Qu'est-ce que le temps ? (2) - Les révolutions du début du XXème siècle

Cette article est le deuxième d'une série consacrée au temps vu par la science, et en particulier aux notions d'irréversibilité et de déterminisme. Dans le premier article, la physique classique et la thermodynamique nous ont offert l'image d'un monde mécanique déterministe et dont irréversibilité dans le temps, bien qu'observée, serait une sorte d'illusion ; un monde dans lequel tout serait donné d'avance par les conditions initiales et qui se dirigerait petit à petit vers le désordre et l'homogénéité maximale. Seulement l'histoire ne s'arrête pas là. La science fait son chemin. A la fin du XIXème siècle, certains pronostiquent déjà l'aboutissement de la science : l'ensemble des phénomènes fondamentaux seraient expliqués, et le reste ne serait qu'une question de complexité à élucider. Mais petit à petit les scientifiques étendent leur domaine jusqu'à en atteindre les limites, et au début du XXème siècle, par l'étude des phénomènes électromagnétiques, une double révolution allait mettre fin à ce rêve.


La relativité

La première révolution scientifique du début du XXème siècle mettra à mal la conception de l'espace et du temps comme celle d'un cadre figé dans lequel se déroulent les événements. Certaines observations sont incompatibles avec ce modèle. Au début du XXème siècle, Einstein, grâce aux travaux de Lorentz et de Poincaré, proposa un nouveau modèle pour y remédier, un modèle plus générale duquel la théorie de Newton n'est qu'une approximation : la théorie de la relativité. Cette nouvelle théorie allait bouleverser nos conceptions de l'univers et fournir un nouveau cadre fructueux à la science.

Selon la théorie d'Einstein, l'espace et le temps ne sont pas figés mais sont en interaction avec leur contenu matériel. Tout comme les trajectoires des particules dépendent de la géométrie de l'espace et du temps, cette dernière dépend de la présence de ces particules d'énergie et de matière. Enfin l'espace et le temps mesurées par une particule dépendent également de sa vitesse au sein de cet espace-temps. Il en résulte que le temps n'est pas le même partout ni pour tout le monde dans l'univers. les longueurs et les durées se contractent ou s'étirent. Elles sont relatives et non pas absolues. Même si ceci ne peut pas se ressentir pour nous êtres humains, plongés dans un espace temps trop uniforme, des expériences l'ont pourtant vérifié par la suite : la théorie colle à la réalité des observations.

Cette nouvelle géométrie de l'espace temps est surprenante. C'est un cadre dans lequel on peut construire différents modèles possibles. Le temps n'y est qu'une simple dimension tout comme l'espace : certains modèles autorisent même le rebouclage du futur vers le passé, bien que ceci s'accorde difficilement avec le principe de causalité. Avec l'observation de l'expansion de l'univers viendra ensuite la théorie du big bang, et en collaboration avec la physique quantique, l'essor de la cosmologie. L'univers n'est plus statique comme on le croyait : il a une histoire, celle de la formation des particules, des atomes puis des étoiles et des galaxies. La théorie de la relativité bouscule les intuitions. Cependant, s'il y a une chose qu'elle ne remet pas en question, c'est une vision du temps profondément déterministe et réversible.


La physique quantique

La seconde révolution scientifique du XXème siècle concerne la façon dont on conçoit les particules élémentaires. Avec Newton, elles étaient ponctuelles. Avec la physique quantique, vérifiée par les observations de l'infiniment petit, les particules sont des ondes. Elles sont constituées de superpositions d'états fondamentaux ondulatoires qui ne forment pas un continuum d'états mais des états bien distincts et quantifiés. De plus la décompositions en états fondamentaux peut se faire mathématiquement (se "voir") de différentes façons suivant la propriété que l'on souhaite mesurer : la vitesse, la position... Et ces différentes façons de "voir" sont incompatibles entre elle : un état fondamental pour la vitesse est une superposition d'états pour la position, et vice versa.

Cette superposition est bien réelle, puisque les différents états superposés sont susceptibles d'interférer entre eux, et que l'on peut observer les effets de ces interférences. Pourtant aussitôt qu'on mesure une particule avec un appareil, la superposition disparait et la particules n'occupe plus qu'un état, l'état mesuré. Plus surprenant, si l'on répète l'expérience à l'identique, on observera des résultats différents à chaque fois. Ainsi non seulement la mesure transforme la particule, mais de plus elle brise la symétrie du temps, puisqu'un même état de départ peut fournir différents résultats à l'arrivée. L'onde qui modélise la particule ne semble être au final qu'une onde de probabilité, elle n'est jamais observé que comme tel. Les équations de la physique quantique auxquelles est soumise cette onde sont parfaitement déterministes et réversibles. Cependant la mesure est un acte fondamentalement indéterministe et irréversible dont le résultat est imprévisible.

Nous ne pouvons observer des particules qu'en les mesurant. Il y a donc un fossé apparemment infranchissable entre le modèle qui permet la prédiction et le résultat de l'expérience. La question que l'on peut se poser est : l'onde de probabilité a-t-elle une existence réelle ? Et si oui, à quel moment intervient sa transformation, son actualisation lors de la mesure ? Est-ce la conscience de l'homme qui actualise l'état de la particule ? Mais dans ce cas le monde existait-il avant l'homme ? Est-ce que ce sont les particules au fil des interactions qui provoquent ce phénomène à grande échelle ? Ou bien finalement, est-ce cette actualisation n'a jamais lieu parce qu'il existe autant d'univers que de résultats possibles d'une expérience ? Mais à quel moment ces univers multiples se divisent-ils ? La réponse à cette question semble inaccessible, si bien qu'on serait tenté de ne pas chercher à y répondre du tout : la théorie remplit son rôle prédictif, ne lui en demandons pas plus...


Une vision du temps irréaliste ?

La science s'est développée au cours des siècles dans différentes disciplines, en particulier la biologie ou les sciences humaines. Avec Darwin, le temps semble jouer un rôle essentiel. L'évolution a un sens. Dans les sciences humaines également, et même en cosmologie, il est impossible de s'affranchir du temps et de son irréversibilité. Finalement la science elle même est une accumulation de connaissance qui a semble-t-il besoin d'un temps irréversible pour exister. Mais il existe un obstacle de taille qui empêche de relier définitivement toutes ces disciplines à la physique : à ce jour aucune loi scientifique fondamentale de la matière n'est ni indéterministe, ni irréversible.

La science connait un énorme succès prédictif et explicatif. Pourtant en assimilant le temps à une dimension équivalente aux dimensions spatiales, en ne différenciant pas fondamentalement le passé du futur, elle offre une vision qui s'éloigne toujours plus de l'intuition et du vécu. La physique ne permet pas l'existence du hasard qui nous semble familier : il n'est que contingence, ou bien il dissimule notre ignorance. Le libre arbitre non plus n'y a pas sa place, ni la conscience d'exister, à moins de postuler l'existence de l'âme immatérielle. Par ailleurs la vision du temps thermodynamique comme d'un cheminement inéluctable vers le désordre ne s'accorde pas avec toutes les structures apparues dans l'univers, des atomes aux galaxies en passant par les êtres vivants. Ces structures, bien qu'étudiées par la science, sont inexpliquées. Les seules conceptions qui nous restent, presque, sont celle de l'univers se déroulant dans l'absurde ou bien celle d'un Dieu créateur et de l'homme comme sa finalité inéluctable... Toute recherche de sens semble vaine. Est-ce le prix à payer de la connaissance ?

La physique quantique peut sembler nous ouvrir une porte de sortie de cette vision fataliste de l'univers. Le monde nous est irréductiblement indéterministe. Seulement passer du fatalisme déterministe au fatalisme aléatoire n'est peut être pas d'un grand secours. De plus l'interprétation de la mesure n'est pas claire et sujette à débat. Enfin, quand bien même le monde serait soumis au hasard à petite échelle, on peut penser que ces fluctuations s'annulent les unes les autres ou bien n'ont aucun impact déterminant à grande échelle. C'est pourquoi de nombreux physiciens (comme Hawking) pensent que l'univers est entièrement déterminé par ses conditions initiales. Einstein lui même ne concevait pas l'existence du hasard. Il se refusait à imaginer que le monde puisse être indéterministe : "Dieu ne joue pas aux dés". Cependant, comme nous le verrons dans le prochain article, d'autres conceptions du temps sont possibles.