Le Nouveau Paradigme

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Commencer à penser par soi même c'est déjà faire partie de la solution


Voyager dans le temps bientôt possible?

Publié par Le Nouveau Paradigme sur 21 Octobre 2015, 11:59am

Catégories : #Sciences

 

Asaf Hanuka

L'essentiel

- Voyager vers le futur est une possibilité prévue par la théorie de la relativité restreinte. Un cosmonaute russe a ainsi gagné 1/48e de seconde...

- Remonter le temps semble impossible, sauf dans des scénarios très particuliers que laisse envisager la relativité générale.

- Il faudrait pour cela suivre une trajectoire spatio-temporelle fermée. Les trous de ver, sortes de tunnels reliant deux régions de l'espace-temps, le permettraient. Mais leur existence ne semble que théorique.

 

L'auteur

Tim FOLGER est journaliste scientifique aux États-Unis. Il écrit notamment pour les magazines américains National Geographic et Discover.

 

Pour en savoir plus

M. Lachièze-Rey, Voyager dans le temps, Seuil, 2013.

P. Davies, Peut-on créer une machine à remonter le temps ?, Pour la Science, n° 397, 2010.

R. Lehoucq, Voyager dans le temps ?, Pour la Science, n° 326, décembre 2004.

F. Arntzenius et T. Maudlin, Time travel and modern physics, Stanford Encyclopedia of Philosophy, publié en ligne le 23 déc. 2009, http://plato.stanford.edu/entries/time-travel-phys.

S. Carroll, Rules for time travelers, publié en ligne le 14 mai 2009 : www.preposterousuniverse.com/blog/2009/05/14/rules-for-time-travelers

En 1895, H. G. Wells publie La Machine à explorer le temps. Cet extraordinaire roman d'anticipation paraît quelques années avant la fin des 63 ans de règne de la prude reine Victoria, laquelle précède de quelques années seulement la fin du règne sans partage de… la physique newtonienne. En effet, Albert Einstein publie en 1905 sa théorie de la relativité restreinte, qui met à mal la conception de l'espace-temps héritée de Galilée. Cette théorie a aussi l'étrangeté de prévoir une forme de voyage vers le futur… au grand plaisir de Wells sans doute ! Dans l'espace-temps galiléen, le temps est le même pour tous, en tous lieux. Dans la théorie d'Einstein, en revanche, les durées mesurées par des observateurs en mouvement l'un par rapport à l'autre ne coïncident plus : le temps est relatif.

Depuis 1905, un vrai voyage dans le temps a été réalisé, mais pas avec la machine qu'imaginait plaisamment Wells. L'humain ayant voyagé le plus loin dans le temps à ce jour est Sergueï Krikaliov : il a bondi vers le futur de… 1/48e de seconde. Cette avance sur les autres humains résulte des 803 jours que ce cosmonaute a passés à bord de Mir et de l'iss (la Station spatiale internationale). À bord de ces stations spatiales, il se déplaçait en effet à quelque 27 000 kilomètres par heure autour de la planète. Par rapport à nos horloges au sol, sa propre horloge, c'est-à-dire son temps propre, a moins avancé : il a moins vieilli que nous. En d'autres termes, Sergueï Krikaliov a avancé vers le futur de 1/48e de seconde.

 

Est-il possible de voyager dans le passé ?

Les effets d'un tel voyage vers le futur seraient beaucoup plus perceptibles si de grandes distances et vitesses étaient en jeu. Si Sergueï Krikaliov partait en 2015 pour une étoile située à 520 années-lumière (Bételgeuse) à 99,995 % de la vitesse de la lumière, à son retour il aurait vieilli de dix ans seulement. Nous serions alors en 3015, c'est-à-dire que 1 000 ans se seraient écoulés. « Nous pouvons voyager vers le futur. Ce n'est qu'une question de temps et de moyens », explique l'astrophysicien Richard Gott, de l'université Princeton.

En revanche, l'idée de voyager vers le passé est problématique. Dans le cadre spatio-temporel de la relativité restreinte, c'est impossible : le temps peut y être contracté ou allongé, mais jamais inversé. Cela serait possible en revanche dans le cadre de la relativité générale, théorie publiée en 1915 (dix ans après la relativité restreinte), qui fait apparaître la gravitation comme la conséquence d'une déformation de l'espace-temps.

Comment y voyagerait-on vers le passé ? La réponse n'est pas évidente, car les équations de la relativité générale admettent de nombreuses solutions correspondant à des situations très différentes les unes des autres. Seules certaines de ces solutions décrivent des univers où sont possibles des voyages vers le passé. Répondre à la question du voyage vers le passé revient donc à prouver que notre monde est l'un de ces univers.

 

Petites incursions dans le futur

Nous ignorons si c'est le cas. La question est ouverte et activement étudiée. Quel est le bricolage théorique susceptible de suggérer qu'aller dans le passé serait possible ? Se pourrait-il que l'Univers l'interdise pour quelque raison inconnue ? Les physiciens spéculent sur ces questions non pas pour voyager dans le passé, mais parce qu'y réfléchir ouvre des perspectives sur la nature de notre Univers et peut-être aussi sur son origine.

Pour parvenir à sa révolutionnaire théorie de la relativité restreinte, Einstein étudia de près les implications de deux hypothèses fondamentales : l'idée familière que les lois de la physique doivent être les mêmes pour tous les observateurs et celle, surprenante, que la vitesse de la lumière dans le vide est une constante universelle, ayant la même valeur pour tous les observateurs quels que soient leurs mouvements relatifs.

La théorie de la relativité restreinte montre alors que deux observateurs en mouvement relatif qui mesurent la durée séparant deux événements donnés n'obtiennent pas le même résultat (et il en est de même pour les distances). Plus précisément, une horloge en mouvement par rapport à un observateur semblera à ce dernier retarder par rapport à l'horloge qu'il détient auprès de lui. De façon analogue, les distances sont contractées.

À faible vitesse, ces effets sont négligeables. Ils deviennent importants quand les vitesses des mouvements relatifs deviennent proches de celle de la lumière (299 792 458 mètres par seconde). Par exemple, les physiciens ont maintes fois constaté que le taux de désintégration des muons diminue d'un ordre de grandeur quand ces particules instables se déplacent par rapport au laboratoire à une vitesse proche de celle de la lumière. La durée de vie moyenne de ces particules augmente en effet : elles « vieillissent » moins vite que nous. Un tel muon se comporte comme un minuscule « Sergueï Krikaliov » qui a bondi de quelques microsecondes dans le futur.

 

Un cadeau de Gödel pour les 70 ans d'Einstein

Ainsi, la relativité restreinte a montré que le voyage dans le futur est une réalité. Et le voyage dans le passé ? Le logicien autrichien Kurt Gödel a été le premier à répondre à cette question en utilisant la théorie de la relativité générale. Gödel est surtout célèbre pour ses théorèmes d'incomplétude, qui ont montré les limites de ce que les mathématiques peuvent prouver. Mais à la fin des années 1940, il démontra l'existence d'une curieuse solution des équations de la relativité générale décrivant un univers en rotation. Il offrit ce résultat paradoxal comme cadeau d'anniversaire à Einstein pour ses 70 ans. Le vieux sage de Princeton ne dut pas s'en réjouir, car cela l'amena à douter de sa théorie…

L'univers que Gödel étudia est en effet bien curieux : c'est un univers homogène (tous ses points sont équivalents), mais non isotrope. Il a en effet une direction privilégiée, que l'on peut en pratique assimiler à une sorte d'« axe de rotation » ; dès lors, quand on s'éloigne de cet « axe », tout se passe comme si l'on subissait une sorte de « force centrifuge ». Cette dernière empêche la matière de s'effondrer, ce qui confère au cosmos la stabilité qu'Einstein trouvait nécessaire à tout modèle acceptable d'univers.

Toutefois, et c'est cela qui gênait profondément Einstein, les voyages vers le passé y sont aussi possibles. Pour en effectuer un, il faut parcourir une « courbe spatio-temporelle fermée », ce qu'en termes de physicien, on nomme aussi une « courbe fermée de genre temps » ; il s'agit d'une trajectoire finissant par ramener un voyageur à un point de l'espace-temps situé dans son propre passé. On peut la comparer à un circuit fermé autour d'une surface cylindrique, quand on suppose le temps donné par l'angle mesuré autour de l'axe du cylindre.

Ainsi, une courbe temporelle fermée est une boucle dans l'espace-temps. Dans le cosmos en rotation de Gödel, une telle courbe encercle l'univers entier, un peu comme un parallèle entoure la Terre. Les physiciens ont défini et étudié toute une série de boucles spatio-temporelles. Chacune d'entre elles permet – en théorie du moins – de voyager vers le passé. Par rapport à la vision courante que l'on se fait du voyage dans le temps, parcourir l'une de ces courbes serait décevant, car le temps avancerait de la façon habituelle. Par les hublots du vaisseau spatial, le voyageur temporel verrait les étoiles et les planètes de l'espace profond habituel ; les aiguilles de son horloge continueraient à avancer comme d'habitude. Le voyageur finirait pourtant par atteindre un point de l'espace-temps ayant déjà existé dans son passé.

Dès 1914, Einstein avait pris conscience du fait que sa théorie rendait possible l'existence de courbes spatio-temporelles fermées, souligne Julian Barbour, un physicien indépendant vivant près d'Oxford en Angleterre. Cela ne lui plaisait pas : « Mon intuition s'oppose de façon véhémente à cette idée ! » disait-il. L'existence de ces courbes crée en effet des conflits avec le principe de causalité, selon lequel toute cause précède ses effets.

Ainsi, si l'on décide que le principe de causalité doit s'appliquer aussi à l'univers de Gödel, on conclut qu'un voyage le long d'une courbe spatio-temporelle fermée finira par mettre le voyageur en position de modifier son passé… On retrouve là le vieux paradoxe du grand-père : un voyageur dans le temps tue par inadvertance son grand-père avant que celui-ci n'ait rencontré sa grand-mère ; dès lors, a-t-il pu naître et tuer son aïeul ?

Heureusement pour les tenants du principe de causalité, les chercheurs n'ont jamais découvert d'indices du fait que l'Univers serait en « rotation ». Gödel lui-même en a cherché en étudiant intensément les catalogues de galaxies. Sans doute irréaliste, son modèle illustre en tout cas que les courbes spatio-temporelles fermées sont une possibilité en relativité générale : les lois de cette théorie n'interdisent pas le voyage dans le passé.

Au cours des dernières décennies, les cosmologistes ont décrit diverses courbes spatio-temporelles fermées. Gödel avait « produit » tout un univers où ce genre de courbes spatio-temporelles est possible. D'autres chercheurs ont imaginé que l'espace-temps pourrait être déformé dans certaines parties de l'Univers seulement.

En relativité générale, « l'espace-temps dit à la matière comment se mouvoir ; la matière dit à l'espace-temps comment se courber », résumait très bien le grand physicien américain John Wheeler, décédé en 2008. En d'autres termes, les planètes, les étoiles, les galaxies, etc. déforment l'espace-temps, tandis que la géométrie de l'espace-temps détermine les mouvements des objets présents.

Dans certains cas extrêmes, l'espace-temps pourrait se courber assez pour créer des chemins allant du présent vers le passé. Les physiciens ont proposé quelques mécanismes exotiques créant de tels chemins. Dans un article de 1991, Richard Gott a par exemple montré que des cordes cosmiques, des objets hypothétiques infiniment longs et plus fins qu'un atome (à ne pas confondre avec les objets fondamentaux de la « théorie des cordes »), rendraient possible la formation à leurs intersections de courbes spatio-temporelles fermées.

C'est en 1983 que Kip Thorne, de l'Institut californien de technologie (Caltech), commença à étudier les trous de ver. On désigne ainsi un type de courbe spatio-temporelle fermée capable de relier – comme par un tunnel – deux régions différentes de l'espace-temps. « Selon les lois de la relativité générale, de même qu'il est possible de relier deux régions différentes de l'espace, il est possible de relier deux régions différentes du temps », commente à leur propos Sean Carroll, un collègue de Kip Thorne au Caltech.

L'entrée dans un trou de ver serait sphérique. Elle constituerait une entrée tridimensionnelle dans un tunnel quadridimensionnel de l'espace-temps. Comme c'est le cas le long de toutes les courbes spatio-temporelles fermées, le passage par un trou de ver serait « semblable à tout autre parcours dans l'espace-temps, souligne Sean Carroll. Quoi que ferait un voyageur empruntant un trou de ver, son temps s'écoulerait “vers l'avant” seconde après seconde. Il se trouverait juste que sa version de “vers l'avant” serait mal synchronisée avec le reste de l'Univers ».

Les physiciens peuvent écrire des équations décrivant un trou de ver et d'autres courbes spatio-temporelles fermées. Toutefois, tous ces modèles souffrent de problèmes importants. « Pour commencer, pour former un trou de ver, il faut de l'énergie négative », explique Sean Carroll. Une énergie négative apparaît par exemple quand l'énergie présente dans un volume fluctue jusqu'à des valeurs négatives. L'ouverture du tunnel quadridimensionnel d'un trou de ver n'est envisageable que si de l'énergie négative est disponible. Toutefois, un trou de ver maintenu ouvert grâce à de l'énergie négative « semble difficile, voire impossible à créer, pointe Sean Carroll. En physique, les énergies négatives sont très problématiques ».

Même en supposant que l'on trouve l'énergie négative nécessaire pour ouvrir un trou de ver, « les particules s'y déplaceraient en parcourant une boucle un nombre infini de fois », explique Sean Carroll, ce qui impliquerait une quantité d'énergie infinie. » Comme la présence d'énergie quelque part déforme l'espace-temps, le trou de ver entier s'effondrerait en un point infiniment dense dans l'espace-temps, en d'autres termes en un trou noir. « Nous ne pouvons être sûrs que cela se produirait, indique Sean Carroll, mais il semble que l'Univers empêche que l'on construise une machine à remonter le temps, en donnant naissance à un trou noir à la place. »

Contrairement aux trous noirs, qui sont une conséquence naturelle de la relativité générale, les trous de ver et les courbes spatio-temporelles fermées sont des constructions hypothétiques, inventées surtout pour explorer les limites de la théorie. « En relativité générale, il est difficile d'éviter les trous noirs, fait remarquer Sean Carroll. Les courbes spatio-temporelles fermées, en revanche, sont très difficiles à créer. »

 

Les trous de ver, peu plausibles mais importants

Même si les trous de ver sont peu plausibles, le fait qu'ils soient envisageables en relativité générale est important. « Il est très curieux que nous soyons aussi près d'écarter la possibilité du voyage dans le temps sans pouvoir aller jusqu'au bout. C'en est même agaçant », dit Sean Carroll. Toutefois, c'est en faisant face à ce genre d'exercices agaçants que les physiciens améliorent leur compréhension de l'Univers. Du reste, il se pourrait même que notre Univers n'aurait pu exister s'il avait eu la caractéristique de rendre possible le voyage dans le passé…

La relativité générale décrit le monde aux grandes échelles, tandis que la théorie quantique le décrit aux petites échelles. Des courbes spatio-temporelles fermées pourraient-elles exister dans le microcosme ?

« À la très petite échelle de 10–30 centimètre, on peut s'attendre à ce que la topologie de l'espace-temps, en d'autres termes sa forme, ne soit pas stable. On peut imaginer que des fluctuations aléatoires créent des courbes spatio-temporelles fermées, si rien de fondamental ne l'empêche », explique John Friedman, de l'université du Wisconsin-Milwaukee. Ces fluctuations quantiques pourraient-elles, d'une façon ou d'une autre, être amplifiées et transformées en machines à remonter le temps ? « Il n'existe aucune preuve formelle de l'impossibilité de courbes spatio-temporelles fermées macroscopiques, souligne John Friedman. Mais la plupart de ceux qui ont étudié sérieusement ces questions n'y croient pas. »

 

L'Univers s'est-il créé à partir de lui-même ?

Il ne fait pas de doute que la création à l'échelle quantique ou à l'échelle cosmique d'une boucle dans l'espace-temps impliquerait des phénomènes physiques extrêmes. « Et la situation où l'on peut le plus vraisemblablement s'attendre à ce que les phénomènes physiques aient été extrêmes est la naissance de l'Univers », pense Richard Gott.

En 1998, avec l'astrophysicien de l'université de Pékin Li-Xin Li, Richard Gott a publié un article soutenant que les courbes temporelles fermées n'étaient pas seulement possibles, mais essentielles pour expliquer l'origine de l'Univers. « Nous avons étudié l'idée que l'Univers puisse être sa propre mère, c'est-à-dire qu'une boucle spatio-temporelle ait rendu possible sa création », explique Richard Gott.

Comme dans le modèle cosmologique du Big Bang, l'univers de Richard Gott et de Li-Xin Li commence par une phase d'inflation où un champ d'énergie présent partout, nommé inflaton, a provoqué une expansion initiale extrêmement rapide de l'Univers. Aujourd'hui, de nombreux cosmologistes pensent que l'inflation a donné naissance à d'innombrables autres univers. « Une fois qu'elle a commencé, l'inflation est très difficile à arrêter, souligne Richard Gott. Elle construit un arbre comportant une infinité de branches, dont une constitue notre Univers. Qu'est donc le “tronc” de cet arbre ? Pour Li-Xin Li et moi, il se pourrait que l'une des branches se soit refermée sur elle-même, puis ait grandi pour donner le tronc. »

Ainsi, en deux dimensions, un croquis de l'univers « autocréateur » de Richard Gott et Li-Xin Li ressemble au chiffre 6 (voir le schéma page précédente). Une boucle spatio-temporelle s'est formée et a produit une branche divergente à l'origine de notre Univers. Le brusque sursaut spatio-temporel de l'inflation au sein de cette boucle spatio-temporelle a produit et étendu notre Univers pour donner le cosmos que nous habitons.

Cette vision surprend, mais selon Richard Gott, elle a l'avantage de contourner la difficulté que représente la nécessité de créer l'Univers à partir de rien. Pour autant, Alexander Vilenkin, de l'université Tufts, Stephen Hawking, de l'université de Cambridge, et James Hartle, de l'université de Californie à Santa Barbara, ont proposé des modèles où l'Univers naît bel et bien de rien.

Dans la vision quantique, un espace vide n'est pas réellement vide, mais est empli de particules « virtuelles » qui naissent et disparaissent en permanence. Stephen Hawking et ses collègues avancent que l'Univers serait né à partir du vide quantique. Dans la vision de Richard Gott, l'Univers n'est pas né à partir de rien, mais de lui-même…

 

Une partie d'échecs jouée par les dieux et vue par les chercheurs

On ignore si l'une de ces théories pourra un jour expliquer l'origine du cosmos. Le physicien américain Richard Feynman comparait l'Univers à un jeu d'échecs auquel joueraient les dieux. Les chercheurs, disait-il, essaient de comprendre le jeu sans en connaître les règles. Ils observent que les dieux poussent un pion d'une case en avant, et en déduisent une règle : les pions avancent toujours d'une case vers l'avant.

Mais tant qu'ils n'ont pas observé un début de partie, ils ne peuvent savoir qu'un pion peut aussi avancer de deux cases lorsqu'il part de sa position initiale. De même, il arrive dans certaines phases du jeu, qu'un pion change de nature et se mue en reine. « Cela semble curieux et contraire aux règles, souligne Richard Gott. Pourtant, cela en fait bien partie. Vous l'ignorez seulement parce que vous n'avez pas encore été témoins d'une partie où cela se produit, d'une partie assez “extrême”. La recherche sur le voyage dans le temps ressemble à ça : elle consiste à explorer ce que deviennent les lois physiques dans certaines conditions extrêmes. Aucune logique n'interdit le voyage vers le passé, même si cela suppose un univers auquel nous ne sommes pas habitués. » Autrement dit, la transformation d'un pion en reine pourrait faire partie des lois de la relativité générale…

De telles spéculations osées sont peut-être plus proches de la philosophie que de la physique. Pour l'instant, la théorie quantique et la relativité générale constituent tout ce dont nous disposons pour comprendre l'Univers.

« Les chercheurs qui mélangent allègrement théorie quantique et relativité générale en cosmologie n'ont en réalité aucune idée de ce qu'ils font, avertit Tim Maudlin, un philosophe des sciences de l'université de New York. Il ne s'agit pas là de mathématiques rigoureuses, mais plutôt d'un bricolage combinant de façon peu cohérente un morceau ressemblant à la relativité générale à un morceau ressemblant à la théorie quantique. Puisqu'ils ignorent comment progresser de façon sensée, sans doute est-ce néanmoins ce que les gens doivent tenter. »

Une théorie future éliminera-t-elle le voyage vers le passé ? Ou nous révèlera-t-elle au contraire que l'Univers est encore plus étrange que nous le pensions ? Depuis qu'Einstein a redéfini notre conception du temps, la physique a beaucoup progressé. Le voyage dans le futur que H. G. Wells imaginait est désormais une réalité, même s'il n'existe pas de machine pour atteindre un futur un tant soit peu lointain. Peut-on imaginer qu'une certaine forme de symétrie nous autorise aussi à voyager dans le passé ?

Quand j'ai posé cette question à Richard Gott, il m'a répondu par une boutade : « C'est l'histoire d'un gars qui discute avec Einstein et qui sort un bloc-notes pour y griffonner quelque chose. Einstein lui demande : “Qu'est-ce que vous faites ?”. Le gars lui répond : “Je note toute bonne idée qui me vient sur ce bloc-notes. ” Einstein lui dit alors : “Pour ma part, je n'ai jamais eu besoin d'un bloc-notes, puisque pendant ma vie entière, je n'ai eu que trois bonnes idées.” » Traduction ? Richard Gott pense, qu'actuellement, « nous sommes en train d'attendre la prochaine bonne idée ».

Tim Folger

http://www.pourlascience.fr

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Rebecca G. 23/10/2015 08:17

Article extrêmement intéressant. Merci.

BlueMan 22/10/2015 10:01

@onlyvarth : non, ça n'a rien à voir. Ce n'est pas un vrai voyage dans le temps. C'est que les temps se décalent entre le temps de celui qui est fixe par rapport à celui qui voyage proche de la vitesse de la lumière.
Dit autrement, celui qui est immobile va sembler vieillir plus vite pour celui qui se déplace, et lorsque ce dernier reviendra, le fixe sera vieux ou mort, MAIS MAIS MAIS le temps s'écoule dans le référentiel de chacun normalement.
Ce qui est décalé, ce sont les horloges, les temps propres l'un par rapport à l,autre.
Il n y a donc pas de voyage dans le temps, dans le sens d'une machine à voyager dans le temps, puis revenir au temps d'origine. C'est juste un décalage.
Si tu veux en savoir plus, regarde cette très bonne conférence du physicien Étienne Klein :
http://www.blueman.name/Des_Videos_Remarquables.php?NumVideo=8059

Gurdal 22/10/2015 07:34

j'ai toujours pensé que s'approcher d'un trou noir accélérer le temps ^^

BlueMan 22/10/2015 09:46

Non, ça n’accélère pas le temps pour celui qui voyage. Pour celui qui observe le voyageur, il lui semble ralentir, mais c'est une illusion, car pour le voyageur, son temps propre est normal. Il est juste décalé par rapport à l'observateur. Donc aucun voyage dans le temps ici.

BlueMan 22/10/2015 04:20

Malheureusement, voyager dans le temps est impossible, et pour une simple raison : ni le passé, ni le futur, n,existe quelque part dans l'Univers. Aussi il est donc impossible de s'y rendre...

Pour en savoir plus, voyez cette excellente conférence du physicien Étienne Klein :
http://www.blueman.name/Des_Videos_Remarquables.php?NumVideo=8059

onlyvarth 22/10/2015 09:46

le temps est intriquer avec l'espace, c'est pour cela que l'on nomme espace temps.
Il ne s'écoule pas à la même vitesse partout, en fonction de la vitesse et de la gravité.
Donc on peut se situer dans des zones à temps ralentie ou accéléré par rapport à un autre endroit, donc on voyage dans le temps.
Et ça ce sont des faits concrets !!!! (satellites, cosmonautes etc)
voyager dans le temps n'est peut etre pas un aller d'un point A à un point B instantanément, mais un départ d'un point A en passant par C (zone de temps ralentie ou accéléré) pour revenir à B !

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