D'où vient le temps?

La flèche du temps peut nous apprendre davantage sur la façon dont l'univers a commencé – et comment il se terminera, dit le chroniqueur quantique Karmela Padavic-Callaghan

D'où vient le temps? On me pose souvent cette question après que des connaissances ou des amis d'amis aient appris que je suis journaliste en physique. Il n'y a pas de réponse définie – mais pour mieux le comprendre, cela aide à regarder la flèche du temps.

Datant des années 1920, ce concept découle des lois de la physique qui décrivent l'énergie, la chaleur et l'entropie. L'entropie est la grosse, car le temps semble passer des états à entropie basse à haute – c'est la direction dans laquelle la «flèche du temps» vole. L'entropie a une mauvaise réputation d'être sur le désordre, mais la façon la plus précise d'y penser est de compter combien de façons quelque chose de grand – un macrostate – peut être assemblé à partir de parties constituantes plus petites ou de microstats.

Un macrostate qui correspond à de nombreux microstats, comme un tiroir de couverts où les cuillères et les fourchettes sont mélangées, a une entropie plus élevée qu'un macrostate où les microstats sont plus limités, comme le même tiroir avec toutes les fourchettes soigneusement empilées à gauche et toutes les cuillères à droite. Si vous organisez le tiroir de cette manière, mais la prochaine fois que vous l'ouvrez, les cuillères et les fourches sont mélangées, cela suggère que l'entropie a augmenté, et Time's Arrow a poussé le tiroir du passé vers le futur.

Il y a cependant un problème avec l'extrapolation des couverts au cosmos. Pourquoi aurait-il jamais eu un état de départ où tout était soigné et l'entropie était faible?

Les physiciens appellent cela «l'hypothèse passée», et ils n'en sont pas fans. Lorsqu'ils font l'exercice mental de rembobinage de la flèche du temps, ils se retrouvent dans un état où l'entropie de l'univers était extrêmement faible. Ces états sont considérés comme rares, il n'est donc pas clair pourquoi on devait exister. Comme cela marquerait le début des temps, des questions se posent également pour savoir si un tel État doit également coïncider avec le début de l'univers, le Big Bang.

Pour ajouter l'insulte à la blessure, il y a un autre problème: les lois de la physique à des échelles beaucoup plus petites que l'univers entier – comme l'échelle quantique d'une ou deux particule – sont entièrement réversibles, ce qui signifie qu'ils ne limitent pas la flèche du temps pour voler uniquement dans une seule direction. Pablo Arrighi à l'Université de Paris-Saclay en France me dit que c'est l'un des plus grands paradoxes de la physique.

«Les lois de la physique sont réversibles, mais comment se fait-il que ce que je vois dans la vie quotidienne ne soit pas?» demande-t-il. Arrighi et ses collègues voulaient voir s'ils pouvaient proposer un «univers jouet» très basique – un modèle simplifié du vrai univers – où tout est parfaitement réversible, mais la flèche du temps telle que nous le connaissons existe toujours.

Ils ont constaté que la flèche du temps est inévitable si l'univers jouet fait ce que fait notre propre univers et continue de se développer constamment. Cet univers modèle a également permis aux chercheurs d'éliminer l'hypothèse passée: elle a permis le Big Bang, mais n'a pas nécessité un état spécial, auquel le moment commence et la flèche du temps est lancée en avant.

En fait, Arrighi dit que ce travail lui a fait reconsidérer sa position auparavant suspecte sur les futurs potentiels comme le «Big Crunch», où l'univers finit par se développer et se rétrécit à un petit point, et le «gros rebond», où le cosmos est pris dans un cycle sans fin de bang-expand-shrink-crunch-bang.

Étonnamment, dans cet univers jouet construit uniquement sur les lois réversibles de la physique, le Big Bang n'a pas à être un exemple singulier lorsque toute physique telle que nous le savons se casse. Il y a plutôt plus d'expansion axée sur l'entropie de l'autre côté – essentiellement un autre univers. «Notre naissance serait causée par leur naissance. Notre affaire proviendrait de leur passé», explique Arrighi de l'univers imaginé de l'autre côté du Big Bang.

Bien que cela puisse sembler radical, l'idée de deux univers s'étendant dans des directions opposées, chacune avec son propre sens du temps, a déjà été sur le radar des physiciens. Par exemple, en 2014, le physicien indépendant Julian Barbour et ses collègues ont plaidé en faveur de ce scénario. Leur travail était basé sur une étude de la gravité, par opposition au travail d'Arrighi, qui est beaucoup plus fondé sur un mode d'argument de calcul – et le modèle de jouets de l'équipe d'Arrighi peut être facilement simulé sur un ordinateur. L'idée d'abandonner l'hypothèse passée a également été suggérée par des chercheurs tels que Sean Carroll à l'Université Johns Hopkins dans le Maryland.

Pour revenir à notre question initiale, la réponse pourrait-elle être ce moment vient de nulle part – ou du moins nulle part spéciale? Lorsque je pose cette question à David Albert, philosophe à l'Université Columbia à New York, il me prévoit de réfléchir plus attentivement au mot «spécial». Il n'est pas, en fait, convaincu que l'état à faible entropie de l'hypothèse passée serait nécessairement spécial du tout.

«Les gens ont une idée que chaque état physique possible devrait être aussi probable que tous les autres états physiques possibles. Si vous pensez de cette façon, ces états à faible entropie se révèlent très improbables», dit-il. «Mais ma propre attitude envers cela est qu'il est fou de penser que vous pourriez obtenir des probabilités juste à partir de a priori raisonnement. » Il souligne que nous devons vraiment trouver les probabilités d'un événement donné en les étudiant par des observations.

Albert est tout pour supprimer l'hypothèse passée de notre liste d'édits de physique absolument nécessaires – à son avis, moins de lois sont toujours meilleures. Mais il veut que cette intervention soit surtout fondée sur les observations. L'écart entre la taille des systèmes où nous pouvons manipuler et étudier soigneusement des quantités comme l'entropie, comme l'exemple du manuel de particules de gaz dans une boîte, et la taille de l'univers entier est énorme. Il conseille donc des soins et un examen minutieux de l'endroit où les physiciens peuvent faire des hypothèses lorsqu'ils extrapolent de l'un à l'autre.

«Mais le projet général d'enquêter sur la question de savoir si vous pouviez vous en sortir sans poster l'hypothèse passée, et simplement la dériver d'autres lois, je pense que c'est intéressant. Si cela peut être fait, c'est génial», explique Albert.

Après avoir terminé mon appel avec Albert, j'ai rappelé à rappeler tout le monde dans un an et voir comment le temps se tenait. Même si je ne sais toujours pas comment expliquer d'où vient le temps, sa flèche me poussera certainement dans un avenir où j'ai plus de conversations à ce sujet.