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Qu’est-ce que la flèche du temps, et pourquoi a-t-elle dérouté les physiciens pendant près d’un siècle ?

La flèche du temps peut être expliquée assez simplement comme l’observation que nous nous souvenons du passé et pas du futur. Nous avons accès aux livres d’histoire et à tous les autres types de documents sur ce qui nous a précédés, mais pas de telles informations dans l’autre sens.

Maintenant, cela peut sembler simpliste, mais il y a une énigme ici. Les lois de la physique sont symétriques, ce qui signifie qu’elles fonctionnent quelle que soit la façon dont vous vous déplacez dans le temps. Par exemple, imaginez que vous regardez un film montrant un œuf tombant d’une table et se brisant sur le sol. Si vous regardez ce même film en différé avec toutes les fissures et les morceaux de l’œuf cassé se réorganisant proprement, et cette énergie de reformation forçant l’œuf à bondir à nouveau sur le puits de la table, cela obéit également aux lois de la physique.

Donc maintenant nous avons une question. Comment se fait-il que partout où nous regardons, nous voyons toujours le premier scénario et jamais le second ?

Avons-nous des explications plausibles ?

Il existe de nombreuses explications différentes, et la plupart d’entre elles tournent autour de l’idée que la flèche du temps est fondamentalement générée par une augmentation de l’entropie. L’entropie, très grossièrement, est une mesure du degré d’enchevêtrement et de désordre d’un système. Et l’entropie n’est pas symétrique. C’est ce qu’on appelle la deuxième loi de la thermodynamique : Nous savons qu’à long terme, tout système suffisamment grand augmentera toujours son entropie ; il passera d’un état ordonné à un état moins ordonné.

Imaginez que vous versiez une salière à moitié pleine de sel, puis que vous la surmontiez de poivre. Elle aurait l’air bien ordonnée au début ; mais chaque fois que vous la déplacerez ou la secouerez, votre sel et votre poivre se mélangeront de plus en plus et seront désordonnés. C’est l’entropie. Et parce que c’est un processus à sens unique, de nombreux physiciens ont émis l’hypothèse qu’il dictait en quelque sorte la direction dans laquelle pointe la flèche du temps.

Mais ces explications ont deux problèmes sérieux. Le premier est que l’entropie a une limite supérieure – notre salière et poivrière ne peut être que si aléatoire, jusqu’à ce que le secouer ne la rende pas plus désordonnée. Deuxièmement, pour constater une augmentation de l’entropie (et donc générer cette flèche du temps), il faudrait une configuration de départ spéciale où le sel et le poivre seraient organisés au départ. Si nous regardons notre propre univers, cela crie pour une explicationun état initial hautement organisé est une configuration aléatoire très, très improbable.

Vous avez créé un modèle qui montre que vous pouvez effectivement contourner ces problèmes en regardant une propriété appelée complexité. Pouvez-vous expliquer cela ?

Nous avons fait un modèle qui est une approximation de l’univers à grande échelle, où la gravité est la force dominante, et l’univers est rempli de particules. Gardez à l’esprit que c’est une approximation simplifiée. Par exemple, nous n’incluons aucune des autres forces, ou quelque chose comme les ondes gravitationnelles ou la matière noire.

Maintenant, la raison pour laquelle nous n’avions pas besoin de conditions de départ spéciales pour générer une flèche du temps est compliquée, mais elle est ancrée dans le fait que la gravité, contrairement à toutes les autres forces, est universellement attirante. (Alors que les forces forte et faible et l’électromagnétisme peuvent pousser ou tirer différents types de particules, la gravité ne fait que tirer). Ce point est important. Parce que, tandis que la combinaison d’une attraction et d’une répulsion créera inévitablement une sorte d’équilibre chaotique, la traction constante de la gravité fera croître continuellement une sorte de structure, à partir de laquelle nous pouvons dériver une flèche du temps.

Ce que cela signifie du point de vue de notre modèle, c’est que, étant donné n’importe quel éparpillement initial aléatoire de particules, lorsque la gravité commence à tirer, l’univers se fragmente en amas de plus en plus denses ; notre modèle s’est coagulé en ces petits sous-systèmes. Si cela peut vous aider, vous pouvez vous les représenter comme des amas globulaires d’étoiles. Ces amas, parce qu’ils ont développé leur propre rotation, énergie et momentum, ont en fait collecté des informations sur le reste du modèle. Ils encodent des données sur la structure passée du modèle à travers leurs diverses propriétés, un peu comme un livre d’histoire. En d’autres termes, ils indiquaient une direction dans le temps.

Retournez en arrière une seconde. Si nous ne regardons que la gravité, alors pourquoi votre modèle ne s’est pas effondré sur lui-même ?

C’est un point intéressant. Nous savons que lorsque vous regardez l’univers dans son ensemble, il est en expansion. Nous avons implémenté cette expansion dans notre modèle en disant que le rapport entre la plus grande et la plus petite distance entre les particules augmente constamment.

C’était la clé, car dans ce système en expansion où la gravité domine, vous voyez immédiatement quelque chose de très intéressant se produire. La complexité de l’univers (et nous utilisons « complexité » comme une quantité physique précise pour décrire à quel point notre modèle est clusterisé) croît sans fin. Nous avons découvert que vous pouvez créer un modèle où la complexité du système augmente sans limite, quelle que soit la position de départ que vous entrez.

Mais qu’en est-il de tous les autres phénomènes physiques qui ne sont pas liés à la gravité ? Pourquoi les voyons-nous toujours se déplacer d’une seule façon dans le temps ?

Nous travaillons actuellement sur ce sujet, et je vais essayer de simplifier nos premières conclusions. Un excellent exemple est que si vous regardez un atome qui se désintègre, vous constatez toujours qu’il se désintègre en un atome plus léger, jamais en un atome plus lourd. Cela suit une flèche du temps et n’a apparemment rien à voir avec la gravité, n’est-ce pas ? Pas exactement. Vous devez réaliser que, pour cet atome, quelque chose a dû le mettre dans un état de départ spécial où il était capable de se désintégrer.

Nous n’avons pas encore décrit un tel atome. Mais nous avons un modèle dans lequel l’univers primitif, lorsque la gravité était la force dominante, génère des états de départ très atypiques. Et comme l’univers s’est étendu, et que la gravité a cessé d’être la force dominante pour les petits sous-systèmes comme l’atome, ces pieux de départ ont en quelque sorte forcé toutes les autres flèches du temps à marcher au pas.

Donc vous me dites qu’il est possible que l’univers primitif ait eu plusieurs flèches du temps, se déplaçant dans des directions différentes ?

Oui, c’est possible. En fait, nous appelons ce processus hylogène, l’idée qu’à un certain stade de l’univers primitif, les différentes flèches du temps étaient toutes désordonnées. Mais comme la gravité était la force dominante, elle a fini par les pousser à pointer toutes dans la même direction. Avant ce point, il n’y avait pas d’espace-temps au sens où nous l’expérimentons actuellement.

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