Dans un déroulement classique des événements, la relation de cause à effet (causalité) est relativement simple à comprendre, cette dernière étant d’ailleurs l’une des principales distinctions à faire lors de l’interprétation des résultats d’une étude scientifique quelconque. Mais cette notion perd une partie de son sens et de sa logique lorsqu’on l’applique à la physique quantique. En physique quantique, il est admis (pour extrapoler l’interprétation du comportement des particules) que l’observateur (via un instrument de mesure par exemple) perturbe, par l’observation, l’effet même qu’il s’apprête à mesurer. Mais qu’en est-il de la relation de cause à effet dans un système quantique ?
Pour résumer, la causalité est la relation linéaire (dans le temps) entre une cause et un effet. Mais récemment, des chercheurs de l’Université Libre de Bruxelles (ULB) et de l’Université d’Oxford ont remis en question cette notion simple dans le cadre d’une nouvelle théorie quantique. Selon leurs résultats, la cause et l’effet peuvent parfois se dérouler par cycles, l’effet provoquant la cause, et inversement.
Nous sommes d’accord, le domaine quantique lui-même, tel qu’il est actuellement compris, est intrinsèquement désordonné. Il n’y a pas (encore) de compréhension précise de la physique à cette échelle, que l’on préfère donc considérer comme un ensemble de probabilités mathématiques plutôt qu’une comme des réalités. Ces probabilités ne se prêtent pas non plus exactement à l’idée d’une interaction de cause à effet bien définie entre les événements…
Et les chercheurs de cette nouvelle étude rendent cette compréhension encore plus confuse avec leurs résultats. Pour y aboutir, ils ont utilisé la transformation unitaire. La transformation unitaire est une méthode mathématique utilisée notamment pour résoudre des équations nécessaires à la compréhension de systèmes quantiques complexes. Son utilisation permet par exemple de résoudre la célèbre équation de Schrödinger par calcul informatisé (notamment, récemment, par le biais d’une intelligence artificielle).
Pour donner une explication plus complète, il faut comprendre l’espace dans lequel opère la mécanique quantique. En mécanique quantique, le temps est simplement une autre dimension qui doit être prise en compte, tout comme les trois dimensions (x, y, z) habituelles de ce que nous considérons comme l’espace linéaire. Les physiciens utilisent généralement un autre outil mathématique appelé « opérateur hamiltonien » pour résoudre l’équation de Schrödinger. En mécanique quantique, dans la représentation de Schrödinger, l’évolution dans le temps d’un système quantique est caractérisée (au niveau infinitésimal) par l’opérateur hamiltonien, tel qu’exprimé par la célèbre équation de Schrödinger.
Un hamiltonien, bien qu’il s’agisse d’un concept mathématique, est souvent dépendant du temps. Cependant, c’est aussi la partie de l’équation qui est modifiée lorsqu’une transformation unitaire est introduite. Dans le cadre de cette action, il est possible d’éliminer la dépendance temporelle de l’hamiltonien, pour faire en sorte qu’au lieu d’exiger du temps pour aller dans une certaine direction (c’est-à-dire pour que l’action et la réaction se déroulent de manière linéaire), le modèle se transforme davantage en une boucle qu’en une ligne droite, l’action entraînant la réaction et la réaction entraînant l’action. C’est ce que les chercheurs sont parvenus à démontrer ici, par le biais de ces transformations unitaires.
Des applications macroscopiques ?
Il est extrêmement difficile de concevoir les implications de ce modèle. Un aspect important est que cette conclusion n’a que peu ou pas de pertinence pour les causes et effets du monde macroscopique (à notre échelle). Les causes et effets qui seraient cycliques dans ce cadre « ne sont pas locaux dans l’espace-temps », selon le communiqué de presse de l’ULB, et il est donc peu probable qu’ils aient un impact sur la vie quotidienne.
« L’idée de structures causales cycliques peut sembler contre-intuitive, mais le cadre des processus quantiques dans lequel elle est formulée garantit qu’elle est exempte de paradoxes logiques, comme la possibilité de remonter dans le temps et de tuer son jeune soi », explique Ognyan Oreshkov de l’Université libre de Bruxelles. « Aussi exotiques qu’ils puissent paraître, certains de ces scénarios sont en fait connus pour avoir des réalisations expérimentales dans lesquelles les variables d’intérêt sont délocalisées dans le temps ».
Cependant, les chercheurs pensent que la structure causale de l’espace-temps elle-même pourrait devenir cyclique de cette manière quantique à l’intersection de la théorie quantique et de la relativité générale, où des processus analogues à ceux réalisables en laboratoire sont attendus, « mais avec des événements locaux dans leurs cadres de référence spatio-temporels respectifs », écrivent les chercheurs.
