La physique moderne ne ménage aucun effort dans notre compréhension quotidienne du temps. Le physicien quantique italien et auteur à succès Carlo Rovelli a écrit un livre intrigant et instructif à ce sujet.
Un samedi ensoleillé, début avril. Les canaux d'Amsterdam regorgent d'excursionnistes et si vous ne faites pas attention, vous vous ferez écraser par un vélo. Mais le beau temps n'attire pas tout le monde dehors. Dans le majestueux Westerkerk, où Rembrandt est enterré, entre autres, les gens se rassemblent autour de la chaire. Pas pour entendre un sermon d'un ministre réformé, mais pour entendre deux physiciens de renom parler de l'état de la physique moderne.
Sur la plus petite échelle, il n'y a pas d'"avant" ni d'"après"
Le plus connu des deux est le Néerlandais Erik Verlinde. Depuis quelque temps, le « polder-Einstein » travaille sur une théorie révolutionnaire qui mettrait fin à la gravité telle que nous la connaissons depuis Einstein. L'autre est Carlo Rovelli, un physicien italien adepte de la "doctrine" de la gravité quantique à boucle. Cette théorie révolutionnaire est en construction depuis bien plus longtemps. En bref, elle tente d'unir la théorie quantique des champs à la relativité générale d'Einstein, qui décrit la gravité.
Malgré leurs divergences scientifiques, les deux hommes sont souvent d'accord. Ils montrent peu d'enthousiasme pour la soi-disant théorie du tout, un cadre global qui expliquerait tous les phénomènes naturels, mais que de nombreux physiciens (dont Stephen Hawking) ont cherché en vain. Selon Verlinde et Rovelli, nous devrions être heureux d'en savoir déjà autant sur l'univers. L'humilité s'impose donc, même si cela ne veut pas dire que nous ne devons pas être fiers de ce qui a déjà été réalisé. Le petit Italien l'avoue volontiers :"Je suis régulièrement étonné de voir comment la physique peut expliquer tant de phénomènes différents avec si peu d'équations et de lois."
L'un de ces phénomènes est le temps. Rovelli en a été intrigué toute sa vie, dit le physicien lors d'une conversation avant sa conférence à l'église. « Dans notre vie quotidienne, nous vivons le temps complètement différemment de la façon dont la physique moderne le décrit. Le présent, par exemple, s'avère n'être qu'une illusion. L'avant et l'après n'existent pas à l'échelle du plus petit. Et le temps va plus ou moins vite selon notre vitesse et la proximité de la masse.'
Dans son dernier livre Le Mystère du Temps Rovelli fait table rase de notre compréhension du temps – c'est ahurissant le peu qu'il en reste. Il construit alors lentement une nouvelle perspective sur le temps, renouant avec son domaine d'expertise, la gravitation quantique en boucle. Enfin, Rovelli part à la recherche de la source du temps tel que nous le connaissons à nouveau, sans se priver d'un zeste de poésie. C'est un soulagement, car s'il existe un phénomène physique si profondément lié à l'existence humaine, c'est bien le temps.
Votre livre est structuré selon une structure claire en trois parties. Le trouvons-nous également dans votre propre vie ? Votre vision du temps a-t-elle évolué de manière similaire ?
(Surpris :) Je n'y ai pas encore vraiment pensé. Mais je pense que oui. Dans la première partie de mon livre, j'explique en quoi le temps physique diffère de la façon dont nous le ressentons en tant qu'humains. Cela m'a aussi choqué à l'époque. J'étais probablement dans ma dernière année de lycée à l'époque, apprenant la théorie de la relativité. Ce n'est qu'après mes études et mon doctorat que j'ai commencé à réfléchir plus profondément au temps, en termes de gravitation quantique à boucles. Je l'explique dans la deuxième partie du livre. La principale conclusion est que dans les lois fondamentales du monde quantique, le monde des plus petits, le temps ne joue aucun rôle. Et pourtant ces équations décrivent exactement ce que nous observons ! La troisième partie est plus philosophique. Beaucoup plus tard, j'ai commencé à réfléchir à la façon dont nous pouvons reconnecter le temps tel que décrit par la physique moderne avec notre sens du temps. Parce que ce sentiment vient aussi de quelque part."
Vous écrivez que notre sens du temps est le résultat de notre vision limitée du monde. Nous vivrions dans un « sous-ensemble de l'univers ». Voulez-vous dire que le temps est une illusion ?
"Je n'appellerais pas cela une illusion, c'est trop fort. Nous voyons également le soleil tourner autour de la terre, bien que nous sachions que c'est le contraire qui se produit. C'est donc avec le temps. Nous savons maintenant que notre sens du temps est erroné, mais notre expérience est simplement colorée par la situation particulière dans laquelle nous nous trouvons. Cette situation découle de notre longévité et de notre position spécifique dans le monde. »
Selon vous, le physicien autrichien Ludwig Boltzmann a été le premier à regarder le temps avec cette nouvelle perspective. Il a lié la direction du temps qui nous est si familière - la "flèche du temps" qui pointe du passé vers le futur - à l'entropie, une quantité physique qui ne peut qu'augmenter.
Boltzmann fut en effet le premier à proposer l'idée que la direction du temps a une origine statistique. Il a incorporé cette statistique dans l'entropie, que vous pouvez voir comme une mesure du désordre. La loi d'entropie croissante est donc la seule équation en physique qui pousse le temps dans une certaine direction. Je pense que Boltzmann avait déjà des idées très claires sur la nature du temps. En tout cas, bien plus que ses collègues, dont beaucoup ne croyaient pas encore aux atomes et aux molécules. Pourtant, je ne crois pas que les implications de son travail pour notre compréhension du temps lui soient pleinement apparues.'
Nous savons que notre sens du temps est erroné, mais notre perception est simplement colorée par notre position dans le monde
Et quelles sont exactement ces implications ?
« La conclusion étonnante qui se dégage des travaux de Boltzmann est que la différence entre le passé et le futur est liée à la façon dont nous, les humains, voyons le monde. La direction du temps que nous ressentons si clairement, et qui semble si élémentaire et existentielle, est le résultat de notre incapacité à percevoir le monde dans ses moindres détails. Nous regardons flous, et la flèche du temps est le résultat de notre myopie."
Les physiciens regardent-ils trop peu le phénomène du temps avec un œil philosophique (de préférence aussi aiguisé) ? Pour beaucoup, c'est juste une variable "t" par rapport à laquelle ils exécutent leurs équations.
« Les physiciens ne sont en effet pas toujours friands de réflexions philosophiques. Pourtant, des physiciens bien connus tels que Newton, Maxwell, Boltzmann, Einstein et Heisenberg portaient incontestablement des lunettes philosophiques. Si nous voulons vraiment comprendre le monde physique, et pas seulement le décrire, nous ferions mieux de prendre cette perspective en compte.'
Grâce à votre champ, bouclez la gravité quantique, vous arrivez à une description discrète du temps au niveau le plus infime. On y rencontre des pas de temps de longueur minimale – indivisible.
« Nous supposons en effet une certaine 'granularité' dans le temps. Chaque durée est alors un multiple de ce plus petit pas de temps, que nous appelons le temps de Planck ou temps quantique. Ce temps est bien sûr trop court pour être jamais mesuré (si vous exprimez le temps de Planck en secondes, vous ne trouverez que le premier nombre non nul à 44 décimales, ndlr).'
Le plus petit intervalle de temps minimal me rappelle une expérience de pensée bien connue de la philosophie des sciences, à savoir le paradoxe de Zénon (voir encadré). Le résolvez-vous avec ça ?
"C'est vrai qu'Achille peut rattraper la tortue si le temps passe discrètement. Les Grecs le savaient déjà. Leur vision du monde était bien plus discrète que la nôtre, il suffit de penser à Démocrite et Épicure et à leur atomisme.'
La direction du temps que nous ressentons si clairement est le résultat de notre incapacité à percevoir les moindres détails
Vous êtes un admirateur d'Anaximandre, l'un des premiers philosophes grecs. Pourquoi était-il si spécial ?
Anaximandre a vu la terre comme une pierre qui flottait à travers l'univers. Il a été le premier à voir que le ciel n'était pas seulement au-dessus de nous, mais à côté et au-dessous de nous. De plus, il a dit que les objets ne tombent pas, mais qu'ils tombent vers la terre. Ce fut un très grand changement de mentalité. Il a contribué à façonner la vision grecque du monde, car les philosophes après lui savaient que la terre était ronde. On pourrait l'appeler le tout premier scientifique. Anaximandre a montré que nous pouvons changer notre compréhension du monde uniquement en utilisant des arguments rationnels. De plus, il avait aussi une vision plus pratique. Par exemple, il a découvert que l'eau de pluie pouvait s'évaporer et éventuellement se retrouver à nouveau dans l'atmosphère.'
Vous avez également écrit un livre sur lui.
« J'ai commencé à me plonger dans la vie et l'œuvre d'Anaximandre tout en enseignant l'histoire des sciences. Puis j'ai découvert qu'il n'y avait qu'une poignée de livres sur lui. (rires :) Ensuite, il est bien sûr facile de devenir un expert. Ces livres, cependant, ont été écrits par des classiques, des historiens et des philosophes. Bref, il leur manquait la vision purement scientifique. Je sentais que l'importance de l'étape cruciale d'Anaximandre dans la pensée scientifique avait été éclipsée. J'ai essayé de me rattraper."
Retour dans le temps. Une autre expérience de pensée célèbre en physique est le paradoxe des jumeaux. La prédiction selon laquelle un frère qui revient sur Terre après un long et lointain voyage dans l'espace sera plus jeune que son frère jumeau, contredit notre intuition. Connaissez-vous aussi des exemples de situations de la vie quotidienne qui heurtent notre sens du temps ?
"Vous devez d'abord réaliser que la nature étrange du temps se manifeste à peine dans notre expérience quotidienne. Mais si vous prenez deux horloges et que vous les placez à des hauteurs différentes, vous remarquerez une différence avec le temps. L'horloge qui pend plus bas fonctionnera plus lentement car elle est exposée à une plus grande gravité. De nos jours, vous pouvez acheter en ligne des horloges hyper précises avec lesquelles vous pouvez le démontrer vous-même. Vous perdrez un millier d'euros bâclé."
Mais pour les situations avec des décalages horaires choquants, nous devons aller au cinéma pour le moment.
"Si jamais nous parvenons à envoyer un vaisseau spatial sur une planète ou une étoile très massive, le temps des astronautes à bord ralentira. Le film Interstellaire montre de façon dramatique les conséquences que cela a. Lorsque l'astronaute revient sur Terre, sa fille a des décennies de plus que lui. Ainsi le temps ralentit près d'une masse lourde. Près d'un trou noir, le temps s'arrêterait presque. C'est peut-être ce qui se rapproche le plus de ce qui se passe à l'échelle microscopique."
Zénon d'Elée était un élève du philosophe grec (présocratique) Parménide. Selon ce dernier, le mouvement et le changement étaient une illusion. Zeno a essayé de soutenir les enseignements de son mentor avec le paradoxe d'Achille et de la tortue.
Le héros grec Achille se mesure avec une tortue (turbo), qui prend une avance de 100 mètres au départ de la course. Achille n'a besoin que de dix secondes pour couvrir cette distance. Cependant, la tortue ne reste pas immobile, elle court deux fois moins vite qu'Achille. Pendant ces dix secondes, la tortue a donc avancé d'une cinquantaine de mètres. Dans les cinq secondes qui suivent, Achille parcourt ces cinquante mètres, et pourtant la tortue est toujours à vingt-cinq mètres devant. En un rien de temps (2,5 secondes) Achille parcourt cette distance, mais, effectivement, la tortue a encore 12,5 mètres d'avance... L'écart d'Achille va donc diminuer, mais ne deviendra jamais nul. La tortue restera toujours devant et Achille ne dépassera jamais la tortue.
Carlo Rovelli (1956) est encore plus célèbre dans son Italie natale que Stephen Hawking. Vulgarisateur de la physique moderne, il collabore régulièrement aux grands journaux italiens tels que La Repubblica et Corriere della Sera † Il a cinq livres de vulgarisation scientifique à son actif, dont Seven Short Reflections on Physics (2015) est la plus connue. Plus d'un million d'exemplaires de ce livre ont été vendus dans le monde. Depuis le début de ce siècle, Rovelli travaille comme physicien théoricien à l'Université d'Aix-Marseille, où il étudie et enseigne la gravitation quantique à boucles.
