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L'énigme du temps

 

par Bernard Miltenberger

 

La notion de temps

Les physiciens comme les philosophes ont longtemps disserté sur le concept de temps : est-il un absolu, le subit-on, y a-t-il une flèche irréversible du temps, qu'y avait-il "avant" le temps, ... ?

Voilà des questions quasi métaphysiques et très difficiles à résoudre mais que certains hommes érudits  n'ont pas hésité à étudier, notamment Platon, Boltzmann, Einstein, Prigogine, Kaku, Hawking et consorts.

Aujourd'hui, personne ne peut mieux définir le temps que Ferenc Krausz. Dans son laboratoire d'Optique Quantique de l'Université de Technologie de Vienne, en Autriche, en 2004 il a mesuré le plus petit intervalle de temps jamais enregistré.

Krausz a utilisé les émissions d'un laser UV pulsées à 250 attosecondes pour mesurer le plus petit saut quantique des électrons au cœur des atomes. Les événements qu'il recherche durent environ 100 attosecondes (100x10-16 sec), soit 1/100 quintillions de seconde. A une autre échelle, 100 attosecondes correspondent à une seconde comparée à 300 millions d'années. En langage informatique, cela équivaut à un processeur cadencé à près de 1 million de GHz (1015 Hz). Concrètement, le premier chiffre significatif de notre chronomètre digital se trouve à la 14ème place derrière la virgule. C'est très court.

Bien que ses collègues ne voient pas encore très bien à quoi pourrait servir cette expérience, ils pensent qu'ils lui trouveront un jour une application.

Mais Krausz est encore loin d'approcher le "temps zéro" ni même la frontière ultime du temps. En effet, il existe en physique une sorte de mur du temps, c'est l'échelle de Planck, bien connue des cosmologistes quantiques et des théoriciens qui étudient le monde à l'échelle quantique.

Le monde à l'échelle de Planck présente des dimensions inférieures à 10-33 cm et des durées inférieures à 10-43 secondes, soit moins d'un trillion de trillion d'attoseconde, c'est le temps de Planck. Qu'y a-t-il au-delà ou avant cette fraction de seconde ? Tempus incognito. Personne ne le sait. Du moins jusqu'à aujourd'hui. Autrement dit, la physique actuelle décrit, non la naissance de l’univers mais ce qui se serait passé après 10-43 secondes et ne peut accéder à l’instant 0 de la création.

Cela laisse le champ libre à tous les récits de la genèse et interdit au physicien de « voir le visage du créateur ». Les frères Bogdanoff contournent mathématiquement l’obstacle en inventant le concept « d’information » qui précéderait l’existence matérielle, Micalef s’en tire en considérant « absurde » la question du commencement (et donc de l’instant 0), aussi absurde qu’une fourmi cherchant sur un ballon le « commencement du ballon ». 

L'échelle de Planck marque, pour la physique autorisée moderne, la frontière ultime, là où s'arrêtent les lois connues de la physique et où commencent les mystères, une région où les distances et le temps sont tellement étroits que les concepts même de temps et d'espace n'ont plus de signification.

A cette échelle, les physiciens ont besoin d'autres théories pour explorer ce monde étrange. Ces concepts font partie de la famille des théories dites "supersymétriques" car elles mettent sur un même pied d'égalité la matière et l'énergie, les fermions et les bosons : il s'agit des théories de supergravité, de supercordes, la théorie M, la théorie de Tout, etc., autant de concepts très élaborés faisant appel à des univers ayant jusqu'à 11 dimensions !

 

Le temps existe-t-il physiquement ?

Pour Simon Saunders, philosophe de la physique à l'Université d'Oxford, le temps pourrait ne pas exister au niveau le plus fondamental de la réalité physique. En soi c'est déjà une révolution ! 

Dans ce cas, qu'est ce que le temps ? Et tant que nous y sommes, pourquoi est-il obstinément omniprésent dans notre expérience quotidienne ? 

Pour le professeur John Wheeler de l'Université de Princeton, "Le temps est la manière pour la nature d'éviter que toutes les choses se passent en même temps." 

"La signification du temps est devenue une question terriblement problématique dans la physique contemporaine", explique Saunders. "La situation est tellement inconfortable qu'il est de loin préférable de se déclarer agnostique."

En fait, comme tous les chercheurs, Wheeler et Saunders ne disposent pas encore de l'outil théorique leur permettant de démontrer mathématiquement la nature du temps.

Et de fait, si la majorité des chercheurs reconnaissent que la théorie quantique est caduque, affichant de nombreux paradoxes prouvant qu'elle est incomplète, la plupart d'entre eux n'accordent pas pour autant leur crédit aux concepts les plus abstraits comme l'interprétation probabiliste, la théorie des univers multiples, l'illusion du temps ou à l'idée que l'univers aurait plus de quatre dimensions... 

 

 

Le temps et l'espace sont relatifs

Le problème du temps s'est posé en 1905, lorsque Einstein a défini sa théorie de la Relativité restreinte et démoli l'idée que le temps était une constante universelle.

Par conséquent, passé, présent et futur ne sont plus absolus. C'est valable uniquement ici, localement. Ainsi, si en apparence la Terre ne bouge pas, changez de référentiel dirait Einstein, et placez-vous sur le Soleil. Vous verrez à quelle vitesse file la Terre : 30 km/s ! Chacun voit sa réalité par rapport à son référentiel et les battements de sa montre. Ces notions deviennent relatives.

Insatisfait d'avoir restreint sa théorie à des cas particuliers, en 1915 Einstein proposa sa théorie la plus généralisée, incluant l'effet de la gravitation. Ce faisant, il a ouvert une brèche en physique à propos de l'influence omniprésente de la gravité à l'échelle de l'univers. Cette règle est incompatible avec la physique quantique de l'infiniment petit car à la théorie locale et déterministe d'Einstein s'oppose la théorie non locale et probabiliste de la mécanique quantique.

Si on peut encore comprendre que la position, la longueur ou la distance d'un objet soit malléable en Relativité - nous avons déjà fait l'expérience des effets de perspective - faire du temps une notion tout aussi malléable est plus déroutant. C'est pourtant aujourd'hui, l'une des questions au cœur des débats.

 

L'équation de l'Univers

Les éminents physiciens John Wheeler et Bryce DeWitt ont inventé en 1967 une équation qui unit la Relativité générale et la physique quantique, l'équation de Wheeler-DeWitt, également appelée la fonction d'onde de l'Univers ou plus simplement l'"équation de l'univers", excusez du peu.

Cette équation est controversée, non seulement parce qu'elle unit des concepts locaux (Relativité) et non locaux (physique quantique) mais surtout du fait qu'elle manipule la notion de temps.

"On a découvert que le temps disparaît tout simplement dans l'équation de Wheeler-DeWitt", explique Carlo Rovelli, un physicien de l'Université de Méditerranée à Marseille. "C'est une question qui a intrigué de nombreux théoriciens. Il se pourrait que la meilleure manière de réfléchir à la réalité quantique soit d'abandonner la notion de temps, de sorte que la description fondamentale de l'univers soit intemporelle."

Ainsi que nous le disions, personne à ce jour n'a réussi à intégrer la théorie quantique et la Relativité générale dans l'équation de Wheeler-DeWitt. Néanmoins, quelques physiciens, dont Rovelli, pensent que si les physiciens parviennent à unir les deux théories cadres de la physique du 20e siècle, ils aboutiront inévitablement à décrire un univers dans lequel, finalement, le temps ne joue aucun rôle.

Les physiciens ont baptisé cette question, "le problème du temps".

C'est peut-être la plus grande énigme de la physique, mais ce n'est pas la seule relative au temps.

 

La flèche du temps : haro sur les absolus

L'autre grande question est fondée sur l'observation et reste étrange :

Pourquoi la flèche du temps est orientée vers le futur ?

Nous l'avons déjà évoquée en thermodynamique. Toutes les lois, celles de Newton, d'Einstein ou en physique quantique, qu'elles s'appliquent ici ou a des milliards d'années-lumière fonctionnent de la même façon, même si vous filmez le phénomène à l'envers.

Nous constatons que le temps est a sens unique, les aiguilles de notre montre ne remontent jamais le temps. Or, les lois ne l'interdisent pas et la théorie des trous de vers ou les "boucles temporelles" d'Amos Ori nous offrent, en théorie, le moyen de voyager dans le temps.

Mais quelque chose empêche le temps de faire demi-tour.

A posteriori, on ne peut pas remonter dans le temps.

Seth Lloyd, physicien spécialisé en informatique quantique au MIT, nous dit que  "l'explication communément admise à propos de la flèche du temps est de dire que pour spécifier la manière dont se déroule un événement, nous n'avons pas seulement besoin de spécifier la loi qui s'y applique, nous devons également spécifier certaines conditions initiales ou finales."

Comme aurait pu le dire Newton ou Laplace, "donnez-moi les conditions initiales et je vous prédirai l'évolution du monde !" Donnez aux physiciens les conditions finales de l'Apocalypse, ils vous rebâtiront l'Univers mieux que le meilleur film de science-fiction !

Selon la majorité des physiciens, la mère de toutes les conditions initiales fut le Big Bang, ce phénomène d'une énergie inconcevable - mais quantifiable - qui donna naissance à l'Univers voici environ 15 milliards d'années.

Bien que les lois de la physique ne tiennent pas compte de la flèche du temps, l'expansion de l'Univers à laquelle nous assistons (les galaxies se fuient mutuellement et leur distance augmente), nous démontre qu'elle existe.

À mesure que l'Univers grandit, il devient de plus en plus complexe et désordonné. Cette entropie croissante est dirigée par le taux d'expansion de l'Univers, lequel pourrait être à l'origine de la fuite incessante du temps en avant.

De ce point de vue, le temps n'est pas une donnée indépendante de l'Univers.

Einstein nous a convaincu qu'il n'y a pas une horloge battant la seconde en dehors du cosmos, il n'est pas possible de définir une référence temporelle absolue, au grand dam de Newton et de ses émules.

 

Les Gardiens du Temps

Jusqu'à Einstein, pour les physiciens, sinon pour nous tous, quand nous pensons au temps, nous le considérons comme Newton l'a décrit : "Absolu, un temps vrai et mathématique, valant en soi, et à partir de la propre nature duquel, il s'écoule également, sans considération pour aucune chose extérieure."

Ainsi que nous l'avons expliqué, Einstein a prouvé que le temps faisait intrinsèquement partie du continuum de l'univers. Contrairement à ce que Newton pensait, nos horloges ordinaires ne mesurent jamais des phénomènes indépendants de l'univers.

En fait, les horloges ne mesurent pas le temps du tout.

Si vous visitez un jour l'Institut des Poids et Mesures de Paris qui a notamment pour tâche de définir l'heure avec une précision "atomique", ne dites jamais quelque chose du genre "votre horloge mesure le temps avec précision". On vous répondra invariablement : "Nos horloges ne mesurent pas le temps"...

Ils vous désorienteront tout à fait quand ils vous diront : "Non, le temps est défini par ce que mesurent les horloges".

La différence est subtile, mais c'est la réalité. Les horloges atomiques définissent le temps standard pour le globe : le Temps est défini par le nombre de clics de leurs horloges.

Rovelli, qui défend la thèse de l'univers intemporel, considère que les "Gardiens du Temps" ont raison.

"On ne voit jamais le temps", fait-il remarquer. Nous voyons seulement son effet dans nos montres. Si vous dites que cet objet bouge, vous voulez en fait dire que l'objet est à tel endroit quand l'aiguille de votre montre est ici, et ainsi de suite. Nous disons que nous mesurons le temps avec une montre, mais nous ne voyons jamais que les aiguilles d'une montre, pas le temps lui-même. Et les aiguilles d'une montre sont des variables physiques comme n'importe quelle autre. Aussi, dans un sens, nous trichons, car ce que nous voyons réellement ce sont des variables physiques, elles-mêmes fonction d'autres variables physiques, mais nous nous les représentons comme si tout évoluait dans le temps".

"La question est : le Temps est-il une propriété fondamentale de la réalité ou juste l'apparence macroscopique des choses ? Je dirais qu'il s'agit uniquement d'un effet macroscopique. C'est quelque chose qui émerge uniquement pour les gros objets", c'est-à-dire tout ce qui existe au-dessus de l'échelle de Planck.

Pour le dire simplement, le problème est que le temps pourrait ne pas exister au niveau le plus fondamental de la réalité physique. Voilà une idée qui mérite le prix Nobel si on peut la prouver !

Voila des questions bien ardues…

Sûr qu’elles ne changent pas grand-chose à notre quotidien, et pourtant voila prés d’un siècle que physiciens et philosophes tentent d’éclairer le débat. En attendant notre quatrième dimension s’impose chaque jour à nous, par quelques cheveux blancs de plus ou pire quelques nouveaux désagréments bien physiques et objectifs. Une réponse, si un jour celle-ci est obtenue, changera-t-elle notre acceptation de l’âge ?