Vue d'artiste sur les expériences de Bell, avec des danseurs de ballet personnifiant des arrangements expérimentaux dans des laboratoires séparés dans l'espace et le temps. Les chaînes de uns et de zéros font allusion à la violation du libre choix, tandis que le nuage entre les deux fait référence au manque de localité. (Source : Institut de physique nucléaire PAS / Iwona Michniewska).

Des physiciens révèlent une surprenante relation de nature fondamentale et universelle entre le libre choix et le réalisme local.

Aujourd’hui, les physiciens sont confrontés à un dilemme : devons-nous accepter une vision du monde réel dans laquelle nous remettons en question l’hypothèse du libre choix de l’expérimentateur, ou rejeter l’hypothèse de la localité des expériences ?

Des scientifiques de l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences à Cracovie, de la City University of London, au Royaume-Uni, et de la Technische Hochschule Mittelhessen de Giessen, en Allemagne, se sont confrontés à ce problème. Les résultats de leurs recherches, qui vont bien au-delà de la seule physique, montrent que libre choix et réalisme local sont liés de façon indissoluble.

Réalisme et localité

« 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. Ainsi, 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 même dans une galaxie lointaine », explique Pawel Blasiak, premier auteur de l’étude.

Le libre choix, concept apparemment typiquement philosophique, peut également être traité comme un problème physique, voire 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 du passé.

Les inégalités de Bell

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, puis réaliser une expérience pour les vérifier. Les idées principales peuvent être illustrées comme suit.

Alice et Bob travaillent dans des laboratoires situés aux deux extrémités de la galaxie. Un jour, chacun d’entre eux reçoit une boîte. Ils placent les boîtes sur leurs tables et, à un moment donné, les ouvrent soigneusement.

Pièces de monnaie en rotation

Une pièce de monnaie en rotation sur la tranche jaillit de la boîte, que chacun des expérimentateurs appuie sur la table avec sa paume. Alice et Bob notent maintenant si la pièce est tombée sur pile ou sur face.

Bientôt, d’autres envois similaires arrivent. Au bout d’un certain temps, Alice et Bob disposent d’une longue liste d’observations dans lesquelles ils appuient sur les pièces de différentes manières. Ni l’un ni l’autre ne voit rien d’inhabituel dans leurs données : les piles et les faces apparaissent sur leurs listes de manière purement aléatoire.

Corrélation étrange

La situation change radicalement lorsque Alice et Bob se rencontrent au Congrès scientifique intergalactique. Ils comparent leurs données et il s’avère soudain que dans les mêmes observations, lorsque la pièce d’Alice atterrit sur pile, celle de Bob atterrit toujours sur face – et vice versa.

Ils supposent donc tous deux que ce n’est pas une coïncidence et que les corrélations qu’ils observent doivent être attribuées à une cause commune,dans le passé des deux objets envoyés par la même source. Le mystérieux expéditeur des boîtes aurait pu simplement indiquer à chaque pièce comment atterrir lorsqu’elle est pressée contre la table d’une manière donnée.

Pas de découverte spectaculaire

Si tel était vraiment le cas, Alice et Bob pourraient deviner cette instruction et annoncer une découverte spectaculaire. Malheureusement, leurs efforts n’aboutissent à rien !

Désespérés, Alice et Bob demandent l’aide du génial théoricien John. Il demande d’abord quelles hypothèses les deux scientifiques ont adoptées dans leur travail comme vraies et certaines.

Fausses hypothèses

« Nous pensons que les corrélations que nous avons observées devraient 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. »

Tous deux sont fermement convaincus que la façon dont ils ouvrent les boîtes ne leur est en aucun cas imposée, et ils sont absolument persuadés que ce sont eux qui prennent la décision de la façon dont ils appuient sur la pièce de monnaie. À leur grande surprise, John leur explique calmement que toutes ces hypothèses ne peuvent être conciliées avec les corrélations qu’ils observent.

Réalisme local contre libre choix

Les inégalités de Bell ont été découvertes par le physicien nord-irlandais John Stewart Bell en 1964. Il s’est inspiré du problème d’« étrange action à distance », posé par Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen en 1935.

Dans les expériences physiques, où le rôle des pièces de monnaie est joué par les photons et où pile et face sont leurs polarisations observées dans diverses directions, ces inégalités sont effectivement rompues. La physique contemporaine est donc confrontée à un dilemme fondamental : vaut-il mieux abandonner l’idée de réalisme local, ou remettre en question le libre choix des scientifiques ?

Pas tout à fait correct

Peu de physiciens sont prêts à remettre en cause un réalisme qui présuppose une causalité conforme à la flèche du temps. Donc soit quelque chose est « pas tout à fait correct » dans l’hypothèse du réalisme local, ou dans celle du libre choix des expérimentateurs.

« Le fait que la réalité rompe l’inégalité de Bell nous incite à poser des questions intrigantes. Par exemple : combien de fois, tout en maintenant une localité complète, devrions-nous rompre le libre choix pour recréer les corrélations observées dans les expériences ? À chaque mesure, la plupart du temps, ou seulement de temps en temps ? De même, si nous conservons le libre choix, à quelle fréquence devrions-nous rompre la localité ? », s’interroge P. Blasiak.

La nature ne choisit pas

Les résultats des recherches du groupe polono-britannico-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 doit l’être le libre choix si l’on maitient 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 combien de fois Alice et Bob devraient briser 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 une intrication maximale entre les photons, la rupture de la localité ou du libre choix se produit à chaque mesure (ce qui généralise les résultats précédents concernant la localité elle-même).

Un phénomène universel

« Le plus intéressant 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 sont pas non plus limités à la physique quantique elle-même, mais s’appliquent à toutes les situations traitant des corrélations concernant des systèmes séparables », souligne P. Blasiak.

« En dehors de la physique au sens strict, la rupture de la localité ou du libre choix ne doit pas nécessairement être dramatique. Dans la recherche sur le comportement humain, il suffirait qu’Alice murmure quelque chose à Bob pour violer la localité », note Emmanuel Pothos, psychologue à l’ULC. Un autre exemple est donné par Christoph Gallus, économiste au THM : « Si Alice et Bob sont des traders sur le marché boursier, leurs choix peuvent être corrélés simplement par l’utilisation de 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 provient de la nature même de la question sur les causes des corrélations observées, qui est fondamentale et commune à l’ensemble de la science.

Cet article a d’abord été publié par l’Académie polonaise des sciences.

La recherche du côté polonais a été financée par l’Agence nationale polonaise pour les échanges académiques et l’Office of Naval Research Global américain.

Source d’information : Institut de physique nucléaire PAS

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