Einstein a un jour décrit son ami Michele Besso comme « la meilleure caisse de résonance d’Europe » pour les idées scientifiques. Ils ont fréquenté l’université ensemble à Zurich ; plus tard, ils ont été collègues à l’office des brevets à Berne. Lorsque Besso est décédé au printemps 1955, Einstein – sachant que son propre temps était également compté – a écrit une lettre désormais célèbre à la famille de Besso. « Il a quitté ce monde étrange un peu avant moi », écrit Einstein à propos du décès de son ami. « Cela ne signifie rien. Pour nous, physiciens croyants, la distinction entre passé, présent et futur n’est qu’une illusion obstinément persistante. »
La déclaration d’Einstein n’était pas seulement une tentative de consolation. De nombreux physiciens affirment que la position d’Einstein est impliquée par les deux piliers de la physique moderne : le chef-d’œuvre d’Einstein, la théorie générale de la relativité, et le modèle standard de la physique des particules. Les lois qui sous-tendent ces théories sont symétriques par rapport au temps, c’est-à-dire que la physique qu’elles décrivent est la même, que la variable appelée « temps » augmente ou diminue. En outre, elles ne disent rien du tout sur le moment que nous appelons « maintenant » – un moment particulier (ou du moins ce qu’il semble être) pour nous, mais apparemment indéfini lorsque nous parlons de l’univers dans son ensemble. Le cosmos intemporel qui en résulte est parfois appelé un « univers-bloc » – un bloc statique d’espace-temps dans lequel tout écoulement du temps, ou passage à travers lui, doit vraisemblablement être une construction mentale ou une autre illusion.
De nombreux physiciens ont fait la paix avec l’idée d’un univers-bloc, arguant que la tâche du physicien est de décrire comment l’univers apparaît du point de vue des observateurs individuels. Pour comprendre la distinction entre le passé, le présent et le futur, il faut « plonger dans cet univers bloc et se demander : « Comment un observateur perçoit-il le temps ? » », a déclaré Andreas Albrecht, physicien à l’université de Californie, à Davis, et l’un des fondateurs de la théorie de l’inflation cosmique.
D’autres sont en désaccord avec véhémence, arguant que la tâche de la physique est d’expliquer non seulement comment le temps semble s’écouler, mais aussi pourquoi. Pour eux, l’univers n’est pas statique. Le passage du temps est physique. « J’en ai assez de cet univers en bloc », a déclaré Avshalom Elitzur, un physicien et philosophe anciennement de l’université Bar-Ilan. « Je ne pense pas que jeudi prochain ait la même assise que ce jeudi-ci. Le futur n’existe pas. Il n’existe pas ! Ontologiquement, il n’existe pas. »
Le mois dernier, une soixantaine de physiciens, ainsi qu’une poignée de philosophes et de chercheurs d’autres branches de la science, se sont réunis au Perimeter Institute for Theoretical Physics de Waterloo, au Canada, pour débattre de cette question lors de la conférence Time in Cosmology. La conférence a été co-organisée par le physicien Lee Smolin, qui critique ouvertement l’idée de l’univers en bloc (entre autres). Sa position est exposée pour un public profane dans Time Reborn et dans un ouvrage plus technique, The Singular Universe and the Reality of Time, coécrit avec le philosophe Roberto Mangabeira Unger, qui était également coorganisateur de la conférence. Dans ce dernier ouvrage, reflétant les sentiments d’Elitzur sur le manque de concrétude de l’avenir, Smolin écrit : « L’avenir n’est pas actuellement réel et il ne peut y avoir de faits précis sur l’avenir. » Ce qui est réel est « le processus par lequel les événements futurs sont générés à partir des événements présents », a-t-il déclaré lors de la conférence.
Les personnes présentes se sont débattues avec plusieurs questions : la distinction entre le passé, le présent et le futur ; pourquoi le temps semble se déplacer dans une seule direction ; et si le temps est fondamental ou émergent. La plupart de ces questions, sans surprise, sont restées sans réponse. Mais pendant quatre jours, les participants ont écouté attentivement les dernières propositions pour aborder ces questions – et, surtout, les façons dont nous pourrions concilier notre perception du passage du temps avec un univers statique, apparemment intemporel.
Le temps balayé sous le tapis
Il y a quelques points sur lesquels tout le monde s’accorde. La directionnalité que nous observons dans le monde macroscopique est bien réelle : Les tasses à thé se brisent mais ne se réassemblent pas spontanément ; les œufs peuvent être brouillés mais pas débrouillés. L’entropie – une mesure du désordre dans un système – augmente toujours, un fait encodé dans la deuxième loi de la thermodynamique. Comme l’a compris le physicien autrichien Ludwig Boltzmann au XIXe siècle, la deuxième loi explique pourquoi les événements ont plus de chances d’évoluer dans une direction plutôt que dans une autre. Elle rend compte de la flèche du temps.
Mais les choses deviennent plus délicates lorsqu’on prend du recul et qu’on se demande pourquoi il se trouve que nous vivons dans un univers où une telle loi tient. « Ce que Boltzmann a vraiment expliqué, c’est pourquoi l’entropie de l’univers sera plus grande demain qu’aujourd’hui », a déclaré Sean Carroll, physicien à l’Institut de technologie de Californie, alors que nous étions assis dans un bar d’hôtel après la deuxième journée de présentations. « Mais si c’était tout ce que vous saviez, vous diriez aussi que l’entropie de l’univers était probablement plus grande hier qu’aujourd’hui – parce que toutes les dynamiques sous-jacentes sont complètement symétriques par rapport au temps. » C’est-à-dire que si l’entropie est finalement basée sur les lois sous-jacentes de l’univers, et que ces lois sont les mêmes en avançant et en reculant, alors l’entropie a tout autant de chances d’augmenter en reculant dans le temps. Mais personne ne croit que l’entropie fonctionne réellement de cette façon. Les œufs brouillés viennent toujours après les œufs entiers, jamais l’inverse.
Pour donner un sens à cela, les physiciens ont proposé que l’univers ait commencé dans un état très particulier de faible entropie. Selon ce point de vue, que le philosophe de la physique de l’université Columbia David Albert a baptisé « hypothèse du passé », l’entropie augmente parce qu’il se trouve que le Big Bang a produit un univers exceptionnellement peu entropique. L’entropie ne pouvait qu’augmenter. L’hypothèse du passé implique que chaque fois que nous faisons cuire un œuf, nous profitons d’événements qui se sont produits il y a près de 14 milliards d’années. « Ce que vous avez besoin du Big Bang pour expliquer, c’est : « Pourquoi y a-t-il eu des œufs non cassés ? » ». Carroll a déclaré.
Certains physiciens sont plus troublés que d’autres par l’hypothèse du passé. Prendre des choses que nous ne comprenons pas sur la physique de l’univers actuel et dire que la réponse se trouve dans le Big Bang pourrait être considéré, peut-être, comme un renvoi de balle – ou comme balayer nos problèmes sous le tapis. Chaque fois que nous invoquons les conditions initiales, « la pile de choses sous le tapis s’agrandit », a déclaré Marina Cortes, cosmologiste à l’Observatoire royal d’Édimbourg et coorganisatrice de la conférence.
Pour Smolin, l’hypothèse du passé ressemble plus à un aveu d’échec qu’à un pas en avant utile. Comme il le dit dans The Singular Universe : « Le fait à expliquer est de savoir pourquoi l’univers, même 13,8 milliards d’années après le Big Bang, n’a pas atteint l’équilibre, qui est par définition l’état le plus probable, et il ne suffit guère d’expliquer cela en affirmant que l’univers a commencé dans un état encore moins probable que l’état actuel. »
D’autres physiciens, cependant, soulignent qu’il est normal de développer des théories qui peuvent décrire un système étant donné certaines conditions initiales. Une théorie n’a pas besoin de s’efforcer d’expliquer ces conditions.
Un autre ensemble de physiciens pense que l’hypothèse du passé, bien que meilleure que rien, est plus susceptible d’être un emplacement qu’une réponse finale. Peut-être, si nous avons de la chance, indiquera-t-elle la voie vers quelque chose de plus profond. « Beaucoup de gens disent que l’hypothèse du passé n’est qu’un fait, et qu’il n’y a pas de moyen sous-jacent de l’expliquer. Je n’exclus pas cette possibilité », a déclaré Carroll. « Pour moi, l’hypothèse du passé est un indice qui nous aidera à développer une vision plus complète de l’univers. »
Les origines alternatives du temps
Peut-on comprendre la flèche du temps sans invoquer l’hypothèse du passé ? Certains physiciens soutiennent que la gravité – et non la thermodynamique – vise la flèche du temps. Selon ce point de vue, la gravité amène la matière à s’agglutiner, définissant une flèche du temps qui s’aligne sur la croissance de la complexité, a déclaré Tim Koslowski, physicien à l’Université nationale autonome du Mexique (il a décrit cette idée dans un article de 2014 cosigné par le physicien britannique Julian Barbour et Flavio Mercati, physicien à Perimeter). Koslowski et ses collègues ont développé des modèles simples d’univers composés de 1 000 particules ponctuelles, soumis uniquement à la loi de la gravitation de Newton, et ont constaté qu’il y aura toujours un moment de densité maximale et de complexité minimale. Plus on s’éloigne de ce point, dans un sens ou dans l’autre, plus la complexité augmente. Naturellement, nous – créatures complexes capables de faire des observations – ne pouvons évoluer qu’à une certaine distance du minimum. Pourtant, où que nous nous trouvions dans l’histoire de l’univers, nous pouvons désigner une ère de moindre complexité et l’appeler le passé, a déclaré Koslowski. Les modèles sont globalement symétriques dans le temps, mais chaque observateur subira une flèche du temps locale. Il est significatif que le point de départ à faible entropie ne soit pas un ajout au modèle. Au contraire, il en émerge naturellement. « La gravité élimine essentiellement le besoin d’une hypothèse passée », a déclaré Koslowski.
L’idée que le temps se déplace dans plus d’une direction, et que nous nous trouvons juste à habiter une section du cosmos avec une seule flèche du temps définie localement, n’est pas nouvelle. En 2004, Carroll, avec son étudiante diplômée Jennifer Chen, a avancé une proposition similaire basée sur l’inflation éternelle, un modèle relativement bien connu du début de l’univers. Carroll considère le travail de Koslowski et de ses collègues comme une étape utile, d’autant plus qu’ils ont travaillé sur les détails mathématiques de leur modèle (lui et Chen ne l’ont pas fait). Il a néanmoins quelques inquiétudes. Par exemple, il n’est pas certain que la gravité joue un rôle aussi important que le prétend leur article. « Si vous aviez simplement des particules dans un espace vide, vous obtiendriez exactement le même comportement qualitatif », a-t-il dit.
L’augmentation de la complexité, selon Koslowski, a un effet secondaire crucial : elle conduit à la formation de certains arrangements de matière qui conservent leur structure au fil du temps. Ces structures peuvent stocker des informations ; Koslowski les appelle des « enregistrements ». La gravité est la première et principale force qui rend possible la formation d’enregistrements ; d’autres processus donnent ensuite naissance à tout, des fossiles aux anneaux des arbres en passant par les documents écrits. Le point commun de toutes ces entités est qu’elles contiennent des informations sur un état antérieur de l’univers. J’ai demandé à Koslowski si les souvenirs stockés dans les cerveaux étaient un autre type d’enregistrement. Oui, a-t-il répondu. « L’idéal serait de pouvoir construire des modèles toujours plus complexes, et d’arriver finalement à la mémoire dans mon téléphone, à la mémoire dans mon cerveau, dans les livres d’histoire. » Un univers plus complexe contient plus d’enregistrements qu’un univers moins complexe, et c’est, selon Koslowski, la raison pour laquelle nous nous souvenons du passé mais pas du futur.
Mais peut-être que le temps est encore plus fondamental que cela. Pour George Ellis, cosmologiste à l’université du Cap en Afrique du Sud, le temps est une entité plus fondamentale, qui peut être comprise en imaginant le bloc univers comme étant lui-même en évolution. Dans son modèle de « bloc-univers évolutif », l’univers est un volume croissant d’espace-temps. La surface de ce volume peut être considérée comme le moment présent. La surface représente l’instant où « l’indéfini du futur se transforme en défini du passé », comme il le décrit. « L’espace-temps lui-même s’accroît à mesure que le temps passe ». On peut discerner la direction du temps en regardant quelle partie de l’univers est fixe (le passé) et quelle partie change (le futur). Bien que certains collègues ne soient pas d’accord, Ellis souligne que le modèle est une modification, et non un remaniement radical, de la vision standard. « Il s’agit d’un univers en bloc dont la dynamique est couverte par les équations de champ de la relativité générale – absolument standard – mais avec une frontière future qui est le présent en constante évolution », a-t-il déclaré. Dans cette vision, alors que le passé est fixe et immuable, le futur est ouvert. Le modèle « représente manifestement le passage du temps d’une manière plus satisfaisante que l’univers en bloc habituel », a-t-il déclaré.
Contrairement à la vision traditionnelle en bloc, l’image d’Ellis semble décrire un univers avec un futur ouvert – apparemment en conflit avec un univers régi par des lois dans lequel les états physiques passés dictent les états futurs. (Bien que l’incertitude quantique, comme l’a souligné Ellis, puisse être suffisante pour couler une telle vision déterministe). Lors de la conférence, quelqu’un a demandé à Ellis si, avec suffisamment d’informations sur la physique d’une sphère d’un certain rayon centrée sur les Midlands britanniques au début du mois de juin, on aurait pu prédire le résultat du vote du Brexit. « Pas en utilisant la physique », a répondu Ellis. Pour cela, a-t-il dit, nous aurions besoin d’une meilleure compréhension du fonctionnement des esprits.
Une autre approche qui vise à concilier le passage apparent du temps avec l’univers en bloc porte le nom de théorie des ensembles causaux. Développée pour la première fois dans les années 1980 comme approche de la gravité quantique par le physicien Rafael Sorkin – qui était également présent à la conférence – cette théorie repose sur l’idée que l’espace-temps est discret plutôt que continu. Selon cette théorie, bien que l’univers semble continu à l’échelle macroscopique, si nous pouvions descendre à l’échelle dite de Planck (distances d’environ 10-35 mètres), nous découvririons que l’univers est constitué d’unités élémentaires ou « atomes » d’espace-temps. Les atomes forment ce que les mathématiciens appellent un « ensemble partiellement ordonné » – un tableau dans lequel chaque élément est lié à un élément adjacent dans une séquence particulière. Le nombre de ces atomes (estimé à 10240 dans l’univers visible) donne lieu au volume de l’espace-temps, tandis que leur séquence donne lieu au temps. Selon la théorie, de nouveaux atomes d’espace-temps apparaissent continuellement. Fay Dowker, physicienne à l’Imperial College de Londres, a qualifié ce phénomène de « temps d’accrétion » lors de la conférence. Elle a invité tout le monde à penser à l’espace-temps comme à une accrétion de nouveaux atomes d’espace-temps d’une manière à peu près analogue à un fond marin déposant de nouvelles couches de sédiments au fil du temps. La relativité générale ne donne qu’un bloc, mais les ensembles causaux semblent permettre un « devenir », a-t-elle expliqué. « L’univers des blocs est une chose statique – une image statique du monde – alors que ce processus de devenir est dynamique. » Dans cette optique, le passage du temps est une caractéristique fondamentale plutôt qu’émergente du cosmos. (La théorie des ensembles causaux a fait au moins une prédiction réussie sur l’univers, a souligné Dowker, ayant été utilisée pour estimer la valeur de la constante cosmologique en se basant uniquement sur le volume spatio-temporel de l’univers.)
Le problème de l’avenir
Face à ces modèles concurrents, de nombreux penseurs semblent avoir cessé de s’inquiéter et appris à aimer (ou du moins à tolérer) l’univers bloc.
Peut-être que la déclaration la plus forte faite lors de la conférence en faveur de la compatibilité de l’univers bloc avec l’expérience quotidienne est venue du philosophe Jenann Ismael de l’Université de l’Arizona. Selon Ismael, l’univers bloc, bien compris, contient en lui l’explication de notre expérience du passage apparent du temps. Un examen attentif de la physique conventionnelle, complété par ce que nous avons appris ces dernières décennies des sciences cognitives et de la psychologie, permet de retrouver « le flux, le souffle, de l’expérience », a-t-elle déclaré. Dans cette optique, le temps n’est pas une illusion – en fait, nous le vivons directement. Elle a cité des études qui montrent que chaque moment que nous vivons représente un intervalle de temps fini. En d’autres termes, nous ne déduisons pas l’écoulement du temps ; il fait partie de l’expérience elle-même. Le défi, a-t-elle dit, est d’encadrer cette expérience à la première personne dans le bloc statique offert par la physique – d’examiner « comment le monde se présente à partir du cadre de référence évolutif d’un percepteur intégré » dont l’histoire est représentée par une courbe dans l’espace-temps du bloc univers.
La présentation d’Ismael a suscité une réaction mitigée. Carroll a dit qu’il était d’accord avec tout ce qu’elle avait dit ; Elitzur a dit qu’il « voulait crier » pendant son discours. (Il a clarifié plus tard : « Si je me tape la tête contre le mur, c’est parce que je déteste l’avenir »). Une objection exprimée à de nombreuses reprises au cours de la conférence était que le bloc univers semble impliquer, d’une manière importante, que le futur existe déjà, alors que les déclarations concernant, par exemple, la météo de jeudi prochain ne sont ni vraies ni fausses. Pour certains, cela semble être un problème insurmontable avec la vision de l’univers en bloc. Ismael avait déjà entendu ces objections à de nombreuses reprises. Les événements futurs existent, dit-elle, mais ils n’existent pas maintenant. « L’univers en bloc n’est pas une image changeante », a-t-elle dit. « C’est une image de changement. » Les choses arrivent quand elles arrivent. « C’est un moment – et je sais que tout le monde ici va détester ça – mais la physique aurait besoin d’un peu de philosophie », a-t-elle déclaré. « Il y a une longue histoire de discussion sur les valeurs de vérité des déclarations contingentes futures – et cela n’a vraiment rien à voir avec l’expérience du temps. » Et pour ceux qui voulaient en savoir plus ? « Je recommande Aristote », a-t-elle dit.
Correction : Une légende de photo a été révisée le 25 juillet 2016 pour corriger l’orthographe du nom de Jenann Ismael.
Cet article a été réimprimé sur TheAtlantic.com.