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27 septembre 2010
par Jean-Paul Baquiast et Christophe Jacquemin
Nouvelles considérations
sur le temps
Vous manquez
de temps ? Pourquoi ne pas
vous en passer ?
Le Dieu Chronos, réputé dévoreur
de ses enfants
Le
"temps" : sous un même mot sont désignées
deux "choses"différentes, que l'on appelle en général
le temps psychologique et le temps physique ou cosmologique.
Le temps psychologique correspond à une intime conviction,
partagée par chacun d'entre nous, au moins dans les sociétés
occidentales : nous changeons en permanence, de façon irréversible
et plus ou moins rapidement. Au terme de ceux de ces changements
qui nous affectent personnellement, nous mourrons. Comment mesurer
la nature et le rythme de ces changements? Ils paraissent s'inscrire
dans un cadre évolutif qui nous est extérieur, de
nature à proprement parler indéfinissable, mais qui
peut être mesuré, d'abord intuitivement puis avec des
instruments de plus en plus précis. Cependant, la sensation
subjective que nous avons de l'écoulement du temps n'est
pas la même pour tous les instants de la vie et pour toutes
les personnes. D'où l'hypothèse qu'il s'agit d'une
construction psychologique, de nature culturelle.
Pour
Einstein, temps, espace et matière ne peuvent exister l'un
sans l'autre. Cette notion retire de son importance au temps. Ce
ne sont plus le temps et l'espace qui sont le cadre des phénomènes
mettant en jeu la matière, mais les corps qui influent principalement
sur le temps et l'espace. Dans un univers sans masse, le temps disparaît.
Il en est de même dans les univers très massifs où
les corps approchent de la vitesse de la lumière. Le lien
entre espace et temps a aussi pour conséquence que la notion
de simultanéité perd de son absolu : tout dépend
de l'observateur. Ce phénomène n'est visible que si
les observateurs se déplacent l'un par rapport à l'autre
à des vitesses relativement élevées par rapport
à la vitesse de la lumière. Ainsi le temps objectif
du physicien n'en est pas moins variable, on dit aussi «local».
La mesure du temps est différente d'un observateur à
un autre, quand leurs vitesses respectives sont différentes
l'une par rapport à l'autre.
En
pratique, pour celui qui expérimente le temps physiologique
comme une réalité s'imposant à lui, le concept
de temps physique n'a aucun sens. Il ne lui donne pas d'indications
sur la façon dont est né dans le passé et pourra
évoluer dans l'avenir ce temps physiologique, le seul qui
l'intéresse. Pourquoi donc s'intéresser aux modèles
cosmologiques cherchant à préciser le concept de temps
physique ou cosmologique ?
Sans
doute parce que, intuitivement, ceux qui s'inscrivent dans le temps
physiologique doivent sentir que ce dernier n'est pas une réalité,
mais une création de leur cerveau. Ils perçoivent
intuitivement que le concept de temps cache quelque chose de beaucoup
plus profond, dont l'approfondissement pourrait changer la façon
dont ils se représentent, eux-mêmes et le monde où
ils vivent. On retrouve dans ce cas particulier l'attirance pour
les concepts abstraits de la science fondamentale, même lorsque
les découvertes entraînant l'approfondissement de ces
concepts n'entraîne aucune conséquence pratique, immédiatement
ou à terme.
Grâce
à cette attirance, la science fondamentale progresse, malgré
le peu de crédits dont elle dispose. Dans la suite de cet
article, nous allons examiner brièvement ici quelques nouveautés
actuellement en discussion, concernant aussi bien le temps psychologique
que le temps cosmologique.
Le
temps psychologique
Une
hypothèse se répand de plus en plus, à propos
de la nature de ce que nous nommons ici le temps psychologique.
Si depuis l'antiquité grecque les philosophes et généralement
les humains considèrent qu'il s'agit d'un cadre indépendant
dans lequel s'inscrivent nos actions individuelles, sans pouvoir
en modifier le cours, certains chercheurs commencent à se
demander si la conception que nous en avons n'est pas une création
de nos cerveaux, de même que par exemple la couleur.
Les
couleurs n'existent pas en tant que telles dans la nature, il s'agit
seulement d'émissions électromagnétiques de
différentes fréquences que nos cerveaux d'homo sapiens
ressentent et interprètent d'une façon qui nous est
propre, différente sans doute de celles dont beaucoup d'animaux
interprètent les mêmes émissions, quand leurs
sens leur permettent de les percevoir.
Le
fait que depuis des siècles les humains ressentent le temps
d'une façon identique ne voudrait pas dire que celui-ci serait
un phénomène qui nous est indépendant. Il voudrait
seulement dire que nos cerveaux ont depuis des siècles acquis
les bases neurales permettant de le faire d'une façon identique,
façon probablement sélectionnée par l'évolution
parce qu'elle était favorable à notre survie. Il en
est de même d'ailleurs des couleurs. Ce n'est pas parce que
les cerveaux des peintres pariétaux du quinzième millénaire
avant notre ère leur permettaient (semble-t-il) de distinguer
quelques couleurs de base que ces couleurs existent en tant que
telles dans la nature. C'est parce que leurs cerveaux, sur ce plan
là, étaient déjà configurés comme
les nôtres.
Nous
changeons en permanence, que ce soit au niveau de l'arrangement
des molécules et cellules composant notre organisme, qu'à
celui de l'agencement de celui-ci dans la société
et des relations qu'entretiennent ces sociétés les
unes avec les autres. S'interroger sur la nature du temps ne voudrait
pas dire nier ces changements. Il est impossible de nier l'évolution,
sauf à nier l'ensemble des phénomènes que nous
pouvons identifier autour de nous. On ne peut pas davantage arrêter
le temps ou s'y déplacer qu'arrêter la Terre sur son
orbite. La question porte seulement sur la raison pour laquelle,
depuis des siècles, nos cerveaux mesurent ces changements
à partir d'une référence unique, si universelle
que l'on a finit par y voir une constante universelle du cosmos.
En
fait, les moyens de mesurer le temps ont été différents
à travers les âges, cycles des jours et des nuits,
mouvements des astres, battements de coeur même (Galilée
ayant utilisé son pouls pour constater la périodicité
des oscillations d'un pendule, ce qui prouve qu'à l'époque
tout au moins ses battements de coeur étaient très
réguliers). Ce qui est devenu universel à l'usage
fut le sentiment, d'ailleurs intuitif et non partageable, que le
temps s'écoulait et qu'il s'écoulait d'une façon
uniforme pour tout le monde.
Si
l'on en revient à l'hypothèse de la psychologie évolutionnaire
selon laquelle cette intuition généralisée
est devenue un trait commun à tous les humains modernes parce
qu'elle avait été sélectionnée depuis
longtemps par l'évolution comme permettant des avantages
de survie au sein de l'espèce, on doit cependant se demander
quels étaient ces avantages et surtout, à partir de
quel support physiologique commun s'est structurée l'émergence
de cette notion d'un temps commun.
A
l'échelle de l'ensemble des sociétés humaines,
il est inutile de s'interroger longtemps sur l'intérêt
de disposer d'un indicateur identique mesurant les transformations
internes des individus et des groupes. La réponse semble
évidente. Sans un tel indicateur, antérieur bien évidemment
à l'invention des appareils à décompter le
temps, aucun fonctionnement social de quelque ampleur n'aurait été
possible.
Une
question bien plus importante porterait sur l'identification des
bases physiologiques ou neurologiques existant chez les homo sapiens
comme sans doute chez de nombreuses autres espèces, ayant
permis l'exaptation (pour reprendre le terme de Stephen Jay Gould)
de la perception de chronicité. Il fallait que ces bases
existent chez les animaux bien avant que les hommes modernes ne
s'y appuient pour «inventer» le temps tel que notre
cerveau croit aujourd'hui le percevoir. S'agit-il de quelque horloge
biologique universelle, est-elle située au niveau des processus
intracellulaires ou intercellulaires, est-elle seulement d'origine
neuronale, trouve-t-elle son origine dans l'agitation thermodynamique
des atomes et molécules de notre corps ?
NUne
question bien plus importante porterait sur l'identification des
bases physiologiques ou neurologiques existant chez les homo sapiens
comme sans doute chez de nombreuses autres espèces, ayant
permis l'exaptation (pour reprendre le terme de Stephen Jay Gould)
de la perception de chronicité. Il fallait que ces bases
existent chez les animaux bien avant que les hommes modernes ne
s'y appuient pour «inventer» le temps tel que notre
cerveau croit aujourd'hui le percevoir. S'agit-il de quelque horloge
biologique universelle, est-elle située au niveau des processus
intracellulaires ou intercellulaires, est-elle seulement d'origine
neuronale, trouve-t-elle son origine dans l'agitation thermodynamique
des atomes et molécules de notre corps ?
Nous
n'avons pas eu l'écho de beaucoup de recherches sur ces questions,
qui seraient pourtant fort intéressantes. Tout ce qu'a constaté
la psychologie la plus banale est que la perception du temps est
légèrement différente selon l'âge, les
acquis culturels et les racines sociales des individus. Il y aurait
donc là, nous semble-t-il, un vaste domaine de recherche
à approfondir. Les conséquences pratiques pourraient
en être importantes.
Le
temps cosmologique
Plutôt
que s'interroger sur les processus biologiques gouvernant leur propre
perception du temps, nombre de chercheurs ont préféré
rechercher les sources du temps dans le cosmos. Les articles référencés
dans cet article et que nous allons commenter montrent qu'ils commencent
peut-être à éclaircir la question. Comme nous
l'avons rappelé en introduction, il existe deux grandes écoles
partageant les physiciens à propos du temps.
L'une,
théorisée par Newton et modifiée par Einstein,
fait du temps une variable indépendantes des événements
qu'y s'y déroulent, de même que la cage est indépendante
des mouvements qu'y effectue le hamster. Référence
absolue pour Newton, en l'espèce une cage réellement
indépendante des déplacements du hamster, cette cage,
avec le Einstein de la relativité générale
et les théoriciens de l'espace-temps, est devenue une référence
relative, précisément, aux mouvements du hamster.
La cage s'étend ou se rétrécit, tant dans l'espace
que dans le temps, selon la vitesse des mouvements qu'y effectue
le petit rongeur. Elle reste cependant une référence
commune à tous les hamsters, respectant notamment la distinction
entre un avant et un après, dite aussi la flèche du
temps.
Pour
la mécanique quantique au contraire, le temps n'a pas de
sens, non plus que l'espace. Il s'agit d'arrière-plan statiques
au mouvement des particules. A son échelle, au dessous de
la longueur dite de Planck (10-35 centimètres) les trajectoires
n'existent plus. Les particules (ou ce que l'on entend par ce mot)
ne suivent plus de trajectoires individuelles observables . Elles
résultent de la superposition d'un nombre très grand,
sinon infini, de positions. Il n'est plus possible, dans ces conditions,
de faire référence à une quelconque variable
temps. Si l'on voulait extrapoler cette constatation à l'échelle
du monde macroscopique, on pourrait dire que celui-ci résulte
de la superposition d'états quantiques, c'est-à-dire
de positions sans temps propres communs. Ce ne serait que sur le
plan de la statistique des grands nombres que l'on pourrait éventuellement
y voir émerger un temps commun.
Selon
Carlo Rovelli, théoricien avec Lee Smolin de la gravitation
quantique à boucles, il n'est pas impossible d'exprimer les
équations de la relativité générale
sans temps. La gravitation quantique à boucles essaie aujourd'hui
de le faire, en prédisant des relations entre variables physiques
ne tenant pas compte du temps. Elle veut rendre compte des changements
en mesurant les changements de ces variables les unes par rapport
aux autres. Ceci rendrait compte de l'évolution du monde
sans tenir compte du temps. Mais la théorie générale
d'une telle formulation, dit Rovelli, manque encore.
En
reprenant le point de vue subjectif que nous évoquions ci-dessus,
c'est en fait un peu ce que nous faisons dans la vie courante. Nous
ne sommes pas toujours la montre à la main pour mesurer la
nature temporelle des changements. Notre cerveau est par contre
constamment occupé à mesurer les changements de positions
des objets qui nous entourent, entre eux ou par rapport à
nous. Sans doute mesure-t-il aussi, au plan endogène, les
changements de position ou d'état de nos divers organes internes.
Ce sont ces changements qui nous intéressent.
L'une,
théorisée par Newton et modifiée par Einstein,
fait du temps une variable indépendantes des événements
qu'y s'y déroulent, de même que la cage est indépendante
des mouvements qu'y effectue le hamster. Référence
absolue pour Newton, en l'espèce une cage réellement
indépendante des déplacements du hamster, cette cage,
avec le Einstein de la relativité générale
et les théoriciens de l'espace-temps, est devenue une référence
relative, précisément, aux mouvements du hamster.
La cage s'étend ou se rétrécit, tant dans l'espace
que dans le temps, selon la vitesse des mouvements qu'y effectue
le petit rongeur. Elle reste cependant une référence
commune à tous les hamsters, respectant notamment la distinction
entre un avant et un après, dite aussi la flèche du
temps.
Le
temps de Pietr Horava
Sur
ces entrefaites, le physicien tchèque Pietr Horava [travaillant
à Berkeley] a proposé en janvier 2009 une théorie
de l'espace-temps qui, depuis, a provoqué de considérables
remous dans la communauté. La question est trop complexe
pour être exposée ici en détail. On trouve les
liens nécessaires dans les articles cités en source,
notamment celui de Wikipedia consacré à Horava, ainsi
qu'aux commentaires qui les accompagnent sur les sites éditeurs.
De quoi s'agit-il cependant ? Comme on s'en doute, Horava est à
cent lieux de l'approche biologico-neurologique du temps que nous
évoquions ci-dessus. En revanche, c'est toute la cosmologie
moderne qui pourrait être ébranlée par ses hypothèses,
si elles se révélaient fondées.
Elles
questionnent les constantes dites universelles, et notamment la
conception que l'on peut se faire de l'après big-bang, des
trous noirs, de la matière noire et de l'énergie noire.
Les divergences rappelées plus haut entre relativité
et mécanique quantique se manifestent de façon particulièrement
gênante à propos de la constante gravitationnelle G,
définie par Newton et reprise avec quelques modifications
par Einstein. La force d'attraction entre deux corps massifs est
proportionnelle au produit de leur masse et inversement proportionnelle
au carré de la distance qui sépare leurs centres de
masse respectifs. Autrement dit, la constante gravitationnelle est
une constante de proportionnalité de la force de gravitation
c'est-à-dire d'attraction entre les corps.
Aux
grandes échelles, les équations de la relativité
générale donnent une valeur de G à peu près
conforme aux observations (bien que celles-ci soient difficiles
à réaliser avec-précision). Aux très
petites distances, la relativité générale doit
tenir compte des fluctuations quantiques de l'espace-temps qui affectent
les objets observées, ce qui donne pour G des valeurs inutilisables,
rendant les prédictions impossibles. Ajoutons que, concernant
la gravité aux échelles cosmologiques, un certain
nombre d'hypothèses s'efforcent d'expliquer les modifications
apparentes de la façon dont elle semble se manifester en
fonction des régions de l'espace.
Or
Pietr Horava a voulu observer ce qui se passait dans un matériau
très commun, la mine d'un crayon ordinaire, constituée
de graphite. Le graphite résulte de l'empilement de cristaux
monoplans de carbone dits graphène. Ce dernier corps fait
actuellement l'objet de nombreuses études compte tenu des
propriétés que l'on y découvre. Il s'agit d'une
forme de ce que l'on nomme la matière condensée. On
appelle physique de la matière condensée celle qui
s'intéresse aux structures qui apparaissent dans les systèmes
où le nombre de constituants est grand et les interactions
entre eux sont fortes. C'est le cas du graphène.
Les
atomes de graphène sont de très petites particules
et les mouvements des électrons qui s'y meuvent peuvent être
décrits par les équations de la mécanique quantique.
Comme par ailleurs ils se déplacent à des vitesses
très inférieures à celle de la lumière,
il n'est pas nécessaire de tenir compte des effets relativistes.
Le temps n'intervient donc pas. Si cependant l'on refroidit le graphène
aux alentours du zéro absolu, les mouvements des électrons
y accélèrent considérablement, comme les distances
parcourues, si bien qu'il faut faire appel aux théories de
la relativité, et donc au facteur temps, pour les décrire
correctement.
L’une
des idées centrales de la relativité est que l’espace-temps
doit posséder une propriété appelée
“symétrie de Lorentz” : pour que la vitesse
de la lumière reste identique indépendamment des observateurs
et de la vitesse avec laquelle ils se déplacent, le temps
et les distances se contractent exactement dans les mêmes
proportions. Or Horava a constaté que dans le graphène,
la symétrie de Lorentz ne s’y manifeste pas toujours.
Elle dépend des variations de température. Il s’est
donc demandé si la même chose ne pourrait pas être
vraie dans notre Univers. Ce que nous voyons est un cosmos refroidi,
où le temps et l'espace apparaissent liés par la symétrie
de Lorenz. Mais qu'en était-il aux origines lorsque le cosmos
était hyper-chaud ? La symétrie qui apparaît
aujourd'hui comme une constante de la nature et qui définit
la relation entre le temps et l'espace n'a-t-elle pas émergé
après le Big Bang, comme elle émerge dans le graphène
quand il est refroidi ?
Pour
y voir clair, Horava a supprimé la symétrie de Lorenz
dans les équations d'Einstein. Il a pu alors décrire
la gravité dans le même cadre quantique que les autres
forces naturelles. La gravité se manifeste en ce cas comme
la force attractive de particules supposées depuis longtemps,
nommées "gravitons". Le graviton est une particule
élémentaire hypothétique qui transmettrait
la gravité dans la plupart des systèmes de gravité
quantique. Il serait donc le quantum de la force gravitationnelle.
De plus, Horava a réalisé une autre modification.
La théorie d’Einstein ne donne pas la direction prise
par le temps, par exemple du passé vers le futur. Cependant,
l’Univers tel que nous l’observons semble évoluer
uniquement dans ce sens. Horava a donc donné au temps une
direction préférée. Une fois ces changements
réalisés, il a découvert que la théorie
quantique des champs pouvait décrire la gravitation à
des échelles microscopiques sans donner les résultats
absurdes obtenus lors des autres tentatives.
La
synthèse si longtemps cherchée par les théoriciens
de la gravitation quantique, qu'il s'agisse des spécialistes
de la théorie des cordes ou de Rovelli et Smolin développant
la gravitation quantique à boucle, serait-t-elle donc enfin
trouvée ? Autrement dit, Horava ne propose-t-il pas une façon
de se représenter le temps, ou l'espace-temps, indépendante
des échelles ? Certains diront que, d'une certaine façon,
il serait en train de relativiser tellement le temps que même
à nos échelles, il ne serait plus très utile
d'en parler.
On
peut s'interroger sur la validité des hypothèses consistant,
en dehors de toute expérience, à modifier ou supprimer
des variables afin de maintenir l'équilibre des équations.
En quoi la "vraie nature"du temps, à supposer que
l'on puisse employer ce terme, serait-elle précisée
? Horava est donc critiqué. Mais il a également suscité,
depuis 2009, d'autres travaux – toujours théoriques
évidemment - semblant confirmer ses hypothèses. C'est
le cas des simulations dues à Jan Ambjorn de l'Institut Niels
Bohr de Copenhage (voir http://arxiv.org/abs/1002.3298)
ou de celles du Japonais Shinji Mukohyama de l'Université
de Tokyo qui s'est intéressé à l'application
des hypothèses de Horava dans le cas de la matière
noire (voir http://arxiv.org/abs/0905.3563).
L'observation
instrumentale, dans l'avenir, permettra sans doute de vérifier
la pertinence des hypothèses de Horava et de celles qu'il
a suscité dans le milieu des physiciens des hautes énergies.
En dehors de ce que le LHC pourra produire, certains cosmologistes
espèrent beaucoup de l'étude des trous noirs supermassifs,
notamment de l'hypothétique Sagittarius A* supposé
se trouver au centre de notre galaxie, qui apparaît beaucoup
plus étrange que ne le laissait prévoir la théorie
classique des trous noirs.
Cela
remettra-t-il en cause les conceptions intuitives du temps que les
organismes vivants supérieurs se sont donnés au cours
de l'évolution ?. Peut-être pas... mais peut-être
quand même. Notre cerveau ne perçoit-il pas ce que
dans certaines de ses aires corticales il s'imagine qu'il devrait
percevoir? A force de "relativiser" le temps cosmologique,
on finira par relativiser, plus encore qu'actuellement, le temps
psychologique.
Note
Nous avons écrit cet article dans l'hypothèse d'un
univers unique, disposant d'un temps certes variable mais unique.
Dans l'hypothèse des multivers ou de sa version dite de l'éternelle
inflation, on peut imaginer des univers où le temps s'arrêterait
brusquement. Mais peut-on encore parler de temps dans un multivers
où tout ce qui serait possible surviendrait nécessairement?
Voir à ce sujet de Rachel Courland Countdown to oblivion
: "Why time itself could end" http://www.newscientist.com/article/dn19513-countdown-to-oblivion-why-time-itself-could-end.html?full=true
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