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Article.
Nouvelles
considérations sur le temps.
Vous manquez de temps ? Pourquoi ne pas vous en
passer ?
Jean-Paul Baquiast et Christophe Jacquemin
- 27/09/2010
Sources
Carlo Rovelli. Forget time, août 2008
http://www.fqxi.org/data/essay-contest-files/Rovelli_Time.pdf
(réservé aux physiciens)
Carlo Rovelli : Entretien http://www.larecherche.fr/content/recherche/article?id=27848
(payant)
Petr Horava
http://en.wikipedia.org/wiki/Petr_Ho%C5%99ava
NewScientist; Anil Ananthaswamy
Rethinking Einstein. The end of space-time. Août
2010 http://www.newscientist.com/article/mg20727721.200-rethinking-einstein-the-end-of-spacetime.html
(payant)
Sur le graphène : http://fr.wikipedia.org/wiki/Graph%C3%A8ne
Le Dieu Chronos, réputé
dévoreur de ses enfants.
Article en discussion. Les lecteurs intéressés
peuvent intervenir sur l'un de nos blogs où
cette page est reprise
http://philoscience.over-blog.com/article-a-la-recherche-du-temps-horava-57911138.html
http://automatesintelligent.blog.lemonde.fr/2010/09/28/nouvelles-hypotheses-sur-le-temps/
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.
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, expatrié à Berkeley, a proposé
en janvier 2009 une théorie de l'espace-temps
qui provoque depuis un buzz considérable 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. Par
contre, 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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