Ainsi que l'explique l'article de vulgarisation sur la notion de temps en physique quantique, les physiciens comme les philosophes ont longtemps disserté sur le concept de temps : est-il un absolu, le subit-on, y a-t-il réellement une flèche irréversible du temps, qu'y avait-il "avant" le temps,... ? Voilà des questions quasi métaphysiques et très difficiles à résoudre mais que certains hommes érudits n'ont pas hésité à étudier, notamment Albert Einstein, Ilyia Prigogine ou Stephen Hawking.
D'abord une mise au point d'ordre philosophique et de précision du langage. Ne dites jamais à un physicien chargé de définir l'heure pour le globe que "son horloge mesure le temps avec précision". Il vous dira que son "horloge ne mesure pas le temps". Le temps est défini par le nombre de clics des horloges atomiques, il est défini par ce que mesurent les horloges. De la même manière, le fait de regarder votre montre ne vous indique pas le temps mais la position des aiguilles à deux instants donnés. Il s'agit de variables physiques, elles-mêmes fonction d'autres variables physiques, mais que nous nous représentons comme évoluant dans le temps. En fait, on ne voit jamais le temps en soi, mais ses effets.
L'échelle de Planck
Aujourd'hui, le plus intervalle de temps jamais mesuré a été enregistré par Ferenc Krausz. Dans son laboratoire d'Optique Quantique de l'Université de Technologie de Vienne, en Autriche, il a mesuré en 2004 le plus petit saut quantique des électrons au coeur des atomes : 100 attosecondes (100x10^-16 sec), soit 1/100 quintillions de seconde. A une autre échelle, 100 attosecondes correspondent à une seconde comparée à 300 millions d'années. En langage informatique, cela équivaut à un processeur cadencé à près de 1 million de GHz (10^-15 Hz). Concrètement, le premier chiffre significatif de notre chronomètre digital se trouve à la 14eme place derrière la virgule !
Mais Krausz est encore loin d'approcher la frontière ultime du temps. Il existe en physique une sorte de mur du temps, c'est l'échelle de Planck, bien connue des amateurs de physique quantique.
D'abord une mise au point d'ordre philosophique et de précision du langage. Ne dites jamais à un physicien chargé de définir l'heure pour le globe que "son horloge mesure le temps avec précision". Il vous dira que son "horloge ne mesure pas le temps". Le temps est défini par le nombre de clics des horloges atomiques, il est défini par ce que mesurent les horloges. De la même manière, le fait de regarder votre montre ne vous indique pas le temps mais la position des aiguilles à deux instants donnés. Il s'agit de variables physiques, elles-mêmes fonction d'autres variables physiques, mais que nous nous représentons comme évoluant dans le temps. En fait, on ne voit jamais le temps en soi, mais ses effets.L'échelle de Planck
Aujourd'hui, le plus intervalle de temps jamais mesuré a été enregistré par Ferenc Krausz. Dans son laboratoire d'Optique Quantique de l'Université de Technologie de Vienne, en Autriche, il a mesuré en 2004 le plus petit saut quantique des électrons au coeur des atomes : 100 attosecondes (100x10^-16 sec), soit 1/100 quintillions de seconde. A une autre échelle, 100 attosecondes correspondent à une seconde comparée à 300 millions d'années. En langage informatique, cela équivaut à un processeur cadencé à près de 1 million de GHz (10^-15 Hz). Concrètement, le premier chiffre significatif de notre chronomètre digital se trouve à la 14eme place derrière la virgule !
Mais Krausz est encore loin d'approcher la frontière ultime du temps. Il existe en physique une sorte de mur du temps, c'est l'échelle de Planck, bien connue des amateurs de physique quantique. L'échelle de Planck marque la frontière ultime, là où s'arrêtent les lois connues de la physique, et où commencent les mystères, une région où les distances et le temps sont tellement étroits que les concepts même de temps et d'espace n'ont plus de signification.
Le monde à l'échelle de Planck présente des dimensions inférieures à 10-33 cm et des durées inférieures à 10-43 secondes, soit moins d'un trillion de trillion d'attoseconde, c'est le temps de Planck. Qu'y a-t-il au-delà ou avant cette fraction de seconde ? Tempus incognito. Personne ne le sait. Du moins jusqu'à aujourd'hui.
Le monde à l'échelle de Planck présente des dimensions inférieures à 10-33 cm et des durées inférieures à 10-43 secondes, soit moins d'un trillion de trillion d'attoseconde, c'est le temps de Planck. Qu'y a-t-il au-delà ou avant cette fraction de seconde ? Tempus incognito. Personne ne le sait. Du moins jusqu'à aujourd'hui.
Un univers à 11 dimensions
Les physiciens ont besoin d'autres théories pour explorer ce monde étrange. Ces concepts font partie de la famille des théories dites "supersymétriques" car elles mettent sur un même pied d'égalité la matière et l'énergie, les fermions et les bosons : il s'agit des théories de supergravité, de supercordes, la théorie M, la théorie de Tout, etc, autant de concepts très élaborés faisant appel à des univers ayant jusqu'à 11 dimensions !
Un univers à 11 dimensions, me rétorquerez-vous, mais vous avez vu ça où ? En fait sur papier. Selon les théoriciens, c'est la contrainte nécessaire pour unir la théorie de la Relativité et la théorie quantique dans une théorie plus générale et, en principe, capable de prédire de nouveaux phénomènes, et notamment d'expliquer la nature intrinsèque de la lumière, l'origine du temps et pourquoi pas, le Big Bang.
Les physiciens ont besoin d'autres théories pour explorer ce monde étrange. Ces concepts font partie de la famille des théories dites "supersymétriques" car elles mettent sur un même pied d'égalité la matière et l'énergie, les fermions et les bosons : il s'agit des théories de supergravité, de supercordes, la théorie M, la théorie de Tout, etc, autant de concepts très élaborés faisant appel à des univers ayant jusqu'à 11 dimensions !
Un univers à 11 dimensions, me rétorquerez-vous, mais vous avez vu ça où ? En fait sur papier. Selon les théoriciens, c'est la contrainte nécessaire pour unir la théorie de la Relativité et la théorie quantique dans une théorie plus générale et, en principe, capable de prédire de nouveaux phénomènes, et notamment d'expliquer la nature intrinsèque de la lumière, l'origine du temps et pourquoi pas, le Big Bang. Dans cette théorie cadre en devenir, le fameux "chat de Schrödinger" ne jouerait plus avec des quarks dans la théorie quantique, mais avec des supercordes.
Le temps n'est qu'une illusion
En étudiant ces théories à 11 dimensions, les théoriciens nous disent que le temps pourrait ne pas exister en dessous de l'échelle de Planck ! Dans ce cas, qu'est ce que le temps ? "La signification du temps est devenue une question terriblement problématique dans la physique contemporaine", explique Simon Saunders, philosophe de la physique à l'Université d'Oxford. "La situation est tellement inconfortable qu'il est de loin préférable de se déclarer agnostique."
En fait le problème du temps remonte à 1967, lorsque les physiciens John Wheeler et Bryce DeWitt inventèrent une équation qui unit la Relativité générale et la physique quantique, l'équation de Wheeler-DeWitt, également appelée "l'équation de l'univers".
Le temps n'est qu'une illusion
En étudiant ces théories à 11 dimensions, les théoriciens nous disent que le temps pourrait ne pas exister en dessous de l'échelle de Planck ! Dans ce cas, qu'est ce que le temps ? "La signification du temps est devenue une question terriblement problématique dans la physique contemporaine", explique Simon Saunders, philosophe de la physique à l'Université d'Oxford. "La situation est tellement inconfortable qu'il est de loin préférable de se déclarer agnostique."
En fait le problème du temps remonte à 1967, lorsque les physiciens John Wheeler et Bryce DeWitt inventèrent une équation qui unit la Relativité générale et la physique quantique, l'équation de Wheeler-DeWitt, également appelée "l'équation de l'univers".
Cette équation est controversée, non seulement parce qu'elle unit des concepts locaux (la Relativité et son déterminisme) et non locaux (la physique quantique et ses lois probabilistes), 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, un physicien de l'Université de la 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 est intemporelle."
Rovelli ainsi que d'autres théoriciens pensent que s'ils parviennent à unir les deux théories cadres de la physique moderne, ils aboutiront inévitablement à décrire un univers dans lequel, finalement, le temps ne joue aucun rôle. Selon Rovelli, le temps ne serait pas une propriété fondamentale de la réalité. "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. Le temps ne serait qu'une "illusion obstinément persistante" pour paraphraser Einstein. Voilà une idée qui mérite le prix Nobel si on peut la prouver !
Un temps quantique, discret, comme le sont les quanta
Si les physiciens parviennent à unifier la théorie quantique et la Relativité générale, dans ce cas, l'espace et le temps seront décrits par une version modifiée de la physique quantique, une sorte de supergravité. Dans une telle théorie, en plus de ne plus être absolus, l'espace et le temps ne sont plus lisses et 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.
Cela signifie notamment qu'il existerait 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.
A l'image des ondes de matière ou d'énergie (fermions et bosons) qui peuvent se superposer, s'additionner et se soustraire (Cf. les interférences 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."
Actuellement Rovelli travaille avec le mathématicien Alain Connes, du Collège de France à Paris. Ensemble, ils essaient de démontrer comment la chose que nous appelons le temps pourrait émerger de l'écume de la réalité intemporelle quantique. Il le 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."
Une révolution en route
Rovelli est conscient que son explication ne va qu'épaissir le brouillard qui stagne au-dessus de cette mystérieuse réalité à l'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. Rappelez-vous l'idées "saugrenue" de Copernic qui plaçait le Soleil au centre du monde ou l'idée "hérétique" de Galilée qui croyait que la Terre tournait sur elle-même et autour du Soleil. Pourtant aujourd'hui, mis à part quelques sectes obscurantistes, nous acceptons tous ces idées pour vraies.
Comme l'univers de Newton n'était pas celui de Copernic, l'univers quantique relativiste à 11 dimensions n'est pas celui d'Einstein ni de Schrödinger. A chaque fois, le changement de paradigme fut radical, créant une véritable révolution intellectuelle et un schisme entre l'ancienne et la nouvelle génération de chercheurs.
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.
Pour plus d'information, consultez l'article "Et si le temps n'existait pas ?".
Rovelli ainsi que d'autres théoriciens pensent que s'ils parviennent à unir les deux théories cadres de la physique moderne, ils aboutiront inévitablement à décrire un univers dans lequel, finalement, le temps ne joue aucun rôle. Selon Rovelli, le temps ne serait pas une propriété fondamentale de la réalité. "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. Le temps ne serait qu'une "illusion obstinément persistante" pour paraphraser Einstein. Voilà une idée qui mérite le prix Nobel si on peut la prouver !Un temps quantique, discret, comme le sont les quanta
Si les physiciens parviennent à unifier la théorie quantique et la Relativité générale, dans ce cas, l'espace et le temps seront décrits par une version modifiée de la physique quantique, une sorte de supergravité. Dans une telle théorie, en plus de ne plus être absolus, l'espace et le temps ne sont plus lisses et 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.
Cela signifie notamment qu'il existerait 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.
A l'image des ondes de matière ou d'énergie (fermions et bosons) qui peuvent se superposer, s'additionner et se soustraire (Cf. les interférences 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."Actuellement Rovelli travaille avec le mathématicien Alain Connes, du Collège de France à Paris. Ensemble, ils essaient de démontrer comment la chose que nous appelons le temps pourrait émerger de l'écume de la réalité intemporelle quantique. Il le 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."
Une révolution en route
Rovelli est conscient que son explication ne va qu'épaissir le brouillard qui stagne au-dessus de cette mystérieuse réalité à l'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. Rappelez-vous l'idées "saugrenue" de Copernic qui plaçait le Soleil au centre du monde ou l'idée "hérétique" de Galilée qui croyait que la Terre tournait sur elle-même et autour du Soleil. Pourtant aujourd'hui, mis à part quelques sectes obscurantistes, nous acceptons tous ces idées pour vraies.
Comme l'univers de Newton n'était pas celui de Copernic, l'univers quantique relativiste à 11 dimensions n'est pas celui d'Einstein ni de Schrödinger. A chaque fois, le changement de paradigme fut radical, créant une véritable révolution intellectuelle et un schisme entre l'ancienne et la nouvelle génération de chercheurs.
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.
Pour plus d'information, consultez l'article "Et si le temps n'existait pas ?".
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