L'un des aspects les plus étranges de la mécanique quantique est l'intrication, car deux particules intriquées s'influencent mutuellement sur de vastes distances, ce qui, à première vue, viole le principe physique fondamental de la localité: ce qui se passe à un certain point de l'espace ne peut affecter que les points proches. Mais que se passe-t-il si la localité - et l'espace lui-même - n'est pas si fondamental, après tout? George Masser explore les conséquences possibles de ceci dans son nouveau livre Spooky Action At a Distance. (Albert Einstein a appelé l'intrication quantique "action étrange à distance").
Lorsque le philosophe Jennan Ismael avait dix ans, son père, un professeur d'origine irakienne à l'Université de Calgary, a acheté une grande armoire en bois aux enchères. Après y avoir fouillé, elle est tombée sur un vieux kaléidoscope et a été ravie. Elle l'a expérimenté pendant des heures et a compris comment cela fonctionnait. "Je n'ai pas dit à ma sœur que je l'avais trouvé parce que j'avais peur qu'elle le prenne", se souvient-elle.
Lorsque vous regardez dans le kaléidoscope et que vous tournez le tuyau, les personnages multicolores commencent à fleurir, à virevolter et à s'unir d'une manière apparemment complètement inexplicable et imprévisible, comme s'ils avaient un effet étrange les uns sur les autres à distance. Mais plus vous les admirez, plus vous remarquez des modèles dans leurs mouvements. Les formes aux extrémités opposées de votre champ visuel changent à l'unisson, et cette symétrie vous permet de comprendre ce qui se passe réellement: ces formes ne sont pas des objets physiques, mais des images d'objets - des éclats de verre qui tournent à l'intérieur d'un tube miroir.
«Il y a un morceau de verre qui apparaît de manière redondante dans différentes parties de l'espace», dit Ismael. «Si vous vous concentrez sur l'espace global englobant, la description physique d'un kaléidoscope en trois dimensions serait une histoire causale assez simple. Il y a un morceau de verre, il se reflète dans les miroirs, etc. Vu en réalité, le kaléidoscope n'est plus un mystère, même s'il surprend encore.
Des décennies plus tard, se préparant à une conférence sur la physique quantique, Ismael se souvint du kaléidoscope et acheta un tout nouveau tube en cuivre brillant dans un étui en velours. Il est devenu, au moment où il s'est rendu compte d'elle, une métaphore de la non-localité en physique. Peut-être que les particules dans les expériences d'intrication ou les galaxies dans les limites galactiques lointaines se comportent étrangement, car ce sont des projections - des créations secondaires, en un sens - existant dans une région d'objets complètement différente.
«Dans le cas du kaléidoscope, nous savons ce que nous devons faire: nous devons voir tout le système; nous devons voir comment l'image de l'espace est créée, dit Ismael. - Comment en construire un analogue pour les effets quantiques? Pour ce faire, vous devez voir le cosmos que nous connaissons - le cosmos de tous les jours, dans lequel nous mesurons des événements situés dans différentes parties du cosmos - comme une structure indissoluble. Peut-être que lorsque nous regardons les deux parties, nous voyons le même événement. Nous interagissons avec le même élément de réalité dans différentes parties de l'espace."
Avec d'autres, elle remet en question l'hypothèse, suivie par presque tous les physiciens et philosophe depuis Démocrite, que l'espace est le niveau le plus profond de la réalité physique. Tout comme le scénario d'une pièce décrit les actions des acteurs sur scène, mais précède la scène, les lois de la physique tiennent traditionnellement l'existence de l'espace pour acquise. Nous savons aujourd'hui que l'univers est plus que de simples choses dans l'espace. Le phénomène de la non-localité saute dans l'espace; il n'y a aucun endroit où il est limité. Il se manifeste au niveau de la réalité plus profond que l'espace, où le concept de distance n'a plus d'importance, où les choses distantes semblent être proches, comme si la même chose apparaissait à plus d'un endroit, comme de nombreuses images d'un morceau de verre dans un kaléidoscope.
Quand on pense aux termes à ce niveau, les connexions entre les particules subatomiques sur un banc de laboratoire, à l'intérieur et à l'extérieur d'un trou noir, et entre les parties opposées de l'univers ne semblent plus si effrayantes. Michael Heller, physicien, philosophe et théologien de l’Académie pontificale de théologie de Cracovie, Pologne, déclare: «Si vous êtes d’accord sur le fait que la physique n’est pas locale à un niveau fondamental, alors c’est tout à fait naturel, car deux particules éloignées les unes des autres résident sur un niveau fondamental non local. Pour eux, l'espace et le temps n'ont pas d'importance. Ce n'est que lorsque vous essayez de visualiser ces phénomènes dans une perspective spatiale - ce qui est pardonnable puisque nous sommes habitués à penser de cette façon - qu'ils confondent notre compréhension.
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L'idée d'un niveau profond semble naturelle car, après tout, les physiciens y ont toujours œuvré. Chaque fois qu'ils ne pouvaient pas comprendre certains aspects de notre monde, ils supposaient qu'ils n'étaient pas encore allés au fond de tout. Ils ont zoomé et ont vu les blocs de construction. Que l'eau liquide puisse bouillir ou geler est quelque peu mystérieuse. Mais ces transformations ont un sens si nous représentons l'état liquide, gazeux et solide non comme des substances élémentaires, mais comme des formes différentes d'une substance fondamentale.
Aristote considérait différents états de l'eau comme des incarnations différentes de la matière dite primordiale, et les atomistes - sagacement - pensaient que les atomes étaient réarrangés en structures plus rigides ou libres. En masse, ces briques de matière acquièrent des propriétés qui manquent individuellement. De même, l'espace peut être constitué de parties qui ne sont pas spatiales en elles-mêmes. Ces pièces peuvent également être démontées et réassemblées dans des structures non spatiales, telles que celles suggérant des trous noirs et le Big Bang.
«L'espace-temps ne peut pas être fondamental», déclare la théoricienne Nima Arkani-Hamed. "Cela devrait être fait de quelque chose de plus simple."
Cette réflexion transforme complètement la physique. La non-localité n'est plus un mystère; c'est la réalité et la localité devient le vrai mystère. Quand on ne peut plus prendre l'espace pour acquis, il faut expliquer ce qu'il est et de quoi il découle, indépendamment ou en train de s'unir avec le temps.
De toute évidence, créer de l'espace ne sera pas aussi simple que de fusionner des molécules dans un liquide. Quels pourraient être ses éléments de base? Nous disons généralement que les éléments de base doivent être plus petits que les éléments qui les composent. Si vous assemblez une tour Eiffel détaillée à partir de cure-dents, vous n'aurez pas à expliquer que les cure-dents sont plus petits que la tour.
Mais quand il s'agit d'espace, il n'y a pas de «moins», car la taille elle-même est un concept spatial. Les blocs de construction ne peuvent pas précéder l'espace s'il doit les expliquer. Ils ne doivent avoir ni taille ni espace; ils doivent être partout, dans tout l'univers et nulle part en même temps, afin qu'ils ne puissent pas être poussés. Que signifie le manque de position pour une chose? Où sera-t-elle? «Quand on parle d'espace-temps qui s'écoule, il doit sortir d'un cadre dont on est très loin», explique Arkani-Hamed.
Dans la philosophie occidentale, le royaume en dehors de l'espace a traditionnellement été considéré comme le royaume en dehors de la physique - la place de la présence de Dieu dans la théologie chrétienne. Au début du XVIIIe siècle, les «monades» de Gottfried Leibniz - qu'il représentait comme des éléments primitifs de l'univers - existaient, comme Dieu, en dehors de l'espace et du temps. Sa théorie était une étape vers l'émergence de l'espace-temps, mais restait dans le domaine de la métaphysique, étant vaguement liée au monde des choses concrètes. Si les physiciens parviennent à expliquer l'espace émergent, ils devront développer leur propre concept de l'absence d'espace.
Einstein avait prévu ces difficultés. «Peut-être… devrions-nous, en principe, abandonner le continuum espace-temps», écrit-il. - Il est tout à fait possible d'imaginer que l'ingéniosité humaine trouvera un jour des méthodes qui rendront cette voie possible. À l'heure actuelle, cependant, un tel programme ressemble à une tentative de respirer dans un espace vide."
John Wheeler, un théoricien renommé de la gravité, a suggéré que l'espace-temps a été construit à partir de la «prégeométrie», mais a admis qu'il s'agissait simplement d'une «idée pour l'idée». Même Arkani-Hamed partage ses doutes: «Ces problèmes sont très complexes. Il est impossible d'en discuter dans la langue à laquelle nous sommes habitués ».
Ce qui pousse Arkani-Hamed et ses collègues à continuer, c'est de trouver le genre de façons qu'Einstein a décrites - des façons de décrire la physique en l'absence d'espace, de respirer dans le vide. Il explique ces tentatives en termes d'histoire: «Depuis plus de 2000 ans, les gens se posent des questions sur la nature profonde de l'espace et du temps, mais elles étaient prématurées. Nous sommes enfin arrivés à une époque où vous pouvez poser ces questions et espérer obtenir des réponses significatives."
Basé sur des matériaux de Gizmodo
Ilya Khel