Le passé est parti, le futur n'est pas encore venu, et seul le présent est avec nous au même moment. Mais pourquoi l'ordre des événements est-il ainsi ? Pourquoi le thé renversé demain ne laisse-t-il pas une tache sur le tapis hier ?
Chaque instant dans lequel nous nous trouvons nous transporte du passé au présent, puis au futur. Le temps va toujours dans un sens. Il ne s'arrête jamais ou ne recule jamais. Pour nous, la flèche du temps est toujours dirigée vers l'avant. Cependant, si nous regardons les lois de la physique - des positions de Newton à Einstein, de Maxwell à Bohr, de Dirac à Feynman - elles semblent symétriques au temps. Autrement dit, les équations qui régissent la réalité n'ont aucune préférence pour le sens du temps. Les décisions décrivant le comportement de tout système qui obéit aux lois de la physique telles que nous les comprenons sont tout aussi efficaces pour le temps se déplaçant dans le passé et le temps dirigé vers le futur. Mais l'expérience nous dit que le temps ne se déplace que dans une seule direction - en avant. Alors d'où vient la flèche du temps ?
Beaucoup pensent qu'il existe un lien entre la flèche du temps et l'entropie. Alors que la plupart des gens assimilent généralement l'entropie à un « désordre », il s'agit d'une description paresseuse et pas tout à fait exacte. L'entropie doit plutôt être considérée comme une mesure de la quantité d'énergie thermique pouvant potentiellement être convertie en un travail mécanique utile. Si vous avez beaucoup d'énergie qui peut potentiellement faire le travail, alors c'est un système à faible entropie, alors que si vous en avez peu, alors votre système a une entropie élevée. La deuxième loi de la thermodynamique est une relation importante en physique, qui stipule que l'entropie d'un système fermé ne peut ni changer ni augmenter avec le temps, c'est-à-dire qu'elle ne peut pas diminuer. En d'autres termes, avec le temps, l'entropie de l'Univers entier devrait augmenter. C'est la seule loi de la physique qui a une direction privilégiée du temps.
Alors, cela signifie-t-il que nous percevons le temps de cette façon à cause de la deuxième loi de la thermodynamique ? Est-ce lié au lien fondamental entre la flèche du temps et l'entropie ? Certains physiciens pensent que c'est exactement le cas. Un projet de 2016 sur la chaîne YouTube MinutePhysics et auteur de plusieurs livres de vulgarisation scientifique du physicien Sean Carroll, interview que vous pouvez lire dans le numéro 39 de Naked Science, a tenté de répondre à la question de savoir pourquoi le temps ne recule pas. En conséquence, les physiciens sont arrivés à la conclusion que cela était dû à l'entropie.
L'entropie explique la flèche du temps dans le cas de nombreux phénomènes, notamment pourquoi un mélange de café et de lait ne se sépare pas et qu'un œuf cassé n'est jamais récupéré dans sa coquille. Dans tous ces cas et dans des cas similaires, l'état initial de faible entropie (avec plus d'énergie pour travailler) a évolué vers un état d'entropie plus élevée (et moins d'énergie disponible) au fil du temps. Il existe de nombreux exemples de ce processus dans la nature, y compris une pièce remplie de molécules: un côté est rempli de molécules froides et lentes, et l'autre est remplie de molécules chaudes et rapides. Vous n'avez qu'à attendre, et la pièce sera remplie de particules mixtes d'énergie moyenne, ce qui représente une forte augmentation d'entropie et une réaction irréversible.
Mais on ne peut pas dire qu'elle soit absolument irréversible. Vous voyez, beaucoup de gens oublient que lorsqu'il s'agit de la deuxième loi de la thermodynamique et de l'augmentation de l'entropie, cela se réfère exclusivement à un système fermé ou à un système auquel aucune énergie n'est ajoutée de l'extérieur et aucun changement n'est apporté pour augmenter ou diminuer entropie. En 1870, le physicien James Clerk Maxwell a proposé un moyen d'inverser cette réaction: une entité externe est nécessaire qui ouvrira la séparation entre les deux côtés de la pièce, permettant aux molécules "froides" de traverser d'un côté et les "chaudes" les uns aux autres. Cette idée s'appelait "le démon de Maxwell", et elle permet de baisser l'entropie du système.
Bien sûr, il est impossible de violer la deuxième loi de la thermodynamique en utilisant cette méthode. Le fait est que le "démon" doit dépenser d'énormes quantités d'énergie pour séparer les particules de cette manière. Le système sous l'influence du « démon » est ouvert. Si vous y ajoutez l'entropie et le "démon" lui-même au système général de particules, il s'avère que l'entropie totale finit par augmenter. Mais ici, il y a un détail important: même si vous viviez dans une boîte et ne remarquiez pas l'existence d'un "démon" - en d'autres termes, si vous viviez dans un " univers de poche " avec une entropie croissante - le temps continuerait tu. La flèche thermodynamique du temps ne détermine pas la direction dans laquelle nous percevons le passage du temps.
Alors d'où vient la flèche du temps, qui est en corrélation avec notre perception du temps ? Inconnu. Cependant, on sait que ce n'est certainement pas la flèche thermodynamique du temps. Les mesures de l'entropie de l'Univers n'indiquent qu'une seule diminution possible dans toute l'histoire cosmique: la fin de l'inflation cosmique et son passage au Hot Big Bang (à ne pas confondre avec le Big Bang - ce sont deux états différents de l'Univers; Hot Big Bang est la période de développement de l'Univers, dans les dernières étapes de laquelle nous vivons). La plupart des scientifiques soutiennent qu'un avenir froid et vide attend l'Univers après que toutes ses étoiles se soient éteintes, que les trous noirs se soient désintégrés et que l'énergie noire se soit propagée à des galaxies gravitationnelles indépendantes sur des distances énormes et inimaginables. Cet état thermodynamique d'entropie maximale est connu sous le nom de mort thermique de l'univers. Curieusement, l'état à partir duquel l'Univers a évolué - l'état d'inflation cosmique - a les mêmes propriétés, mais avec un taux d'expansion plus élevé pendant l'ère inflationniste, par rapport à celui qui conduira à l'ère actuelle, où l'énergie noire domine.
Comment l'inflation s'est-elle terminée ? Comment l'énergie du vide de l'Univers - inhérente à l'espace vide lui-même - est-elle devenue une soupe chaude de particules, d'antiparticules et de rayonnement ? Et l'Univers est-il passé d'un état avec une entropie incroyablement élevée pendant l'inflation cosmique à un état avec une entropie plus faible pendant un Hot Big Bang, ou l'entropie était-elle encore plus faible pendant l'inflation en raison de la capacité résultante de l'Univers à effectuer un travail mécanique ? Pour l'instant, les scientifiques n'ont que des théories qui - espérons-le - conduiront un jour aux bonnes réponses à ces questions. Des indices expérimentaux ou d'observation qui auraient pu être des indices n'ont pas encore été obtenus.
Nous comprenons la flèche du temps en termes de thermodynamique - et c'est une compréhension vraiment précieuse et très importante. Mais si vous voulez savoir pourquoi hier reste dans le passé inchangé encore et encore, demain vient le lendemain, et le présent est l'endroit où vous vivez en ce moment, alors la thermodynamique ne peut pas répondre à cette question. Et jusqu'à présent, en fait, il n'y a personne qui le pourrait.