À l'âge classique, la question de la localité se posait de manière aiguë avec la loi de l'attraction universelle de Newton. Cette loi décrit une force qui agit instantanément à travers le vide, sans support matériel, ce que Newton lui-même jugeait incompréhensible, parlant d'une "absurdité" qu'aucun esprit philosophique ne saurait admettre. Pourtant, le succès prédictif de cette action à distance était tel que le débat resta longtemps ouvert. La notion de champ, introduite par Faraday puis mathématisée par Maxwell, offrit une issue : au lieu d'imaginer que deux charges ou deux masses s'attirent directement, on postule l'existence d'une entité physique (le champ électromagnétique ou gravitationnel) qui remplit l'espace et évolue selon des équations aux dérivées partielles locales. Dans cette image, toute perturbation se transmet de point en point, à vitesse finie. Avec l'électromagnétisme, Maxwell montra que les ondes lumineuses ne sont que des oscillations de ce champ se propageant dans l'éther; la localité devient alors une propriété des équations différentielles : la valeur du champ en un point et à un instant donnés ne dépend que de ses valeurs au voisinage immédiat à l'instant immédiatement antérieur. La physique classique du XIX^e siècle installe ainsi une vision du monde où tout effet a une cause locale, et où les influences se déploient patiemment de proche en proche.

La relativité restreinte, en 1905, donne à cette conception une armature géométrique. En imposant l'existence d'une vitesse limite indépassable pour toute transmission d'énergie ou d'information (la vitesse de la lumière dans le vide), Einstein transforme la localité spatiale en une localité spatio-temporelle. Dans l'espace-temps de Minkowski, le cône de lumière futur d'un événement délimite l'ensemble des points qui peuvent être causalement influencés par lui; toute corrélation entre événements séparés par un intervalle de genre espace (c'est-à-dire trop éloignés pour qu'un rayon lumineux ait pu les relier) doit trouver son origine dans une cause commune située à l'intersection de leurs cônes passés. 

Causalité locale et réalisme causal.
La causalité locale ou principe de localité relativiste, s'énonce ainsi : aucun signal ne peut se propager plus vite que la lumière, et toute connexion apparente entre régions spatialement distantes doit être réductible à une cause commune dans leur passé. ette formulation est au coeur de la structure même des théories relativistes des champs, et elle a des conséquences philosophiques profondes : elle interdit par exemple que le résultat d'une mesure effectuée ici puisse dépendre du choix de la mesure effectuée ailleurs si les deux événements sont séparés par un intervalle du genre espace, car cela équivaudrait à une transmission instantanée.

La physique classique (non quantique) associe cette notion de causalité locale à celle de réalisme causal dans afin de formaliser ce que signifie "expliquer" un phénomène sans ambiguïté. Le réalisme causal est une position ontologique : il affirme que les systèmes physiques possèdent des propriétés bien définies indépendamment de l'observation, et que ces propriétés déterminent les résultats des mesures. Dans cette perspective, mesurer ne crée pas la réalité, mais révèle une réalité préexistante. Cette idée est héritée du réalisme classique, comme dans la mécanique newtonienne, où les positions et vitesses existent en permanence, même si on ne les mesure pas.

La causalité locale et le réalisme causal sont des hypothèses structurelles sur la manière dont les propriétés physiques existent et interagissent dans l'espace-temps.Cependant, l'articulation entre ces deux concepts devient problématique avec la mécanique quantique. Dans ce cadre, certaines prédictions semblent violer l'intuition classique combinant localité et réalisme. Aucune théorie respectant simultanément la localité causale et le réalisme causal (au sens de variables cachées locales) ne peut reproduire toutes les prédictions de la mécanique quantique.

L'intrication quantique et la non-localité.
Dans le formalisme standard de la mécanique quantique, l'état d'un système composé de deux particules peut être intriquée : leur état quantique est une superposition qui ne peut pas être décrit indépendamment pour chaque particule. (la fonction d'onde globale ne se factorise pas en un produit d'états individuels).  Dès 1935, Einstein, Podolsky et Rosen (EPR) mettront en évidence que de tels états permettent, après une mesure sur l'une des particules, de prédire avec certitude le résultat de la mesure sur l'autre, sans que les deux particules aient interagi (Einstein appelait cela "l'action fantôme à distance"). Si l'on insiste pour que la physique respecte un réalisme local, c'est-à-dire que les propriétés physiques existent indépendamment de la mesure (réalisme) et qu'une mesure effectuée ici ne puisse influencer un résultat ailleurs (localité), l'argument EPR conclut que la mécanique quantique est incomplète : il doit exister des variables cachées locales qui pré-déterminent les corrélations observées. 

En 1964, John Bell a formulé un théorème capital. Il montre que toute théorie répondant aux critères du réalisme local impose des contraintes (les inégalités de Bell) sur les corrélations statistiques entre mesures effectuées sur des paires de particules : il existe une limite mathématique aux corrélations que toute théorie à variables cachées locales peut produire. Or la mécanique quantique prédit, pour certains choix d'orientations des appareils de mesure, une violation de ces inégalités. Les expériences, depuis celles d'Alain Aspect  en 1982, jusqu'aux tests de plus en plus sophistiqués écartant progressivement les failles possibles (liberté de choix, échantillonnage, communication), confirment de manière retentissante les prédictions quantiques. La théorie est difficile, mais la conclusion est simple : la nature viole le réalisme local. 

La non-localité quantique est un fait expérimentalement établi; elle oblige à renoncer soit à la localité au sens classique, soit au réalisme, soit à l'indépendance des paramètres de mesure. Mais, une chose est sûre, elle ne permet pas de transmettre de l'information plus vite que la lumière. Pourquoi? Quand l'observateur A mesure sa particule, il obtient un résultat aléatoire (disons spin +½. L'observateur B, de son côté, obtiendra instantanément spin −½). Mais l'observateur B ne peut pas savoir, avant de comparer ses résultats avec ceux de l'observateur A par un canal classique, qu'il y a eu corrélation. La non-localité ne se manifeste que statistiquement, après comparaison. Cela préserve la causalité relativiste tout en admettant une forme de connexion non-locale entre les particules.

Face à cette découverte, la physique quantique a dû raffiner sa conception de la localité sans pour autant abandonner la causalité relativiste au niveau opérationnel. En théorie quantique des champs, cadre qui marie mécanique quantique et relativité restreinte, le principe de microcausalité exige que les observables locales commutent pour des séparations de genre espace : deux mesures effectuées en des points spatialement distants doivent être indépendantes, de sorte qu'aucun signal ne puisse être échangé. Cette condition, imposée aux champs quantiques, garantit l'impossibilité de communiquer plus vite que la lumière. La non-localité quantique n'est pas éliminée; elle est plutôt encapsulée dans la structure du vide quantique et dans les corrélations qui peuvent exister entre régions distantes, mais elle reste inaccessible à un observateur qui ne dispose que d'opérations locales. En d'autres termes, le monde quantique relativiste est un monde où les influences causales se propagent localement, mais où les états peuvent exhiber des liens non-locaux qui ne peuvent être exploités pour transmettre un message sans un canal classique auxiliaire. Cette dualité est au fondement de la distinction entre corrélation et causalité dans les théories quantiques de l'information.

La localité dans un espace-temps dynamique.
La relativité générale apporte une autre couche de complexité. La localité en relativité générale est intimement liée au principe d'équivalence et au fait que l'espace-temps est dynamique. Localement, en tout point, l'espace-temps est minkowskien et les lois de la relativité restreinte s'appliquent. La notion de cône de lumière garde son sens, mais elle devient dépendante de la métrique, qui est elle-même influencée par la matière. 

La causalité globale de l'espace-temps, c'est-à-dire l'absence de courbes fermées de genre temps (violations de la causalité), est une contrainte puissante que l'on impose en général aux solutions physiques. Là encore, les équations d'Einstein sont des équations aux dérivées partielles locales : la courbure en un point est déterminée par le tenseur d'énergie-impulsion en ce même point. Pourtant, des phénomènes globaux comme les trous noirs posent des questions nouvelles sur la localité.

L'horizon d'un trou noir définit une frontière causale : ce qui se passe à l'intérieur ne peut influencer l'extérieur. La thermodynamique des trous noirs, puis la découverte du rayonnement de Hawking, suggèrent que l'information tombée dans un trou noir pourrait n'être pas perdue, mais comment concilier cela avec une évolution locale et unitaire? Le paradoxe de l'information, puis le principe holographique, ont conduit à repenser la localité de manière radicale.

L'une des illustrations les plus frappantes est fournie par la correspondance AdS/CFT, née de la théorie des supercordes. Cette dualité établit l'équivalence exacte entre une théorie de gravitation quantique dans un espace-temps anti-de Sitter (c'est-à-dire à courbure négative) et une théorie de champs conforme (sans gravitation) vivant sur la frontière de cet espace, avec une dimension spatiale de moins. Dans cette correspondance, la localité dans l'espace-temps courbe émerge des intrications à la frontière. Une région de l'espace-temps gravitationnel est "tissée" par les corrélations quantiques entre degrés de liberté de la théorie conforme. 

L'émergence de la dimension radiale est souvent interprétée comme une échelle d'énergie dans la théorie duale, si bien que la localité en volume n'est pas fondamentale : elle est une propriété collective d'un système quantique sans gravitation dans une dimension inférieure. Le slogan "ER = EPR", proposé par Maldacena et Susskind, pousse cette idée à l'extrême : les ponts d'Einstein-Rosen (trous de ver) seraient la manifestation géométrique de l'intrication quantique. Ainsi, ce qui nous apparaît comme une connexion non-locale dans le langage quantique (l'intrication EPR) serait, du point de vue gravitationnel, une structure géométrique continue (le trou de ver), réhabilitant une forme de localité géométrique mais à un niveau plus profond.

Ces développements, qui restent spéculatifs, suggèrent que la localité est un concept émergent, utile aux échelles d'énergie intermédiaires mais qui pourrait se dissoudre à la fois dans l'ultraviolet (aux distances de Planck) et dans des régimes de fortes corrélations. Dans les théories de gravitation quantique, comme la gravitation à boucles ou les modèles de mousses de spin, l'espace-temps lui-même est discret, composé de quanta élémentaires, et la localité classique est remplacée par des structures combinatoires. La causalité y est encodée dans les relations entre ces atomes d'espace-temps, et la localité émerge à grande échelle de la même manière que l'hydrodynamique émerge de la physique moléculaire.