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On peut penser que le cerveau humain, qui n'a pas été fait pour cela, ne pourra jamais comprendre la nature profonde de l'univers, ceci tant au plan quantique qu'en ce qui concerne la cosmologie. Mais bien évidemment, cela n'empêche pas la science, issue de cerveau humain, de proposer des hypothèses sur ces sujets et d'essayer de les vérifier expérimentalement.

La question se pose en particulier concernant les origines de notre univers, que l'on considère généralement être apparu à la suite d'un phénomène brutal qu'est le Big bang. Celui-ci se serait produit à partir du monde quantique, fait de particules dotées de propriétés particulières, notamment l'intrication et la superposition. Ces particules ne s'analysent pas en termes de temps et d'espace.

Avec le Big Bang est apparu un système de particules dites élémentaires s'inscrivant dans un espace et ayant généré un temps tels que nous les connaissons dans notre univers.
Selon la meilleure théorie actuelle, celle de la Relativité générale d'Einstein, le temps et l'espace sont unifiés dans un espace-temps, trame invisible de toutes choses. Les observations astronomiques actuelles montrent que cet espace-temps est en expansion, ceci à partir d'un espace ponctuel initial et d'un temps initial, tous deux émergés lors du big bang.

Un univers cyclique ?

Concernant le big bang, certains théoriciens considèrent qu'il n'aurait pas eu lieu effectivement, mais que notre univers aurait succédé à un univers précédent, voire une suite d'autres univers. C'est l'hypothèse de l'univers cyclique, mais elle non plus ne répond pas à la question de savoir pourquoi et à partir de quoi un tel univers cyclique serait apparu.

Pour expliquer comment un univers reposant sur un espace-temps donné ait pu provenir de l'univers quantique ne faisant pas appel au temps et à l'espace, les physiciens évoquent une hypothétique « fluctuation » survenue par hasard au sein des particules du monde quantique. Mais ceci entraînera la conséquence que de telles fluctuations puissent se produire  à tout instant – instant de notre temps - et générer un nombre infini d'univers, semblables ou différents du nôtre. C'est l'hypothèse dite du multivers, encore invérifiable aujourd'hui.

Afin d'échapper à ce dilemme, des physiciens proposent aujourd'hui de considérer que l'essence de l'espace et du temps pourraient exister au-delà des limites de notre univers. Ils ne seraient donc pas apparus à l'occasion du big-bang. Mais ils existeraient sous une forme d'un chaos évolutif que nous ne serions pas capable aujourd'hui de nous représenter. Le big bang serait une transformation de ce chaos évolutif, perceptible à notre échelle.

Group field theory...

Dans cette hypothèse, l'espace-temps serait un fluide, analogue à l'eau. Les molécules composant celle-ci pourrait passer de l'état de vapeur à celui de gouttes, clairement perceptibles. Il pourrait se condenser en gouttes d'espace, elles-mêmes soumise à un temps. Ainsi l'hypothèse selon laquelle le temps pourrait être quantifié trouverait toute sa légitimité (cf. temps, ou mieux, durée de Planck). On ne précise pas à notre connaissance si cet événement pourrait se produire plusieurs fois, ce qui reposerait la question du "pourquoi maintenant?". 

Pour le moment, selon ces physiciens, nous ne pourrions nous représenter ce fluide que sous une forme mathématique, dite "group field theory", s'inscrivant dans la cadre de la théorie quantique des champs. Mais les scientifiques  espèrent pouvoir prochainement proposer des expériences mettant le phénomène en évidence.
Ainsi l'observation de photons à haute énergie provenant de la nébuleuse du Crabe pourrait montrer qu'ils ont traversé un espace de type liquide.

A propos du temps

Faut-il rappeler que pendant des millénaires l'humanité a vécu ce que les philosophes ont très vite nommé "le temps", sans chercher à le définir ? Il est en revanche apparu très vite nécessaire de le mesurer, ne fut-ce approximativement, dans le cadre des activités sociales quotidiennes ou annuelles réglées par le langage : l'écoulement du jour et de la nuit, celui des saisons, suffisait à cette fin.

Avec l'invention des horloges de précision, qui ont progressivement remplacé celles approximatives des églises, il est rapidement apparu que ces horloges définissaient, non un temps absolu, mais des temps variables selon les pays et même leurs altitudes. Le temps, en ce qui concernait sa nature et non seulement ses manifestations, est devenu un objet d'étude pour les premiers scientifiques. Mais très vite, ils ont compris qu'ils étaient incapables de le comprendre ou l'expliquer, contrairement par exemple à la force de gravité.

Aujourd'hui il en est – dramatiquement – de même. Le temps est bien décrit par les principales théories physiques, mais de façon contradictoire selon les unes et les autres. De plus, ces descriptions ne correspondent aucunement à notre intuition de ce qu'est le temps.

Ainsi, dans la théorie de la relativité générale d'Einstein, le temps, combiné à l'espace (sous le terme d"espace-temps"), est présenté comme une réalité physique. Elle est soumise au champ gravitationnel des objets massifs. Ainsi le temps passe plus lentement sous l'influence d'un corps massif tel que la Terre.

Ceci a été confirmé par l'expérience. Dans le cadre des futurs voyages interplanétaires, un astronaute situé dans l'espace profond vieillira beaucoup moins vite que son frère jumeau resté sur Terre. On peut imaginer leur surprise quand ils se retrouveront.

Pour la physique quantique, au contraire, le temps est considéré comme fait d'infimes particules, sans durée ni espace, qui se conjuguant avec d'autres particules elles-aussi quantiques, donnent naissance à des objets de la physique macroscopique. Comme les principes de la physique quantique sont vérifiés tous les jours, nous devons aussi admettre que le temps est fait de particules intemporelles. Inutile de préciser que cela est parfaitement contre-intuitif.

La 2ème loi de la thermodynamique

La deuxième loi de la thermodynamique permet-elle de donner une base au temps ?
Selon celle-ci, tout système ordonné, dit de basse entropie, ne peut que se désordonner. L'inverse n'est pas possible. On ne peut remonter, à énergie égale, du désordre à l'ordre. Autrement dit, l'entropie ou le désordre dans l'univers ne cesse de croître. Ainsi serait définie la « flèche » du temps.

Concernant l'univers, il était à son origine extrêmement ordonné : un ensemble gigantesque d'atomes - tous les mêmes - constituant le gaz primitif. Quand ces atomes se sont conjugués pour donner naissance à ceux composant les différents corps apparus au cours de l'évolution, le désordre n'a cessé de s'étendre. Il le fait encore sur Terre avec le développement de la vie.

Il paraîtra curieux d'appeler désordre ce qui nous apparaît comme une suite de systèmes ordonnés, mais ceux-ci ne le sont qu'à leur seule échelle, mais non à celle de l'univers. Si l'on pouvait se mettre à la place de l'univers primitif, apparu immédiatement après le Big bang, on ne verrait qu'un foisonnement de systèmes plus désordonnés les uns que les autres.

Cependant la deuxième loi de la thermodynamique ne s'applique qu'à des systèmes fermés où l'énergie totale demeure inchangée. Rien ne prouve que ce soit le cas au niveau de l'univers entier. Tout semble montrer qu'il s'étend actuellement sans limites. De plus certaines parties de l'univers peuvent se comporter différemment des autres. Dans ce cas les règles relatives à l'entropie pourront s'appliquer différemment au cours de l'évolution, ou dans certaines partie de l'univers au regard des autres.

Autrement dit rien ne permet d'affirmer que le temps trouve son fondement dans la seconde loi de la thermodynamique...

L'absence de temps en physique quantique

Concernant la physique quantique, rappelons qu'elle ne tient aucun compte ni du temps ni de l'espace (constamment vérifiée aujourd'hui). Ces derniers n'apparaissent que lorsque des systèmes macroscopiques ordonnés dans le temps, "observent", autrement dit interagissent avec des systèmes quantiques. Ces systèmes eux-mêmes "émergent" de façon aléatoire à partir de "fluctuations" de particules quantiques. A ce moment, ils créent le temps, temps qui n'est pas essentiel au regard de l'univers dans sa globalité. Encore faut-il considérer qu'en physique quantique, l'"observation" ne fait pas apparaître des systèmes bien définis au regard de leurs différents paramètres, mais des probabilités statistiques. Ceci, défini par le principe d'incertitude d'Heinsenberg, se traduit par des incertitudes analogues concernant le temps. Il n'y a pas un temps absolu, mais des temps différents selon les observations. Ceci s'applique au niveau de tous les objets de la physique macroscopique, y compris à notre niveau.

Autrement dit le temps n'est pas fondamental, même à notre niveau.

Faut-il s'en étonner ? Non, car malgré toute notre science, nous ne connaissons qu'une part infime de l'univers. De nombreux domaines restent à découvrir. Notre perception du temps en fait certainement partie.

Jean-Paul Baquiast

puce note Notes
Les principaux auteurs de l'hypothèse sont des physiciens ayant à leur actif de nombreux travaux de recherche. Mais ils sont actuellement inconnus du grand public.
Citons
* Bei Lok Hu
* Daniele Oriti

Sur l'ensemble de la question, on lira cet article très accessible : "The Big Boil, du à Jon Carwright", publié par la revue New scientist du 17 mars 2018.


Voir aussi, dans ce même numéro d'Automates Intelligents, notre présentation du livre "L'ordre du Temps", de Carlo Rovelli 
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