Tu touches là à une question vieille comme le monde et qui reste dans une large mesure un mystère, riche en paradoxes et en controverses. « Qu’est-ce que donc le temps ? Si personne ne me le demande, je le sais. Si quelqu’un pose la question et que je veux l’expliquer, je ne sais plus ». Dans sa quête du temps, Augustin d’Hippone (Algérie) ira bien sûr plus loin, mais le dilemme qu’il soulève au IVe siècle reste d’actualité.
Sauf à souffrir d’une des multiples formes de pertes de mémoire, nous pouvons plus ou moins bien nous souvenir du passé, mais, et c’est regrettable, nous ne pouvons plus agir dessus. Aussi, si nous pouvons avoir une vague idée de notre futur immédiat, de ce que nous ferons dans une heure, voire lors de nos prochaines vacances, l’avenir reste indécis.
Quelle est donc l’origine de cette « flèche du temps », comme l’a appelée l’astrophysicien Eddington ? Pour lui, un des paradoxes de la physique est que la flèche du temps est absente des lois fondamentales de la Nature. Pour rester dans un cadre simple, considérons les lois de Newton ou lois de la mécanique classique. Elles permettent de déterminer le mouvement d’objets simples lorsqu’ils sont soumis à des forces, par exemple la gravité. Ces lois sont réversibles. Cela veut dire que si on filmait le mouvement d’une particule sous l’action d’une force, il nous serait impossible de dire si le film nous est projeté à l’endroit ou à l’envers. Et il en ainsi pour toutes les lois fondamentales connues et vérifiées, et ce y compris en mécanique quantique. Le temps peut s’écouler dans un sens ou dans un autre, peu importe.
Très bien, mais c’est clairement en contradiction avec notre expérience quotidienne ! Si une bouteille de jus de fruits en verre m’échappe des mains et tombe – en suivant pour le coup les lois de Newton – elle a toutes les chances de voler en éclats en touchant le sol. Si une personne devait filmer ce moment embarrassant, elle n’aurait aucun problème à faire la différence entre une projection de ce film à l’endroit ou à l’envers car personne n’a jamais vu des débris de verre et des gouttes de jus se regrouper pour spontanément reconstituer la bouteille. C’est regrettable, mais c’est comme ça.
Or, dans une large mesure, notre bouteille de jus est soumise aux mêmes lois que les objets simples. La grande différence est que lorsqu’elle casse (et que son jus se répand), elle se décompose en une myriade d’objets simples (débris de verre et gouttes). C’est là une clé de l’irréversibilité.
Alors que notre bouteille est un objet ordonné et structuré, dont la chute est simple et déterminée, ses débris sont grandement désordonnés et ont de multiples manières de se répandre dans l’espace : il y a une seule bouteille mais d’innombrables versions de la bouteille cassée. Alors que chacun des débris est soumis à des lois déterminées et réversibles, tenter de suivre leur évolution un à un deviendrait rapidement impraticable. En outre, si tant est que nous ayons cette capacité, la moindre altération provoquée par un élément extérieur – une goutte s’évaporant, un petit coup de balai sur les morceaux de verre – rendrait la tâche réellement impossible. Le futur est hautement contingent : une chose peut se produire… ou pas.
Cette évolution vers le désordre est une des lois de la nature. Mais ce n’est pas une loi fondamentale. C’est ce qu’on appelle une loi émergente. Elle existe parce qu’il y a une nouvelle distinction à faire dans le comportement de la matière lorsque l’on passe d’un petit à un grand nombre de constituants. En principe, rien n’empêcherait que notre bouteille ne puisse se reconstituer. En pratique, c’est infaisable car il faudrait pour ce faire maîtriser un grand nombre de paramètres et ce avec une très précision infinie. Dès lors, cela devient hautement improbable. Cette nouvelle loi, valable lorsqu’il y a un grand nombre de constituants, est caractérisée par une nouvelle quantité physique qu’on appelle l’entropie.
La flèche du temps, phénomène macroscopique et émergent, est associée à la tendance qu’a l’entropie d’augmenter, cette tendance naturelle qu’à l’ordre à évoluer vers le désordre.
Dès lors, une question clé est de savoir comment l’ordre peut exister s’il ne s’agit de l’état le plus probable ? Dans le cas de la bouteille, la réponse est claire. C’est un produit manufacturé qui a nécessité de l’énergie sous des formes diverses et variées pour devenir un objet structuré (la bouteille et son jus). Reste que son destin est de se dégrader à plus ou moins court terme et il en est ainsi pour toute chose ordonnée, à commencer par les corps vivants et, voyons large, l’Univers dans son ensemble.
Dès lors, l’origine de la flèche du temps de l’Univers (pour rappel, notre Univers est en expansion et aurait un âge d’environ 13,6 milliards d’années) revient à se demander pourquoi il est apparu « ordonné ». Les anciens ne s’y trompaient pas. Cosmos est issu du grec κόσμος, kósmos, « bon ordre, ordre de l’Univers ». La science propose une réponse partielle qui repose sur l’hypothèse de l’inflation, une expansion rapide qui aurait eu lieu au tout début de l’Univers. Son lien avec l’émergence de la flèche du temps reste matière à débat et touche à la nature même du temps en Relativité générale, mais ceci est une autre histoire.
Si toi aussi tu as une question, demande à tes parents d’envoyer un mail à : tcjunior@theconversation.fr. Nous trouverons un·e scientifique pour te répondre.