Avons-nous le libre choix ou nos décisions sont-elles prédéterminées ? La réalité physique est-elle locale, ou ce que nous faisons ici et maintenant a-t-il une influence immédiate sur les événements ailleurs ? Les réponses à ces questions sont recherchées par les physiciens dans les inégalités de Bell. Il s'avère que le libre choix et le réalisme local peuvent être habilement mesurés et comparés. Les résultats obtenus révèlent des relations surprenantes de nature fondamentale et universelle, allant bien au-delà de la mécanique quantique elle-même.

Causalité, localité, et le libre choix sont liés par quelques formules simples connues sous le nom d'inégalités de Bell. Des expériences sophistiquées en optique quantique au cours des dernières décennies ont incontestablement prouvé que ces inégalités sont brisées. Aujourd'hui, les physiciens sont confrontés à un dilemme :doit-on accepter une vision du monde réel dans laquelle on remet en cause l'hypothèse du libre choix de l'expérimentateur, ou rejeter l'hypothèse de localité des expériences ? Des scientifiques de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences de Cracovie (IFJ PAN), la British City University of London (CUL) et la Technische Hochschule Mittelhessen allemande à Giessen (THM) ont été confrontées à ce problème. Les résultats de leurs recherches qui vont bien au-delà de la seule physique sont discutés dans un article qui vient d'être publié dans le prestigieux Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ).

"Le réalisme est un concept physique dans lequel nous décrivons le monde en termes de relations de cause à effet. La localité signifie que les actions ne peuvent pas se diffuser instantanément. Donc, si la réalité physique doit répondre aux exigences du réalisme local, le résultat de l'expérience ne sera influencé que par ce qui se trouve dans son voisinage immédiat, et non par ce qui se passe en ce moment dans une galaxie lointaine, " explique le Dr Pawel Blasiak, le premier auteur de l'article.

Choix libre, un concept apparemment typiquement philosophique, peut également être traité comme un problème physique ou même mathématique. Dans cette approche, le libre choix fait référence aux variables qui décrivent les paramètres d'une expérience, c'est-à-dire ce que nous mesurons en laboratoire. Nous supposons que nous pouvons choisir ces variables librement, indépendamment de ce qui s'est passé dans le passé.

Dans le cadre d'une vision du monde dans laquelle le réalisme local et le libre choix s'appliquent, on peut dériver les inégalités de Bell et ensuite mener une expérience pour les vérifier. Les idées principales peuvent être illustrées comme suit. Alice et Bob travaillent dans des laboratoires aux extrémités opposées de la galaxie. Un jour, chacun d'eux reçoit une boîte. Ils placent les boîtes sur leurs tables et à un certain moment, ouvrez-les soigneusement. Une pièce de monnaie en rotation sort de la boîte, que chacun des expérimentateurs appuie sur la table avec leurs paumes. Alice et Bob notent maintenant si la pièce est tombée pile ou face. Bientôt, d'autres envois similaires arrivent. Après un moment, Alice et Bob ont une longue liste d'observations dans lesquelles ils enfoncent les pièces de diverses manières. Ni l'un ni l'autre ne voit quoi que ce soit d'inhabituel dans leurs données :des têtes et des queues apparaissent sur leurs listes de manière purement aléatoire.

La situation change radicalement lorsque Alice et Bob se rencontrent au Congrès scientifique intergalactique. Ils comparent leurs données et tout à coup il s'avère que dans les mêmes observations, quand la pièce d'Alice a atterri pile vers le haut, La pièce de Bob a toujours atterri tête haute et vice versa. Donc, ils supposent tous deux que ce n'est pas une coïncidence et que les corrélations qu'ils observent doivent être attribuées à une cause commune cachée dans le passé des deux objets envoyés depuis la même source. Le mystérieux expéditeur des boîtes aurait pu simplement indiquer à chaque pièce comment atterrir lorsqu'elle était pressée contre la table d'une manière donnée. Si c'était vraiment le cas, Alice et Bob pouvaient deviner cette instruction et annoncer une découverte spectaculaire. Malheureusement, leurs efforts n'aboutissent à rien !

Désespéré, Alice et Bob demandent de l'aide au théoricien de génie John. Il demande d'abord quelles hypothèses les deux scientifiques ont adoptées dans leur travail comme étant vraies et certaines. "Nous pensons que les corrélations que nous avons observées doivent être explicables par une série de causes et d'effets se propageant dans le temps, " dit Alice. Bob précise, "Nous pensons également qu'aucune cause n'affecte immédiatement l'expérience si elle est suffisamment éloignée du laboratoire." Ils croient tous les deux fermement que la façon dont ils ouvrent les boîtes ne leur est en aucun cas imposée et ils sont absolument convaincus que ce sont eux qui décident de la façon dont ils appuient sur la pièce. A leur grande surprise, John explique calmement que toutes ces hypothèses ne peuvent être conciliées avec les corrélations qu'elles observent.

En réalité, Les inégalités de Bell ont été découvertes par le physicien nord-irlandais John Stewart Bell en 1964. Il s'est inspiré du célèbre problème de "spooky-action-at-a-distance", posé par Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen en 1935. Dans des expériences physiques, où le rôle des pièces est joué par les photons et les têtes et queues sont leurs polarisations observées dans diverses directions, ces inégalités sont en effet brisées. Physique contemporaine, donc, face à un dilemme fondamental :vaut-il mieux abandonner l'idée de réalisme local, ou peut-être remettre en cause le libre choix des scientifiques ? Peu de physiciens sont prêts à remettre en question le réalisme qui présuppose une causalité en ligne avec la flèche du temps. Donc soit quelque chose ne va "pas tout à fait" avec l'hypothèse du réalisme local, soit avec le libre choix des expérimentateurs.

« Le fait que la réalité brise l'inégalité de Bell nous amène à poser des questions intrigantes. Par exemple :à quelle fréquence, tout en conservant la pleine localité, Faudrait-il rompre le libre choix pour recréer les corrélations observées dans les expériences ? A chaque mesure, la plupart du temps, ou peut-être juste parfois ? De la même manière, si nous conservons le libre choix, combien de fois devions-nous casser la localité ? », se demande le Dr Blasiak.

Les résultats des recherches du groupe polono-britannique-allemand apportent une réponse surprenante. Il s'avère que pour recréer les corrélations enregistrées, tout en maintenant le libre choix, la localité devrait être brisée aussi souvent que le libre choix tout en maintenant la localité. Pour une raison (inconnue), la nature ne favorise ni la localité ni le libre choix.

Les scientifiques ont réussi à dériver des formules pour calculer à quelle fréquence Alice et Bob devraient rompre la localité ou le libre choix pour recréer les corrélations observées (en mécanique quantique et pas seulement). En particulier, il s'avère que le formalisme de la mécanique quantique impose qu'avec un enchevêtrement maximal entre les photons, la rupture de localité ou de libre choix se produit à chaque mesure (ce qui généralise les résultats précédents concernant la localité elle-même).

"La chose la plus intéressante est que le théorème de Bell n'est pas du tout un énoncé de la mécanique quantique, mais de la théorie des probabilités, il a donc un caractère universel. Les théorèmes que nous avons prouvés ne se limitent pas non plus à la physique quantique elle-même, mais s'appliquent à toutes les situations traitant de corrélations concernant des systèmes séparables, " souligne le Dr Blasiak.

« En dehors de la physique au sens strict, la rupture de la localité ou du libre choix n'a pas à être dramatique. Dans la recherche sur le comportement humain, il suffirait qu'Alice chuchote quelque chose à Bob pour violer la localité, " note le Pr Emmanuel Pothos, psychologue au CUL. Un autre exemple est donné par le professeur Christoph Gallus, économiste chez THM :« Si Alice et Bob sont des acteurs en bourse, leurs choix peuvent être corrélés simplement en utilisant certaines informations publiques. »

L'universalité des dépendances trouvées ouvre la porte à des applications très pratiques, comme l'étude des mécanismes de circulation de l'information dans les systèmes complexes. Il convient de souligner que le caractère général de ce genre de considérations vient de la nature même de la question sur les causes des corrélations observées, fondamentale et commune à toute la science.