L’énigme insondable du temps : ce que l’on sait de son début et à quoi pourrait ressembler sa fin

Comprendre le début et la fin de l’univers est un énorme défi.

En particulier, il existe encore une incertitude quant à la façon dont le temps a commencé et à quoi il ressemblait au début de l’univers. Quant à l'avenir lointain et à la fin du temps, il est encore plus difficile à prédire et dépend en partie de ce que nous entendons par « temps ».

Les cosmologues s'accordent généralement à dire que l'univers a commencé il y a 13,8 milliards d'années avec le Big Bang. Ceci est basé sur des décennies d’observations montrant que toutes les galaxies de l’univers s’éloignent : en d’autres termes, l’univers est en expansion.

Si l'on rembobine le film, il semblerait qu'au début de l'univers tout était regroupé en un seul point d'une densité infinie. Cela signifie qu'au début, tout était compressé en un point infiniment petit ou « singularité » , qui a ensuite commencé à s'étendre à des vitesses très élevées avec le Big Bang.

Il est tentant de se demander ce qui s'est passé avant cela, mais la plupart des physiciens diront que cela n'a aucun sens. "Le temps n'existe que comme l'univers existe ", explique l'astrophysicienne Emma Osborne de l'Université de York au Royaume-Uni. "Le moment où l'univers est né, c'est le moment où les temps ont commencé."

Des idées similaires peuvent être trouvées dans les écrits du philosophe chrétien Thomas d'Aquin, explique le physicien quantique Vlatko Vedral de l'Université d'Oxford au Royaume-Uni. "Il a dit que cela n'avait aucun sens de demander ce que Dieu faisait avant la création de l'univers, parce que Dieu a tout créé, y compris le temps, donc la question n'a aucun sens."

Cependant, nous ne pouvons pas être sûrs de ce qui s’est exactement passé lors du Big Bang ni de ce qui s’est produit immédiatement après. "Je pense qu'à ce stade, il s'agit encore d'une question de spéculation", déclare Osborne.

Infini ?

Un problème clé est que la singularité proposée était infiniment petite et infiniment dense, et les infinis signifient que nous ne pouvons pas décrire avec précision ce qui se passe.

Certains physiciens, comme le physicien théoricien Barak Shoshany de l'Université Brock à St Catharines, au Canada, soutiennent que parce que les infinis posent de tels problèmes à nos théories, « les singularités n'existent pas vraiment ». Selon Shoshany, ils sont plutôt le signe que la théorie utilisée « n’est plus valable ».

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De plus, notre univers semble principalement composé de matière noire et d’énergie noire, dont nous ne savons toujours rien. Cela nous amène seulement à formuler des hypothèses sur la façon dont ces deux éléments se seraient comportés dans les conditions extrêmes du premier univers.

Par conséquent, certains cosmologistes jouent avec d’autres idées. Un scénario possible est qu'il existe "un superunivers" contenant notre univers ainsi que bien d'autres , dit Vedral.

De ce point de vue, le Big Bang est « le début pour nous », mais il s’est produit dans un superunivers plus vaste dont nous ne savons rien. "Les gens remettent de plus en plus en question [l'idée] qu'il y ait eu un seul commencement."

Sens Unique

Ce qui semble clair, c’est que depuis le Big Bang, le temps n’a évolué que dans une seule direction. Nous constatons que le temps s'écoule du passé vers le présent et vers le futur, sans revenir en arrière ni changer de cap.

Ceci est complètement différent de notre expérience de l’espace tridimensionnel, dans lequel nous pouvons nous déplacer librement.

De nombreux physiciens soupçonnent que la « flèche du temps » n'est pas une caractéristique fondamentale de l'univers, mais quelque chose qui découle du comportement des objets qui s'y trouvent.

L'une de ces explications, liée au physicien autrichien Ludwig Boltzmann, est liée à la quantité de désordre ou « d'entropie » qui existe dans l'univers.

Un jeu de cartes disposés par couleur et par numéro a une faible entropie, tandis que s'il est mélangé, il a une entropie élevée, et un jeu réparti sur tout le sol a une entropie encore plus élevée.

Dans l’univers dans son ensemble, la quantité d’entropie augmente toujours. Il peut y avoir des régions localisées où l'entropie diminue, par exemple si nous trions le jeu de cartes dispersé.

Mais le travail impliqué dans cette opération libère de la chaleur, ce qui augmente l’entropie ailleurs.

Cette augmentation constante de l’entropie est une explication possible de la flèche du temps.

Parce qu’à un moment donné, il est extrêmement probable que l’entropie augmente plutôt que diminue, le temps se déplace constamment dans le sens d’une plus grande entropie.

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Cependant, cette explication pose un problème. On suppose que l’univers a commencé dans un état de faible entropie , car si l’entropie était élevée après le Big Bang, elle ne pourrait pas augmenter.

"En fait, je ne pense pas que nous ayons la moindre preuve de cela", déclare Vedral. La meilleure image que nous ayons de l’univers primitif provient d’un faible rayonnement appelé fond diffus cosmologique, qui nous parvient de tous les coins du ciel. Et ce diagramme de rayonnement est « hautement entropique ».

En d’autres termes, l’état que nous observons dans l’univers primitif ne semble pas être un point de départ très plausible à partir duquel la flèche du temps pourrait être lancée.

"L'approche actuelle consiste simplement à supposer qu'il s'agit d'un état à faible entropie", explique la philosophe Emily Adlam de l'Université Chapman d'Orange, en Californie. "Sans raison particulière, c'est arrivé comme ça."

Le multivers

Une explication possible serait de supposer encore une fois qu’il existe d’autres univers que le nôtre.

"Il existe de nombreux univers et ils avaient tous des états initiaux différents", explique Adlam. Cependant, les êtres conscients comme nous ne pourraient probablement exister que dans des univers dont l’entropie augmente.

"Il s'avère que nous sommes dans le seul [univers] qui avait dès le départ une faible entropie", explique Adlam. Les univers qui commencent avec une entropie élevée ne supporteraient pas la vie, donc il n’y aurait personne pour poser la question.

Cependant, cela implique de supposer l’existence d’autres univers, ce qui constitue un grand pas en avant. C'est pourquoi Adlam préfère une autre approche. "La voie que je préfère est de remettre en question le paradigme explicatif que nous utilisons ici", dit-il.

Définir l'avenir

Intuitivement, nous expliquons ce qui se passe maintenant en nous référant à ce qui s’est passé avant : les événements de mardi expliquent les événements de mercredi.

Mais cela crée un problème lorsque l’on pense au Big Bang et aux premiers univers. " Nous ne pouvons expliquer les choses qu'en observant les choses antérieures, donc bien sûr, vous ne pouvez pas expliquer l'état initial ", explique Adlam.

La chose la plus importante, soutient Adlam, est que l’histoire de l’univers soit cohérente, sans contradictions ni paradoxes comme les gens remontant le temps et tuant leurs grands-parents.

C'est une autre raison pour laquelle nous ne devrions expérimenter qu'un écoulement du temps à sens unique : cela minimise la possibilité que de tels paradoxes se produisent . Mais les fondements de cette histoire pourraient être contre-intuitifs.

Les gens pensent souvent que l’univers évolue étape par étape du passé vers le futur. "Vous lui donnez un état initial", explique Adlam. Ensuite, comme un ordinateur, il « effectue un calcul et produit l’histoire étape par étape, selon une sorte de processus ordonné ».

Mais peut-être que ce n'est pas comme ça que ça marche. "Ce à quoi nous voulons vraiment penser, c'est que l'univers décide de toute l'histoire d'un seul coup ", explique Adlam. En d’autres termes, il n’y a pas que le passé qui est figé : le futur l’est aussi, mais on ne sait pas encore ce qu’il est.

Adlam compare cela à la résolution d'un Sudoku. Dans ces puzzles populaires, les nombres doivent être placés sur une grille de neuf par neuf de telle sorte que chaque ligne, chaque colonne et chaque carré de trois par trois contiennent les chiffres de un à neuf.

"Dans le Sudoku, vous ne commencez pas d'un côté et ne progressez pas vers l'autre", explique Adlam. " Il vous suffit de choisir une solution pour qu'elle obéisse à toutes les règles et soit cohérente. Pensez à l'univers qui fait cela . "

Si cette vision du temps est correcte, « il n’y a aucune vertu particulière à expliquer les choses par des choses antérieures », dit Adlam. Au lieu de cela, le présent, le futur et le passé dépendent les uns des autres d’une manière que nous ne comprenons pas.

À ce stade, notre langage est insuffisant car il repose fortement sur l’hypothèse d’un écoulement unidirectionnel du temps. L’explication ci-dessus fait référence à un univers qui fait un calcul gigantesque, comme s’il y avait une époque où il ne l’avait pas fait et une époque ultérieure où il l’avait fait.

Mais si cette interprétation est correcte, alors des concepts comme « avant » et « après » ne s’appliquent pas vraiment.

La fin des âges

Passons maintenant à l’autre bout de la chronologie et considérons la fin de l’univers. Comment le cosmos pourrait-il prendre fin et qu’arrivera-t-il à l’écoulement du temps ?

Les cosmologues ont proposé plusieurs scénarios possibles pour la fin de l’univers, chacun ayant des implications différentes. D’après nos observations à ce jour, certaines semblent plus probables que d’autres.

Une idée qui semblait autrefois prometteuse, mais qui semble désormais improbable, est le Big Crunch . C’est l’idée selon laquelle l’attraction gravitationnelle finira par arrêter l’expansion de l’univers et rassemblera tout , aboutissant à une singularité mettant fin à l’univers, un Big Bang inversé. Ce qui signifierait la fin définitive du temps qui passe.

Cependant, depuis les années 1990, les preuves s’accumulent selon lesquelles l’expansion de l’univers s’accélère, suggérant que la gravité ne sera pas assez puissante pour l’arrêter. " Il ne semble pas y avoir de moyen plausible d'arriver à un Big Crunch à partir de la cosmologie actuelle ", déclare la cosmologue Katie Mack de l'Institut Périmètre de physique théorique à Waterloo, Ontario, Canada.

La seule solution possible serait que la mystérieuse énergie noire qui accélère l’expansion modifie son comportement. "Si c'est quelque chose qui change avec le temps", dit Mack, "alors vous pourriez concevoir une version de l'énergie noire qui passerait de la création d'expansion à la création de compression." Cependant, ce ne sont que des spéculations. "Il n'y a aucune preuve de quelque chose comme ça."

Un autre scénario également considéré comme improbable est celui du Big Rip . Dans ce futur imaginé, "l'énergie noire devient un peu folle ", dit Mack. À mesure que les galaxies s’éloignent et que l’univers se vide, l’énergie noire devient plus dominante. En fin de compte, l’énergie noire devient si puissante qu’elle déchire d’abord les galaxies, puis l’espace lui-même.

C'est une idée dramatique, mais "la plupart des cosmologistes ne la prennent pas au sérieux", dit Mack. En effet, cela semble nécessiter des quantités croissantes d’énergie, sans source évidente . "Il n'est pas clair si certains principes fondamentaux de l'univers empêchent une grande rupture."

Une troisième idée est la désintégration du vide. Ce scénario dépend du comportement du champ de Higgs : un champ d’énergie qui imprègne l’univers entier et joue un rôle clé dans la masse des particules.

En 2012, les chercheurs du Large Hadron Collider ont détecté la particule associée, le boson de Higgs, confirmant l'existence du champ. "Le champ de Higgs est ce qui est important", explique Mack. "La particule est exactement la façon dont nous savons que le champ de Higgs est là."

Les cosmologues estiment que le champ de Higgs n'a pas toujours eu la même intensité. "Le champ de Higgs a changé au début de l'univers", explique Mack. "Cela a établi les conditions pour que la physique soit ce qu'elle est aujourd'hui. Cela a permis aux atomes et aux molécules d'exister et tout en créant le mélange de forces et de particules fondamentales que nous expérimentons."

Depuis, le champ de Higgs est resté stable, mais en théorie il pourrait à nouveau changer. Si cela se produisait, une sorte de bulle apparaîtrait, à l'intérieur de laquelle les lois de la physique seraient différentes. "Cela changerait le mélange de particules existantes, cela changerait la combinaison des forces, cela changerait la structure de la physique des particules d'une manière qui, quelle que soit la mesure, la rendrait inhabitable", explique Mack.

Et cela ne s'arrêterait pas là. "Cette bulle se dilaterait à peu près à la vitesse de la lumière et détruirait tout ", explique Mack. "Cela nous tuerait totalement."

La bonne nouvelle est que la désintégration du vide n’est qu’une possibilité théorique et ne se produira que dans des milliards d’années. "Mais c'est aussi un événement aléatoire", dit Mack, "donc nous ne pouvons pas vraiment prédire quand et où cela pourrait se produire."

Une fin "ennuyeuse"

Enfin, le scénario le plus accepté pour la fin de l’univers est ce qu’on appelle la mort thermique. C'est un nom un peu déroutant, car il implique que l'univers va s'incendier, alors qu'en réalité cela signifie le contraire. La mort par la chaleur serait lente et froide .

L'idée est assez simple. Actuellement, l’univers est en expansion et les galaxies s’éloignent les unes des autres. Avancez rapidement dans le film et finalement les galaxies seront si éloignées les unes des autres que la lumière d'une galaxie n'atteindra jamais les autres.

À mesure que la matière s’étend, les étoiles manquent de carburant et s’assombrissent. Finalement, l’entropie maximale sera atteinte : tout sera aussi dispersé que possible. Il n’y aura plus jamais de vie et, en fait, rien d’intéressant.

Cette mort thermique projetée se situe si loin dans le futur que nos esprits ne peuvent pas comprendre la durée impliquée.

La mort due à la chaleur a d’étranges implications sur le passage du temps. D’après notre expérience, la flèche du temps est étroitement liée à l’augmentation de l’entropie, mais au moment de la mort thermique, l’entropie sera à son maximum. "L'entropie ne peut pas augmenter", dit Mack. "Il n'y a pas de direction future et la flèche du temps est perdue."

Cependant, un autre type de flèche du temps pourrait perdurer, dit Adlam. Si une partie de la raison pour laquelle le temps ne va que dans une seule direction est d’assurer la cohérence et d’éviter les contradictions et les paradoxes, alors il n’y a aucune raison pour que l’écoulement du temps s’arrête avec la mort thermique. "Dans un sens, il y aura toujours cette structure linéaire sous-jacente, que nous pourrions appeler la flèche du temps", dit-il.

Cependant, aucun être humain ou autre être conscient ne serait présent pour expérimenter cet état. "Il ne serait tout simplement pas possible d'avoir une personne consciente dans cette situation", dit Adlam.

"Vraisemblablement, une partie de ce qu'il faut pour être conscient est d'avoir la capacité de former des souvenirs et d'avoir des processus de pensée." Ces processus reposent sur des interactions complexes qui ne sont possibles que lorsque l’entropie augmente. Une fois que cela s’arrête, il n’y a plus aucune possibilité de conscience ou de mémoire.

"On peut toujours parler de l'idée que le temps passe, mais pas dans une seule direction", dit Mack. "Ce n'est pas que ça n'existe pas, c'est juste que ça n'a plus de sens."

"Je pense que le temps a plusieurs visages", déclare Adlam. Il s’agit d’une « structure physique objective », qui existerait toujours même en cas de mort thermique. "Mais cela a aussi beaucoup à voir avec notre expérience subjective du temps", dit-il. "Avec le temps, ces choses pourraient disparaître."

Il s'agit de la version espagnole d'un article que vous pouvez lire dans sa version originale en anglais à l'adresse suivante BBC Future.