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Le temps est un élément complexe qui régit notre vie. De nombreux scientifiques se sont penchés sur ce concept flou qui suscite de nombreuses questions, dont la suivante : pourquoi le temps n’est-il pas réversible ? Pourquoi ne peut-il pas s’écouler en sens inverse ? Depuis des décennies, beaucoup de physiciens tentent de comprendre la raison de l’irréversibilité du temps. DGS vous en dit plus sur cette question fondamentale qui continue d’intéresser la physique moderne.
Imaginez un oeuf ayant éclaté sur votre visage après avoir tenté de jongler avec. Vous allez devoir prendre une douche et changer de vêtements. Dès lors, vous regrettez d’avoir voulu jouer l’artiste de cirque. Vous aimeriez revenir en arrière, faire en sorte que la coquille se referme avec son contenu comme si rien ne s’était passé. Votre visage sera à nouveau propre et le jaune dans vos cheveux ne sera plus qu’un mauvais souvenir.
Evidemment, le fait que le temps défile en sens inverse paraît ridicule. Mais pourquoi ? Pourquoi est-il possible de casser un oeuf mais impossible de faire en sorte qu’il se reconstitue ? Aucune loi fondamentale de la nature stipule que cela est impossible. En fait, la physique dit même que tout événement se déroulant dans notre vie pourrait se dérouler en sens inverse et ce, à tout moment. Alors pourquoi ne pourrions-nous pas reconstituer un oeuf après l’avoir cassé ? Faire en sorte que les allumettes brûlées redeviennent intactes ? Qu’une entorse à la cheville disparaisse aussi vite qu’elle est apparue ? En bref, pourquoi ne pouvons-nous pas inverser le temps ? Pour y répondre, il est nécessaire de revenir à l’essence même de l’Univers.
« À CHAQUE ACTION, UNE RÉACTION ÉGALE ET OPPOSÉE »
Comme beaucoup de théories physiques, celle-ci commence avec Isaac Newton. En 1666, une épidémie de peste bubonique le force à quitter l’université de Cambridge pour revenir auprès de sa mère dans la campagne du Lincolnshire.
Agacé par l’ennui et la solitude, il entreprit de se lancer dans une étude portant sur la physique. De cette étude vont découler les trois lois de Newton dont la célèbre maxime décrivant la troisième loi : « A chaque action, une réaction égale et opposée ».
Il a également créé une loi expliquant le fonctionnement de la gravité. Les lois de Newton sont brillamment parvenues à décrire et expliquer le monde. Pourquoi les pommes tombent des arbres ? Pourquoi la Terre tourne autour du Soleil ? Autant de questions auxquelles il a su apporter des réponses. Ces lois ont une caractéristique commune selon Newton : elles sont applicables aussi bien dans un sens que dans l’autre. Autrement dit, si un oeuf peut se casser, il peut également se reconstituer. C’est évidemment faux. Mais presque toutes les théories des physiciens, après Newton, rencontrent le même problème.
Les règles de la physique ne se soucient pas de savoir si le temps avance ou recule, pas plus qu’elles ne se soucient de savoir si vous êtes droitier ou gaucher. Le temps est représenté comme une flèche, toujours pointée vers l’avenir. « Vous pourriez mélanger l’est et l’ouest, mais vous ne pourrez pas mélanger hier et demain », explique Sean Carroll, physicien à l’Institut de technologie de Californie. « Mais les lois de la physique ne font pas de distinction entre le passé et l’avenir », ajoute-t-il.
La première personne à s’être penchée sérieusement sur le problème fut le physicien Ludwig Boltzmann, qui a vécu à la fin du XIXe siècle. A cette époque, de nombreuses théories, aujourd’hui admises comme étant vraies, faisaient encore l’objet de débats. Par exemple, les physiciens de l’époque ne sont pas encore convaincus que tout est composé de minuscules particules appelées « atomes ». L’idée selon laquelle les atomes existaient était, pour beaucoup de physiciens, impossible à valider. De fait, Ludwig Boltzmann, convaincu de l’existence des atomes, a longtemps été mis à l’écart de la communauté scientifique. C’est pourtant en partant du postulat de l’existence des atomes que Boltzmann a pu expliquer toutes sortes de choses comme la lueur du feu, le fonctionnement des poumons ou encore la raison pour laquelle notre souffle était capable de refroidir un thé brûlant. Certains physiciens ont tout de même été impressionnés par le travail de Boltzmann, mais la plupart l’ont rejeté. Boltzmann a également établi une théorie sur la nature de la chaleur. Certes, cela semble ne pas beaucoup à voir avec l’irréversibilité et la nature du temps. Pourtant, Boltzmann va montrer que certaines choses sont étroitement liées.
A l’époque, les physiciens avaient mis au point une théorie appelée « thermodynamique », dont le but consistait à décrire le comportement de la chaleur. Par exemple, la thermodynamique décrit comment le réfrigérateur peut garder les aliments froids lors d’une journée chaude. Les adversaires de Boltzmann expliquaient que la chaleur ne pouvait être expliquée. La chaleur était simplement la chaleur. En contrepartie, Boltzmann a voulu prouver qu’ils avaient tort. Selon lui, la chaleur était causée par le mouvement aléatoire des atomes et toute la thermodynamique pouvait s’expliquer en ces termes. Il avait tout à fait raison et a pourtant passé le reste de sa vie à lutter pour convaincre les autres de la véracité de ses idées.
Boltzmann a commencé par expliquer ce que l’on appelle « l’entropie ». Il s’agit d’une grandeur qui mesure l’état de désordre d’un système physique, c’est-à-dire un système composé de particules. Selon les principes de la thermodynamique, chaque objet dans le monde détient une certaine quantité d’entropie qui lui est associée et chaque fois qu’il arrive quelque chose à un objet, ce dernier voit sa quantité d’entropie augmenter. Par exemple, si vous mettez des glaçons dans un verre d’eau et que vous les laissez fondre, l’entropie, à l’intérieur du verre, va augmenter. En physique, la hausse de l’entropie ne ressemble à rien d’autre qu’à un processus qui doit aller dans une direction. Personne ne savait pourquoi l’entropie augmentait toujours mais son augmentation était un fait établi. Une fois de plus, les collègues de Boltzmann expliquaient qu’il était impossible d’expliquer l’augmentation de l’entropie. Et pourtant, Boltzmann l’a fait. Le résultat a permis d’avoir une compréhension radicale de l’entropie. Ce fut une découverte si importante que Boltzmann fit graver ce résultat sur sa tombe.
CE FUT UNE DÉCOUVERTE SI IMPORTANTE QUE BOLTZMANN FIT GRAVER CE RÉSULTAT SUR SA TOMBE
Boltzmann a constaté que l’entropie mesurait le nombre de manières avec lesquelles les atomes, et l’énergie qu’ils portent, pouvaient s’organiser. Si l’entropie augmente, c’est parce que les atomes se mélangent. En reprenant l’exemple du verre d’eau, Boltzmann explique que lorsque l’eau est liquide, les molécules ont beaucoup plus de façons de s’organiser que lorsque l’eau est solide.
En fait, il y a tout simplement tellement de façons de faire fondre la glace et relativement peu de moyens pour qu’elle reste solide, qu’il est plus probable que la glace finisse par fondre. Par ailleurs, si vous mettez une goutte de crème dans votre café, la crème va s’étendre sur toute la tasse parce que son état d’entropie est plus élevé. Il existe davantage de façons pour la crème de s’étaler sur toute la surface de la tasse que de rester dans une petite région. L’entropie, selon Boltzmann, représente ce qu’il y a de plus probable. Les objets à faible entropie sont bien « rangés » et ont donc peu de chance d’exister contrairement aux objets à haute entropie qui sont en désordre et qui sont donc plus susceptibles d’exister. L’entropie augmente toujours car il est beaucoup plus facile pour les objets d’être en désordre. Cette idée de Boltzmann sur l’entropie pourrait expliquer la flèche du temps.
L’apport de Boltzmann nous a permis de comprendre pourquoi l’entropie augmentait toujours. Ainsi, on pourrait également émettre une hypothèse concernant la compréhension du temps et de sa direction, toujours vers l’avenir. En effet, si les évènements dans l’univers évoluent de basse à haute entropie alors nous avons peu de chance de voir un jour ces évènements se dérouler en sens inverse. Nous ne verrons pas un oeuf se reconstituer parce qu’il y a beaucoup plus de façons de casser un oeuf que de façons de voir ses morceaux se recoller. La définition de Boltzmann concernant l’entropie explique même pourquoi nous pouvons nous rappeler du passé mais pas voir dans l’avenir. Imaginez le contraire. Vous êtes capable de prédire un évènement mais une fois que celui-ci se déroule, vous ne pouvez plus vous en souvenir. Les chances pour que cela se produise dans votre cerveau sont très faibles. Ainsi l’avenir est différent du passé tout simplement parce que l’entropie augmente. Mais à nouveau, les détracteurs de Boltzmann ont repéré une faille dans son raisonnement.
Boltzmann explique que l’entropie augmente à mesure que l’on se déplace vers l’avenir et ce, en raison des probabilités qui régissent les comportements des petites particules telles que des atomes. Mais ces minuscules particules obéissent elles-mêmes aux lois fondamentales de la physique qui ne fait pas de distinction entre le passé et l’avenir. Ainsi, l’argument de Boltzmann peut être contredit. S’il est possible de prétendre que l’entropie augmente à mesure que l’on se déplace vers l’avenir, on peut également dire que l’entropie augmente à mesure que l’on se déplace dans le passé, aucune distinction entre l’avenir et le passé n’existant, selon la physique. Boltzmann pensait que, parce qu’un oeuf est plus susceptible d’être cassé plutôt qu’intact, il était raisonnable de penser qu’un oeuf puisse se briser. Mais il y a une autre interprétation : si les oeufs intacts sont rares et peu probables, les oeufs devraient passer la plupart de leur temps brisés et devenir intacts seulement un court moment avant de se casser à nouveau. En bref, selon ses détracteurs, vous pouvez faire valoir les idées de Boltzmann sur l’entropie plutôt pour expliquer que le passé et l’avenir peuvent se ressembler. Ce n’est pourtant pas ce que nous voyons. Cette explication de la flèche du temps n’est donc pas suffisante pour répondre à notre problème.
Mais Boltzmann a proposé plusieurs solutions face à ces contradictions. Il a notamment émis une hypothèse, assez simple, relative au passé qui explique que, dans un passé lointain, l’univers était à un état de faible entropie. Partant de ce simple postulat, la faille de raisonnement évoquée par les détracteurs de Boltzmann n’a plus de raison d’être. En effet, le passé et l’avenir sont très différents parce que le passé a une entropie beaucoup plus faible. Ainsi, l’oeuf se casse mais ne peut faire une pause dans son état de cassure en se reconstituant. En une décennie, les physiciens ont accepté cette idée. Mais elle soulève une nouvelle question. Pourquoi l’hypothèse selon laquelle le passé était à une état de faible entropie serait vraie ? En effet, la faible entropie est une chose peu probable, alors pourquoi aurait-elle pu exister dans un passé lointain ? Boltzmann n’a jamais tenté de répondre à ce problème car il était persuadé que ses travaux seraient oubliés par la communauté scientifique. Maniaco-dépressif, il finit par se pendre en 1906. Son suicide était d’autant plus tragique que les scientifiques ont accepté ses idées sur les atomes en une décennie et de nouvelles découvertes ont même suggéré qu’il y avait une explication à l’hypothèse du passé.
Au XXe siècle, l’image que l’homme se faisait de l’Univers a radicalement changé. En effet, nous avons découvert que l’Univers avait un début. Il aurait commencé comme un petit point infiniment petit qui aurait explosé. Au temps de Boltzmann, la plupart des physiciens pensaient que l’Univers était éternel et qu’il avait donc toujours existé. Mais dans les années 1920, les astronomes ont réalisé que l’Univers était en expansion, que les objets le composant tendaient à s’éloigner les uns des autres et donc qu’ils étaient plus rapprochés par le passé. Au cours des décennies qui ont suivi, les physiciens ont fini par accepter le fait que l’Univers était un point chaud et dense qui a rapidement fini par se développer et se refroidir, formant tout ce qui existe aujourd’hui. Cette expansion rapide s’appelle le Big Bang. Cela semble soutenir l’hypothèse du passé selon laquelle l’Univers primitif avait une faible entropie. « Mais pourquoi l’entropie était déjà faible au début, il y a 14 milliards d’années ? C’est une chose à laquelle nous ne pouvons toujours pas répondre », explique Carroll.
Pour autant, il est juste de dire qu’une explosion cosmique ne correspond pas à une faible quantité d’entropie. Il y a beaucoup de façons de réorganiser la matière et l’énergie dans l’Univers primitif. L’entropie est différente lorsqu’il y a beaucoup de matière autour. Imaginez une vaste région vide de l’espace, au milieu de laquelle se trouve un nuage de gaz avec la masse du Soleil. La gravité va attirer le gaz de sorte que ce dernier va terminer dans une étoile. Comment cela est possible, si l’entropie augmente toujours ? Il y a différentes façons de réorganiser le gaz lorsqu’il est vaporeux et dispersé. En réalité, la gravité affecterait l’entropie d’une manière que les physiciens ne comprennent pas encore pleinement. Ainsi des objets vraiment massifs ont une entropie plus élevée que les objets denses et uniformes. Un Univers avec des galaxies composées de planètes et d’étoiles a donc une entropie plus importante qu’un Univers rempli de gaz. Cela signifie que l’Univers qui est apparu, chaud et dense, a une probabilité très faible d’avoir une entropie peu élevée. Alors comment un Univers peut avoir émergé avec un état aussi peu probable ?
UNE PARTIE DU PROBLÈME REPOSE SUR LE FAIT QU’AUCUN PHYSICIEN N’EST CLAIREMENT EN MESURE D’EXPLIQUER LE BIG BANG
Une des réponses consiste à dire qu’il existait quelque chose avant le Big Bang qui pourrait expliquer la faible entropie de l’Univers à son apparition. Carroll et un des ses anciens élèves ont proposé un modèle dans lequel des « bébés » univers sont constamment en apparition pour être en expansion et devenir des univers comme le nôtre. Ces univers pourraient naître avec de faibles entropies mais les entropies, réunies, constitueraient une importante quantité. Si cela est vrai, l’Univers primitif correspond à une faible quantité d’entropie car nous ne pouvons pas voir l’image taille réelle, c’est-à-dire tous les univers réunis. La même chose pourrait être vraie en ce qui concerne la flèche du temps. Néanmoins, il n’existe aucune certitude concernant la théorie de Carroll ainsi que l’hypothèse selon laquelle le passé était composé d’une faible entropie. « Il n’y a que des propositions, mais rien de très prometteur pour le moment », explique Carroll. Une partie du problème repose sur le fait qu’aucun physicien n’est clairement en mesure d’expliquer le Big Bang. Sans avoir une certitude concernant la naissance de l’Univers, il est impossible de comprendre pourquoi celui-ci avait une faible quantité d’entropie.
La physique moderne repose sur deux théories. La mécanique quantique explique le comportement des petites choses comme les atomes alors que la relativité générale repose sur les choses lourdes comme les étoiles. Mais les deux théories ne peuvent se combiner. Personne n’a réussi à trouver une théorie du « tout » qui prendrait l’ensemble des choses, grandes ou petites, en considération. Ainsi, si quelque chose est à la fois petit et très lourd, comme c’est le cas de l’Univers au moment du Big Bang, les physiciens sont coincés. Pour décrire l’Univers primitif, ils ont besoin de combiner les deux théories pour en faire la théorie du « tout ». Cette théorie ultime sera la clé pour comprendre la flèche du temps. Malheureusement, personne n’a réussi à formuler une telle théorie pour le moment. Mais il y a certains candidats.
LA THÉORIE LA PLUS PROMETTEUSE EST LA THÉORIE DES CORDES
La théorie la plus prometteuse est la théorie des cordes, qui explique que toutes les particules subatomiques sont en fait de minuscules cordes. Cette théorie dit également que l’espace a des dimensions supplémentaires, plus que les trois que nous connaissons. Il s’agit de dire que nous vivons dans une sorte de multivers (ensemble d’univers) où les lois de la physique sont différentes dans des univers différents. Néanmoins, la théorie des cordes ne pourrait être d’aucune utilité pour comprendre la flèche du temps mais elle consisterait notre meilleur espoir pour concevoir la théorie du « tout ». Mais cela ne nous aide pas à comprendre pourquoi le temps avance. Comme presque toutes les autres théories physiques, la théorie des cordes ne fait pas de distinction entre le passé et l’avenir. Il faudra probablement trouver autre chose de plus approprié.
En travaillant aux côtés de Lee Smolin du Perimeter Institute of Waterloo, Marina Cortes, physicienne à l’université d’Edimbourg, a cherché les alternatives à la théorie des cordes qui intègrent la flèche du temps à un niveau fondamental. Cortes suggère que l’Univers est composé d’une série d’événements tout à fait uniques, qui ne se répètent donc jamais. Chaque ensemble d’événements ne peut influencer les événements de la prochaine série, de sorte que la flèche du temps est intégrée. « Si nous parvenons à utiliser ce type d’équations en cosmologie, nous allons pouvoir répondre au problème des conditions initiales de l’Univers », explique Cortes. Cette explication est totalement différente de celle avancée par Boltzmann dans laquelle la flèche du temps apparait comme une sorte d’accident survenu à partir des lois de probabilité. « Le temps n’est pas vraiment une illusion », indique Cortes.
« Il existe et s’écoule vraiment vers l’avenir. » Mais la plupart des physiciens sont plutôt en accord avec Boltzmann. « Boltzmann était dans la bonne direction pour trouver la solution », dit David Albert de l’université Columbia à New York. « Il y a un réel espoir de pouvoir creuser davantage dans ce que disait Boltzmann pour comprendre toute l’histoire de l’Univers », indique Carroll. « Si nous comprenons la faible quantité d’entropie dans l’Univers primitif, nous pourrons expliquer toutes les différences entre le passé et l’avenir. »
D’une façon ou d’une autre, nous aurons besoin d’expliquer cette faible quantité d’entropie du début de l’Univers pour comprendre la flèche du temps. Il suffira de concevoir la théorie du tout. Mais les scientifiques sont à la recherche de la théorie du tout depuis 90 ans, sans résultat. Comment allons-nous pouvoir en trouver une ? Et comment savoir si cette théorie est la bonne une fois qu’elle sera établie ? Nous pourrons la tester à l’aide de quelque chose de très petit et de très dense mais nous ne pouvons revenir en arrière dans les conditions du Big Bang. Nous ne pouvons pas non plus plonger dans un trou noir pour y chercher quelques informations.
NOTRE MEILLEUR ESPOIR RÉSIDE DANS LA PLUS GRANDE MACHINE CRÉÉE PAR L’HOMME : LE GRAND COLLISIONNEUR DE HADRONS
Alors que pouvons-nous faire ? Pour l’instant, notre meilleur espoir réside dans la plus grande machine créée par l’homme : le Grand collisionneur de hadrons (LHC). Il s’agit d’un accélérateur de particules. Long de 27 km, il tourne presque à la vitesse de la lumière. Les collisions engendrées par cette machine créent de nouvelles particules. Pour la première fois, le LHC devrait être en marche à pleine puissance dès ce printemps. En 2012, il a trouvé le très convoité boson de Higgs, la particule qui donne la masse à toutes les autres. On peut espérer que le LHC soit en mesure de faire de nouvelles découvertes dans l’optique d’établir la théorie du tout. Néanmoins, il lui faudra plusieurs années pour recueillir, traiter et interpréter les données nécessaires. Mais si cela se produit, nous pourrons enfin comprendre pourquoi ce stupide oeuf peut se casser sans pour autant pouvoir se reconsolider.
Ainsi, l’irréversibilité du temps semble s’expliquer par l’augmentation permanente d’entropie, cette grandeur qui mesure l’état de désordre d’un système de particules. Néanmoins, de nombreux paramètres, encore inconnus, empêchent les scientifiques d’affiner la théorie du temps puisqu’elle nécessiterait une théorie du tout. Que feriez-vous si vous aviez la possibilité de remonter le temps ?