Dans cet article de blog, nous explorons si le temps s’écoule réellement uniquement en ligne droite et comment sa directionnalité peut changer au sein de l’univers et de l’évolution.
Qu'est-ce que le temps ? Augustin d'Hippone disait : « Quand personne ne me le demande, je sais ce qu'est le temps ; mais quand j'essaie de l'expliquer, je ne le sais plus. » Ces mots d'Augustin d'Hippone illustrent parfaitement la nature du temps. Bien que son essence soit difficile à saisir, il est clair que le temps s'écoule comme une flèche, du passé vers l'avenir. Ce flux imprègne chaque instant de notre vie, et l'expérience humaine est structurée par le passage du temps. Le passé dont nous nous souvenons, l'avenir que nous prévoyons et le présent dans lequel nous vivons s'inscrivent tous dans le cadre du temps.
Les recherches scientifiques sur la directionnalité du temps n'ont débuté qu'à l'époque moderne, selon deux perspectives principales : le temps cosmologique et le temps thermodynamique. Le temps cosmologique se rapporte à la direction de l'expansion de l'univers. Le temps thermodynamique, quant à lui, est un concept lié à l'évolution du temps dans le sens de l'augmentation de l'entropie, ou du désordre. Ces deux perspectives offrent des cadres essentiels à la compréhension du concept de temps, et chaque théorie contribue de manière unique à son explication.
Le temps cosmologique, concept de temps applicable à l'univers, a été introduit par les lois d'Isaac Newton et la théorie de la relativité d'Albert Einstein. Selon les lois de Newton, connaître l'état actuel d'un objet (sa position et sa vitesse) permet de déterminer son état futur ou passé. Cependant, lorsqu'on applique ces lois à l'univers entier, il devient impossible de déterminer si le temps s'écoule vers le passé ou vers le futur. Autrement dit, même si l'on supposait que le temps s'écoule à rebours, le mouvement des objets semblerait toujours obéir aux lois de Newton. C'est ce qu'on appelle la symétrie du temps. Par exemple, des images du mouvement des planètes, capturées par une sonde spatiale, seraient parfaitement reproduites, qu'on les lise à l'endroit ou à l'envers, et resteraient en accord avec les lois de Newton. Par conséquent, les lois de Newton seules ne peuvent expliquer de manière satisfaisante la directionnalité du temps cosmologique, qui est censé progresser dans le sens de l'expansion actuelle de l'univers.
De plus, même la théorie de la relativité d'Albert Einstein, considérée comme la théorie expliquant le mieux l'expansion de l'univers à ce jour, ne parvient pas à expliquer correctement la directionnalité du temps. Si cette théorie a apporté des contributions révolutionnaires en redéfinissant la relation entre le temps et l'espace et en expliquant le fonctionnement de l'univers, elle laisse encore des lacunes concernant l'asymétrie du temps. Cette limitation a incité les scientifiques à rechercher une nouvelle théorie unifiée et exige une compréhension plus approfondie du fonctionnement du temps.
Parallèlement, le temps thermodynamique désigne le temps décrit par le second principe de la thermodynamique. Selon ce principe, les phénomènes naturels évoluent dans le sens où l'énergie se dissipe et l'entropie augmente. De même qu'un pot en céramique se brise lorsqu'on le laisse tomber au sol, ou que la fumée qui s'élève d'une pièce se disperse progressivement et se propage vers l'extérieur lorsqu'on ouvre une fenêtre, la nature tend vers un état de désordre maximal. Le temps observé dans ces exemples est irréversible, d'où son nom de temps irréversible. Le sens de ces phénomènes naturels correspond précisément au sens du temps thermodynamique. Ce principe explique la directionnalité du temps que nous percevons dans notre monde quotidien sans s'écarter de la réalité.
Le second principe de la thermodynamique peut parfois sembler problématique. Il paraît contredire la théorie de l'évolution, qui postule que les formes de vie émergent et évoluent vers des organismes ordonnés. En effet, l'évolution considère que des formes de vie plus simples évoluent vers des formes plus complexes, impliquant une augmentation du degré d'ordre. Face à cette apparente contradiction, Ilya Romanovitch Prigogine a démontré que l'ordre peut émerger du désordre, expliquant ainsi la coexistence possible entre la théorie de l'évolution et le second principe de la thermodynamique. Autrement dit, la nature ne se limite pas à des processus tendant vers l'équilibre thermique – l'état d'entropie maximale – mais peut également présenter des phénomènes de non-équilibre minimisant l'augmentation d'entropie. En d'autres termes, si le monde naturel tout entier progresse indubitablement vers l'équilibre thermique, des états de non-équilibre peuvent se manifester dans des régions spatio-temporelles spécifiques.
Par exemple, lorsqu'une goutte d'encre tombe dans l'eau, elle atteint un état d'équilibre pâle. Cependant, l'observation du processus révèle les motifs et les structures qui se créent à mesure que l'encre se répand. Il s'agit précisément d'un exemple d'état de non-équilibre qui apparaît temporairement dans l'eau. La théorie de l'évolution est également perçue comme un phénomène correspondant à ce processus où persistent des états de non-équilibre. Ainsi expliquée, la seconde loi de la thermodynamique peut coexister sans contradiction avec la théorie de l'évolution, tout en expliquant efficacement le sens du temps dans notre environnement quotidien. De plus, cet aspect de la seconde loi de la thermodynamique suggère que le sens du temps ne suit pas uniquement l'augmentation de l'entropie ; localement, l'ordre et la complexité peuvent croître. Ceci est en accord avec divers phénomènes naturels qui nous entourent et joue un rôle crucial dans la compréhension de la complexité de la vie et de l'évolution.
Mais que se passe-t-il si l'on étend cette deuxième loi à l'univers entier ? À terme, l'univers passera d'un état de faible entropie à un état de forte entropie et de désordre. Si ce processus d'augmentation de l'entropie se poursuit indéfiniment, l'univers atteindra un état d'entropie maximale, appelé « mort thermique », où toute l'énergie utilisable est complètement dissipée et où aucune activité ne se produit. Cet état de mort thermique représente le point final ultime du temps. Cependant, cette interprétation ne tient pas compte de la force gravitationnelle agissant pendant le processus d'expansion de l'univers. Elle reste donc une simple hypothèse et ne décrit pas précisément le temps réel de l'univers.
De même, le second principe de la thermodynamique n'est valable que dans le monde quotidien ; il ne parvient pas à expliquer de manière satisfaisante le sens du temps à l'échelle de l'univers. De même, les lois d'Isaac Newton décrites précédemment et la théorie de la relativité ne peuvent expliquer le sens du temps cosmologique. Le concept de temps est bien plus complexe que ce que nous percevons au quotidien, et exige des recherches et une compréhension bien plus approfondies de son essence. Pour parvenir à une véritable explication du sens du temps, une théorie unifiée est nécessaire, capable d'expliquer simultanément le sens du temps dans notre réalité quotidienne et celui à l'échelle de l'univers. L'élaboration d'une telle théorie représente un défi majeur pour la science moderne.
