Pourquoi le temps avance-t-il et ne recule-t-il pas ?

Par Martha Henriques, BBC Future

La flèche du temps a commencé son voyage lors du Big Bang, et lorsque l'Univers mourra, il n'y aura plus de futur ni de passé. En attendant, qu'est-ce qui fait avancer le temps ?

Lorsque Isaac Newton a publié ses célèbres Principia en 1687, ses trois élégantes lois du mouvement ont résolu de nombreux problèmes. Sans elles, nous n'aurions pas pu faire atterrir des gens sur la Lune 282 ans plus tard.

Mais ces lois ont apporté à la physique un nouveau problème, qui n'a été pleinement apprécié que des siècles après Newton et qui continue de harceler les cosmologistes aujourd'hui.

Le problème est que les lois de Newton fonctionnent environ deux fois mieux que ce que l'on pourrait attendre d'elles.

Elles décrivent le monde dans lequel nous évoluons chaque jour - le monde des gens, les aiguilles qui tournent autour d'une horloge et même la chute apocryphe de certaines pommes - mais elles rendent aussi parfaitement compte d'un monde dans lequel les gens marchent à reculons, les horloges passent de l'après-midi au matin et les fruits s'élèvent du sol jusqu'à leur branche.

"La caractéristique intéressante des lois de Newton, qui n'a été appréciée que bien plus tard, est qu'elles ne font pas de distinction entre le passé et le futur", explique le physicien théoricien et philosophe Sean Carroll, qui traite de la nature du temps dans son dernier livre The Biggest Ideas in the Universe.

"Mais la directionnalité du temps est sa caractéristique la plus évidente, non ? J'ai des photographies du passé, je n'ai pas de photographies du futur."

Le problème ne se limite pas aux théories séculaires de Newton. Pratiquement toutes les théories fondamentales de la physique depuis lors fonctionnent aussi bien en avançant dans le temps qu'en reculant, explique le physicien Carlo Rovelli, du Centre de physique théorique de Marseille, en France, et auteur de livres tels que The Order of Time.

"À partir de Newton, puis de la théorie de l'électromagnétisme de Maxwell, puis des travaux d'Einstein, puis de la mécanique quantique, de la théorie quantique des champs, de la relativité générale et même de la gravité quantique - il n'y a pas de distinction entre le passé et le futur", explique Rovelli.

"Ce qui a été une surprise, car la distinction est tellement évidente pour nous tous. Si vous faites un film, il est évident de savoir quelle direction est le futur et quelle direction est le passé."

Comment une direction claire du temps peut-elle émerger de ces descriptions de l'Univers, qui sont toutes dépourvues de leur propre flèche du temps ?

Comme le dit Marina Cortês, astrophysicienne à l'université de Lisbonne : "il y a beaucoup d'implications qui commencent par la prise au sérieux de la question "Pourquoi le temps passe-t-il ?"".

Une partie de la réponse se trouve dans le Big Bang, il y a près de 14 milliards d'années. Une autre idée vient de l'extrême opposé, de la mort éventuelle de l'Univers.

Mais avant d'entreprendre ce voyage épique dans les deux sens de la ligne du temps de l'Univers, il convient de s'arrêter en 1865, au moment où la première loi de la physique véritablement orientée dans le temps a déferlé sur les rails de la révolution industrielle.

Une vapeur montante

Au XIXe siècle, lorsque le charbon était versé dans les fours pour produire de la vapeur, les scientifiques et les ingénieurs qui espéraient développer de meilleurs moteurs ont adopté un ensemble de principes décrivant la relation entre la chaleur, l'énergie et le mouvement.

Ces principes sont connus sous le nom de lois de la thermodynamique.

En Allemagne, en 1865, le physicien Rudolf Clausius a déclaré que la chaleur ne peut pas passer d'un corps froid à un corps chaud, si rien d'autre ne change autour d'eux.

Clausius a créé le concept qu'il a appelé "entropie" pour mesurer ce comportement de la chaleur - une autre façon de dire que la chaleur ne passe jamais d'un corps froid à un corps chaud est de dire que "l'entropie ne fait qu'augmenter, elle ne diminue jamais" (voir l'encadré L'entropie et la montée du désordre).

Comme le souligne Rovelli dans The Order of Time, c'est la seule loi fondamentale de la physique qui permet de distinguer le passé du futur. Une balle peut dévaler une colline ou être renvoyée à son sommet, mais la chaleur ne peut pas passer du froid au chaud.

Pour illustrer son propos, Rovelli prend son stylo et le fait tomber d'une main à l'autre. "La raison pour laquelle il s'arrête dans ma main est qu'il possède une certaine énergie, puis cette énergie se transforme en chaleur et réchauffe ma main. Et la friction arrête le rebondissement. Sinon, s'il n'y avait pas de chaleur, il rebondirait sans cesse, et je ne pourrais pas distinguer le passé du futur."

Jusqu'ici, tout est simple. Jusqu'à ce que l'on commence à considérer ce qu'est la chaleur au niveau moléculaire. La différence entre les choses chaudes et les choses froides réside dans l'agitation de leurs molécules.

Dans une machine à vapeur chaude, les molécules d'eau sont très excitées, elles tournent en rond et se heurtent rapidement les unes aux autres. Ces mêmes molécules d'eau sont moins agitées lorsqu'elles se regroupent sous forme de condensation sur une vitre.

Le problème est le suivant : lorsque vous effectuez un zoom avant, par exemple au niveau d'une molécule d'eau qui entre en collision et rebondit sur une autre, la flèche du temps disparaît. Si vous regardiez une vidéo microscopique de cette collision et que vous la rembobiniez, vous ne verriez pas clairement dans quelle direction se trouve l'avant et l'arrière.

À l'échelle la plus petite, le phénomène qui produit de la chaleur - les collisions de molécules - est symétrique par rapport au temps.

Cela signifie que la flèche du temps, du passé vers le futur, n'apparaît que lorsque l'on passe du monde microscopique au monde macroscopique, ce dont le physicien-philosophe autrichien Ludwig Boltzmann a été le premier à prendre conscience.

"Ainsi, la direction du temps vient du fait que nous regardons les grandes choses, nous ne regardons pas les détails", explique Rovelli. "De cette étape, de la vision microscopique fondamentale du monde à la description grossière, approximative, du monde macroscopique - c'est là qu'intervient la direction du temps".

"Ce n'est pas que le monde soit fondamentalement orienté dans l'espace et le temps", précise Rovelli. C'est que, lorsque nous regardons autour de nous, nous voyons une direction dans laquelle les objets quotidiens de taille moyenne ont plus d'entropie - la pomme mûre tombée de l'arbre, le jeu de cartes mélangé.

Si l'entropie semble inextricablement liée à la flèche du temps, il est un peu surprenant - voire déconcertant - que la seule loi de la physique qui intègre une forte directionnalité du temps perde cette directionnalité lorsque l'on regarde de très petites choses.

"Qu'est-ce que l'entropie ?" dit Rovelli. "L'entropie est simplement la mesure dans laquelle nous oublions la microphysique, la mesure dans laquelle nous oublions les molécules".

Le début et la fin

S'il existe une flèche du temps, d'où vient-elle en premier lieu ?

"La réponse est intégrée dans le début de l'Univers", dit Carroll. "La réponse est que le Big Bang avait une faible entropie. Et pourtant, 14 milliards d'années plus tard, nous nageons dans le sillage de ce tsunami qui a commencé près du Big Bang. C'est pourquoi le temps a une direction pour nous."

L'entropie extraordinairement faible de l'Univers au moment du Big Bang est à la fois une réponse et une énorme question. "La chose que nous comprenons le moins sur la nature du temps, c'est pourquoi le Big Bang avait une faible entropie, pourquoi l'Univers primitif était comme ça", dit Carroll.

"Et je pense honnêtement, en tant que cosmologiste en activité, que mes collègues cosmologistes ont laissé tomber la balle sur ce point. Ils ne prennent pas ce problème suffisamment au sérieux."

Carroll a publié un article en 2004 avec sa collègue Jennifer Chen, dans lequel ils ont cherché à expliquer pourquoi l'Univers avait une entropie si faible à proximité du Big Bang, plutôt que de simplement supposer ou accepter que c'était le cas.

"Il y a beaucoup de failles dans la théorie, beaucoup d'aspects de celle-ci qui ne sont pas complètement cuits - mais je pense aussi que c'est de loin la meilleure théorie sur le marché", dit Carroll. "Elle ne triche pas".

D'autres cosmologistes conviennent qu'il est effectivement temps de se pencher sérieusement sur ce problème des origines à faible entropie de l'Univers. "La probabilité que notre Univers actuel ait eu des conditions initiales de ce type, et pas d'un autre type, est d'environ une sur 10 aux 10 à 124 (1:10^10^124)", dit Cortês.

(Une autre façon de le dire est que l'événement avait une probabilité de 0,00...01 - avec 10^(10^124) zéros omis - un nombre si grand qu'il est difficile à exprimer en maths conventionnelles, note Cortês).

"Je veux dire que je pourrais dire sans risque que c'est le plus grand nombre de la physique moderne, en dehors de la philosophie ou des mathématiques".

Se contenter de prendre pour acquis des origines à faible entropie aussi improbables revient à "mettre le problème sous le tapis", estime Cortês.

"Si les physiciens continuent à faire cela, au bout d'un moment, il y aura un très gros tas sous le tapis. C'est à nous, cosmologistes, d'expliquer pourquoi le temps ne fait qu'avancer."

Même si nous ne savons pas encore pourquoi, le passé à faible entropie de l'Univers est une source plausible de la flèche du temps.

Comme la plupart des choses qui ont un début, la flèche aura aussi une fin. La première personne à s'en apercevoir fut, une fois encore, le physicien autrichien Ludwig Boltzmann.

"Boltzmann s'est dit que l'entropie augmentait dans l'univers et qu'elle allait peut-être atteindre son maximum à un moment donné", explique Rovelli.

À ce moment-là, la chaleur serait uniformément répartie dans l'Univers, et ne circulerait plus d'un endroit à l'autre.

Il n'y aurait pas d'énergie disponible sous une forme utile pour effectuer un travail - en d'autres termes, il ne se passerait presque rien d'intéressant dans tout l'Univers.

Comme le décrit l'astrophysicienne Katie Mack, "à mesure que ce processus se poursuit, tout se désintègre tellement qu'il ne reste plus que la chaleur résiduelle de tout ce qui a existé dans l'Univers." Ce destin est connu sous le nom de mort thermique de l'Univers, ou mort thermique.

"Les étoiles cesseront de brûler, il ne se passera plus rien. Il n'y aura plus que de petites fluctuations thermiques", explique Rovelli. "Supposons que cela se produise - et nous ne savons pas avec certitude si cela va se produire, mais supposons que ce soit le cas - devrions-nous dire qu'il n'y a pas de direction du temps à cet endroit ? Bien sûr qu'il n'y a pas de direction du temps, car tout phénomène qui se produit dans un sens peut aussi aller dans un sens ou dans l'autre. Rien ne permet de distinguer les deux directions du temps."

C'est peut-être la chose la plus étrange à propos de la flèche du temps : "Elle ne dure qu'un petit moment, dit Carroll.

Il est très difficile d'imaginer ce qui pourrait se passer si la flèche du temps finissait par disparaître. "Lorsque nous pensons, nous produisons de la chaleur dans nos neurones", explique Rovelli.

"La pensée est un processus dans lequel le neurone a besoin d'entropie pour fonctionner. Notre sentiment du temps qui passe n'est que ce que l'entropie fait à notre cerveau."

La flèche du temps qui découle de l'entropie nous rapproche grandement de la compréhension de la raison pour laquelle le temps ne fait qu'avancer.

Mais il y a peut-être d'autres flèches du temps que celle-ci - en fait, on peut dire qu'il existe toute une série de flèches du temps allant du passé vers le futur. Pour les comprendre, nous devons passer de la physique à la philosophie.

Temps humain

Les façons dont nous comprenons et vivons intuitivement le temps ne doivent pas être prises à la légère, affirme Jenann Ismael, professeur de philosophie à l'université Columbia de New York.

Si vous réfléchissez à votre propre expérience du temps, vous serez peut-être bientôt en mesure de reconnaître plusieurs des flèches psychologiques qui constituent une partie essentielle de l'expérience humaine. L'une de ces flèches est ce qu'Ismael appelle le "flux".

"Si vous regardez le monde, vous ne faites pas l'expérience d'une représentation purement statique de l'état instantané du monde", dit-elle, comme dans un film composé d'un certain nombre d'images statiques à chaque seconde. "Nous voyons directement que le monde est en train de changer".

Cette expérience de l'écoulement du temps est intégrée à notre perception. "La vision n'est pas du tout comme une caméra de cinéma", dit Ismael.

"En fait, ce qui se passe, c'est que votre cerveau collecte des informations sur une certaine période temporelle. Il intègre ces informations de sorte qu'à tout moment, ce que vous voyez est un calcul que le cerveau a effectué. Ainsi, non seulement vous voyez que les choses bougent, mais vous voyez à quelle vitesse elles bougent, dans quelle direction. Pendant tout ce temps, votre cerveau intègre des informations sur des intervalles temporels et vous donne le résultat. Vous voyez donc le temps, d'une certaine manière."

Il y a une deuxième caractéristique du temps qu'Ismael distingue du flux, qu'elle appelle "passage".

L'idée de passage est étroitement liée aux expériences temporelles telles que la mémoire et l'anticipation. Prenons l'exemple d'un mariage, ou de tout autre événement très attendu de la vie.

L'expérience que nous faisons de ces moments comporte de nombreuses couches - des phases de planification difficiles, à l'intensité du jour même, en passant par les souvenirs qui restent en mémoire pendant des années.

Ces différentes expériences ont un caractère directionnel : la façon dont nous anticipons un événement dans le futur est fondamentalement différente de la façon dont nous nous en souvenons une fois qu'il est passé.

"Tout cela fait partie de ce que je considère comme l'expérience du passage, cette idée que nous vivons chaque événement comme anticipé du passé, vécu dans le présent, remémoré rétrospectivement", explique Ismael. "C'est une sorte de Proustien dans sa densité".

Ces aspects de la directionnalité du temps psychologique - ainsi que bien d'autres, comme le sentiment d'ouverture que nous avons à l'égard du futur mais pas du passé - pourraient tous trouver leurs racines dans la flèche du temps née de la révolution industrielle.

"Je pense que tout revient à l'entropie", dit Ismael.

"Je ne vois aucune raison aujourd'hui de penser que les types de flèches qui sont impliqués dans la psychologie humaine ne sont pas, en définitive, enracinés dans la flèche entropique. Mais c'est une question empirique. Ce projet de comprendre l'expérience humaine en relation avec la flèche entropique, je n'ai aucune raison de penser qu'il va échouer."

C'est ce projet que Carroll espère réaliser, en prenant plusieurs caractéristiques de notre expérience du temps et en les reliant à l'entropie. Sa première cible est la causalité, un autre élément de la flèche du temps, puisque les causes surviennent avant leurs effets.

Le moins que l'on puisse dire, c'est que ce projet est une entreprise majeure pour tous les physiciens et philosophes impliqués. Et pourtant, tapie dans l'ombre derrière tous ces efforts, il reste cette question lancinante : pourquoi l'entropie était-elle si faible dans les premiers temps de l'Univers ?

"Je pense que nous comprenons pourquoi nous avons ce sentiment de fluidité", déclare Rovelli. "Nous comprenons pourquoi le passé nous semble fixe alors que le futur nous semble ouvert. Nous comprenons pourquoi il y a des phénomènes irréversibles, et nous pouvons ramener tout cela à la deuxième loi de la thermodynamique, à la montée de l'entropie.

"C'est très lié au fait que, si nous remontons dans le temps, l'Univers a commencé très petit, dans une situation très particulière. Et d'une manière ou d'une autre, il est tombé de cette situation particulière.

"Mais bien sûr, il y a une question ouverte, je veux dire, pourquoi ? Pourquoi ça a commencé de cette façon particulière ?" -- Images d'Edouard Taufenbach, Spéculaire. -- * Martha Henriques est rédactrice en chef de BBC Future Planet et tweete à @Martha_Rosamund. --