En physique, le principe de causalité affirme que si un phénomène (nommé cause) produit un autre phénomène (nommé effet), alors la cause précède l'effet (ordre temporel). Le principe de causalité est une des contraintes réalistes imposées à toute théorie mathématiquement cohérente afin qu'elle soit physiquement admissible. D'après Gilles Cohen-Tannoudji, .
À ce jour, il n'a pas été mis en défaut par l’expérience, mais certaines théories envisagent une causalité inversée.
Le principe de causalité a longtemps été très étroitement associé à la question du déterminisme selon lequel dans les mêmes conditions, les mêmes causes produisent les mêmes effets. Cependant, avec la prise en compte de phénomènes de nature intrinsèquement statistique (comme la désintégration radioactive d'un atome ou la mesure en mécanique quantique), il s'en est notablement éloigné. Il prend des formes assez diverses selon les branches de la physique que l'on considère.
Cette causalité est devenue quantitative à partir des travaux de Newton pour qui la force (cause) est proportionnelle à la variation de la vitesse (effet), le coefficient de proportionnalité étant, par définition, la masse inerte.
La causalité dans les différentes branches de la physique Un principe physique structurant Le principe de causalité (l'ordre temporel de la causalité) a été formulé explicitement tardivement (on peut considérer que Jean Le Rond d'Alembert et Euler ont été les premiers à l'exprimer clairement), mais il a été compris dès Descartes et utilisé implicitement par Isaac Newton, rejetant ainsi la cause finale d'Aristote qui fait d'un événement futur la cause d'un événement passéGenèse de la causalité physique, par Michel Paty, article de la revue philosophique de Louvain, 2004..
D'après Gilles Cohen-Tannoudji, ce principe, mathématiquement dispensable, a été imposé par les physiciens comme un principe de réalité et a eu de nombreuses incidences théoriques à partir de la relativité restreinte, jamais prises à défaut par les expériences. En particulier en physique quantique : En mécanique quantique, non relativiste, ce principe permet la non-localité spatiale de la simultanéité. En physique des particules, à la naissance de la seconde quantification, ce principe a obligé Paul Dirac à considérer que les particules théoriques qu'il avait trouvées dans son équation n'étaient pas des particules d'énergie négative remontant le fil du temps, mais des anti-particules d'énergie positive suivant le cours normal du temps. En électrodynamique quantique, ce principe a poussé à introduire la symétrie CPT, et à considérer comme virtuelles les réversibilités de processus physiques élémentaires, ouvrant ainsi la voie de la renormalisation des intégrales de Feynman, ce qui permit l'avènement du modèle standard.
En physique classique Généralités La physique classique est fondée, entre autres, sur le principe de causalité qui affirme qu'un effet est entièrement déterminé par des actions antérieures. L'effet est le changement d'état du système physique étudié, due aux causes (celles identifiables) et aux forces qui s'exercent sur le système (soit par contact comme les chocs et les frottements, soit à distance comme la gravitation ou comme la force électromagnétique qui sont transportées par des champs) ou aux évènements producteurs de ces forces. Isaac Newton, en écrivant qu'il y a proportionnalité entre la force motrice (la cause) et des changements du mouvement (l'effet), a fait de l'étude de la causalité une étude quantitative qui est le fondement de la physique. Le problème de l'éventuelle différence de nature entre la cause et l'effet est ainsi réduit à la question de l'ordre temporel entre les états de l'ensemble du système étudié car ces états peuvent être considérés comme causes et effets les uns des autresDictionnaire d'histoire et philosophie des sciences. Article causalité classique rédigé par Mme Christiane Vilain.
La prédiction déterministe des états à venir à partir de la connaissance de ceux du passé paraît être "naturellement" associée au principe de causalité en physique classique, mais ce serait oublier que dans la pratique expérimentale nulle donnée n'est parfaitement connue et que dans la théorie, la complexité mathématique commence dès qu'il y a trois corps en présence, et que
Thermodynamique et physique statistique des corps macroscopiques stables Un corps macroscopique est un corps composé d'un nombre énorme de particules (atomes ou molécules). Si ce sujet est traité par la physique classique ou relativiste, alors, par hypothèse, la causalité s'applique pleinement aussi à chaque corps microscopique composant de l'ensemble, notamment en ce qui concerne leurs influences réciproques; toutefois sa manifestation est singulièrement différente du cas des systèmes plus simples. Le grand nombre de composants distincts (de degrés de liberté) du corps macroscopique rend irréalisable, en pratique, la détermination des équations du mouvement par les méthodes de la physique classique. Même la détermination complète de l'état initial du système est "une vue de l'esprit".
Dans ce contexte, les lois du corps macroscopique s'écrivent alors à l'aide des statistiques : si le système est « stable » tout changement de faible amplitude ne l'éloigne que momentanément (durant le temps de relaxation) d'un état d'équilibre et ainsi, l'état global du système est-il déterminé, avec une probabilité très forte, au voisinage immédiat de cet état moyen. Pour tout corps microscopique, composant de l'ensemble macroscopique, l'état n'est déterminable que de manière statistique : il y a l'état moyen des états de ces corps, et il y a aussi d'autres états possibles avec des probabilités associées; mais il est impossible d'en déterminer l'état avec la précision habituelle de la physique classique.
Toute influence sur l'ensemble macroscopique s'y disperse, du fait des échanges incessants, entre les composants microscopiques et suivant des lois statistiques, et cette influence retentit de cette manière sur chaque corps microscopique. Un état (moyen ou transitoire) du corps macroscopique, ou l'état particulier d'un de ses composants microscopiques, vient d'une cause ainsi dispersée, homogénéisée, et de ce fait, il est impossible à déterminer complètement à partir de l'état précédent, même de manière théorique on ne peut pas retrouver l'état initial. De plus, l'impossibilité de prévoir l'état exact, mais seulement l'état statistique, du corps macroscopique ou d'un corps microscopique fait que l'on parle parfois d'indéterminisme. L'introduction de la physique quantique dans ce cadre ne fait que confirmer ce constat.
Le problème des conditions initiales La causalité s'appliquant pleinement, Henri Poincaré a montré, vers 1890-1900, que même des systèmes simples de la physique classique peuvent être très sensibles aux variations des conditions initiales : une infime modification peut, pour certains systèmes très simples, donner une évolution ultérieure très différente du système. Ainsi, comme il est impossible de connaître avec une précision absolue les conditions initiales d'un système et comme il est aussi impossible de connaître les mesures précises de toute cause influente – car même la physique classique est une science expérimentale – toute la rigueur possible ne permet pas toujours de prévoir l'état futur d'un système.
Le déterminisme dit que dans les mêmes conditions, les mêmes causes produisent les mêmes effets. Dans la pratique, ce « dans les mêmes conditions » pose un problème de réalisation, car les conditions initiales du système ne pouvant pas être absolument connues, si l’on fait deux fois ce qui semble être "la même expérience", quelque chose en différera nécessairement. Toutefois, de nombreux systèmes étudiés sont « stables », c'est-à-dire que de petites variations initiales donnent de petites variations de l'évolution du système et ceci d'autant plus, qu'ils ne sont étudiés que sur un court laps de temps de leur histoire. Le système solaire est, lui, un exemple de système non-stable, c'est-à-dire chaotique.
En électromagnétisme La théorie de l'électromagnétisme permet de mettre en lumière un certain nombre de situations où le principe de causalité joue un rôle crucial. Toute particule possédant une charge électrique engendre un champ électrique dans l'espace. Si cette particule est animée d'un mouvement alors elle engendre également un champ magnétique. Par ailleurs, la particule étant chargée, elle interagit avec tout champ électrique et tout champ magnétique. Les calculs indiquent qu'une particule chargée est, en réalité, susceptible d'interagir aussi avec son propre champ. Il existe donc une force s'exerçant sur une particule en mouvement créée par la particule elle-même. Cette force est appelée force d'Abraham-Lorentz. Elle donne lieu à divers effets et notamment le phénomène de préaccélération d'une charge électrique : si l'on applique une force sur une particule chargée à un instant , alors la force d'Abraham-Lorenz implique que la charge électrique commencera à se mettre en mouvement aux alentours de l'instant , où la quantité est définie par : , où q représente la charge électrique de la particule, m sa masse, c la vitesse de la lumière et ε la permittivité du vide. Ce temps caractéristique est extrêmement court : pour un électron il est de l'ordre de 6×10 seconde. Cette violation apparente de la causalité est, en réalité, le signe de l'existence des limites des capacités de l'électromagnétisme classique à décrire l'infiniment petit : sur des échelles de temps de l'ordre de et sur des échelles de distances de l'ordre de (soit 2×10 mètre pour un électron), l'électromagnétisme est inapte à décrire intégralement les phénomènes microscopiques. Cette situation n'est cependant pas problématique en physique car en deçà d'une certaine échelle appelée longueur d'onde de Compton d'une particule, l'on sait qu'il est indispensable de faire appel à la mécanique quantique pour décrire le comportement et la structure des particules élémentaires. En l'occurrence, on montre aisément que la longueur d'onde Compton est toujours plus grande que la quantité pour une particule. Pour un électron, le rapport entre les deux est égal à 3 / 2 α, où α est la constante de structure finePour plus de détails, voir Claude Itzykson & Jean-Bernard Zuber, Quantum field theory, Mac Graw-Hill, Singapour (1985), chapitre 1 (fin), pages 41 à 44..
En relativité Les hypothèses physiques à la base de la relativité restreinte (ou générale) permettent d'élaborer un modèle mathématique de l'espace-temps sans gravitation (ou avec gravitation). Ces deux modèles mathématiques sont des théories métriques d'espace plat dans un cas et non plat dans l'autre, mais ils ne sont cohérents avec la réalité (disons : l'expérience) que si certaines contraintes et significations "réalistes" leur sont imposées. Ainsi, mathématiquement, une longueur peut être négative, le temps a deux sens possibles d'écoulement, un corps de masse imaginaire va à une vitesse supérieure à la vitesse limite, une masse négative et une répulsion gravitationnelle sont possibles, etc. Il convient donc de ne pas confondre possibilité du modèle mathématique et possibilité physique, mais ce n'est pas toujours évident : ainsi,
l'existence d'antimatière a d'abord été déduite des équations de Paul Dirac, avant d'être confirmée expérimentalement ; l'éventualité d'antimatière à masse négative et répulsion gravitationnelle fait depuis le début des années 2000 l'objet d'études et expérimentations scientifiques dans le cadre d'un Univers dit de Dirac-Milne.
Le principe de causalité est systématiquement l'un des critères de réalité imposés à toutes ces théories.
Relativité restreinte