Suite de notre série sur l’espace-temps. Dans le premier épisode, nous avons vu comment Einstein a démontré que l’espace et le temps ne sont pas deux choses séparées mais un seul tissu continu, élastique, qui se courbe sous l’effet de la masse. Aujourd’hui, on entre dans un territoire encore plus étrange : celui de la mécanique quantique, et du problème radical qu’elle pose à notre compréhension du temps.
Le monde a deux visages, et ils ne se parlent pas
La physique moderne repose sur deux théories. Et elles sont, à ce jour, incompatibles entre elles.
La première, c’est la relativité générale d’Einstein, dont nous avons parlé le mois dernier. Elle décrit très précisément comment l’espace-temps se courbe sous l’effet de la masse, comment la gravité fonctionne, comment les grandes structures de l’univers s’organisent. Elle règne sur l’infiniment grand : les planètes, les étoiles, les trous noirs, l’expansion de l’univers.
La seconde, c’est la mécanique quantique. Elle décrit avec une précision absolument spectaculaire ce qui se passe à l’échelle de l’infiniment petit : les atomes, les électrons, les photons, les particules fondamentales. La physique quantique permet de comprendre ce qu’est la matière et comment elle interagit.
Ces deux théories sont les plus précises, les plus vérifiées, les plus fiables que la science ait jamais produites. Et pourtant, comme l’explique le physicien Renato Renner, la relativité générale est incompatible avec les principes de la mécanique quantique. Ce n’est pas un détail technique en cours de résolution. C’est le grand problème non résolu de la physique contemporaine.
Pour comprendre pourquoi, il faut d’abord comprendre ce qu’est vraiment la mécanique quantique, et ce qu’elle dit d’étrange sur le monde.
Le monde quantique : une réalité qui n’existe pas avant d’être regardée
Imaginez que vous lancez une pièce en l’air. Avant qu’elle retombe, elle est soit pile, soit face. Vous ne savez pas encore laquelle, mais elle l’est déjà. C’est la physique classique, celle de notre expérience ordinaire.
La mécanique quantique dit autre chose. La superposition signifie qu’un système peut occuper plusieurs états simultanément avant mesure. Dans le monde quantique, avant qu’on regarde, la pièce n’est ni pile ni face. Elle est les deux en même temps, dans une superposition des deux états. Ce n’est pas qu’on ne sait pas. C’est qu’elle n’a pas encore d’état défini. Et quand on regarde, la mesure provoque l’apparition d’un état défini, phénomène souvent appelé effondrement de la fonction d’onde.
C’est contre-intuitif au point d’être dérangeant. Einstein lui-même n’a jamais accepté cette idée, et a passé une partie de sa vie à tenter de démontrer que quelque chose lui échappait. Il a perdu.
Mais il y a plus étrange encore.
L’intrication : quand deux particules ne font plus qu’une
En mécanique quantique, les états intriqués sont la règle plutôt que l’exception. Deux particules peuvent être intriquées, c’est-à-dire liées de telle façon que l’état de l’une est instantanément corrélé à l’état de l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare. Une mesure effectuée sur l’une des particules changera son état quantique selon le postulat quantique de la mesure. Du fait de l’intrication, cette mesure aura un effet instantané sur l’état de l’autre particule.
Ce phénomène a été mesuré en laboratoire, notamment par le physicien français Alain Aspect dans les années 1980, dans des expériences désormais classiques. Ce n’est pas de la science-fiction. Ce n’est pas une métaphore. C’est réel, mesuré, vérifié.
Einstein appelait ça « l’action fantôme à distance » et pensait que ça prouvait que la théorie quantique était incomplète. Il avait tort sur ce point aussi. L’intrication existe. Et elle est l’une des ressources sur lesquelles repose l’informatique quantique en cours de développement.
Le problème du temps : là où tout se complique
Revenons au temps. C’est là que les deux théories se heurtent vraiment.
Dans la relativité générale, on l’a vu, le temps est dynamique. Il se courbe, il ralentit, il accélère selon la masse et la vitesse. Il fait partie du tissu de l’espace-temps, il est un acteur de la physique.
Dans la mécanique quantique, c’est différent. En physique quantique, le temps est très différent de l’espace. Dans les équations de la mécanique quantique, le temps est traité comme un paramètre externe, fixe, neutre, qui s’écoule de façon uniforme. Il n’est pas quantifié. Il ne fluctue pas. Il n’est pas affecté par la matière.
C’est exactement le contraire de ce que dit la relativité.
De par sa construction qui considère le temps comme coupé des variables d’espace, la mécanique quantique n’est pas compatible avec les principes de relativité restreinte.
Pour le dire simplement : la relativité dit que le temps est élastique et dynamique. La mécanique quantique le traite comme s’il était fixe et universel. Les deux ne peuvent pas avoir raison en même temps dans leur forme actuelle.
Quand les deux théories sont nécessaires en même temps
Ce serait moins problématique si les deux théories ne se rencontraient jamais dans la réalité. Mais il existe des situations où on a besoin des deux simultanément.
Il est très difficile d’étudier une singularité, dont les trous noirs font partie. La température et la densité y sont tellement élevées que la relativité générale et la mécanique quantique ne fonctionnent plus. Au cœur d’un trou noir, ou dans les premiers instants du Big Bang, la matière est à la fois dans des conditions quantiques extrêmes et dans un champ gravitationnel extrême. Les deux théories sont nécessaires. Et elles donnent des résultats incompatibles, voire produisent des absurdités mathématiques quand on essaie de les appliquer ensemble.
Les recherches montrent que ces deux approches semblent mathématiquement incompatibles, créant ainsi une barrière pour les physiciens cherchant à comprendre les phénomènes qui se produisent dans des conditions extrêmes.
C’est le mur. Celui que les physiciens théoriques cherchent à franchir depuis un siècle.
Ce que ça dit du temps, et de nous
Ce qui est vertigineux dans ce problème, ce n’est pas seulement qu’il soit non résolu. C’est ce qu’il révèle sur la nature du temps lui-même.
Si les deux théories les plus précises que l’humanité ait jamais construites ne s’accordent pas sur ce qu’est le temps, c’est peut-être parce que notre conception ordinaire du temps est encore radicalement incomplète. Peut-être que le temps tel que nous le vivons, cette flèche qui va du passé vers le futur, n’est qu’une approximation de quelque chose de bien plus complexe, qui se révèle différemment selon l’échelle à laquelle on regarde.
Ce problème a quelque chose d’humiliant et de beau à la fois. Il dit que nous ne savons pas encore ce qu’est le temps. Que nos meilleures théories, prises ensemble, ne suffisent pas à le décrire. Que la question reste ouverte.
Et dans cet espace d’incertitude, les traditions spirituelles qui ont toujours dit que le temps n’est pas ce qu’il semble être ne semblent plus si loin de ces grandes questions de la physiques.
La suite
Le mois prochain, nous explorerons l’une des tentatives les plus audacieuses pour résoudre ce problème : la gravité quantique à boucles, qui propose que l’espace-temps lui-même soit constitué de petits éléments discrets, et que le temps ne soit peut-être pas fondamental du tout.
Sources :
Futura-Sciences : « Pourquoi faut-il concilier relativité générale et physique quantique ? »
*Sciena.ch : « Une contradiction au cœur de la physique »*
Échosciences Grenoble : « Réunir relativité générale et mécanique quantique »
Wikipedia FR : « Mécanique quantique »
*Sciences-mag.fr : « La mécanique quantique décryptée simplement »*
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