Un débat sur la physique du temps

Traduction d’un article de Quanta Magazine

Einstein avait décrit son ami Michele Besso comme étant la meilleure caisse de résonnance en Europe pour les idées scientifiques. Ils ont fréquenté ensemble l’université à Zurich et ils étaient aussi des collègues au bureau des brevets à Bern. Quand Besso est mort au printemps 1955, Einstein, sachant que son heure s’approchait aussi, a écrit une lettre célèbre à la famille de Besso. Maintenant, il est parti de ce monde étrange juste avant moi. Cela ne signifie rien. Pour nous, les physiciens convaincus, la distinction entre le passé, le présent et le futur est seulement une illusion persistante.

La question du temps en physique

Le physicien Tim Koslowski pendant la conférence Time in Cosmology

La déclaration d’Einstein n’était pas une simple consolation. De nombreux physiciens estiment que la position d’Einstein se basait sur les 2 piliers de la physique moderne, la relativité générale et le Modèle standard de la physique des particules. Les lois qui gouvernent ces théories sont symétriques par rapport au temps. Cela signifie que les physiques décrites par ces lois sont les mêmes indépendamment de l’augmentation ou de la diminution de la variable appelée temps. De plus, ces lois ne disent rien à propos du maintenant, car l’instant présent semble indéfini quand nous parlons à l’échelle de l’univers. Le cosmos qui en ressort est parfois appelé comme un univers-bloc. Un bloc statique d’espace-temps dans lequel l’écoulement du temps doit être une construction mentale ou une autre illusion.

De nombreux physiciens ont fait la paix avec l’idée d’un univers-bloc en estimant que la tâche du physicien est de décrire comment l’univers est apparu d’un point de vue d’observateurs individuels. Pour comprendre la distinction entre le passé, le présent et le futur, vous devez plonger dans cet univers-bloc et demander : Comment un observateur perçoit-il le temps ? selon Andreas Albrecht, un physicien à l’université de Californie et l’un des fondateurs de la théorie de l’inflation cosmique.

D’autres refusent absolument cette vision en estimant que la tâche de la physique n’est pas seulement d’expliquer l’apparition du temps, mais pourquoi. Pour ces physiciens, l’univers n’est pas statique. Le passage du temps est physique. Je suis fatigué de cet univers-bloc selon Avshalom Elitzur, un physicien et philosophe qui était à l’université de Bar-Ilan. Je ne pense pas que le prochain mardi possède la même source que ce mardi. Le futur n’existe pas. Ontologiquement, il n’est pas là.

Le mois dernier, environ 60 physiciens, quelques philosophes et des chercheurs provenant d’autres disciplines se sont réunis au Perimeter Institute for Theoretical Physics au Canada pour débattre de cette question pendant la conférence Time in Cosmology. La conférence était co-organisé par le physicien Lee Smolin, un détracteur convaincu de l’univers-bloc. Sa position est connue avec son livre intitulé Time Reborn qui s’adresse à un public large, mais également dans un ouvrage plus technique intitulé The Singular Universe and the Reality of Time qu’il a co-écrit avec le philosophe Roberto Mangabeira Unger qui était aussi un co-organisateur de la conférence. Smolin nous dit que : Le futur n’est pas réel maintenant et il n’y a aucun fait défini de la matière concernant le futur. Ce qui est réel est le processus par lesquels les événements futurs sont générés par les événements présents.

Le physicien Andreas Albrecht, présente ses travaux sur la nature du temps

Les participants ont débattu de plusieurs questions. La distinction entre le passé, le présent et le futur, pourquoi le temps semble s’écouler dans une seule direction, est-ce que le temps est fondamental ou émergent ? La plupart de ces questions restent non résolues. Mais pendant 4 jours, les participants ont écouté attentivement les différentes propositions sur ces questions, notamment avec la manière dont on peut réconcilier notre perception du temps avec un univers statique et intemporel.

On enfouit le temps sous le tapis

Il y a certaines choses sur lesquelles tout le monde est d’accord. La direction que nous observons dans le monde macroscopique est bien réelle. Une tasse brisée ne va pas se réassembler de manière spontanée, les oeufs peuvent se casser, mais ils ne peuvent pas se remettre dans leur coquille. L’entropie, une mesure du désordre dans un système, est toujours en augmentation et c’est un fait encodé dans la seconde loi de la thermodynamique. Comme le physicien autrichien Ludwig Boltzmann l’a compris au 19e siècle, la seconde loi explique pourquoi les événements vont évoluer dans une direction plutôt qu’une autre, car cela se base sur la flèche du temps.

Mais les choses deviennent compliquées quand nous nous arrêtons et nous nous demandons pourquoi nous vivons dans un univers où cette loi est si présente. Boltzmann a expliqué pourquoi l’entropie de l’univers sera plus grande demain par rapport à aujourd’hui selon Sean Carroll, un physicien au California Institute of Technology. Mais si c’est vrai, alors vous diriez aussi que l’entropie de l’univers était plus grande hier qu’aujourd’hui parce que toutes les dynamiques sous-jacentes sont complètement symétriques par rapport au temps. Si l’entropie se base sur les lois sous-jacentes de l’univers, et que ces lois sont les mêmes en avant ou en arrière, alors l’entropie doit augmenter en retournant dans le temps. Mais personne ne croit que l’entropie fonctionne de cette manière. Les oeufs cassés viennent toujours après des oeufs entiers et jamais l’inverse.

Pour donner un sens à cette hypothèse, les physiciens ont proposé que l’univers ait commencé dans un état d’entropie très basse. Dans cette vision, surnommée comme l’Hypothèse du passé (Past Hypothesis) par le philosophe de physiques David Albert de l’université de Columbia, l’entropie augmente parce que le Big Bang a produit un univers avec une entropie très basse. Il n’y avait aucune possibilité d’évolution sauf d’aller vers l’avant. La Past Hypothesis implique qu’à chaque fois que nous cuisons un oeuf, nous bénéficions d’événements qui se sont produits il y a 14 milliards d’années. Vous avez besoin que le Big Bang vous explique : Pourquoi les oeufs ne sont pas cassés à la base ? selon Carroll.

Certains physiciens sont plus troublés que d’autres par la Past Hypothesis. On ne peut pas juste dire qu’on ne comprend pas des choses dans la physique de l’univers actuel parce que la réponse se trouve au Big Bang. C’est comme si on mettait simplement ces problèmes sous le tapis. Et à chaque fois que nous évoquons les conditions initiales, la pile continue de grandir sous le tapis selon Marina Cores, une cosmologue au Royal Observatory à Edinburgh et co-organisatrice de la conférence.

Pour Smolin, la Past Hypothesis semble être davantage un aveu d’échec plutôt qu’une étape utile pour aller de l’avant. Il mentionne dans The Singular Universe : On doit expliquer pourquoi l’univers, même après 13,8 milliards d’années après le Big Bang, n’a pas atteint l’équilibre qui est l’état le plus probable par définition. Et la recherche de cette explication devient encore plus difficile si on suppose que l’univers a commencé par un état moins probable que l’état actuel. Cependant, d’autres physiciens estiment qu’il est normal de développer des hypothèses qui décrivent un système avec certaines conditions initiales. Une hypothèse n’a pas besoin de lutter pour expliquer ces conditions.

Un autre groupe de physiciens estime que la Past Hypothesis est mieux que rien, mais elle est simplement un bouche-trou plutôt que la bonne réponse. Si nous avons de la chance, alors peut-être que cela va pointer vers quelque chose de plus profond. De nombreuses personnes disent que la Past Hypothesis est juste un fait et qu’il n’y rien de sous-jacent qui peut l’expliquer. Je n’écarte pas cette possibilité selon Carroll. Pour moi, l’Hypothèse du passé est un indice pour nous aider à développer une vision compréhensive de l’univers.

Les origines alternatives du temps

Est-ce qu’on peut comprendre la flèche du temps sans invoquer la Past Hypothesis ? Certains physiciens estiment que c’est la gravitation, et non la thermodynamique, qui dirige la flèche du temps. Dans cette vision, la gravitation provoque le rassemblement de la matière en définissant une flèche du temps qui s’aligne elle-même avec l’augmentation de la complexité selon Tim Koslowski, un physicien de la National Autonomous University (il a décrit l’idée dans un papier de 2014 co-rédigé par le physicien britannique Julian heard et Flavio Mercati, un physicien au Perimeter). Koslowski et ses collègues ont développé de simples modèles d’univers composés de 1000 particules punctiformes qui sont soumis uniquement à la loi de la gravitation de Newton et ils ont trouvé qu’il y aura toujours un moment de densité maximale et de complexité minimale. Quand on s’éloigne de ce point, dans les 2 directions, alors la complexité augmente. Naturellement, nous, en tant que créatures complexes, sommes capables de faire des observations, qui impliquent une certaine distance du minimum. Mais si nous trouvons notre présence dans l’histoire de l’univers, alors nous pouvons pointer vers une ère de complexité faible et nous pouvons l’appeler comme le passé selon Koslowski. Les modèles sont globalement symétriques au temps, mais chaque observateur va avoir une flèche de temps locale. Il est important que le point de départ de l’entropie faible ne soit pas un ajout au modèle. Au lieu, il en émerge de façon naturelle. La gravitation supprime le besoin d’une hypothèse du passé selon Koslowski.

L’idée n’est pas nouvelle que le temps se déplace dans une seule direction et que nous vivons dans une section du cosmos qui possède une flèche du temps locale. En 2004, Carrol avec son étudiante diplômée Jennifer Chen ont mis en avant une proposition similaire qui se base sur l’inflation éternelle qui est un modèle bien connu du début de l’univers. Carroll considère les travaux de Koslowski et de ses collègues comme une étape utile, notamment parce qu’ils ont travaillé sur les détails mathématiques de leur modèle alors que lui et Chen ne l’ont pas fait. Mais il a encore des doutes. Par exemple, ce n’est pas clair si la gravitation joue un rôle aussi important. Si vous avez des particules dans un espace vide, alors vous obtiendrez le même comportement qualitatif.

Et l’augmentation de la complexité selon Koslowski, possède un effet secondaire crucial. Il mène à la formation de certains assemblages de la matière qui maintiennent leur structure au fil du temps. Ces structures peuvent stocker l’information et Koslowski les appelle comme des enregistrements. La gravitation est la première et la principale force qui permet de former l’enregistrement. Les autres processus créent les autres choses allant des fossiles jusqu’aux cernes des arbres en passant par les documents écrits. Le point commun de ces entités est qu’elles contiennent des informations sur les états antérieurs de l’univers. Mais est-ce que les mémoires, stockées dans le cerveau, peuvent être un genre d’enregistrement ? Koslowski répond que oui. Idéalement, nous pouvons construire des modèles plus complexes pour parvenir à la mémoire sur mon téléphone, la mémoire dans mon cerveau et dans les livres d’histoire. Un univers complexe contient plus d’enregistrements qu’un univers moins complexe et c’est pourquoi, selon Koslowski, nous nous rappelons du passé et non du futur.

George Ellis, cosmologue à l’université de Cap Town, pendant une présentation

Mais peut-être que le temps est plus fondamental. Pour George Ellis, un cosmologue à l’université de Cape Town en Afrique du Sud, le temps est une entité plus basique qu’on peut comprendre en imaginant un univers-bloc qui évolue par ses propres moyens. Dans son modèle d’univers-bloc en évolution, l’univers est un volume croissant d’espace-temps. La surface de ce volume peut être considérée comme le moment présent. La surface représente l’instant où l’imprécision du futur devient la précision du passé selon les mots du chercheur. L’espace-temps augmente quand le temps passe. On peut discerner la direction du temps en regardant la partie de l’univers qui est fixe (le passé) et celle qui change (le futur). Même si certains collègues ne sont pas d’accord, Ellis estime que le modèle est une modification et non une refonte complète de la vision standard. C’est un univers-bloc avec des dynamiques qui sont couvertes par les équations de champs de la relativité générale. Ces équations sont un standard absolu, mais avec une frontière du futur qui est le présent constamment en changement. Dans cette vision, le passé est fixé et impossible à changer, mais le futur est ouvert. Le modèle propose le passage du temps dans un modèle plus satisfaisant que l’univers-bloc habituel.

Contrairement à la vision traditionnelle du bloc, l’image d’Ellis semble décrire un univers avec un futur ouvert et cette vision est en conflit avec une loi qui estime que les états physiques passés dictent les états futurs. Même si l’indétermination quantique pourrait être suffisante pour perturber cette vision déterministe. Pendant la conférence, quelqu’un a demandé à Ellis si, avec suffisamment d’information concernant les physiques d’un rayon d’une sphère centré sur British Midlands au début de juin, on aurait pu prédire le Brexit. Pas en utilisant la physique selon Ellis imperturbable. Pour ça, on a besoin de mieux comprendre l’esprit humain.

Une autre approche qui veut réconcilier le passage apparent du temps avec l’univers-bloc est l’hypothèse de l’ensemble causal (Causal Sets). Développée dans les années 1980 comme une approche de la gravitation quantique par le physicien Rafael Sorkin, qui était aussi présent à la conférence, l’hypothèse est basée sur l’idée que l’espace-temps est granulaire plutôt que continu. Dans cette vision, même si l’univers apparait comme continu au niveau macroscopique, mais que nous puissions zoomer jusqu’à l’échelle de Planck (des distances de 10^-35 mètres), alors nous découvrirons que l’univers est composé d’unités élémentaires ou atomes de l’espace-temps. Les atomes forment ce que les mathématiciens appellent un ensemble partiellement ordonné. Une série dans laquelle chaque élément est associé à un élément adjacent dans une séquence particulière. Le nombre de ces atomes (estimés à 10²⁴⁰ dans l’univers visible) permet la création du volume dans l’espace-temps tandis que leur séquence provoque l’apparition du temps. Selon l’hypothèse, ces atomes d’espace-temps apparaissent en permanence. Fay Dowker, une physicienne à l’Imperial College London, l’a considéré comme un temps en accrétion. Elle a invité à penser à l’espace-temps comme des atomes cumulatifs de l’espace-temps de la même manière que la mer dépose de nouvelles couches de sédiments au fil du temps. La relativité générale parle d’un seul bloc, mais les Causal Sets permettent le concept du devenir. L’univers-bloc est une chose statique, une image statique du monde tandis que ce processus du devenir est dynamique. Dans cette vision, le passage du temps est fondamental plutôt qu’une caractéristique émergente du cosmos. L’hypothèse des ensembles causaux a réussi au moins une prédiction sur l’univers selon Dowker. Elle a été utilisée pour estimer la valeur de la constante cosmologique en se basant uniquement sur le volume de l’espace-temps de l’univers.

Le problème avec le futur

La philosophe Jenann Ismael estime que l’univers-bloc est valable avec notre expérience sur le passage du temps

Face à ces modèles très exotiques et concurrents, de nombreux penseurs ont cessé de s’inquiéter et ils ont appris apprécier l’univers-bloc. Mais la déclaration la plus forte, en faveur de la compatibilité de l’univers-bloc avec l’expérience de tous les jours, est venue de Jenann Ismael, une philosophe de l’université d’Arizona. Selon Ismael, l’univers-bloc, s’il est correctement compris, possède en lui l’explication de notre expérience du passage du temps. Une étude attentive de la physique conventionnelle, renforcé par ce que nous avons appris des sciences cognitives et de la psychologie de ces dernières années, peut recouvrir le flux de l’expérience selon Ismael. Dans cette vision, le temps n’est pas une illusion, car nous le vivons directement. Elle a cité des études qui montrent que chaque moment que nous vivons représente un intervalle de temps fini. En d’autres termes, nous n’interférons pas avec le flux du temps, car il fait partie de l’expérience. Le défi, selon cette philosophe, est d’encadrer cette expérience à la première personne avec le bloc statique offert par la physique. On pourra ainsi examiner l’apparence du monde à partir d’un cadre de référence en évolution d’un observateur intégré dont l’historique est représenté par une courbe dans l’espace-temps de l’univers-bloc.

La présentation d’Ismael a reçu un accueil mitigé. Carroll a déclaré qu’il est d’accord avec tout ce qu’elle a dit. Elitzur a déclaré qu’il voulait crier pendant la présentation, mais en précisant que c’est parce qu’il déteste le futur. La principale objection est que l’univers-bloc implique que le futur existe déjà et que les prévisions météo du prochain mardi ne sont ni fausses ou vraies. Pour certains, c’est un problème insurmontable avec la vision de l’univers-bloc. Ismael a déjà entendu ces objections à plusieurs reprises. Les événements futurs existent, mais ils n’existent pas maintenant. L’univers-bloc n’est pas une image qui change, mais c’est une image du changement. Les choses arrivent quand elles doivent arriver. C’est juste un moment et je sais que tout le monde va le détester, mais la physique doit faire un peu de philosophie. Il y a une longue histoire de discussion sur les valeurs historiques des événements éventuels et ça n’a aucun rapport avec l’expérience du temps. Et pour ceux qui veulent en savoir plus, je recommande de lire Aristote selon Ismael.

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