Qu’est-ce que le temps, et pourquoi avance-t-il ?

Imaginez que le temps passe à l’envers. Les gens rajeuniraient au lieu de vieillir et, après une longue vie de rajeunissement progressif – en désapprenant tout ce qu’ils savent – ils finiraient comme une étincelle dans les yeux de leurs parents. C’est le temps tel qu’il est représenté dans un roman de l’écrivain de science-fiction Philip K Dick, mais, étonnamment, le sens du temps est également une question avec laquelle les cosmologistes sont aux prises.

Alors que nous considérons comme acquis que le temps a une direction donnée, ce n’est pas le cas des physiciens : la plupart des lois naturelles sont “réversibles”, ce qui signifie qu’elles fonctionneraient tout aussi bien si le temps était défini comme une course en arrière. Alors pourquoi le temps avance-t-il toujours ? Et le fera-t-il toujours ?

Le temps a-t-il un début ?

Tout concept universel du temps doit finalement se fonder sur l’évolution du cosmos lui-même. Lorsque vous regardez l’Univers, vous voyez des événements qui se sont produits dans le passé – la lumière met du temps à nous parvenir.

En fait, même l’observation la plus simple peut nous aider à comprendre le temps cosmologique : par exemple, le fait que le ciel nocturne soit sombre. Si l’Univers avait un passé infini et était d’une étendue infinie, le ciel nocturne serait complètement lumineux – rempli de la lumière d’un nombre infini d’étoiles dans un cosmos qui a toujours existé.

Pendant longtemps, les scientifiques, dont Albert Einstein, ont pensé que l’Univers était statique et infini. Le Big Bang, qui implique que le temps a bien un début. Les observations ont depuis montré qu’il est en fait en expansion, et à un rythme accéléré. Cela signifie qu’il a dû naître d’un état plus compact que nous appelons l’univers

Si nous recherchons une lumière suffisamment ancienne, nous pouvons même voir le rayonnement résiduel du Big Bang – le fond diffus cosmologique. Cette constatation a constitué une première étape dans la détermination de l’âge de l’Univers (voir ci-dessous).

La chronologie de l’Univers. Conception Alex Mittelmann, Coldcreation/wikimedia

Mais il y a un hic, la théorie spéciale de la relativité d’Einstein, montre que le temps est… relatif : plus vous vous déplacez vite par rapport à moi, plus le temps passe lentement pour vous par rapport à ma perception du temps. Ainsi, dans notre univers de galaxies en expansion, d’étoiles en rotation et de planètes tourbillonnantes, les expériences du temps varient : le passé, le présent et le futur de chaque chose sont relatifs.

Existe-t-il donc un temps universel sur lequel nous pourrions tous nous accorder ?

Il s’avère que, puisque l’Univers est en moyenne le même partout et qu’il a en moyenne la même apparence dans toutes les directions, il existe bien un “temps cosmique”. Pour le mesurer, il suffit de mesurer les propriétés du fond diffus cosmologique. Les cosmologistes s’en sont servis pour déterminer l’âge de l’Univers, son âge cosmique. Il s’avère que l’Univers a 13,799 milliards d’années.

La flèche du temps

Nous savons donc que le temps a très probablement commencé lors du Big Bang. Mais une question lancinante demeure : qu’est-ce que le temps exactement ?

Pour répondre à cette question, nous devons examiner les propriétés fondamentales de l’espace et du temps. Dans la dimension de l’espace, vous pouvez avancer et reculer ; les navetteurs en font l’expérience tous les jours. Mais le temps est différent, il a une direction, vous allez toujours en avant, jamais en arrière. Alors pourquoi la dimension du temps est-elle irréversible ? C’est l’un des principaux problèmes non résolus de la physique.

Pour expliquer pourquoi le temps lui-même est irréversible, nous devons trouver des processus dans la nature qui sont également irréversibles. L’un des rares concepts de ce type en physique (et dans la vie !) est que les choses ont tendance à devenir moins “ordonnées” au fil du temps. Nous décrivons ce phénomène à l’aide d’une propriété physique appelée entropie, qui code le degré d’ordre d’une chose.

Imaginez une boîte de gaz dans laquelle toutes les particules sont initialement placées dans un coin (un état ordonné). Au fil du temps, elles chercheraient naturellement à remplir toute la boîte (un état désordonné) – et pour remettre les particules dans un état ordonné, il faudrait de l’énergie. Ce phénomène est irréversible. C’est comme casser un œuf pour faire une omelette : une fois qu’il s’est répandu et a rempli la poêle, il ne pourra plus jamais reprendre sa forme d’œuf. Il en va de même pour l’Univers : à mesure qu’il évolue, l’entropie globale augmente.

Malheureusement, cela ne va pas s’arranger tout seul. Alex Dinovitser/wikimedia

Il s’avère que l’entropie est un bon moyen d’expliquer la flèche du temps. Si l’on peut penser que l’Univers devient plus ordonné plutôt que moins – passant d’une mer sauvage de gaz chauds relativement uniformément répartis à ses débuts à des étoiles, des planètes, des humains et des articles sur le temps – il est néanmoins possible que son désordre augmente.

En effet, la gravité associée à de grandes masses peut attirer la matière dans des états apparemment ordonnés, l’augmentation du désordre que nous pensons avoir eu lieu étant en quelque sorte cachée dans les champs gravitationnels. Le désordre pourrait donc augmenter même si nous ne le voyons pas.

Mais étant donné la tendance de la nature à préférer le désordre, pourquoi l’Univers a-t-il commencé dans un état aussi ordonné ? Cette question est toujours considérée comme un mystère. Certains chercheurs affirment que le Big Bang n’a peut-être même pas été le commencement et qu’il pourrait en fait exister des “univers parallèles” où le temps s’écoule dans des directions différentes.

Le temps prendra-t-il fin ?

Le temps a eu un commencement, mais sa fin dépend de la nature de l’énergie noire, qui peut se désintégrer, inversant le Big Bang et mettant fin à l’Univers dans un Big Crunch, ou l’Univers peut simplement s’étendre à jamais . Le rythme de cette expansion pourrait finir par déchirer l’Univers, le forçant à se terminer par un Big Rip

Mais l’un de ces scénarios futurs mettrait-il fin au temps ? Eh bien, selon les règles étranges de la mécanique quantique, de minuscules particules aléatoires peuvent momentanément sortir du vide, ce qui est constamment observé dans les expériences de physique des particules. Certains ont avancé que l’énergie sombre pourrait provoquer de telles “fluctuations quantiques” , donnant lieu à un nouveau Big Bang, mettant fin à notre ligne temporelle et en créant une nouvelle.

Bien que cela soit extrêmement spéculatif et hautement improbable, ce que nous savons, c’est que ce n’est que lorsque nous comprendrons l’énergie noire que nous connaîtrons le destin de l’Univers.

Quelle est donc l’issue la plus probable ? Seul le temps nous le dira.