Regarder l'avenir pour comprendre le passé
Une alternative à la vision du monde de Newton promet d'expliquer les bizarreries de la physique quantique
A en juger par les meilleures théories physiques, vous vous trompez de temps. Dans la relativité générale d'Einstein, il n'y a pas de différence entre le passé et l'avenir, sans parler du concept de «maintenant». De plus, il n'y a aucune direction dans laquelle le temps «s'écoule»; au lieu de cela, l'espace et le temps existent simplement dans une structure à quatre dimensions. De plus, toutes les lois fondamentales de la physique fonctionnent de la même manière en avant et en arrière.Ces faits ne sont pas faciles à accepter car ils contredisent notre perception subjective du temps. Mais ne vous découragez pas: ils ne sont pas faciles à prendre pour les physiciens, et cette tension contredit la physique non seulement avec le bon sens, mais aussi avec elle-même. Et bien que les physiciens parlent beaucoup de la symétrie du temps, ils se permettent de rechercher les causes des phénomènes qui se produisent dans le monde, uniquement dans le passé et non dans le futur.
Tout comme la fixation des extrémités d'une corde de guitare détermine ses vibrations, le passé lointain et l'avenir lointain de l'Univers peuvent influencer les événements d'aujourd'hui.Formuler des explications, la plupart d'entre nous pensent en termes d'Isaac Newton, établi il y a plus de 300 ans. Cette "mécanique newtonienne" prend le passé comme base et l'utilise pour résoudre le futur, expliquant pas à pas notre Univers. Certains chercheurs pensent même que l'univers est la sortie d'un programme informatique. Une telle image est une conséquence naturelle de ce schéma. Même après que notre conception du temps a changé au cours du siècle dernier, la mécanique newtonienne est restée en quelque sorte dans les systèmes physiques de croyance les plus populaires.Mais en appliquant l'ancien système de pensée newtonien aux nouveaux effets à l'échelle quantique, nous nous sommes retrouvés dans des situations qui ne peuvent être expliquées. Si ces phénomènes sont inexplicables, alors peut-être que nous les représentons simplement incorrectement. De meilleures explications sont disponibles si nous sommes prêts à prendre en compte l'avenir. Mais la mécanique newtonienne est initialement incapable de telles explications intemporelles. Les programmes informatiques fonctionnent dans une direction, et les tentatives de combiner deux programmes qui fonctionnent dans des directions opposées conduisent à un bourbier de paradoxes caractéristiques des films de voyage dans le temps mal conçus. Pour regarder l'avenir avec le même sérieux que le passé, nous avons clairement besoin d'une alternative à la mécanique newtonienne.Et nous l'avons. La plupart des physiciens sont conscients de l'existence d'un référentiel différent, une alternative dans laquelle l'espace et le temps sont analysés de manière impartiale. Ce soi-disant La mécanique lagrangienne est également des racines anciennes et elle est devenue un outil nécessaire dans tous les domaines de la physique fondamentale. Mais même les physiciens qui utilisent cette approche résistent à la dernière étape évidente: présenter la mécanique lagrangienne non pas comme une astuce mathématique, mais comme un moyen d'expliquer le monde. Peut-être que nous ne prenons pas nos propres théories assez au sérieux.La mécanique Lagrange nous permet non seulement de donner des explications basées sur l'avenir. Elle les exige. En considérant également le passé et l'avenir, cette mécanique évite les paradoxes et rend possible de nouvelles méthodes d'explication. Et c'est peut-être exactement le point de vue qui est nécessaire pour la prochaine percée.La première étape dans la compréhension de la mécanique lagrangienne est de se désengager complètement de l'écoulement du temps du newtonien. Ceci est plus facile à faire en considérant les régions de l'espace-temps de manière holistique: en considérant la longueur entière à la fois, et non comme des images consécutives du film. Nous pouvons représenter l'espace-temps sous la forme de structures fixes à quatre dimensions non seulement avec des intervalles spatiaux, mais aussi avec des délais - les limites initiales et finales de la région.Toute la physique classique, de l'électricité aux trous noirs, peut s'exprimer par le simple principe lagrangien de minimisation de l'action. Pour l'utiliser sur un segment espace-temps, vous décrivez d'abord les limitations des paramètres physiques sur toute sa longueur. Ensuite, pour chaque ensemble d'événements possibles dans ce cadre, vous calculez l'ampleur de «l'action». L'ensemble des événements avec le moins d'action est celui qui se produira, en tenant compte des limites initiales et de quelques points techniques.Par exemple, pour un rayon de lumière voyageant d'un point A à un point B, l'action correspond à la durée du temps de trajet. Le chemin sera le plus rapide compte tenu des obstacles. Si vous argumentez de cette façon, le faisceau lumineux se plie sur la surface du verre pour minimiser le temps de trajet. La mécanique lagrangienne en physique quantique fonctionne un peu différemment et conduit à l'apparition de probabilités plutôt que de réponses exactes, mais l'essentiel est le même: des restrictions spatio-temporelles sont imposées simultanément.Selon la logique newtonienne, c'est étrange. Le rayon de lumière au point A prévoit en quelque sorte l'avenir (à propos du point B et des futurs obstacles), possède de vastes capacités de calcul (pour compter plusieurs chemins) et des connaissances (pour choisir le plus petit). Mais l'étrangeté n'est que la preuve que la pensée newtonienne et lagrangienne ne se mélangent pas - et que nous n'avons probablement pas besoin d'attribuer des traits humains à la lumière.Au lieu d'expliquer les événements uniquement sur la base du passé, la mécanique lagrangienne commence par des contraintes générales aux limites - y compris la dernière. Si vous n'imposez pas de restriction finale - pour le point de lumière, ce point est B - cette approche ne donnera pas la bonne réponse. Mais lorsqu'ils sont utilisés correctement, le succès des mathématiques prouve la priorité logique des restrictions aux limites - la frontière de toute région de l'espace-temps explique son contenu.L'approche de Langrange fournit la description la plus élégante et flexible de la physique, et les physiciens la préfèrent souvent. Mais, malgré l'applicabilité de ces principes, même les physiciens qui les utilisent ne les prennent pas au pied de la lettre. Il est difficile d'accepter que les événements puissent être expliqués sur la base de ce qui se passe à l'avenir. Après tout, il existe des différences évidentes entre le passé et l'avenir. Et si la flèche du temps est si évidente pour nous, comment les restrictions futures peuvent-elles affecter ce qui se passe sur un pied d'égalité avec le passé?Mais il existe un moyen de réconcilier la mécanique lagrangienne avec notre expérience quotidienne. Il suffit de penser assez largement sans perdre de vue les détails.
La physique est réversible dans le temps. Si un projecteur illumine une statue, on peut également dire qu'une statue illumine un projecteur. Habituellement, nous ne le faisons pas, car cela viole nos attentes concernant la signification du mot «explication».Disons que vous avez pris une photo d'une statue avec un flash. Chaque rayon de lumière obéit au principe de moindre action, produisant un trajet parfaitement symétrique dans le temps. Mais ensemble, ils montrent une asymétrie évidente: les restrictions initiales de A sont rassemblées en un éclair, et les restrictions finales sont réparties sur la statue. De plus, il est évident que la propagation de la lumière de A est une bien meilleure explication pour l'éclairage de B que l'inverse. Même si nous regardions les chemins des rayons lumineux dans la direction opposée, personne ne pourrait affirmer que la lumière est concentrée dans le flash en raison des motifs de lumière complexes sur la statue.On peut en déduire que des explications satisfaisantes se dispensent d'événements complexes avec des méthodes simples. Ils prennent un fait avec plusieurs paramètres pertinents pour expliquer la multitude de phénomènes. Cela devrait être évident quelle que soit la mécanique utilisée.Mais cette asymétrie de A et B ne réfute pas le point de vue lagrangien, qui postule seulement que A et B expliquent le mieux ensemble les détails de ce qui s'est passé entre eux. Même en mécanique lagrangienne, A et B dépendent l'un de l'autre. Pour tracer leur connexion, regardons plus largement. Selon le principe de limitations de la mécanique lagrangienne, les explications ne sont pas alignées dans une chaîne, mais sont imbriquées les unes dans les autres. En d'autres termes, nous ne disons pas que l'événement A a conduit à l'événement B, qui a conduit à l'événement B. Nous travaillons avec une petite région de l'espace-temps dans son ensemble; nous le considérons ensuite comme faisant partie d'une plus grande région (dans l'espace et le temps). En appliquant la même logique lagrangienne, nous obtenons que les frontières plus grandes devraient expliquer tout ce qu'elles contiennent, y compris les frontières originales.En exécutant cette procédure pour la statue, on retrouve la même asymétrie de l'ampoule et de la statue à plus grande échelle. Autrement dit, nous sommes satisfaits de la description du flash de l'appareil photo dans le passé, mais nous n'expliquons pas l'éclairage de la statue, en regardant vers l'avenir. Ensuite, nous enfermons ce système dans un système encore plus grand, et ainsi de suite, jusqu'à ce que nous atteignions les limites cosmologiques - les limites extérieures de l'Univers. À notre connaissance, la même asymétrie est observée à de telles échelles - une distribution inhabituellement fluide de la matière pendant le Big Bang et une distribution plus aléatoire à l'avenir.Si nous considérons les régions ordinaires de l'espace-temps d'un point de vue lagrangien, le fait que les limites initiales (rayons de lumière émanant de la lampe flash) soient plus simples que les dernières (statues illuminées) prouve que notre frontière cosmologique la plus proche est dans le passé. Cette séquence implique que dans un avenir comparable, il n'y a pas de frontières cosmologiques correspondantes. Et si vous prenez le Big Bang comme la meilleure explication des propriétés évidentes de l'Univers, la direction évidente de l'écoulement du temps ne diffère pas du gradient de température spatiale que vous ressentez lorsque vous vous tenez près d'une fenêtre froide. Dans aucun de ces cas, l'espace ou le temps ne seront asymétriques; c'est juste une question de position par rapport à la frontière la plus proche.Aux échelles classiques que nous rencontrons habituellement, nous ne recevrons pas de nouvelles informations de la future frontière par rapport à la frontière du passé. Si c'était le cas à toutes les échelles, la mécanique lagrangienne aurait des problèmes, car la future frontière n'affecterait rien du tout. Mais ce ne sera pas le cas si nous descendons au niveau d'incertitude quantique: les détails de l'avenir microscopique ne peuvent pas être dérivés du passé. C'est à l'échelle quantique que toutes les possibilités de la mécanique lagrangienne deviennent apparentes.
Histoire intriquée: dans une expérience standard d'intrication quantique, des paires de particules sortent d'une source et sont mesurées par des détecteurs. Deux ordinateurs, Alice et Bob, génèrent des nombres aléatoires pour contrôler les détecteurs. Les événements de détection contrôlent ce qui se passe à la source, même s'ils se trouvent dans le futur.L'intrication quantique est un concept qui rejette la mécanique newtonienne. Les détails ne sont pas importants pour nous, par conséquent, nous considérerons l'essence générale d'une expérience typique sur l'intrication. L'appareil au centre crée deux particules. Celui de gauche est envoyé à un détecteur contrôlé par l'ordinateur d'Alice, et celui de droite est envoyé à un détecteur distant contrôlé par l'ordinateur de Bob. Les détecteurs mesurent leurs particules de plusieurs manières déterminées par des nombres aléatoires. Comme le physicien irlandais John Bell l'a démontré dans la célèbre expérience des années 60, les résultats des mesures sont corrélés d'une manière qui défie l'explication habituelle.Plus précisément, le passé total des particules devient insuffisant pour expliquer les corrélations mesurées, du moins pas pour le spectre complet des mesures qu'Alice et Bob peuvent sélectionner au hasard. Bien sûr, de nombreux scientifiques veulent expliquer cela d'un point de vue physique et ils n'aiment pas essayer de le faire par le biais des mathématiques pures. Laissés dans des malentendus, ils commencent à provoquer des entités mystérieuses qui n'existent pas vraiment dans l'espace ou le temps (et nécessitent elles-mêmes des explications) ou même voyagent plus vite que la lumière (violant tout ce que nous savons sur la théorie de la relativité d'Einstein).Si nous abandonnons ces tentatives désespérées, alors tout le monde conviendra qu'une explication naturelle ne pourrait être trouvée que si les particules pouvaient prédire à l'avance les paramètres aléatoires d'Alice et de Bob. Mais la plupart des propositions pour transmettre ces informations aux particules semblent encore plus désespérées, même au point de tricher: les particules semblent en quelque sorte renifler toutes les données d'entrée des générateurs de nombres aléatoires et utiliser ces informations pour prédire les futurs paramètres du détecteur.Presque personne ne considère cela comme une explication valable des expériences d'enchevêtrement, car vous n'accepteriez pas une explication de la localisation de la lumière sur une lampe flash, réfléchie par les formes complexes de la statue. De telles tentatives violent nos normes raisonnables d'explication: le mécanisme de fonctionnement proposé est beaucoup plus compliqué que les simples résultats qu'il essaie d'expliquer.Dans l'exemple de la statue, la solution évidente serait de chercher des limites plus simples - des flashs - pour la meilleure explication. Pour l'intrication quantique, considérée du point de vue de la mécanique lagrangienne, une explication raisonnable sera presque aussi évidente. Il n'affecte pas le travail préliminaire compliqué avec les réglages du détecteur, il consiste en de futurs réglages du détecteur.De mystérieuses particules enchevêtrées existent dans la région brumeuse de l'espace-temps dans le futur, et les limites de cette région incluent leur préparation et leur détection par le détecteur. Les paramètres choisis par Alice et Bob sont physiquement mis en œuvre dans les détecteurs à la frontière finale - exactement là où la mécanique lagrangienne nous dit de chercher des explications. Il suffit de laisser les particules se confiner à cette frontière à l'avenir, et immédiatement une explication simple des expériences d'enchevêtrement apparaît. Dans ce cas, l'avenir, avec le passé, peut mieux expliquer les observations.L'intrication quantique n'est peut-être pas le seul mystère qui peut être résolu en considérant sérieusement l'avenir comme une explication. Dans d'autres phénomènes quantiques, une explication plus simple peut également être trouvée qui fonctionne dans un espace et un temps simples sans aucune action à distance. Il est possible que les probabilités en théorie quantique se révèlent être les mêmes que les probabilités dans tout autre domaine scientifique: existant en raison de paramètres inconnus de nous (car certains d'entre eux le seront dans le futur).Une telle étude soulèvera des questions importantes. Si l'avenir peut imposer des restrictions au passé, pourquoi les conséquences sont-elles limitées à un niveau quantique? Pourquoi ne pouvons-nous pas utiliser les phénomènes quantiques pour envoyer des messages au passé? À quelle échelle dominent les restrictions cosmiques, et comment généraliser les approches lagrangiennes pour que tout fonctionne?Trouver des réponses peut non seulement aider la physique, mais aussi mieux comprendre comment nous nous intégrons dans notre univers à quatre dimensions. Par exemple, selon la mécanique lagrangienne, les détails microscopiques d'une région ne sont pas complètement limités par les frontières passées. Au niveau atomique du cerveau, il y a des limitations importantes mais inconnues à l'avenir. Peut-être que ce raisonnement aidera même à comprendre le libre arbitre, justifiant comment l'avenir n'est pas complètement déterminé par le passé. Cela nous obligera à repenser l'idée qu'il existe une différence simple et évidente entre un passé fixe et un avenir ouvert.Presque chaque fois qu'une science trouve une explication plus profonde, plus simple et plus satisfaisante, cela conduit à une cascade d'autres découvertes scientifiques. Par conséquent, s'il existe un niveau plus profond de phénomènes quantiques que nous n'avons pas encore maîtrisé, son développement entraînera des percées critiques dans un grand nombre de technologies utilisant des effets quantiques. Des instincts erronés ont entravé les progrès scientifiques dans le passé, et nos instincts relatifs au temps sont peut-être l'un des plus forts. Mais il existe un moyen clair d'expliquer les secrets les plus profonds de la nature, si seulement nous pouvons nous forcer à regarder vers l'avenir.Source: https://habr.com/ru/post/fr396651/
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