétrocausal pourrait également provenir de conditions aux limites particulières, et n'a pas besoin d'être une loi de la physique. La symétrie temporelle semble moins susceptible d'émerger de cette manière (en fait, nous utilisons généralement la thermodynamique pour expliquer comment l'asymétrie temporelle apparente que nous observons dans la nature découle de lois à symétrie temporelle, plutôt que l'inverse)."

Comme les physiciens l'expliquent plus loin, toute l'idée de rétrocausalité est si difficile à accepter parce que nous ne la voyons jamais ailleurs. Il en est de même pour l'action à distance. Mais cela ne signifie pas que nous pouvons supposer que la non-rétrocausalité et la non-action à distance sont vraies de la réalité en général. Dans tous les cas, les physiciens veulent expliquer pourquoi l'une de ces propriétés n'apparaît que dans certaines situations très éloignées de nos observations quotidiennes.

"Une façon de regarder tous les théorèmes de non-droit est en termes de réglages fins, " expliqua Leifer. " Vous remarquez une propriété des prédictions de la théorie et vous supposez que cette propriété est également vraie de la réalité. Ensuite, vous montrez que cela est incompatible avec la reproduction des prédictions de la théorie quantique et vous avez un théorème de non-droit.

"Par exemple, dans le théorème de Bell, nous remarquons que nous ne pouvons pas envoyer de signaux supraluminiques donc nous supposons qu'il n'y a pas d'influences supraluminiques en réalité, mais cela nous met en conflit avec les prédictions observées expérimentalement. Notez que ce ne sont pas vraiment les influences supraluminiques en soi qui sont le plus gros problème. Si nous pouvions envoyer des signaux plus rapidement que la lumière, nous dirions simplement, 'Tant pis, Einstein avait tort. La théorie de la relativité est tout simplement incorrecte. Et puis continuez à faire de la physique. Mais ce n'est pas ce qui s'est passé :aucune signalisation ne tient toujours au niveau de ce que nous observons, c'est juste qu'il y a une tension entre cela et ce qui doit se passer en réalité pour reproduire ce que nous observons. S'il y a des influences supraluminiques, alors pourquoi ne pouvons-nous pas les observer directement ? C'est l'énigme qui demande des explications."

Implications et remise en cause des hypothèses

Si la rétrocausalité est une caractéristique du monde quantique, cela aurait alors de vastes implications pour la compréhension des physiciens des fondements de la théorie quantique. La plus grande importance est peut-être l'implication pour les tests de Bell, montrant que les particules distantes ne peuvent vraiment pas s'influencer les unes les autres, mais plutôt - comme Einstein et d'autres le croyaient - que la théorie quantique est incomplète. Si les nouveaux résultats sont vrais, alors la rétrocausalité peut être l'une des pièces manquantes qui rend la théorie quantique complète.

"Je pense que différentes interprétations [de la théorie quantique] ont des implications différentes sur la façon dont nous pourrions généraliser la théorie quantique standard, " a déclaré Leifer. " Cela pourrait être nécessaire pour construire la théorie correcte de la gravité quantique, ou encore de résoudre certains problèmes de physique des hautes énergies étant donné que l'unification des trois autres forces est encore en suspens à la lumière des résultats du LHC. Je pense donc que les théories futures construites sur les idées des interprétations existantes sont là où nous pourrions voir une différence, mais il est vrai que nous sommes assez loin de comprendre comment cela pourrait fonctionner à l'heure actuelle.

"Spéculativement, s'il y a rétrocausalité dans l'univers, alors il se peut qu'il y ait certaines époques, peut-être près du big bang, dans lequel il n'y a pas de flèche définie de causalité. Vous pourriez imaginer qu'une signature d'une telle époque pourrait apparaître dans les données cosmologiques, comme le fond cosmique des micro-ondes. Cependant, c'est très spéculatif, et je n'ai aucune idée des signatures auxquelles nous pouvons nous attendre pour le moment."

Les physiciens n'ont prévu aucune expérience pour tester la rétrocausalité, mais comme l'idée est plus une interprétation d'observations que de nouvelles observations, ce dont on a le plus besoin n'est peut-être pas un test mais un soutien plus théorique.

"En ce qui concerne les tests expérimentaux directs de rétrocausalité, le statut n'est pas très différent des autres choses dans les fondements de la mécanique quantique, " a déclaré Leifer. " Nous ne testons jamais une hypothèse isolément, mais toujours en conjonction avec beaucoup d'autres, et ensuite nous devons décider lequel rejeter pour d'autres motifs. Par exemple, vous pourriez penser que les expériences de Bell montrent que la nature n'est pas locale, mais seulement si vous avez d'abord décidé d'accepter d'autres hypothèses, comme le réalisme et la non-rétrocausalité. Donc, vous pourriez dire que les expériences de Bell fournissent déjà des preuves de rétrocausalité si vous n'êtes pas enclin à rejeter le réalisme ou la localité. De la même manière, le type d'expériences que nous décrivons dans notre article fournit des preuves de la rétrocausalité, mais seulement si vous refusez de rejeter les autres hypothèses.

"En réalité, la situation est vraiment la même dans tous expériences scientifiques. Il existe une multitude d'hypothèses sur le fonctionnement de l'appareil expérimental que vous devez accepter pour conclure que l'expérience montre l'effet que vous recherchez. C'est juste ça, dans le cas des fondations quantiques, le sujet est très controversé, nous sommes donc plus susceptibles de remettre en question les hypothèses de base que nous ne le sommes dans le cas de, dire, un essai de médicament médical. Cependant, de telles hypothèses sont toujours là et il est toujours possible de les remettre en question."

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