L’auteur, Lee Smolin, est un physicien et discute de ses théories sur le temps.
Il existe un conflit entre la relativité générale d’Einstein et la mécanique quantique moderne, et le concept de temps est au cœur de cette bataille.
Si le temps fait partie d’un bloc quadridimensionnel éternel de l’espace-temps, alors rien ne peut vraiment changer. L’auteur discute de la façon dont une “évolution cosmique” pourrait sélectionner différentes lois de la physique en engendrant de nouveaux univers au fil du temps.
Il donne plusieurs autres exemples théoriques montrant que le temps est “réel”, que notre univers s’écoule constamment dans le temps et que même les lois de la physique peuvent évoluer.
Introduction
La physique newtonienne classique dit que l’avenir évolue toujours à partir du présent, de manière claire de cause à effet. Par conséquent, l’avenir serait entièrement prévisible avec suffisamment de connaissances.
Cependant, cela n’offre aucune possibilité de surprise ou de véritable nouveauté.
Les lois actuelles de la physique expliquent une partie du tout : soit une cellule, une planète ou même une galaxie. Cependant, cela implique que les horloges utilisées pour mesurer le temps se trouvent en dehors de cet univers. Mais que se passe-t-il s’il n’y a pas de lois universelles fixes et statiques “en dehors” du temps ?
Dans l’autre livre de l’auteur, The Life of the Cosmos, il conjecture que des mini-univers peuvent être portés à l’intérieur des trous noirs. Si cela était vrai, chaque mini-univers contiendrait son propre ensemble de lois, et une forme d’”évolution cosmique” choisirait les meilleures lois au fil du temps.
“Un vaste espace de lois possibles. J’ai appelé cela le paysage des théories”. Dans une telle situation, il n’y a pas nécessairement d’entité de contrôle qui choisit les lois de la physique (qu’elles soient divines ou mathématiques) – de nouvelles lois peuvent apparaître.
En reliant l’espace et le temps, Einstein a montré comment les informations ne sont considérées comme “réelles” que par rapport à d’autres informations. Même nos “particules élémentaires” et leurs masses ne sont définies que par des interactions avec d’autres particules (principalement la particule de Higgs). Le temps, cependant, est peut-être le seul concept “réel”.
PARTIE 1. LE POIDS : L’EXPULSION DU TEMPS
Chapitre 1. La chute
Galilée a remarqué que tout tombe sous la forme d’une parabole. C’est le premier exemple d’une loi intemporelle de la physique. Les objets mathématiques (comme la parabole) sont des pensées purement abstraites. Certains croient que ces concepts mathématiques “éclairent en quelque sorte la réalité”, que peu importe ce qui se passe dans l’univers, π est toujours le même. Le concept sous-jacent que nous avons tendance à supposer inconsciemment est que les mathématiques transcendent le temps.
Platon a été le premier philosophe antique à discuter de l’idée d’une réalité mathématique divine contenant des vérités véritablement intemporelles. Même les philosophes modernes disent que “1+1=2” est un principe intuitif intemporel.
Nous voulons désespérément croire en un royaume transcendant au-delà des effets du temps qui passe. C’est séduisant et mystique car cela signifie qu’il y a une partie de l’univers au-delà de la portée du temps, et donc de la mort.
Chapitre 2. La disparition du temps
Pour les anciens, le royaume terrestre avait une vie et une décadence, et les cieux étaient divins, beaux et intemporels.
Les mathématiques étaient capables de décrire le mouvement divin des corps célestes et étaient donc considérées comme intemporelles. De plus, la musique peut également être décrite mathématiquement, et était donc également considérée comme intemporelle. Même “Galilée a cherché l’harmonie mathématique dans les mouvements de tous les jours”, comme le balancement du pendule.
Newton a réalisé que la gravité affectait la chute, mais que le même phénomène causait aussi les orbites (l’orbite n’est qu’une chute perpétuelle) ! Il a inventé une nouvelle mathématique (le calcul) pour décrire la gravité.
C’était fascinant de voir que les cieux et la Terre étaient décrits par des lois mathématiques simples. Grâce à ces concepts, la Terre semblait beaucoup plus divine, car elle était apparemment aussi guidée par des principes mathématiques intemporels.
Chapitre 3. Un jeu d’attrape
Newton croyait en un Dieu qui se tenait en dehors de l’éther de l’espace et du temps, et donc toutes les positions pouvaient être absolument définies par rapport à ce Dieu. Cependant, Einstein a démontré que la position n’est pas “absolue” – elle est seulement relative à la position d’un autre objet.
En outre, chaque moment du temps doit également être relatif à un autre moment. Lorsque nous mesurons un mouvement (par exemple, quelqu’un qui lance une balle) et que nous dessinons une courbe mathématique (une parabole), nous tentons de “geler” le temps. Nous cherchons à dessiner une courbe mathématique intemporelle pour représenter quelque chose d’intemporel.
Il existe cependant une propriété de cet univers qui transcende cette mathématique prétendument intemporelle : il est toujours dans le moment présent à un moment donné. Il existe toujours dans le temps. Il est lié au temps. Peu importe le moment où nous réalisons nos expériences scientifiques, l’univers est toujours là pour nous dans un moment présent.
Chapitre 4. Faire de la physique dans une boîte
Lorsque les scientifiques se concentrent sur un petit morceau de l’univers à étudier, ils “font de la physique dans une boîte”. Lorsque tu dessines la courbe d’une balle, tu obtiens une parabole “intemporelle”. Pourtant, de telles abstractions ne font qu’approximer la vie réelle. Dans la réalité, il faudrait calculer l’infime attraction gravitationnelle de chaque étoile sur la balle. Une “boîte” est essentiellement un système isolé, qui n’est pas réel.
De plus, le concept d’une “horloge” mesurant la trajectoire de la balle est “externe à l’univers entier”. Les théories d’Einstein ont essentiellement remis le bloc à l’intérieur de l’univers, et le temps est désormais relatif.
Les hypothèses d’une telle physique classique sont que :
- Nous pouvons définir tous les résultats possibles à l’avance, et
- Les forces sont toujours prévisibles, et donc intemporelles. Le temps n’est donc pas nécessaire pour être “réel”.
”Un système isolé est une approximation grossière du monde réel “.
Chapitre 5. L’expulsion de la nouveauté et de la surprise
Le paradigme newtonien classique implique que l’avenir est entièrement prévisible en fonction du moment présent. C’est un argument de déterminisme, ou en d’autres termes, de fatalité.
Par exemple, la courbe parabolique de la balle est prédéterminée. Tu peux y penser comme à un ordinateur : étant donné un ensemble d’entrées, la sortie est connue. Dans un tel scénario, il n’y a vraiment aucune raison de faire fonctionner l’ordinateur – c’est complètement intemporel et prévisible.
Il n’y a pas d’”avant” ou d’”arrière” dans le temps, dans une telle optique.
Imaginer une direction du temps, c’est comme imaginer “haut” et “bas” dans l’espace – cela n’a aucun sens.
Si cela est vrai, alors le moment présent n’a rien de spécial – c’est juste une autre étape d’un programme informatique prédéterminé.
Chapitre 6. Relativité et intemporalité
Einstein a étoffé le concept de “relativité de la simultanéité”. L’essentiel est qu’il est impossible pour deux observateurs d’être toujours d’accord sur le fait que des événements se sont produits simultanément. Einstein a imaginé l’espace et le temps comme un “bloc d’univers” à quatre dimensions, dans lequel nous voyageons.
Ce bloc éternel de l’univers est figé – dans cette optique, “le présent n’a aucune prétention particulière à la réalité”. Le “présent” est simplement un point dans l’espace-temps.
Les objets (balles, planètes, trous noirs) font des bosses dans cet espace-temps, et font tomber les objets dans ces bosses, d’où la gravité.
Le point de vue d’Einstein implique que quelque chose de plus fondamental (les lois de la physique) se trouve à l’extérieur de ce bloc, et que le temps a eu un début (à un bord du bloc).
Chapitre 7. Cosmologie quantique et fin du temps
La mécanique quantique “est un triomphe de la méthode consistant à faire de la physique dans une boîte”. Tout comme tu dois lancer une pièce de monnaie plusieurs fois pour confirmer que les chances de pile et de face sont bien de 50-50, la mécanique quantique exige que tu répètes une expérience plusieurs fois pour obtenir les probabilités.
La mécanique quantique appliquée à l’ensemble de l’univers supposerait toujours une “horloge” en dehors de cet univers – c’est impossible, puisque tout est contenu dans l’univers. L’idée d’un état initial implique “un statut de dieu qui existe en dehors de l’univers”.
Julian Barbour a écrit un livre en 1999 intitulé The End of Time (La fin du temps), dans lequel il affirme que l’univers contient simplement un tas de moments de temps figés.
Les humains vivent simplement les moments dont ils font partie, et tes souvenirs donnent l’illusion que le temps s’écoule. C’est un point de vue séduisant, car cela signifie que notre peur de la mort est une illusion (puisque cet amas de moments existe éternellement).
PARTIE 2. LUMIÈRE : LE TEMPS RENAÎT
Chapitre 8. L’erreur cosmologique
Le “sophisme cosmologique” est l’idée qu’une loi qui s’applique à une partie de l’univers peut s’appliquer à son ensemble. Mais le tout est une bête unique car il n’y a pas d’arrière-plan pour la comparaison.
Imagine un enfant qui mange pour la première fois une glace au chocolat et qui en tombe amoureux. Les parents peuvent émettre l’hypothèse que tous les enfants aiment la glace au chocolat. Ou que tous les enfants aiment la première glace qu’ils goûtent. Ou que, biologiquement, certains récepteurs réagissent toujours au lait et au sucre.
Ces théories peuvent être testées en vérifiant les préférences des autres enfants. Mais que se passe-t-il s’il n’y a qu’un seul enfant ?
”Nous nous trompons sur ce que pourrait être une loi de la nature à l’échelle cosmologique“
Chapitre 9. Le défi cosmologique
La plupart des scientifiques considèrent que le monde est divisé en deux parties :
- La réalité actuelle, qui change au fil du temps
- Et les lois fondamentales qui sont “supposées être fixes et immuables”
En clair, il y a le premier plan et l’arrière-plan.
Cependant, le défi cosmologique est que l’univers n’a rien qui lui serve d’arrière-plan. Le paradigme newtonien classique espère un ensemble de lois mathématiques qui sont intemporelles. Nos expériences isolent toujours un sous-système de l’ensemble. Et pourtant, peu importe à quel point nous isolons, quelque chose peut passer : les ondes gravitationnelles pénètrent chaque appareil de confinement.
”La physique est un processus qui consiste à construire des théories approximatives de mieux en mieux“
Chapitre 10. Principes pour une nouvelle cosmologie
Si nous supposons que les lois de la physique ont été choisies lors du big bang, alors peut-être y avait-il un “avant”, dans lequel les lois étaient différentes ? Toute nouvelle théorie doit :
- Englober les théories actuelles en tant que sous-ensembles (relativité générale et mécanique quantique)
- Elle doit répondre :
- Pourquoi ces lois ?
- Pourquoi le Modèle Standard ?
- Pourquoi ses paramètres ?
- Être complètement autonome (la façon dont la masse affecte l’espace-temps et l’espace-temps affecte à son tour la masse).
”Si le temps est vraiment réel, alors rien, pas même les lois, ne peut durer éternellement“
Chapitre 11. L’évolution des lois
Si le temps est réel, alors les lois physiques de l’univers pourraient théoriquement évoluer au fil du temps. Il existe plusieurs explications pour nos lois physiques :
- Principe anthropique : Il est possible que le seul univers qui existe soit celui qui supporte la vie. Cependant, l’affirmation selon laquelle “il existe parce qu’il peut exister” n’est pas falsifiable, et ne peut donc pas être testée.
- Inflation éternelle : Notre univers pourrait bouillonner à partir d’un milieu sous-jacent. Il pourrait potentiellement y avoir une distribution intemporelle d’univers sur ce support (et donc le temps serait une illusion).
- Sélection naturelle cosmologique : Chaque univers pourrait engendrer de nouveaux trous noirs et donc créer de nouveaux univers comme sa progéniture. Il y aurait des univers “plus adaptés” (avec plus de trous noirs), et des univers “moins adaptés” (qui s’éteignent rapidement). Dans cette optique, le temps est réel et les lois de la nature sont en constante évolution, une bataille cosmique de sélection naturelle.
Chapitre 12. La mécanique quantique et la libération de l’atome
La mécanique quantique présente plusieurs bizarreries.
Par exemple, si deux électrons “s’emmêlent”, lorsqu’on mesures le spin d’un électron, sa paire prend immédiatement la valeur opposée, même si elle se trouve à plusieurs galaxies de distance ::(expliqué plus en détail dans le résumé de The Self-Aware Universe)::.
Si la mécanique quantique donne des probabilités de résultats, elle ne peut pas prédire le résultat d’une expérience donnée.
Les lois de la nature ne sont peut-être pas gravées dans le marbre de façon déterministe, mais sont plutôt de simples “habitudes développées au fil du temps” de l’univers.
Il pourrait y avoir un véritable hasard dans la mesure du spin d’un électron. La nature pourrait vraiment être “autorisée” à choisir à nouveau à chaque fois (connu sous le nom de “théorème du libre arbitre” théorisé par John Conway et Simon Kochen).
Cependant, dans une telle théorie, le temps doit être réel puisque de nouveaux choix peuvent être faits à mesure que le temps s’écoule.
Chapitre 13. La bataille entre la relativité et le quantique
Lorsqu’on cherche une “théorie cosmologique déterministe”, l’hypothèse est qu’il existe des variables cachées sous la mécanique quantique. Einstein était de cet avis, mais les physiciens quantiques modernes supposent simplement qu’Einstein se trompait.
L’auteur de ce livre propose une nouvelle théorie d’”interprétation d’ensemble”, qui affirme que la mécanique quantique prend tous les atomes d’hydrogène de l’univers, et lorsque nous mesurons une expérience, la nature choisit simplement un exemplaire et nous le montre.
Le choix de tous les atomes d’hydrogène possibles nous donnerait les probabilités quantiques. Lorsqu’on l’applique à de grands objets tels qu’un chat, il n’y a pas de “forme d’onde” d’un chat, car il n’y a pas d’autres chats identiques parmi lesquels choisir. Pourtant, cela violerait la relativité simultanée d’Einstein.
”Les probabilités de la théorie quantique ne sont dues qu’à notre ignorance de l’univers entier“
Chapitre 14. Le temps renaît de la relativité
Si le temps est relatif, un observateur peut-il être “en avance” sur moi dans le temps ?
Si le temps est réel, alors il doit y avoir un “temps global préféré”.
Cela viole la relativité de la simultanéité d’Einstein. Pourtant, cela nécessite simplement de reformuler légèrement les équations d’Einstein pour la “dynamique des formes”.
Si tu as une souris dans une boîte, tu peux clairement dire que la souris est plus petite que la boîte. Mais si tu vois la forme d’une souris dans une galaxie lointaine, peux-tu vraiment savoir qu’une souris sur terre est plus petite ? Ce n’est que lorsque tu les rapproches l’une de l’autre que tu peux déterminer les tailles relatives.
- Relativité : Les tailles sont universelles, le temps est relatif.
- Dynamique des formes : Les tailles sont relatives, le temps et les formes sont universels.
Chapitre 15. L’émergence de l’espace
Lorsque tu t’imagines debout sur le trottoir, tu ne peux être à côté que de quelques personnes à la fois. Mais avec les téléphones portables, tu es connecté à beaucoup plus de personnes que la géographie ne le permet.
C’est à cela que ressemble un espace à plus haute dimension : plus de connexions “adjacentes” possibles.
Lorsqu’il y a une panne de courant et que le réseau de téléphonie s’éteint, tu es limité à ne parler qu’à ceux qui sont physiquement près de toi. Cette panne est comme un treillis à haute dimension qui s’effondre en trois dimensions.
Imagine ce treillis comme la géométrie de l’espace. Les particules ne peuvent vivre que sur les coins de ce treillis, et les photons de lumière qui sautent vers les coins adjacents ont pour résultat la vitesse de la lumière (appelée “gravité quantique à boucle”).
Tu peux potentiellement te connecter avec des coins éloignés, en courbant l’espace, ce que l’on appelle un trou de ver.
Alors pourquoi voyons-nous l’espace 3D devant nous ?
Il est possible que dans la phase initiale de l’univers (lors du big bang), il y avait suffisamment d’énergie pour réaliser ces connexions hautement dimensionnelles. Et chaque partie de l’espace était potentiellement connectée à toutes les autres parties.
Ce n’est que pendant le refroidissement de l’univers que les choses se sont stabilisées dans l’espace 3D que nous voyons aujourd’hui, avec éventuellement quelques trous de ver ici et là (ce qu’on appelle la “géométrisation”).
Dans cette théorie, il n’y a pas de simultanéité relative, il y a un temps global, un “moment présent” global, un “maintenant” global que tous les êtres de cet univers partagent. Tu serais potentiellement connecté (tu n’es qu’à un court vortex de distance) à chaque autre atome dans chaque galaxie.
”Si tout est potentiellement connecté à tout le reste, alors il doit y avoir un temps global“
Chapitre 16. La vie et la mort de l’univers
La nature complexe de la vie est-elle improbable dans notre univers ?
L’hypothèse de la mort thermique de l’univers est un état d’équilibre dans lequel toute la matière et l’énergie se rassemblent en une soupe.
Imagine un paquet de cartes à jouer ordonné que tu mélanges. Si tu les mélanges suffisamment de fois, tu finiras par retrouver l’ordre initial grâce au hasard. Ce temps s’appelle le “théorème de récurrence de Poincaré”.
Tu peux donc avoir de petites poches d’ordre (un jeu de cartes ordonné) malgré le fait qu’en moyenne, les choses tendront vers l’entropie de la mort thermique.
La flèche du temps semble aller dans une seule direction : du passé vers le futur. Il y a plusieurs exemples de cela :
- Flèche cosmologique : L’univers est en expansion
- Flèche thermodynamique : L’entropie augmente
- Flèche biologique : Nous vieillissons, nous ne rajeunissons pas
- Flèche expérientielle : Nous nous souvenons du passé
- Flèche électromagnétique : La lumière contient des images du passé, pas du futur
- Flèche des trous noirs : Nous ne voyons pas de “trous blancs” cracher des étoiles au hasard ; nous ne voyons que des trous noirs absorber des étoiles
Une loi plus profonde (sous la relativité générale et la mécanique quantique) pourrait forcer le temps à avancer, et ainsi rendre notre univers “inévitable plutôt qu’improbable”.
Chapitre 17. Le temps renaît de la chaleur et de la lumière
L’univers peut-il contenir deux moments identiques ?
Peut-il exister une situation dans laquelle deux personnes regardent les étoiles et leur environnement, et voient exactement la même chose ?
Non, chaque moment est unique.
Même un électron sur la lune est différent d’un électron sur la terre, car leur environnement est différent.
Un univers en bloc pourrait théoriquement répéter le même moment avec un temps infini (comme les cartes à jouer qui s’ordonnent au hasard), et donc un moment n’est pas nécessairement unique.
“Si le temps est éternel, chaque moment se répète un nombre infini de fois”
De plus, lorsque l’énergie circule dans un système ouvert, elle crée des motifs. Comme faire bouillir une casserole d’eau, ajouter constamment de l’énergie à un système ouvert crée des modèles de courants d’eau. Toute la vie se trouve dans un système ouvert (l’univers), donc l’énergie circule constamment, créant les schémas que nous voyons dans notre biologie.
Il est possible que l’univers primitif était dans cette soupe d’entropie, les motifs et la complexité que nous voyons ont évolué au fil du temps.
Chapitre 18. Espace infini ou temps infini ?
Si l’équilibre de mort thermique est inévitable, alors dans cette soupe d’entropie, il y aurait des fluctuations aléatoires. Le même moment se répéterait ainsi un nombre infini de fois, considérant le temps comme un bloc éternel, se répétant à jamais.
Pourtant, que se passerait-il si les lois de l’univers (comme les propriétés de l’énergie noire) changeaient réellement au fil du temps ?
Cela pourrait faire en sorte que des trous noirs entrent en collision et donnent naissance à de nouveaux univers après que chaque ancien univers se soit éteint.
Cela pourrait faire “rebondir” des univers après une mort thermique dans de nouvelles versions.
Toutes ces idées nécessitent que le temps soit réel, et le temps pourrait modifier les lois que nous observons.
”L’espace est peut-être une illusion, mais le temps doit être réel”