Style de vie Les mystères irrésolus du temps : un dossier quantique

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Une introduction simplifiée à l'une des questions les plus importantes de la physique, un mystère qui continue de défier les esprits les plus brillants au monde. Dans cet article, nous allons dévoiler les merveilles chaotiques de l'entropie.

Nous aborderons d’abord le concept d’entropie, puis nous partagerons notre regard approfondi sur le mystérieux cours du temps. Alors installez-vous, prenez un café (c’est une partie importante du cours, faites-nous confiance) et préparez-vous à reconsidérer tout ce que vous pensiez savoir sur le temps.

« Plus j'apprends, plus je découvre l'étendue de mon ignorance. »

Albert Einstein

Les plus grands esprits scientifiques au monde possèdent une caractéristique inattendue : l’humilité. Ce n’est peut-être donc pas surprenant que plus l’être humain plonge dans l’univers de la mécanique quantique, plus il semble découvrir de mystères et de paradoxes. Il existe quelques problèmes non résolus à ce jour qui tourmentent (ou enchantent, selon leur humeur) les explorateurs intrépides aux frontières de la physique quantique.

L’une de ces énigmes déconcertante est connue sous le nom de flèche du temps. Ce concept établit, ou « postule » si vous portez votre blouse blanche, le phénomène selon lequel le temps s’écoule de manière unidirectionnelle, autrement baptisé asymétrie du temps. Pour faire court, il affirme que le temps va du passé au futur, en passant par le présent. Évident, pas vrai ? Enfin, peut-être pas, si vous êtes un quark récalcitrant. Mais nous y reviendrons plus tard.

Proposé en 1927 par l’astrophysicien britannique Arthur Eddington, le concept de flèche du temps n’est pas seulement un mystère irrésolu pour les experts de physique quantique, c’est également une question largement étudiée au sein de la physique générale, allant même jusqu’à hanter les rêves des philosophes et des poètes (ou donner lieu à des cauchemars éveillés).

Selon Arthur Eddington, qui a par ailleurs été largement moqué et snobé pour ses affirmations saugrenues, la direction du temps pourrait être déterminée en étudiant l’organisation relative des atomes, des molécules et des corps.

Les processus physiques au niveau microscopique (extrêmement petit) sont considérés comme entièrement ou majoritairement symétriques au temps : si la direction du temps venait à être modifiée, les postulats théoriques qui les décrivent demeureraient corrects. En d’autres termes, si vous remontez le temps du présent au passé, ils se comporteraient « correctement », à la manière d’un palindrome (pensez aux mots « radar », « kayak » et « ressasser »… ou à la fameuse phrase « engage le jeu que je le gagne »).

Cependant, à l’échelle macroscopique (plus large), cela semble souvent ne pas être le cas : il existe un sens, ou cours, évident du temps. Mais une question reste en suspens : pour quelle raison le temps possède une direction pour les corps et les processus « plus grands » ? La théorie se fonde sur l’existence observable d’une propriété connue sous le nom d’entropie.

L’entropie est le phénomène qui fait « avancer » le temps, et est globalement définie comme le fait que le degré de « désordre » au sein de l’univers ne fait qu’augmenter ; il n’existe aucun moyen d’inverser l’accroissement de l’entropie une fois qu’elle s’est produite. Comme tout bon horloger vous le dira, les choses deviennent de plus en plus complexes à mesure que les minutes, les jours et les années passent, et notre travail consiste à regarder le temps passer, au sens propre.

Un exemple simpliste consisterait à dire que, livrées à elles-mêmes, la chambre d’un adolescent, la politique internationale, ou les méthodes permettant d’accéder à votre compte bancaire en ligne deviennent plus chaotiques, confuses et désordonnées avec le temps… mais ce n’est pas exactement ce que l’on évoque ici. Bien que ce ne soit pas techniquement faux, nous laisserons ces interprétations aux philosophes et aux historiens sociologues.

Nous nous rapprochons un peu plus de ce phénomène lorsque l’on observe que le lait versé dans le café se disperse et se mélange à celui-ci, jusqu’à ce qu’il devienne pratiquement impossible de distinguer les deux liquides. (Faites l’expérience, pour prouver que la science a raison, tout en vous donnant la force de continuer à lire. Observez le café. Versez-y du lait. Regardez le temps s’écouler sur votre montre TAG Heuer à portée de main. Observez à nouveau le mélange de café et de lait, et essayez de séparer les molécules de chaque substance. N’y parvenez pas…).

Le journalisme abordant le thème de l’entropie, quant à lui, se plaît à faire observer qu’un œuf écrasé sur le sol devient un amas éparpillé qu’il est pratiquement impossible à reconstituer dans sa forme originelle et ordonnée. Nous ne voyons pas l’utilité de gâcher des œufs, même hypothétiques : il suffit de constater que trois œufs brouillés avec une importante quantité de beurre perdent leur forme « ordonnée » originelle et se mélangent, se confondent et se dispersent en un état plus « aléatoire », mais non moins délicieux.

Faites une pause goûter si nécessaire, et prenez un moment pour méditer sur ce simple résumé de la section précédente…

« L'augmentation du désordre, ou de l'entropie, est ce qui distingue le passé du futur, donnant ainsi une direction au temps. »

Stephen Hawking, Une brève histoire du temps

Le fait est que, si vous demandiez à un physicien de vous donner un peu plus de détails, il lèverait sûrement les yeux au ciel et vous expliquerait patiemment qu’au niveau atomique, l’entropie est légèrement plus complexe que la simple préparation d’œufs brouillés. Ce n’est pas seulement une question d’ordre. Malheureusement, cela implique aussi des maths.

Concrètement, il y existe une autre pièce importante du puzzle : le fait que l’entropie augmente est également une question de logique. L’entropie mesure « l’état quantique » des particules. Sans trop se pencher sur ce que cela signifie, la conclusion est la suivante : puisqu’il existe plus de possibilités de combinaisons « mélangées » de particules que de combinaisons « séparées », cela signifie que lorsque des éléments (atomes, molécules, corps) changent inévitablement, ils ont tendance à se mélanger de manière désordonnée.

Et nous voici maintenant dans la section de rappel des cours de sciences du lycée : êtes-vous capable de vous replonger dans vos souvenirs et retrouver le deuxième principe de la thermodynamique ? Oui, sans aucun doute, mais juste au cas où, voici un petit rappel…

L’une des lois les plus immuables de l’Univers, le deuxième principe de la thermodynamique établit que dans tout système physique isolé, l’entropie ne fait qu’augmenter, et ne diminue jamais. C’est le cas non seulement pour un système fermé au sein de notre univers (par exemple, votre fidèle tasse de café et son couvercle), mais aussi pour l’Univers tout entier.

Et si vous avez aussi peu compris ce résumé que le cours en lui-même, où votre professeur de physique excédé agitait ses mains encore et encore sur un diagramme déconcertant composé de taches et de flèches, rien de grave. Car voici un petit secret concernant le phénomène de l’entropie que vos cours de physique n’ont probablement jamais mentionné : vous l’avez déjà compris.

Malgré le fait que ce soit un concept abstrait et confus, l’entropie est une idée pour laquelle pratiquement tous les êtres humains possèdent une certaine intuition. Même en 1920, Arthur Eddington lui-même était catégorique sur le fait que ce phénomène était « parfaitement reconnu par la conscience » et « également souligné par la faculté de raisonnement ». En d’autres termes… C’est une évidence !

Tout comme pour les changements de température, l’être humain est capable de faire la différence entre les éléments qui avancent et ceux qui reculent dans le temps, sur la base du comportement de la matière physique. Une cassette vidéo (une VHS rétro) d’un feu de bois faisant fondre un bloc de glace à proximité, reproduite à l’envers, montrerait une flaque d’eau se congelant seule tout en transformant un nuage de fumée en un tas de bois.

Étrangement, les deux versions de la vidéo obéissent à la majorité des lois de la physique. Avec une exception notable : notre bon ami, le deuxième principe de la thermodynamique. Ainsi, c’est donc votre seule compréhension du principe de l’entropie qui vous permet de déterminer si la vidéo est lue en avant ou en arrière. Comme vous le savez déjà, lorsque le temps avance, l’entropie doit augmenter. Vous êtes un vrai petit génie.

Bien, nous avons prouvé de manière catégorique votre talent inné dans le domaine de la physique quantique, alors nous ferions mieux d’arrêter là pour aujourd’hui, pendant qu’il est encore temps. Retrouvez-nous pour la deuxième partie afin de mettre votre esprit digne de Mensa à l’épreuve de la délicate question de la flèche du temps. Vous pouvez le faire. Enfilez votre TAG Heuer Formula 1 Chronograph, et préparez-vous à affronter une complexité grandissante de microseconde en microseconde.

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