C’est quoi la flèche du temps ? Le temps est-il une illusion ou la réalité ?

Flèche du temps

Notre esprit n’a aucun problème à distinguer le passé du présent ou du futur. Le concept de la Flèche du temps fait référence à la direction dans laquelle elle passe, s’écoulant sans interruption du passé vers le futur, en passant par le présent.

L’une des caractéristiques les plus importantes du temps est son irréversibilité, qui nous empêche de se déplacer dans le sens opposé à celui indiqué par cette flèche. Cependant, certains scientifiques pensent que cette asymétrie, dans laquelle le passé immuable se distingue clairement de l’avenir incertain, n’est rien de plus qu’une illusion, causée par notre incapacité à percevoir certains phénomènes, et que sa direction pourrait être inversée

Dans sa théorie de la relativité, Einstein nous a enseigné que le temps doit être traité comme une dimension physique supplémentaire. Le binôme espace-temps est devenu inséparable. Mais dans l’esprit des physiciens et des philosophes, une question a commencé à résonner avec une grande force: s’ils sont égaux , pourquoi y a-t-il une flèche du temps qui n’a pas d’équivalent spatial ? Autrement dit, pourquoi puis-je me déplacer librement d’avant en arrière dans l’espace et non dans le temps?

Dans cet article, nous allons plonger dans la flèche du temps, ou ce qui est pareil, le cours irréversible du temps dans une certaine direction, du passé vers le futur. Mais tout d’abord, analysons quelques définitions du temps, pour voir si elles nous disent quelque chose.

1. Qu’est-ce que le temps?

Il existe d’innombrables définitions du temps. Même étant l’un des ingrédients fondamentaux de notre quotidien, il est extrêmement difficile à définir. La première chose qui vient à l’esprit est généralement des manifestations du temps, comme les tic-tac d’une horloge. Mais ces manifestations ne sont pas capables d’expliquer profondément le concept de temps.

Le temps est connu comme la durée des choses sujettes à changement qui déterminent les périodes, les heures, les jours, les semaines, les siècles, etc. Ce mot vient du latin “tempus”.

Le temps est un concept large qui s’applique dans divers contextes. En relation avec la définition donnée ci-dessus, le temps peut être vu comme la grandeur physique qui permet de séquencer des événements et de déterminer des moments et dont l’unité de mesure est la seconde.

L’espace-temps
l’espace et le temps, selon la théorie de la relativité formulée par Einstein en 1905, sont deux concepts liés, puisque le temps ne peut être séparé des trois dimensions spatiales, et ils dépendent tous du mouvement de l’observateur. La théorie de la relativité montre que toute mesure du temps dépend des conditions de l’observateur.

En tant que tel, l’expression temps est utilisée pour désigner une certaine période, elle a donc la capacité de transporter un individu vers le passé, le présent et le futur. En ce sens, le temps est aussi le temps pendant lequel quelque chose se passe ou s’est passé ou pendant lequel quelque chose vit, vécu ou arrive à une personne.

1.1. Quelques définitions du temps

Parmi les nombreuses définitions du temps qui ont été proposées, on peut citer:

  • Ce que mesurent les horloges (Albert Einstein, Donald).
  • Ce qui empêche que tout se passe en même temps (John Wheeler).
  • Un continuum linéaire d’instants (Adolf Grünbaum).
  • Une certaine période pendant laquelle quelque chose est fait (Dictionnaire médical).
  • Un continuum qui manque de dimensions spatiales (Encyclopaedia Britannica).
  • Le progrès continu indéfini de l’existence et des événements du passé, du présent et du futur considérés comme un tout (Oxford Dictionary).

Il est clair que le temps n’est pas un objet ou une substance que nous pouvons toucher ou voir. Mais ce n’est pas non plus simplement une dimension, une quantité ou un concept. En effet, le temps a de nombreux aspects et semble représenter des choses différentes pour différentes personnes dans différentes circonstances.

1.2. peut-on réellement définir le temps ?

Une définition simple, le temps est ce que mesure une horloge… Cependant, cette définition souffre précisément de ce que nous venons de dire, elle n’est pas capable de nous dire ce qu’est exactement le temps, elle nous dit plutôt qu’elle est mesurable et comment le faire mais ne nous donne aucune indication sur la nature même du temps.

Une autre définition, un peu plus satisfaisante, est donnée par le philosophe  Adolf Grünbaum , et elle dit: le temps est un continuum linéaire d’instants. Dans cette définition, nous trouvons deux choses intéressantes. La première est qu’il parle d’un temps linéaire, c’est-à-dire d’un temps dont la vitesse de passage reste toujours la même. La seconde est qu’elle introduit la notion d’un instant qui pourrait être vu dans ce contexte comme le présent.

Le physicien John Wheeler nous dit que le temps est ce qui empêche que tout se passe en même temps . On peut également trouver des définitions un peu plus élaborées, comme celle donnée par le  Science Dictionary : le temps est un continuum, une quantité mesurable dans laquelle les événements se produisent dans une certaine séquence qui va du passé, au présent, jusqu’au futur.

Comme vous pouvez le voir, définir le temps n’est pas du tout facile et, bien entendu, il n’y a pas d’accord autour d’une définition correcte. Mais si nous regardons un peu les définitions précédentes, nous voyons que dans chacune d’elles la définition du temps fait appel à un cours, un passage du temps qui a aussi une direction très spécifique, la flèche du temps

2. Flèche du temps

L’expression “Flèche du temps“ a été inventée par l’astronome britannique Arthur Eddington, qui l’a utilisée pour distinguer une direction dans le temps dans un univers relativiste à quatre dimensions. En 1928, Eddington a publié un livre intitulé “The Nature of the Physical World” (La nature du monde physique), dans lequel il utilise cette expression à plusieurs reprises. Dans ce livre, l’auteur écrit:

Dessinons arbitrairement une flèche du temps. Si, au fur et à mesure que nous suivons son cours, nous trouvons de plus en plus d’éléments aléatoires dans l’état de l’univers, alors la flèche pointe vers le futur; si, au contraire, l’élément aléatoire diminue, la flèche pointera vers le passé. C’est la seule distinction admise par la physique. Cela découle nécessairement de notre argument principal: l’introduction de l’aléatoire est la seule chose qui ne peut être annulée. J’utiliserai l’expression «flèche du temps» pour décrire cette propriété unidirectionnelle du temps qui n’a pas son homologue dans l’espace.

The Nature of the Physical World, Arthur Eddington (1928)

En effet, il semble que nous venons d’un passé, fixe et immuable, et nous nous dirigeons vers le futur, qui n’est pas forcément figé. En fait, on pourrait dire que le futur est fait d’une infinité de possibilités, un ensemble de moments que la seule chose qu’ils ont en commun est un passé causal. Serait-ce une illusion créée par notre esprit ?

Pensons à toute expérience que nous pouvons faire, comme mettre un glaçon dans un verre d’eau et attendre qu’il fonde. Nous conviendrons que ce processus est irréversible, c’est-à-dire qu’en aucun cas nous ne laisserons l’eau dans le verre et qu’elle deviendra spontanément de la glace. Cela marque-t-il une direction privilégiée dans la façon dont les choses se passent ? Eh bien, oui, il semble qu’il y ait une asymétrie temporelle .

La flèche du temps, une asymétrie temporelle
Contrairement aux autres dimensions, le temps semble avoir une direction irréversible.

Cette direction ou asymétrie est appelée la flèche du temps. On pourrait dire que c’est le flux inévitable du temps dans une direction unique et apparemment inévitable. Pour  Sir Arthur Eddington , la flèche du temps est quelque chose d’ inhérent à l’Univers. Peu importe qui ou quoi en fait l’expérience, peu importe que l’on se réfère aux êtres humains ou aux extraterrestres, tout le monde et tout est inexorablement soumis à ce flux du passé et vers le futur .

2.1. Est-il possible que la Flèche du Temps fonctionne dans la direction opposée ?

Selon le physicien Lorenzo Maccone il peut y avoir des événements qui sont régis par une flèche du temps qui pointe dans la direction opposée, mais nous ne pouvons tout simplement pas les percevoir. Le physicien a publié, dans Physical Review Letters, un article dans lequel il propose que l’entropie peut (en plus d’augmenté) décroître.

« Malheureusement, lorsque cela se produit, il n’y a aucune preuve que l’événement a eu lieu, de sorte que, faute d’informations nécessaires, nous ne pouvons pas le percevoir »

Lorenzo Maccone

Si Lorenzo Maccone a raison, la deuxième loi de la thermodynamique devient une simple tautologie: les physiciens ne peuvent pas étudier les processus dans lesquels l’entropie diminue en raison des informations qui se trouvent dans notre avenir.

La théorie de ce physicien soulève un certain nombre de questions intéressantes. Le plus attrayant de tous est que, s’il y a une Flèche du temps pointant dans la direction opposée, nous pourrions trouver un moyen de “monter” et d’inverser les effets que le passage du temps a dans la direction “traditionnelle“. Malheureusement, tous les spécialistes ne sont pas d’accord avec le point de vue de Maccone, et ceux qui le font ne sont pas tout à fait sûrs que la direction de la flèche temporelle ne puisse être inversée que pour une “partie” de l’Univers mais que l’Univers entier devrait “s’inverser“. Si nous devions construire une telle machine, chose qui semble hautement improbable, le renversement de la Flèche du temps passerait complètement inaperçu.

L’entropie et le temps
« La quantité d’entropie de tout système thermodynamiquement isolé a tendance à augmenter avec le temps »

Nous ne savons pas, pour l’instant, si Maccone a raison ou non. Le passage du temps et ce que cela signifie est l’une des grandes inconnues de la science… Et provoque souvent l’éveil de nombreux philosophes. Contrairement à ce qui se passe avec les dimensions spatiales, qui peuvent être parcourues dans un sens ou dans un autre, le temps semble (pour l’instant du moins) pouvoir ne peut voyager que dans un sens… Celui dicté par la Flèche du temps.

3. Le temps, une Illusion ou la réalité ?

Comme nous venons de le voir avec l’exemple du glaçon dans le verre, il nous est inconcevable qu’il s’agisse d’un processus réversible. Si nous l’enregistrons sur vidéo et essayons ensuite de le voir à l’envers, nous saurons très bien que nous voyons le processus dans la direction opposée à la façon dont cela s’est passé, c’est-à-dire que nous sommes capables de définir une direction dans le temps. En fait, tous les processus qui se produisent autour de nous se distinguent en ce sens, c’est-à-dire qu’ils ont cette asymétrie temporelle.

C’est là qu’une confusion totale arrive! Malgré le fait que tous les processus macroscopiques (à nos échelles) sont asymétriques, au niveau microscopique… ils sont tous symétriques! En d’autres termes, le monde macroscopique fonctionne d’une certaine façon par rapport au temps, alors que le monde quantique (qui est ce qui fait le macroscopique) fonctionne d’une autre façon…

C’est maintenant que l’on pourrait considérer sérieusement que la flèche du temps est une illusion, une propriété émergente qui apparaît lorsque la complexité du macroscopique apparaît. La plupart des processus physiques auxquels nous pouvons penser au niveau microscopique sont décrits par des lois physiques invariantes dans le temps. Autrement dit, si nous mettions la vidéo à l’envers, nous ne serions pas en mesure de distinguer la direction du temps. Mais il y a une exception notable qui pourrait révéler la vraie nature du temps: la deuxième loi de la thermodynamique .

4. La création inévitable de l’entropie

La deuxième loi de la thermodynamique est l’une des lois les plus puissantes de la physique. C’est, en fait, le principe fondamental qui établit l’irréversibilité des processus physiques. Cela nous semble familier, cependant, cette loi ne nous dit rien sur le temps…

Deuxième loi de la thermodynamique
« Toute transformation d’un système thermodynamique s’effectue avec augmentation de l’entropie globale incluant l’entropie du système et du milieu extérieur. On dit alors qu’il y a création d’entropie. »

En d’autres mots, l’énoncé de la deuxième loi de la thermodynamique est le suivant: dans tout processus physique qui se déroule dans un système isolé ou fermé (tel que l’Univers lui-même), l’entropie doit croître jusqu’à atteindre un maximum, un état que nous appelons équilibre.

Qu’est-ce que l’entropie ?
Nous sommes habitués à ce que l’univers, au moins au niveau macroscopique, ait tendance à “devenir désordonné”. Les physiciens appellent cet effet; entropie. En termes simples, l’univers a tendance à distribuer l’énergie uniformément ; c’est-à-dire pour maximiser l’entropie. Dans ce cas, la flèche du temps pointe dans le sens de l’entropie, de sorte que le processus inverse a peu de chances de se produire spontanément, même si la quantité d’énergie est conservée au total.

Revenons à l’exemple précédent où nous avons laissé le glaçon dans le verre d’eau. La différence entre la glace et l’eau à l’état liquide réside dans l’énergie thermique que possèdent les molécules qui les composent. A température plus basse, énergie plus faible, ce qui signifie que la vitesse des molécules est plus faible et donc on peut dire qu’elles sont encore plus ordonnées .

Lorsque nous laissons le glaçon dans le verre, un échange de chaleur et d’énergie commence à avoir lieu avec l’environnement, ce qui se traduit par la vitesse des molécules. Le glaçon, qui était un état d’ordre relatif, devient un état de désordre relatif, puisque toutes les molécules d’eau commenceront à se déplacer plus rapidement. Il est désormais plus facile de voir que les possibilités de placer les molécules au niveau microscopique sans que rien ne change au niveau macroscopique sont moindres dans la glace que dans l’eau. Par conséquent, l’entropie de la glace est inférieure à celle de l’eau. Ce processus se poursuivra jusqu’à ce que l’équilibre soit atteint.

Schéma de l'entropie du passage de la glace à l'eau
La fonte de la glace dans une pièce chaude est un exemple d’augmentation d’entropie décrit en 1862 par Rudolf Clausius comme une augmentation du désordre dans les molécules d’eau.

Il faut dire que l’entropie est une propriété émergente, cela n’a de sens d’en parler qu’au niveau macroscopique, au niveau microscopique elle n’existe pas! Cela n’a aucun sens de parler de l’entropie d’une molécule individuellement, mais de l’entropie d’un ensemble d’entre elles.

5. La correspondance entre le temps et l’entropie

Par conséquent, l’entropie et le temps ont deux caractéristiques très frappantes en commun. Les deux semblent se comporter différemment au niveau microscopique. Dans le cas du temps, nous avons vu que les lois de la physique qui régissent le comportement de la matière à des échelles de taille réduites, ne comprenaient pas la direction temporelle, elles sont symétriques. Dans le cas de l’entropie, c’est encore plus surprenant puisque cette quantité existe même à de telles échelles.

Toujours aux échelles macroscopiques, les deux grandeurs ont une direction fixe. Alors que, selon la deuxième loi de la thermodynamique, l’entropie ne peut que croître, le temps passe de manière irréversible

Et l’une des théories les plus plausibles et les plus répandues est que la flèche du temps est une conséquence de la deuxième loi de la thermodynamique. Tout est en perpétuel changement d’état, augmentant son entropie, et il se peut que le passage du temps soit notre traduction de ce phénomène, une illusion qui émerge des profondeurs de la physique microscopique .

6. L’entropie de l’Univers

À ce stade, quelqu’un pourrait penser que, dans notre exemple précédent, si vous mettez l’eau dans le congélateur, l’entropie aura diminué… Avons-nous inversé le passage du temps comme ça ? La réponse est non. Dans ce cas, le congélateur doit être considéré comme faisant partie de notre système. Cela lui coûte une énergie pour faire ce travail, baisser la température et donc congeler l’eau. Ce travail augmenterait l’entropie du nouveau système.

Si nous regardons les galaxies ou les amas de galaxies, les plus grandes formations de notre Univers, bien que cela puisse ne pas sembler intuitif, l’entropie dans ces cas se développe également. En fait, la majeure partie de l’entropie de notre Univers provient des trous noirs. Ces objets sont une source gigantesque de désordre. Le fait que l’entropie de l’Univers continue de croître nous dit que celui-ci, en tant que système, est loin de l’équilibre, il évolue de manière irréversible à la recherche de cet état.

Nébuleuse du crabe. Le résultat d’une explosion de supernova créant ainsi un état avec beaucoup d’entropie.

Mais alors pourquoi l’Univers n’a-t-il pas été créé dans un état d’équilibre depuis le début ? Ceci est un mystère. On sait seulement qu’à ce jour toutes les observations semblent indiquer que l’Univers a commencé dans un état hors d’équilibre, ce qui correspond à un état très improbable . Alors, est-ce la raison pour laquelle l’entropie continue de croître et que nous voyons un passage du temps ? Nous ne pouvons pas encore répondre à cela.

7. Le temps, une propriété émergente ou fondamentale de l’Univers?

Pas évident de répondre à cette question… Nous ne pouvons pas nous assurer que le passage du temps est une illusion créée par la deuxième loi de la thermodynamique. Fondamentalement, nous ne pouvons pas répondre à cette question, car nous avons encore beaucoup de choses à découvrir…

Peut-être qu’à l’avenir, lorsque nous en découvrirons beaucoup plus sur la nature à ses plus petites échelles, nous pourrons énoncer une loi dans laquelle l’irréversibilité du temps est un fait, il n’est pas créé. En fait, il existe actuellement des théories selon lesquelles il devrait en être ainsi, que le passage du temps est quelque chose de fondamental, pas une propriété émergente.

Quoi qu’il en soit, la vérité est que nous nous posons ici la question, pourquoi le temps passe-t-il ? Et peut-être est-ce quelque chose auquel nous ne pourrons jamais répondre avec une certitude absolue. Parce que la vie, sous toutes ses formes possibles, pourrait être une tentative de l’Univers d’atteindre son état d’équilibre plus rapidement, et que la flèche du temps ne serait qu’une astuce de notre cerveau pour comprendre ce qui nous entoure. Comme un tour de magie qui n’a pas de solution…

Pour conclure et approfondir le sujet, nous vous invitons à regarder une conférence d’Etienne Klein sur le temps.

La notion de temps semble renvoyer à un être familier, presque “domestique”. Mais dès qu’on l’analyse, on découvre qu’elle est plutôt… compliquée. D’abord, le temps existe-t-il vraiment ? Ne s’agit-il pas plutôt d’une illusion ? De fait, au cours… du temps, les philosophes ont convoqué à peu près autant d’arguments pour prétendre que le temps existe que pour prétendre qu’il n’existe pas. La physique a-t-elle quelque chose à dire à ce propos ? Et si oui, quoi ?

Vous aimerez aussi :

voyager vitesse lumiere peut etre lent

Voyager à la vitesse de la lumière dans le système solaire peut être relativement lent, démonstration en vidéos

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *