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Et si le temps n'existait pas ?

La notion de temps (II)

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. Ainsi que nous l'avons expliqué dans l'article consacré à l'interprétation de la physique quantique, dans un sondage informel réalisé à Cambridge en 1999, la majorité (52%) des physiciens concernés par l'informatique quantique ne partageaient aucune des interprétations actuelles (Copenhague, Bohm, Everett, etc) et restaient indécis en attendant qu'on invente une théorie plus complète. La théorie M va-t-elle répondre à leurs attentes ? Il est trop tôt pour l'affirmer. 

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, changer 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 coeur 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, physicien théoricien 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 XXeme 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. Un exemple : un homme marche. A l'envers, il marche à reculons. Cela nous pouvons le faire. Un exemple plus complexe : si localement l'univers construit des îlots ordonnés, des galaxies, des systèmes planétaires, des organismes vivants, tôt ou tard, cela finit par se désagréger et "tomber en ruine", comme la chaleur finit par se dissiper. Comme le disent les physiciens, l'entropie de l'univers ne peut que croître.

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" du physicien Amos Ori de l'Institut de Technologie d'Israel (Technion) nous offrent en théorie le moyen de voyager dans le temps. Mais ces théories restent spéculatives.

A posteriori quelque chose empêche le temps de faire demi-tour; 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 évènement, 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 rebaptiront l'Univers mieux que le meilleur film de science-fiction !

Document T.Lombry

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 14 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. A 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, l'Observatoire de Belgique à Uccle ou l'Institut National des Standards et de Technologie (NIST), à Boulder, aux Etats-Unis, qui ont notamment pour tâche de définir l'heure avec une précision "atomique", ne leur dites jamais quelque chose du genre "votre horloge mesure le temps avec précision". Ils vous diront 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. Si vous n'avez pas tout compris, relisez le paragraphe.

Rovelli, qui défend la thèse de l'univers quantique et intemporel, considère que les "Gardiens du Temps" ont raison. De plus, leur point de vue est compatible avec l'équation de Wheeler-DeWitt. "On ne voit jamais le temps", fait remarquer Rovelli. "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".

"En ce qui concerne l'équation de Wheeler-DeWitt, nous devons arrêter de jouer à ce jeu", nous dit Rovelli. "Au lieu d'introduire cette variable fictive qu'est le temps, qui n'est pas observable en soi, nous devrions simplement décrire les relations entre les variables. 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.

Pour formaliser cette idée, en 1988 Carlo Rovelli alors à l'Université de Padoue et Lee Smolin de l'Université d'Harvard proposèrent la théorie de la gravité quantique à boucles, la concurrente de la théorie des cordes et des théories de supersymétrie.

Actuellement, Rovelli travaille en collaboration avec Alain Connes, mathématicien du Collège de France. Ensemble et grâce à la gravité quantique à boucles alliée à la théorie des "réseaux de spins" ils tentent de démontrer comment le quantum de temps pourrait émerger de l'écume quantique. Voilà une idée qui mérite le prix Nobel si on peut la prouver !

Rovelli la décrit de manière imagée :  "Le temps pourrait être un concept émergeant à grandes échelles - un peu comme le concept de la 'surface de l'eau', qui n'a de sens qu'au niveau macroscopique mais qui perd son sens précis quand on l'examine au niveau atomique."

La réalité ultime intemporelle

Pour l'heure, il n'existe pas de théorie physique capable de décrire complètement ce à quoi ressemble l'univers en dessous de l'échelle de Planck.

Bien qu'une possibilité existe que les physiciens parviennent à unifier la théorie quantique et la relativité générale, aucune théorie ne semble pouvoir explorer les phénomènes en-dessous de l'échelle de Planck.

Dans tous les cas, à l'avenir l'espace et le temps seront probablement décrits par une version modifiée de la physique quantique tenant compte de la gravitation. Dans une telle théorie, en plus de ne plus être absolus, l'espace et le temps ne sont plus continus. En lieu et place, ils se transforment en quantités discrètes, en quanta, à l'image de la lumière qui est constituée de quanta d'énergie, les photons. Ces quanta constitueraient les briques de l'espace et du temps.

Comprenez bien le sens de cette découverte. Bien que la taille de ces quanta élémentaires d'espace et de temps soit insignifiante (10-35 cm et 10-43 secondes) et ne change en rien notre réalité, du point de vue mathématique, cette progression discontinue de la métrique de l'univers à très petite échelle constitue une révolution intellectuelle. Elle signifie notamment qu'il existe un seuil quantifiable en dessous duquel il n'existe pas de quanta d'espace et de temps, comme il existe un niveau d'énergie précis au-dessus duquel les quatre interactions fondamentales sont unies. Cette époque primordiale, où se développait une théorie unifiée est aujourd'hui à notre portée. Mais si la situation actuelle est éclairante, les chercheurs ignorent encore à quelle distance se trouve la fin du tunnel.

Comment se représenter de telles entités ? Il n'est pas facile d'imaginer un espace et un temps constitués d'autre chose que ce que nous ressentons. De plus, où résideraient les composantes de cet espace et de ce temps quantiques, si ce n'est pas dans l'espace et dans le temps ? Nous devons étudier la question sous un autre angle.

En physique quantique, depuis 1926 et les travaux de Schrödinger, toutes les particules de matière et d'énergie (fermions et bosons) sont décrites par des ondes. Ce n'est pas incompatible avec la notion de quanta qui représente une quantité d'énergie discrète, car comme un quantum d'action, les différentes valeurs d'énergie d'une onde stationnaire ne peuvent progresser que par quantité discrète, à l'image d'une corde de guitare que l'on pince et dont le son progresse par note entière ou demi-note.

Les ondes ont des propriétés particulières. Par exemple, un nombre infini d'ondes peut exister en un seul endroit car elles peuvent se superposer, s'additionner ou se soustraire. C'est ainsi que la lumière est capable de créer des figures d'interférences (expérience de Young).

Si on démontre un jour que le temps et l'espace sont compatibles avec les quanta, alors tenez-vous bien, on pourrait empiler tous les quanta dans un point sans dimension."L'espace et le temps ont en quelque sorte fusionnés dans cette image", dit Rovelli. "Il n'y a plus d'espace du tout. Ce sont juste des espèces de quanta superposés les uns au-dessus des autres sans qu'ils soient immergés dans un espace." Pas simple à comprendre....

Une révolution salutaire

Rovelli est conscient que son explication ne va qu'épaissir le brouillard qui stagne au-dessus de cette mystérieuse échelle de Planck. Confiant dans son intuition, il nous rappelle que l'essentiel des connaissances que nous possédons aujourd'hui, laissaient également les savants perplexes en leur temps. Pensez à Copernic et son idée "saugrenue" de placer le Soleil au centre du monde, ou à l'idée "hérétique" de Galilée qui croyait que la Terre tournait sur elle-même et autour du Soleil. Le sens commun nous dit le contraire, et pourtant aujourd'hui, mis à part quelques sectes obscurantistes, tout le monde accepte ces deux théories pour vraies. Mais il faut encore convaincre les sceptiques "saint Thomas". Aussi, des expériences et surtout l'exploration spatiale nous ont apporté des preuves indiscutables.

Dessin d'Einstein par Jeremy Sutton.

Toutes les idées et toutes nos représentations évoluent avec le temps, même ce portrait d'Einstein réalisé par Jeremy Sutton. Cliquer ici pour lancer l'animation (GIF de 717 KB).

 Même au XXeme siècle, le doute a plané dans l'esprit de nombreux scientifiques sur l'idée même de la "contraction des distances" et du "ralentissement du temps" évoqué par Einstein.

Une fois encore c'est l'astronomie et l'astronautique qui rallièrent les sceptiques à la cause de la Relativité, et encore récemment, en 2007, avec les résultats de la mission Gravity Probe B qui sont venus renforcer la théorie d'Einstein.

En revanche, depuis plus d'un demi-siècle la situation est moins claire en physique quantique où les accélérateurs de particules peinent à nous décrire cette réalité ultime qui reste voilée en raison des contraintes même de la nature quantique et du faible niveau d'énergie atteint par les systèmes actuels. Ils nous offrent toutefois des traces d'interactions qui en disent long sur le profil des particules concernées.

A son tour, comme l'univers de Newton n'était pas celui de Copernic, l'univers quantique relativiste des théories de supercordes et autres théories membranaires n'est pas celui d'Einstein ni celui de Schrödinger. A chaque fois, le changement de paradigme fut radical, bouleversant l'image qu'on se faisait du monde. Cette remise en question créa à chaque fois une véritable révolution intellectuelle et un schisme entre l'ancienne et la nouvelle génération de chercheurs.

Qui a raison, qui a tort, cela ne se pose pas en ces termes. Les nouveaux concepts sont salutaires pour l'avenir de la Science car ils renforcent la confiance des chercheurs en leur capacité à comprendre des phénomènes que certains jugent un peu vite hors de portée de l'esprit humain.

Si ces nouveaux concepts généralisent les anciennes théories et parviennent à prédire de nouveaux évènements, que l'observation confirme leur existence ou simplement les faits actuels, et si par bonheur ils expliquent les paradoxes des anciennes théories, dans ce cas ils renverseront de facto l'ancien paradigme. Cette "théorie révolutionnaire" représentera dorénavant le "modèle Standard" qui sera enseigné à tous les étudiants.

Un modèle aussi complexe soit-il, représente-t-il pour autant la réalité ? Nous avons expliqué à propos de la philosophie des sciences, qu'un modèle mathématique est l'expression de la réalité. Einstein nous a démontré avec éloquence que les mathématiques ont ce gros avantage sur l'expérience, d'ajouter la preuve formelle des démarches scientifiques, démontrant et expliquant la nature des choses.

A travers l'exemple simple des coccinelles marchant sur un globe, Einstein nous a également expliqué qu'on pouvait visualiser mentalement n'importe quel concept, même l'infini. Bien sûr, on ne vous demandera jamais de visualiser un univers à 10 dimensions ou l'écume quanrtique, bien que les ordinateurs puissent le faire, mais nous n'en avons pas besoin car les calculs de probabilités nous suffisent pour l'appréhender.

Tout n'est qu'illusion

En mars 1955, alors que son ami Michele Besso venait de décéder, Einstein écrivit une lettre d'encouragement à la famille Besso. "Maintenant il a quitté cet étrange monde un peu avant moi. Cela ne signifie rien. Des gens comme nous, qui croyons en la physique, savons que la distinction entre passé, présent et futur n'est seulement qu'une illusion obstinément persistente."

Rovelli entrevoie aujourd'hui une nouvelle brèche temporelle. "L'article d'Einstein de 1905 est apparu et a soudainement changé la façon dont les gens imaginaient l'espace-temps. Nous sommes de nouveau au milieu de quelque chose comme ça", conclut-il.

Townsend compare notre état actuel de connaissance à la vieille époque quantique de l'atome de Bohr, juste avant la pleine élucidation de la physique quantique : "Nous avons certaines images fécondes et quelques règles mais il est aussi évident que nous n'avons pas une théorie complète".

Kaku est résolument optimiste : "Pour la première fois dit il, nous pouvons voir le profil du lion et il est magnifique. Un jour, nous l'entendrons rugir".

Quand le brouillard sera retombé, le temps, quoiqu'il puisse être, pourrait apparaître encore plus étrange et plus illusoire que ce que même Einstein aurait pu imaginer.

A consulter sur ce site

La gravité quantique à boucles (sur ce site)

Et si le temps n'existait pas, C.Rovelli, Dunod, 2014.

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