A la recherche du temps. Horava

28.09.2010

Vous manquez de temps? Pourquoi ne pas vous en passer?
Jean-Paul Baquiast et Christophe Jacquemin 27/09/2010

Sources
Carlo Rovelli. Forget time, août 2008 http://www.fqxi.org/data/essay-contest-files/Rovelli_Time.pdfréservé aux physiciens)
Carlo Rovelli: Entretien http://www.larecherche.fr/content/recherche/article?id=27848 (payant)
Petr Horava http://en.wikipedia.org/wiki/Petr_Ho%C5%99ava
NewScientist; Anil Ananthaswamy Rethinking Einstein. The end of space-time.Août 2010 http://www.newscientist.com/article/mg20727721.200-rethinking-einstein-the-end-of-spacetime.html (payant)
Sur le graphène http://fr.wikipedia.org/wiki/Graph%C3%A8ne

Le Dieu Chronos, réputé dévoreur de ses enfants.

Article en discussion. N'hésitez pas à réagir

Ce même mot, le temps, désigne deux «choses » différentes, que l'on appelle en général le temps psychologique et le temps physique ou cosmologique. Le temps psychologique correspond à une intime conviction, partagée par chacun d'entre nous, au moins dans les sociétés occidentales: nous changeons en permanence, de façon irréversible et plus ou moins rapidement. Au terme de ceux de ces changements qui nous affectent personnellement, nous mourrons. Comment mesurer la nature et le rythme de ces changements? Ils paraissent s'inscrire dans un cadre évolutif extérieur à nous, de nature à proprement parler indéfinissable, mais qui peut être mesuré, d'abord intuitivement, puis avec des instruments de plus en plus précis. Cependant, la sensation subjective que nous avons de l'écoulement du temps n'est pas la même pour tous les instants de la vie et pour toutes les personnes. D'où l'hypothèse qu'il s'agit d'une construction psychologique, de nature culturelle.

Le temps physique ou cosmologique est tout autre. Il s'agit d'une des variables, représentée en pratique par la lettre « t » , que les physiciens utilisent dans les équations par lesquelles ils modélisent l'univers. « t » désigne l'écoulement du temps dans lequel s'inscrit l'histoire de l'univers. Selon les modèles d'univers retenus, il peut avoir des significations très différentes. Dans les modèles dits galiléo-newtoniens, le temps est une constante. Il est défini comme un cadre absolu et est inaltérable. En particulier il ne subit pas l'influence des mouvements des astres. C'est cette propriété qui a suggéré l'idée de le représenter par les horloges. Dans les modèles de la relativité générale proposés par Einstein, il est associé à l'espace avec lequel il varie de façon coordonnée. Il est déformé par la présence des masses. Le temps accélère ou ralentit selon la densité du milieu où se trouve celui qui l'observe. L'espace-temps est déformé par la présence de matière qui se manifeste par une force appelée gravité.

Pour Einstein, temps, espace et matière ne peuvent exister l'un sans l'autre. Cette notion retire de son importance au temps. Ce ne sont plus le temps et l'espace qui sont le cadre des phénomènes mettant en jeu la matière, mais les corps qui influent principalement sur le temps et l'espace. Dans un univers sans masse, le temps disparaît. Il en est de même dans les univers très massifs où les corps approchent de la vitesse de la lumière. Le lien entre espace et temps a aussi pour conséquence que la notion de simultanéité perd de son absolu : tout dépend de l'observateur. Ce phénomène n'est visible que si les observateurs se déplacent l'un par rapport à l'autre à des vitesses relativement élevées par rapport à la vitesse de la lumière. Ainsi le temps objectif du physicien n'en est pas moins variable, on dit aussi « local ». La mesure du temps est différente d'un observateur à un autre, quand leurs vitesses respectives sont différentes l'une par rapport à l'autre.

En pratique, pour celui qui expérimente le temps physiologique comme une réalité s'imposant à lui, le concept de temps physique n'a aucun sens. Il ne lui donne pas d'indications sur la façon dont est né dans le passé et pourra évoluer dans l'avenir ce temps physiologique, le seul qui l'intéresse. Pourquoi donc s'intéresser aux modèles cosmologiques cherchant à préciser le concept de temps physique ou cosmologique?

Sans doute parce que, intuitivement, ceux qui s'inscrivent dans le temps physiologique doivent sentir que ce dernier n'est pas une réalité, mais une création de leur cerveau. Ils perçoivent intuitivement que le concept de temps cache quelque chose de beaucoup plus profond, dont l'approfondissement pourrait changer la façon dont ils se représentent, eux-mêmes et le monde où ils vivent. On retrouve dans ce cas particulier l'attirance pour les concepts abstraits de la science fondamentale, même lorsque les découvertes entraînant l'approfondissement de ces concepts n'entraîne aucune conséquence pratique, immédiatement ou à terme.

Grâce à cette attirance, la science fondamentale progresse, malgré le peu de crédits dont elle dispose. Nous allons examiner brièvement ici quelques nouveautés actuellement en discussion, concernant aussi bien le temps psychologique que le temps cosmologique.

Le temps psychologique

Une hypothèse se répand de plus en plus, à propos de la nature de ce que nous nommons ici le temps psychologique . Si depuis l'antiquité grecque les philosophes et généralement les humains considèrent qu'il s'agit d'un cadre indépendant dans lequel s'inscrivent nos actions individuelles, sans pouvoir en modifier le cours, un certain nombre de chercheurs commencent à se demander si la conception que nous en avons n'est pas une création de nos cerveaux, de même que par exemple la couleur.

Les couleurs n'existent pas en tant que telles dans la nature, il s'agit seulement d'émissions électromagnétiques de différentes fréquences que nos cerveaux d'homo sapiens ressentent et interprètent d'une façon qui nous est propre, différente sans doute de celles dont beaucoup d'animaux interprètent les mêmes émissions, quand leurs sens leur permettent de les percevoir.

Le fait que depuis des siècles les humains ressentent le temps d'une façon identique ne voudrait pas dire que celui-ci serait un phénomène indépendant de nous. Il voudrait seulement dire que nos cerveaux ont depuis des siècles acquis les bases neurales permettant de le faire d'une façon identique, façon probablement sélectionnée par l'évolution parce qu'elle était favorable à notre survie. Il en est de même d'ailleurs des couleurs. Ce n'est pas parce que les cerveaux des peintres pariétaux du 15e millénaire avant notre ère leur permettaient (semble-t-il) de distinguer quelques couleurs de base que ces couleurs existent en tant que telles dans la nature. C'est parce que leurs cerveaux, sur ce plan là, étaient déjà configurés comme les nôtres.

Nous changeons en permanence, que ce soit au niveau de l'arrangement des molécules et cellules composant notre organisme, qu'à celui de l'agencement de celui-ci dans la société et des relations qu'entretiennent ces sociétés les unes avec les autres. S'interroger sur la nature du temps ne voudrait pas dire nier ces changements. Il est impossible de nier l'évolution, sauf à nier l'ensemble des phénomènes que nous pouvons identifier autour de nous. La question porte seulement sur la raison pour laquelle nos cerveaux, depuis des siècles mesurent ces changements à partir d'une référence unique, si universelle que l'on a finit par y voir une constante universelle du cosmos.

En fait, comme on sait, les moyens de mesurer le temps ont été différents à travers les âges, cycles des jours et des nuits, mouvements des astres, battements de coeur même (Galilée ayant utilisé son pouls pour constater la périodicité des oscillations d'un pendule, ce qui prouve qu'à l'époque tout au moins ses battements de coeur étaient très réguliers). Ce qui est devenu universel à l'usage fut le sentiment, d'ailleurs intuitif et non partageable) que le temps s'écoulait et qu'il s'écoulait d'une façon uniforme pour tout le monde.

Si l'on en revient à l'hypothèse de la psychologie évolutionnaire selon laquelle cette intuition généralisée est devenue un trait commun à tous les humains modernes parce qu'elle avait été sélectionnée depuis longtemps par l'évolution comme permettant des avantages de survie au sein de l'espèce, on doit cependant se demander quels étaient ces avantages et surtout, à partir de quel support physiologique commun s'est structurée l'émergence de cette notion d'un temps commun.

Il est inutile de s'interroger longtemps sur l'intérêt de disposer, à l'échelle de l'ensemble des sociétés humaines, d'un indicateur identique mesurant les transformations internes des individus et des groupes. La réponse semble évidente. Sans un tel indicateur, antérieur bien évidemment à l'invention des appareils à décompter le temps, aucun fonctionnement social de quelque ampleur n'aurait été possible.

Une question bien plus importante consiste à identifier les bases physiologiques ou neurologiques existant chez les homo sapiens comme sans doute chez de nombreuses autres espèces, ayant permis l'exaptation (pour reprendre le terme du regretté Stephen Jay Gould) de la perception de chronicité. Il fallait que ces bases existent chez les animaux bien avant que les hommes modernes ne s'appuient sur elles pour « inventer » le temps tel que notre cerveau croit aujourd'hui le percevoir. S'agit-il de quelque horloge biologique universelle, est-elle située au niveau des processus intracellulaires ou intercellulaires, est-elle seulement d'origine neuronale, trouve-t-elle son origine dans l'agitation thermodynamique des atomes et molécules de notre corps?

Nous n'avons pas eu pour notre part écho de beaucoup de recherches sur ces questions, qui seraient pourtant fort intéressantes. Tout ce qu'a constaté la psychologie la plus banale est que la perception du temps est légèrement différente selon l'âge, les acquis culturels et les racines sociales des individus. Il y aurait donc là nous semble-t-il un vaste domaine de recherche à approfondir. Les conséquences pratiques pourraient en être importantes.

Le temps cosmologique

Beaucoup de chercheurs, plutôt que s'interroger sur les processus biologiques gouvernant leur propre perception du temps, ont préféré rechercher les sources du temps dans le cosmos. Les articles référencés dans cet article et que nous allons commenter montrent qu'ils commencent peut-être à éclaircir la question. Comme nous l'avons rappelé en introduction, il existe deux grandes écoles partageant les physiciens à propos du temps.

L'une, théorisée par Newton et modifiée par Einstein fait du temps une variable indépendantes des évènements qu'y s'y déroulent, de même que la cage est indépendant des mouvements qu'y effectue le hamster. Référence absolue pour Newton, en l'espèce une cage réellement indépendante des déplacements du hamster, cette cage est devenue avec le Einstein de la relativité générale et les théoriciens de l'espace-temps, une référence relative, précisément, aux mouvement du hamster. La cage s'étend ou se rétrécit, tant dans l'espace que dans le temps, selon la vitesse des mouvements qu'y effectue le petit rongeur. Elle reste cependant une référence commune à tous les hamsters, respectant notamment la distinction entre un avant et un après, dite aussi la flèche du temps.

Pour la mécanique quantique au contraire, le temps n'a pas de sens, non plus que l'espace. Il s'agit d'arrière-plan statiques au mouvement des particules. A son échelle, au dessous de la longueur dite de Planck (10-35 centimètres) les trajectoires n'existent plus. Les particules (ou ce que l'on entend par ce mot) ne suivent plus de trajectoires individuelles observables . Elles résultent de la superposition d'un nombre très grand, sinon infini, de positions. Il n'est plus possible, dans ces conditions, de faire référence à une quelconque variable temps. Si l'on voulait extrapoler cette constatation à l'échelle du monde macroscopique, on pourrait dire que celui-ci résulte de la superposition d'états quantiques, c'est-à-dire de positions sans temps propres communs. Ce ne serait que sur le plan de la statistique des grands nombres que l'on pourrait éventuellement y voir émerger un temps commun.

Selon Carlo Rovelli, théoricien avec Lee Smolin de la gravitation quantique à boucles, il n'est pas impossible d'exprimer les équations de la relativité générale sans temps. La gravitation quantique à boucles essaie aujourd'hui de le faire, en prédisant des relations entre variables physiques ne tenant pas compte du temps. Elle veut rendre compte des changements en mesurant les changements de ces variables les unes par rapport aux autres. Ceci rendrait compte de l'évolution du monde sans tenir compte du temps. Mais la théorie générale d'une telle formulation, dit Rovelli, manque encore.

En reprenant le point de vue subjectif que nous évoquions ci-dessus, c'est en fait un peu ce que nous faisons dans la vie courante. Nous ne sommes pas toujours la montre à la main pour mesurer la nature temporelle des changements. Notre cerveau est par contre constamment occupé à mesurer les changements de positions des objets qui nous entourent, entre eux ou par rapport à nous. Sans doute mesure-t-il aussi, au plan endogène, les changements de position ou d'état de nos divers organes internes. Ce sont ces changements qui nous intéressent.

Lorsque je conduis une voiture, par exemple, je m'intéresse surtout à la position qu'occupe cette voiture par rapport à la voiture voisine ou au bord de la route. Je vis alors pleinement dans un univers relationnel et non dans un univers temporel. Les positions respectives se transforment, mais sans référence à une valeur temps commune. Ce ne sera que par un raffinement du cerveau calculateur qu'il m'arrivera de faire des hypothèses computationnelles concernant le temps qui me séparerait de la collision éventuelle avec un objet extérieur – d'où l'intérêt de survie, rappelé ci-dessus, consistant à disposer au plan social d'une unité de temps commune. Je peut en effet espérer que les autres automobilistes s'y réfèreront comme moi pour éviter les accrochages.

Le temps de Pietr Horava

Sur ces entrefaites, le physicien tchèque Pietr Horava, expatrié à Berkeley, a proposé en janvier 2009 une théorie de l'espace-temps qui provoque depuis un buzz considérable dans la communauté. La question est trop complexe pour être exposée ici en détail. Nous renvoyons aux articles cités en source comme aux commentaires qui les accompagnent sur les sites éditeurs. De quoi s'agit-il cependant? Comme on s'en doute, Horava est à cent lieux de l'approche biologico-neurologique du temps que nous évoquions ci-dessus. Par contre, c'est toute la cosmologie moderne qui pourrait être ébranlée par ses hypothèses, si elles se révélaient fondées.

Elles questionnent les constantes dites universelles, et notamment la conception que l'on peut se faire de l'après big-bang, des trous noirs, de la matière noire et de l'énergie noire. Les divergences rappelées plus haut entre relativité et mécanique quantique se manifestent de façon particulièrement gênante à propos de la constante gravitationnelle G, définie par Newton et reprise avec quelques modifications par Einstein. La force d'attraction entre deux corps massifs est proportionnelle au produit de leur masse et inversement proportionnelle au carré de la distance qui sépare leurs centres de masse respectifs. Autrement dit, la constante gravitationnelle est une constante de proportionnalité de la force de gravitation c'est-à-dire d'attraction entre les corps.

Aux grandes échelles, les équations de la relativité générale donnent une valeur de G à peu près conforme aux observations (bien que celles-ci soient difficiles à réaliser avec-précision). Aux très petites distances, la relativité général doit tenir compte des fluctuations quantiques de l'espace-temps qui affectent les objets observées, ce qui donne pour G des valeurs inutilisables, rendant les prédictions impossibles.

Or Pietr Horava a voulu observer ce qui se passait dans un matériau très commun, la mine d'un crayon ordinaire, constituée de graphite. Le graphite résulte de l'empilement de cristaux monoplans de carbone dits graphène. Ce dernier corps fait actuellement l'objet de nombreuses études compte tenu des propriétés que l'on y découvre. Il s'agit d'une forme de ce que l'on nomme la matière condensée. On appelle physique de la matière condensée celle qui s'intéresse aux structures qui apparaissent dans les systèmes où le nombre de constituants est grand et les interactions entre eux sont fortes. C'est le cas du graphène.

Les atomes de graphène sont de très petites particules et les mouvements des électrons qui s'y meuvent peuvent être décrits par les équations de la mécanique quantique. Comme par ailleurs ils se déplacent à des vitesses très inférieures à celle de la lumière, il n'est pas nécessaire de tenir compte des effets relativistes. Si cependant l'on refroidit le graphène aux alentours du zéro absolu, les mouvements des électrons y accélèrent considérablement si bien qu'il faut faire appel aux théories de la relativité pour les décrire correctement.

L’une des idées centrales de la relativité est que l’espace-temps doit posséder une propriété appelée “symétrie de Lorentz” : pour que la vitesse de la lumière reste identique indépendamment des observateurs et de la vitesse avec laquelle ils se déplacent, le temps et les distances se contractent exactement dans les mêmes proportions. Or Horava a constaté que dans le graphène, la symétrie de Lorentz ne s’y manifeste pas toujours. Elle dépend des variations de température. Il s’est donc demandé si la même chose ne pourrait pas être vraie dans notre Univers. Ce que nous voyons est un cosmos froid, où le temps et l'espace apparaissent liés par la symétrie de Lorenz. Mais qu'en était-il aux origines lorsque le cosmos était chaud? La symétrie qui apparait aujourd'hui comme une constante de la nature et qui définit la relation entre le temps et l'espace n'a-t-elle pas émergé après le Big Bang, comme elle émerge dans le graphène quand sa température est modifiée?

Horava pour y voir clair a supprimé la symétrie de Lorenz dans les équations d'Einstein. Il a pu alors décrire la gravité dans le même cadre quantique que les autres forces naturelles. La gravité se manifeste en ce cas comme la force attractive de particules depuis longtemps nommées gravitons. Le graviton est une particule élémentaire hypothétique qui transmettrait la gravité dans la plupart des systèmes de gravité quantique. Il serait donc le quantum de la force gravitationnelle. De plus, Horava a réalisé une autre modification. La théorie d’Einstein ne donne pas la direction prise par le temps, par exemple du passé vers le futur. Cependant, l’Univers tel que nous l’observons semble évoluer uniquement dans ce sens . Horava a donc donné au temps une direction préférée. Une fois ces changements réalisés, il a découvert que la théorie quantique des champs pouvait décrire la gravitation à des échelles microscopiques sans donner les résultats absurdes obtenus lors des autres tentatives.

La synthèse si longtemps cherchée par les théoriciens de la gravitation quantique, qu'il s'agisse des spécialistes de la théorie des cordes ou de Rovelli et Smolin développant la gravitation quantique à boucle, serait-t-elle donc enfin trouvée? Autrement dit, Horava ne propose-t-il pas une façon de se représenter le temps, ou l'espace-temps, indépendante des échelles? Certains diront que, d'une certaine façon, il serait en train de tuer le temps.

On peut s'interroger sur la validité des hypothèses consistant, en dehors de toute expérience, à modifier ou supprimer des variables afin de maintenir l'équilibre des équations. En quoi la « vraie nature » du temps, à supposer que l'on puisse employer ce terme, serait-elle précisée? Horava est donc critiqué. Mais il a également suscité, depuis 2009, d'autres travaux – toujours théoriques évidemment - semblant confirmer ses hypothèses.

C'est le cas des simulations dues à Jan Ambjorn de l'Institut Niels Bohr de Copenhage (voir http://arxiv.org/abs/1002.3298 ) ou de celles du Japonais Shinji Mukohyama de l'Université de Tokyo qui s'est intéressé à l'application des hypothèses de Horava dans le cas de la matière noire (Voir http://arxiv.org/abs/0905.3563 )

L'observation instrumentale, dans l'avenir, permettra sans doute de vérifier la pertinence des hypothèses de Horava et de celles qu'il a suscité dans le milieu des physiciens des hautes énergies. En dehors de ce que le LHC pourra produire, certains cosmologistes espèrent beaucoup de l'étude des trous noirs supermassifs, notamment de l'hypothétique Sagittarius A* supposé se trouver au centre de notre galaxie, qui apparaît beaucoup plus étrange que ne le laissait prévoir la théorie classique des trous noirs.

Cela remettra-t-il en cause les conceptions intuitives du temps que les organismes vivants supérieurs se sont donnés au cours de l'évolution. Peut-être pas? Mais peut-être quand même. Notre cerveau ne perçoit-il pas ce que dans certaines de ses aires corticales il s'imagine qu'il devrait percevoir?