Causalité (physique) - Causality (physics)

La causalité est la relation entre les causes et les effets. Alors que la causalité est aussi un sujet étudié du point de vue de la philosophie, du point de vue de la physique, elle est opérationnalisée de sorte que les causes d'un événement doivent être dans le cône de lumière passé de l'événement et finalement réductibles à des interactions fondamentales . De même, une cause ne peut avoir d'effet en dehors de son futur cône de lumière.

En tant que concept physique

En physique classique, un effet ne peut pas se produire avant sa cause, c'est pourquoi des solutions telles que les solutions temporelles avancées du potentiel de Liénard-Wiechert sont rejetées comme physiquement dépourvues de sens. Dans la théorie de la relativité restreinte et générale d'Einstein, la causalité signifie qu'un effet ne peut pas se produire à partir d'une cause qui n'est pas dans le cône de lumière arrière (passé) de cet événement. De même, une cause ne peut pas avoir d'effet en dehors de son cône de lumière avant (futur). Ces restrictions sont cohérentes avec la contrainte selon laquelle la masse et l' énergie qui agissent comme des influences causales ne peuvent pas voyager plus vite que la vitesse de la lumière et/ou reculer dans le temps. Dans la théorie quantique des champs , les observables d'événements ayant une relation semblable à l'espace , "ailleurs", doivent commuter , de sorte que l'ordre des observations ou des mesures de ces observables n'a pas d'impact les uns sur les autres.

Une autre exigence de causalité est que la cause et l'effet soient médiés à travers l'espace et le temps (exigence de contiguïté ). Cette exigence a été très influente dans le passé, d'abord en raison de l'observation directe de processus causaux (comme pousser une charrette), en second lieu en tant qu'aspect problématique de la théorie de la gravitation de Newton (attraction de la terre par le soleil par action à distance ) remplaçant des propositions mécanistes comme la théorie des vortex de Descartes ; en troisième lieu comme une incitation à développer des théories dynamiques des champs (par exemple, l'électrodynamique de Maxwell et la théorie de la relativité générale d'Einstein ) restituant la contiguïté dans la transmission des influences d'une manière plus réussie que dans la théorie de Descartes.

En physique moderne , la notion de causalité devait être clarifiée. Les idées de la théorie de la relativité restreinte ont confirmé l'hypothèse de causalité, mais elles ont rendu le sens du mot « simultané » dépendant de l'observateur. Par conséquent, le principe relativiste de causalité dit que la cause doit précéder son effet selon tous les observateurs inertiels . Cela équivaut à l'affirmation selon laquelle la cause et ses effets sont séparés par un type temps d' intervalle, et l'effet appartient à l'avenir de sa cause. Si un intervalle de type temporel sépare les deux événements, cela signifie qu'un signal pourrait être envoyé entre eux à une vitesse inférieure à la vitesse de la lumière. D'un autre côté, si les signaux pouvaient se déplacer plus rapidement que la vitesse de la lumière, cela violerait la causalité car cela permettrait d'envoyer un signal à travers des intervalles semblables à ceux de l' espace , ce qui signifie qu'au moins pour certains observateurs inertiels, le signal remonterait dans le temps . Pour cette raison, la relativité restreinte ne permet pas une communication plus rapide que la vitesse de la lumière .

Dans la théorie de la relativité générale , le concept de causalité est généralisé de la manière la plus directe : l'effet doit appartenir au futur cône de lumière de sa cause, même si l' espace - temps est courbe. De nouvelles subtilités doivent être prises en compte lorsque nous étudions la causalité en mécanique quantique et en théorie quantique des champs relativiste en particulier. Dans la théorie quantique des champs, la causalité est étroitement liée au principe de localité . Cependant, le principe de localité est contesté : sa validité dépend de l' interprétation de la mécanique quantique choisie, en particulier pour les expériences impliquant l'intrication quantique qui satisfont le théorème de Bell .

Malgré ces subtilités, la causalité reste un concept important et valable dans les théories physiques. Par exemple, la notion que les événements peuvent être ordonnés en causes et effets est nécessaire pour empêcher (ou au moins décrire) des paradoxes de causalité tels que le paradoxe du grand - père , qui demande ce qui se passe si un voyageur dans le temps tue son propre grand-père avant même de rencontrer le la grand-mère du voyageur dans le temps. Voir aussi Conjecture de protection de chronologie .

Déterminisme (ou, ce que la causalité n'est pas )

Le mot causalité dans ce contexte signifie que tous les effets doivent avoir des causes physiques spécifiques dues à des interactions fondamentales. La causalité dans ce contexte n'est pas associée à des principes de définition tels que la deuxième loi de Newton . Ainsi, dans le contexte de la causalité, une force ne provoque pas l' accélération d'une masse et vice versa. Au contraire, la deuxième loi de Newton peut être dérivée de la conservation de la quantité de mouvement , qui est elle-même une conséquence de l'homogénéité spatiale des lois physiques .

L'aversion des empiristes pour les explications métaphysiques (comme la théorie du vortex de Descartes) signifiait que les arguments scolastiques sur la cause des phénomènes étaient soit rejetés parce qu'ils étaient invérifiables, soit simplement ignorés. La plainte selon laquelle la physique n'explique pas la cause des phénomènes a donc été rejetée comme un problème philosophique ou métaphysique plutôt qu'empirique (par exemple, les " Hypothèses non fingo " de Newton ). Selon Ernst Mach, la notion de force dans la deuxième loi de Newton était pléonastique , tautologique et superflue et, comme indiqué ci-dessus, n'est considérée comme une conséquence d'aucun principe de causalité. En effet, il est possible de considérer les équations newtoniennes du mouvement de l'interaction gravitationnelle de deux corps,

${\displaystyle m_{1}{\frac {d^{2}{\mathbf {r} }_{1}}{dt^{2}}}=-{\frac {m_{1}m_{2} G({\mathbf {r} }_{1}-{\mathbf {r} }_{2})}{|{\mathbf {r} }_{1}-{\mathbf {r} }_{ 2}|^{3}}};\;m_{2}{\frac {d^{2}{\mathbf {r} }_{2}}{dt^{2}}}=-{\frac {m_{1}m_{2}G({\mathbf {r} }_{2}-{\mathbf {r} }_{1})}{|{\mathbf {r} }_{2}- {\mathbf {r} }_{1}|^{3}}},}$

comme deux équations couplées décrivant les positions et des deux corps, sans interpréter les membres droits de ces équations comme des forces ; les équations décrivent simplement un processus d'interaction, sans qu'il soit nécessaire d'interpréter un corps comme la cause du mouvement de l'autre, et permettent de prédire les états du système à des moments ultérieurs (ainsi que antérieurs). ${\displaystyle \scriptstyle {\mathbf {r} }_{1}(t)}$${\displaystyle \scriptstyle {\mathbf {r} }_{2}(t)}$

Les situations ordinaires dans lesquelles les humains ont distingué certains facteurs d'une interaction physique comme étant antérieurs et donc fournissant le « à cause » de l'interaction étaient souvent celles dans lesquelles les humains ont décidé de provoquer un certain état de choses et ont consacré leurs énergies à produire cet état de affaires - un processus qui a mis du temps à s'établir et qui a laissé un nouvel état de choses qui a persisté au-delà du temps d'activité de l'acteur. Il serait difficile et inutile, cependant, d'expliquer les mouvements des étoiles binaires les unes par rapport aux autres de cette manière qui, en effet, sont réversibles dans le temps et agnostiques à la flèche du temps , mais avec une telle direction du temps établie, le tout le système d'évolution pourrait alors être complètement déterminé.

La possibilité d'une telle vue indépendante du temps est à la base de la vue déductive-nomologique (DN) de l'explication scientifique, considérant qu'un événement est expliqué s'il peut être subsumé sous une loi scientifique. Dans la vue DN, un état physique est considéré comme expliqué si, en appliquant la loi (déterministe), il peut être dérivé de conditions initiales données. (Ces conditions initiales pourraient inclure les moments et la distance les unes des autres des étoiles binaires à un moment donné.) Une telle « explication par le déterminisme » est parfois appelée déterminisme causal . Un inconvénient du point de vue DN est que la causalité et le déterminisme sont plus ou moins identifiés. Ainsi, en physique classique , on supposait que tous les événements sont causés par des événements antérieurs selon les lois connues de la nature, aboutissant à l' affirmation de Pierre-Simon Laplace selon laquelle si l'état actuel du monde était connu avec précision, il pourrait être calculé pour n'importe quel moment dans le futur ou le passé (voir le démon de Laplace ). Cependant, cela est généralement appelé déterminisme de Laplace (plutôt que «causalité de Laplace») car il repose sur le déterminisme dans les modèles mathématiques traités dans le problème mathématique de Cauchy .

La confusion entre causalité et déterminisme est particulièrement aiguë en mécanique quantique , cette théorie étant acausale dans le sens où elle est incapable dans de nombreux cas d'identifier les causes d'effets réellement observés ou de prédire les effets de causes identiques, mais sans doute déterministe dans certaines interprétations ( par exemple, si la fonction d'onde est supposée ne pas s'effondrer comme dans l' interprétation des mondes multiples , ou si son effondrement est dû à des variables cachées , ou simplement en redéfinissant le déterminisme comme signifiant que des probabilités plutôt que des effets spécifiques sont déterminées).

Causalité distribuée

Des théories en physique comme l' effet papillon de la théorie du chaos ouvrent la possibilité d'un type de systèmes de paramètres distribués dans la causalité. La théorie de l'effet papillon propose :

"De petites variations de la condition initiale d'un système dynamique non linéaire peuvent produire de grandes variations dans le comportement à long terme du système."

Cela ouvre la possibilité de comprendre une causalité distribuée.

Une façon connexe d'interpréter l'effet papillon est de le voir comme mettant en évidence la différence entre l'application de la notion de causalité en physique et une utilisation plus générale de la causalité telle que représentée par les conditions INUS de Mackie . En physique classique (newtonienne), en général, seules sont (explicitement) prises en compte les conditions à la fois nécessaires et suffisantes. Par exemple, lorsqu'une sphère massive est amenée à dévaler une pente à partir d'un point d' équilibre instable , alors sa vitesse est supposée être causée par la force de gravité qui l'accélère ; le petit coup de pouce qui a été nécessaire pour le mettre en mouvement n'est pas explicitement traité comme une cause. Pour être une cause physique, il doit y avoir une certaine proportionnalité avec l'effet qui en découle. Une distinction est établie entre le déclenchement et la causalité du mouvement de la balle. De la même manière, le papillon peut être vu comme déclenchant une tornade, sa cause étant supposée résider dans les énergies atmosphériques déjà présentes auparavant, plutôt que dans les mouvements d'un papillon.

Triangulation dynamique causale

La triangulation dynamique causale (en abrégé "CDT") inventée par Renate Loll , Jan Ambjørn et Jerzy Jurkiewicz , et popularisée par Fotini Markopoulou et Lee Smolin , est une approche de la gravité quantique qui, comme la gravité quantique à boucle, est indépendante du fond . Cela signifie qu'il ne suppose aucune arène préexistante (espace dimensionnel), mais tente plutôt de montrer comment le tissu spatio - temporel lui-même évolue. La conférence Loops '05 , organisée par de nombreux théoriciens de la gravitation quantique à boucles, comprenait plusieurs présentations qui discutaient en profondeur de la CDT et révélaient qu'il s'agissait d'un point de vue essentiel pour les théoriciens. Il a suscité un intérêt considérable car il semble avoir une bonne description semi-classique. À grande échelle, il recrée l'espace-temps à 4 dimensions familier, mais il montre que l'espace-temps est en 2D près de l' échelle de Planck et révèle une structure fractale sur des tranches de temps constant. À l'aide d'une structure appelée simplexe , il divise l'espace-temps en minuscules sections triangulaires. Un simplexe est la forme généralisée d'un triangle , en différentes dimensions. Un 3-simplex est généralement appelé tétraèdre , et le 4-simplex, qui est le bloc de construction de base de cette théorie, est également connu sous le nom de pentatope ou pentachore . Chaque simplex est géométriquement plat, mais les simplex peuvent être "collés" ensemble de diverses manières pour créer des espaces-temps courbes. Là où les tentatives précédentes de triangulation des espaces quantiques ont produit des univers confus avec beaucoup trop de dimensions, ou des univers minimaux avec trop peu, CDT évite ce problème en n'autorisant que les configurations où la cause précède tout effet. En d'autres termes, les chronologies de tous les bords joints des simplexes doivent concorder.

Ainsi, peut-être, la causalité réside dans le fondement de la géométrie de l' espace - temps .

Ensembles de causalité

Dans la théorie causale des ensembles, la causalité prend une place encore plus importante. La base de cette approche de la gravité quantique se trouve dans un théorème de David Malament . Ce théorème énonce que la structure causale d'un espace-temps suffit à reconstruire sa classe conforme . Il suffit donc de connaître le facteur conforme et la structure causale pour connaître l'espace-temps. Sur cette base, Rafael Sorkin a proposé l'idée de la théorie des ensembles causals, qui est une approche fondamentalement discrète de la gravité quantique. La structure causale de l'espace-temps est représentée comme un Poset , tandis que le facteur conforme peut être reconstruit en identifiant chaque élément de poset avec une unité de volume.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

• Bohm, David. (2005). Causalité et hasard dans la physique moderne . Londres : Taylor et Francis.
• Miguel Espinoza, Théorie du déterminisme causal , L'Harmattan, Paris, 2006. ISBN  2-296-01198-5 .

Liens externes

• Processus causals, Stanford Encyclopedia of Philosophy
• Tutoriel Caltech sur la relativité - Une belle discussion sur la façon dont les observateurs se déplaçant les uns par rapport aux autres voient différentes tranches de temps.
• Signaux plus rapides que c, relativité restreinte et causalité . Cet article explique que des signaux plus rapides que la lumière ne conduisent pas nécessairement à une violation de la causalité.