Muniain Caballero, Unai

Texte rédigé en basque et traduit automatiquement par Elia sans révision postérieure. VOIR L'ORIGINAL

Le temps joue aux dés

Dès notre naissance, notre vie est déterminée par le tic-tac de l’horloge. Au cours de ce voyage dans le temps, il est évident que le passé et l'avenir sont totalement différents, car nous ne nous souvenons que du passé et nous ne savons pas ce qui viendra dans le futur. Bien que nous le sachions tous, du point de vue scientifique, il n'est pas si facile d'expliquer pourquoi le temps passe toujours du passé à l'avenir[1]. Eh bien, la raison en est seulement la probabilité: le temps joue à des jeux de hasard avec toute la matière de l'univers, comme si nous étions tous des dés.

Muniain Caballero, Unai

L'un des objectifs de la physique est d'expliquer le mouvement des éléments environnants, c'est-à-dire de clarifier comment les objets se déplacent dans l'espace à mesure que le temps change. En conséquence, la physique traite de l'espace et du temps, mais la relation entre les deux est plus conflictuelle qu'il n'y paraît, car ils ne sont pas au même niveau.

Pour illustrer cela, comparons les deux grandeurs physiques mentionnées. Quant à l'espace, il a trois dimensions et il y a deux directions dans chacune d'elles: gauche et droite d'un côté, avant et arrière de l'autre, haut et bas, enfin. De notre point de vue, aller vers le haut ou vers le bas n’est pas la même chose, car la gravité nous pousse vers le bas. Pour contrer cette nuance, nous pouvons imaginer un astronaute éloigné de notre planète (Figure 1). Si nous étions dans cet état, nous aurions devant nos yeux tout l’univers et nous serions capables de prendre n’importe quelle direction et direction sans aucune limite.

Le temps, cependant, ne change que du passé à l'avenir. Par conséquent, il est asymétrique en termes de direction, contrairement à l'espace. En faisant appel à la terminologie technique, nous appelons la seule direction du temps « la flèche du temps »[2]. Personne ne remet en cause son existence, parce que nous sentons tous que nous ne pouvons pas remonter au passé. Cependant, les scientifiques ne se sont pas contentés de l'admettre aveuglément et ont voulu aller plus loin en cherchant la cause. Pourquoi le temps a-t-il cette flèche ?

C'est pareil d'avancer ou de reculer dans le temps

Pour répondre à cette question, la première tentative est d’explorer les lois physiques du mouvement. En fait, en raison des contributions des anciens physiciens, on peut penser qu'en plongeant la main dans le tiroir où sont stockées les équations de la physique, nous trouverions la réponse tout de suite. Étonnamment, bien que beaucoup de ces lois traitent du temps, la plupart d'entre elles ne peuvent pas expliquer pourquoi elles progressent seulement vers l'avenir.

L'un des pionniers de la description du mouvement était Isaac Newton. En effet, les équations qui portent son nom indiquent l'évolution de la position d'un objet quelconque dans le temps. Même si c’est le cas, ses lois sont symétriques par rapport au temps ; en d’autres termes, elles produisent les mêmes résultats à la fois en avançant dans le temps et en reculant.

Pour plus de clarté, examinons l'exemple de la Figure 2, où nous lançons un ballon de plage en l'air. La trajectoire du ballon est connue de tous: en montant vers le haut, il ralentira sous l'effet de la gravité jusqu'à ce qu'il atteigne sa hauteur maximale. Ensuite, vous commencerez à tomber vers le bas, de plus en plus vite, et vous toucherez le sol (ce chemin est indiqué sur l'image de gauche à droite). Cependant, si nous remontions dans le temps, nous verrions le même fait (comme nous pouvons le voir de droite à gauche): le ballon ira en haut, s'arrêtera et tombera finalement. La trajectoire étant symétrique, nous ne pouvons pas distinguer les deux sens du temps.

Même si le ballon n'est qu'un exemple, il existe de nombreuses situations dans lesquelles le même phénomène se produit. En particulier, le mouvement de toutes les particules qui composent la matière est symétrique par rapport au temps[3, 4], de sorte que leur mouvement est raisonnable dans les deux sens du temps. Mais cela va à l'encontre de notre intuition : lorsque nous regardons une vidéo, nous sommes généralement capables d'identifier la bonne direction. Comme la plupart des lois de la physique ne sont pas capables de décrire quelque chose de si évident dans le quotidien, nous devons explorer plus loin dans le tiroir de la science pour trouver la cause de la flèche du temps.

Du petit au grand: la probabilité promet dans le temps

L'affaire a été élucidée par le physicien Ludwig Boltzmann au XIXe siècle. Il a obtenu la réponse en jetant la flèche sur un champ apparemment sans rapport avec le temps - la probabilité, précisément. La clé est un terme appelé « entropie », car c’est lui qui fixe le sens du temps : il ne peut avancer que dans le sens où l’entropie s’élève[5].

On dit souvent que l'entropie est une magnitude du désordre. La signification de l'ordre, au contraire, est subjective et abstraite ; C'est pourquoi nous allons approfondir la définition de Boltzmann, car l'entropie est plus liée à la probabilité qu'au désordre[6].

Pour expliquer ce lien, nous pouvons commencer par nous concentrer uniquement sur la probabilité. Supposons que nous lancions une pièce une centaine de fois; dans cette situation, il est très difficile d'avoir un adversaire à chaque fois, car il suffit d'avoir un revers une fois pour que nous ayons un échec. Au lieu de cela, il y a beaucoup plus de chances d'obtenir une différence dans la moitié des périodes. Ainsi, l'entropie est directement liée à la probabilité de chaque événement: le deuxième état a une entropie beaucoup plus grande que l'autre.

En comprenant cela, n'importe qui peut se poser la question suivante: quel rapport cela a-t-il avec le temps? Eh bien, pour cela, nous pouvons relier le concept d'entropie à une autre situation: une boîte dans laquelle les particules d'un gaz sont dans une position aléatoire (voir figure 3). Comme pour la pièce de monnaie, il est beaucoup plus probable que les particules soient dispersées dans toute la boîte (comme pour atteindre la cible et le revers dans les moitiés) que toutes soient du même côté (plutôt que de voir le contraire dans toutes), de sorte que la présence du gaz dans la boîte a une entropie élevée, tandis que son empilement complet sur le côté gauche est très faible.

Le fait que nous devions monter l'entropie explique pourquoi nous pouvons capter la seule direction du temps. comme le montre la figure 4, si nous surveillons le mouvement d'une seule particule de gaz à l'intérieur de la boîte, nous ne serions pas en mesure d'identifier la direction correcte du temps: les deux itinéraires sont possibles, à la fois en avant et en arrière, car la plupart des lois physiques sont symétriques au temps. Par contre, en passant de la petite à la grande cible de notre regard (c'est-à-dire en prenant le gaz entier comme un ensemble plutôt que de se concentrer sur une seule particule), les deux sens du temps ne sont pas équivalents, car nous pouvons difficilement voir le gaz de la boîte entière s'accumuler d'un côté, car il est peu probable que toutes les particules, de façon aléatoire, partent dans le même sens.

C'est pour la même raison que nous voyons les gobelets se briser s'ils tombent sur le sol, mais pas se réparer eux-mêmes. En fait, selon les lois de la physique, il est possible que les pièces cassées soient rassemblées après la chute et que le verre soit réparé. Bien que cela soit possible, pour cela, les molécules de toutes les parties doivent coïncider après la chute et la probabilité est extrêmement faible: même avec des tentatives répétées, pour le voir, nous devrions attendre un temps correspondant à l'âge de plusieurs univers!

En résumé, l'asymétrie du temps est une conséquence de la probabilité pure: elle indique une tendance à partir de situations presque improbables vers les plus probables. Or, comme nous le verrons ci-dessous, comme c'est l'usage en science, la clarification d'une question soulève d'autres questions : bien que nous connaissions le sens du temps, qu'advient-il de son commencement et de sa fin ?

Le destin est écrit, le passé est à écrire

Comme l'évolution du temps est basée sur l'ascension de l'entropie, notre lointain futur, qui correspond au dernier souffle de l'univers, est écrit: il y aura un état d'entropie maximale à la fin (Figure 5). Ne croyez pas cependant qu'une entropie élevée soit appropriée à la vie, bien au contraire. En particulier, les processus biologiques impliquent l’échange d’énergie entre les cellules et avec le milieu, ce qui se fait en modifiant la température de la matière[7]. Cependant, l'univers à entropie maximale serait dans un équilibre thermique absolu, c'est-à-dire que tout l'espace serait à la même température et que l'échange d'énergie serait impossible. En outre, tous les atomes seraient mélangés, formant une masse uniforme. Dans un tel univers, il n’y aurait pas d’êtres vivants ni d’étoiles, c’est pourquoi cet état est appelé « mort thermique »[8].

L'entropie conduira l'univers à la mort. Au contraire, dans la flèche du temps, aussi paradoxal que cela puisse paraître, ce qui est déjà arrivé suscite des doutes bien plus grands que ce qui est sur le point de se produire.

Comme nous l'avons expliqué, nous savons que l'univers a aujourd'hui plus d'entropie qu'hier. En extrapolant cela en arrière, la conclusion est correcte: à la naissance, cette valeur était plus faible que jamais. En effet, la question est la même : comment est-il possible, du point de vue de la probabilité, que l'univers commence dans un état de faible entropie ? [9] En effet, si toutes les particules de l’univers ont été distribuées de façon aléatoire au début, il est probable que l’état d’équilibre thermique se complète dès lors. Au lieu de cela, la matière a été placée dans l'état de très faible probabilité: la majeure partie s'est accumulée dans certains endroits et de nombreux points de l'espace sont restés vides. Cette accumulation a permis la formation de galaxies et d'étoiles en certains endroits, qui ont permis la vie pendant des millions d'années, au moins sur notre planète.

Personne ne sait ce qui a causé la faible entropie au début du temps. C’est pourquoi ce début de l’univers est appelé « l’hypothèse du passé »[10] ; nous savons qu’il en fut ainsi, mais pour le moment, nous ne pouvons que l’accepter aveuglément. En effet, nous sommes tous vivants grâce à la faible entropie, sans laquelle je n'aurais pas pu écrire cet article et vous ne l'auriez pas lu. Mais de même que la cause de la direction du temps a été clarifiée, seule une étude approfondie peut expliquer ce qui a causé la création de l'univers d'une manière aussi improbable. En attendant, on ne peut qu'aider l'univers à monter l'entropie.

Bibliographie et sources

[1] Strogatz S. 2024. what is the nature of time? Quanta Magazine.

[2] Layzer D. 1975. the arrow of time. Scientific American 233(6), 56-69.

[3] Roberts B.W. 2021. time reversal. Article détaillé : Philosophy of Physics, 605-619.

[4] Albert D.Z. 2000. Le temps et la chance. Harvard University Press.

[5] Lebowitz JL. 1993. « Boltzmann’s entropy and time’s arrow ». Physics today 46(9), 32-38.

[6] Styer D. 2019. “Entropy as disorder: History of a misconception. The Physics Teacher 57(7), 454-458.

[7] Michaelian K. 2011. the Thermodynamic dissipation theory for the origin of life. Earth System Dynamics 2, 37-51.

[8] Adams F.C. et Laughlin G. 1997. « A dying universe: the long-term fate and evolution of astrophysical objects ». Rév. Mod. Phys ? 69, 337-372.

[9] Price H. 2004. in the origins of the arrow of time: Why there is still a puzzle about the low-entropy past." Contemporary debates in philosophy of science, 219-239.

[10] Gryb S. 2021. «New difficulties for the past hypothesis». Philosophy of Science 88(3), 511-532.