Entretien Du comportement des particules élémentaires à l'évolution des galaxies, peut-on décrire le monde sans invoquer le temps ? C'est possible, et c'est même une nécessité aux yeux de Carlo Rovelli. Selon ce théoricien, il faut revoir notre conception du temps.
Carlo Rovelli à Marseille, le 16 avril. Ce chercheur est l'un des pères de la théorie des boucles. © IAN HANNING/REALA RECHERCHE : Dans un article intitulé « Forget time »,vous affirmez que le temps n'existe pas : qu'entendez-vous par là ?CARLO ROVELLI : Je veux dire qu'au niveau le plus fondamental nous n'avons pas besoin de ce paramètre pour décrire le monde qui nous entoure. Le cadre théorique que je propose permet de ne pas l'utiliser : c'est celui de la gravité quantique à boucles. Cette théorie cherche à concilier la relativité générale qui explique les lois de la physique à très grande échelle et la mécanique quantique qui, elle, explique le comportement de l'infiniment petit. Ce n'est pas la première théorie capable de se passer du temps. Car l'idée, en soi, est ancienne. En effet, on peut tout à fait interpréter le formalisme mathématique de la mécanique classique newtonienne sans jamais considérer le temps comme une variable particulière. En réalité, ce paramètre existe au même titre que d'autres variables, comme la valeur du champ électrique, ou la position de la Lune, par exemple. Et ce sont des relations entre toutes ces variables que donne la théorie classique. On peut ainsi tout formuler sans attribuer au temps un caractère spécial. Cette idée a donc été avancée bien avant la relativité générale.Qu'apporte sur ce sujet la relativité générale ?C.R. : Elle change complètement la donne. Ce qui était seulement une possibilité avec la mécanique classique devient une nécessité : en relativité générale, il n'y a pas « un » temps physique, car chaque objet possède son temps propre. C'est-à-dire que chaque objet décrit une trajectoire dans l'espace-temps. Et c'est la géométrie de cet espace qui définit son temps propre. Celui-ci ne s'écoule donc pas de la même façon si l'objet se trouve à l'intérieur de la galaxie ou en dehors. Ce temps n'a plus rien à voir avec le temps de Newton. Ce dernier peut être vu comme une grande horloge extérieure à l'Univers dont les aiguilles indiquent un même temps absolu pour tout le monde. Alors qu'en relativité générale le temps n'est pas externe à la théorie puisqu'il dépend de la géométrie, par conséquent du champ gravitationnel dans lequel on se trouve. Il s'agit là d'un tout autre temps que celui de la physique usuelle.Et le problème se corse encore quand on cherche à prendre en compte la mécanique quantique.C.R. : En effet ! et cela de façon considérable puisqu'à l'échelle où la mécanique quantique devient importante pour l'espace-temps, au-dessous de la longueur de Planck 10-33 centimètre, les trajectoires n'existent plus ! Les particules élémentaires ne suivent plus des trajectoires mais des superpositions de différentes positions. On ne peut même plus utiliser les temps propres ! Aucune variable n'est une bonne horloge au-dessous de la longueur de Planck. Pour expliquer toutes les échelles, c'est assez contre-intuitif, mais le monde réel doit être une superposition d'états quantiques. Il n'y aurait pas un temps dans lequel les choses passent, mais des superpositions de temps propres différents. Cette fois encore, écrire les équations fondamentales de la physique sans faire référence à la variable temps n'est plus une simple possibilité mais une nécessité.Alors, peut-on se passer du temps, aujourd'hui ?C.R. : Plusieurs étapes ont été franchies. On a d'abord montré que formuler la relativité générale dans ce langage sans temps était possible. Aujourd'hui, on cherche à le faire pour la gravité quantique. Le formalisme existe. La gravité quantique à boucles en est un exemple. Elle prédit des relations entre variables physiques qui permettent de décrire l'évolution du monde, sans recourir au temps. Mais nous n'avons pas encore de théorie complète crédible.Concrètement, comment cette théorie sans temps rend-elle compte des changements ? Comment décrit-elle notamment le mouvement des planètes ?C.R. : Classiquement, pour décrire le mouvement des planètes du système solaire, j'utilise une horloge. À chaque instant indiqué par mon horloge, la théorie me donne la position de chacune des planètes. Maintenant, je jette l'horloge : la théorie sans temps m'indique pour chaque position du Soleil où se trouve Vénus, où est Mercure, où est Jupiter, etc. Au final, je décris le même mouvement. À un niveau fondamental, cette variable temps au statut si particulier n'existe donc pas.C'est ce qui vous fait dire que le temps, tel qu'on le conçoit comme variable particulière, est un « truc » inventé par Newton ?C.R. : Pour expliquer cela, j'aime bien raconter comment Galilée a découvert que le pendule était une bonne horloge. La légende dit que, dans l'église de Pise, observant un grand chandelier suspendu osciller lentement, il a compté le nombre de ses battements cardiaques entre chaque oscillation. Comme c'était toujours la même, il en a conclu que le pendule est une bonne façon de mesurer le temps. Depuis, la plupart des horloges utilisent un pendule : dans une horloge mécanique il y a un petit pendule qui oscille, dans une horloge atomique, c'est un atome qui oscille. Et aujourd'hui, on mesure le pouls grâce à une horloge. En réalité, que mesurait Galilée ? La durée de l'oscillation par rapport à son pouls. Finalement, on ne mesure jamais le temps mais une variable par rapport à une autre ! L'idée de Newton a été d'imaginer une variable temps, que l'on ne mesure pas, mais par rapport à laquelle on décrit toutes les équations. Le mouvement du pendule, etc. Toute la physique utilise ce « truc ». Or, quand on cherche à allier la relativité générale à la mécanique quantique, ce truc ne marche plus, et on ne peut plus prétendre qu'une variable gouverne la danse de toutes les autres.Soit ! on peut tout repenser sans temps ! Mais comment expliquer notre expérience quotidienne du temps ?C.R. : On peut comparer ce problème à celui de la couleur. À la Renaissance, on a compris que la couleur n'était pas une propriété fondamentale de la matière. Mais, même si les atomes n'ont pas de couleur, il fallait bien expliquer pourquoi nos yeux la perçoivent. Autrement dit, il fallait retrouver dans la matière qui n'a pas de couleur, ce qui lui donne la couleur. Dans le cas du temps, nous devons comprendre dans quelles conditions il apparaît et ce qui nous donne cette expérience du temps. Mais redisons-le, ce n'est pas pour autant une propriété fondamentale.Comment fait-on émerger le temps d'une théorie sans temps ?C.R. : C'est une question ouverte. Avec le mathématicien français Alain Connes, nous avons proposé l'idée d'un temps thermique. Nous tentions, chacun de notre côté, de comprendre le temps en s'intéressant plutôt à sa nature thermodynamique que mécanique. En thermodynamique, on fait des statistiques. La chaleur correspond à de l'agitation thermique, on ne connaît pas le mouvement individuel des atomes mais on donne une description moyenne. Quand je dis « La tasse de thé est chaude », je parle seulement de la température mais pas du mouvement de chacune des molécules. En appliquant cette approche, nous avons mis en équation une formule précise qui donne un état statistique duquel on peut dériver une variable temporelle. En fait, pour nous, le temps est un effet de notre ignorance du détail. Si nous connaissions précisément chaque variable, la position exacte microscopique de chaque atome par exemple, il n'y aurait pas de statistique, et donc pas de temps.Si on reprend l'analogie avec les molécules de thé, là que regarde-t-on ?C.R. : Tout système thermique est décrit avec un état statistique, une distribution de probabilité sur toutes les configurations microscopiques. Cet état permet de calculer une variable temporelle. C'est la variable par rapport à laquelle le système est en équilibre. L'idée est que nous sommes des systèmes thermiques. Et, en tant que tels, nous avons naturellement une idée de temps qui nous est associée. Et, chaque fois qu'il y a un système en équilibre, il y a un temps. Il y a une direction privilégiée par rapport à laquelle on est en équilibre.Retrouve-t-on ainsi la flèche du temps, le fait qu'il ne s'écoule que dans une direction ?C.R. : Oui, d'une certaine façon. C'est l'équilibre qui détermine un temps. Nous vivons dans un monde qui est proche d'un état d'équilibre. On peut le penser comme un passage d'un état d'équilibre à l'autre. On peut donc décrire un temps qui possède toutes les propriétés thermodynamiques : son entropie * augmente, et lui confère une direction privilégiée avec les caractéristiques du temps que nous connaissons. On comprend ainsi pourquoi dans notre monde existe cette variable si particulière qu'est le temps. Et une horloge est un objet mécanique correctement synchronisé avec ce temps.Comment vos idées sont-elles accueillies ?C.R. : Les réactions sont variées. Mais parmi les théoriciens, beaucoup reconnaissent qu'il faut changer en profondeur notre façon de voir le temps. C'est le cas du physicien américain, Edward Witten, une sommité en théorie des cordes. Et lors d'un colloque récent à Genève, le Prix Nobel David Gross, « cordiste » également, en appelait aussi à une révision de notre conception du temps. Certains adhèrent au fait que le temps n'existe pas au niveau fondamental. D'autres récusent cette idée, à l'instar de mon ami Lee Smolin, avec qui nous avons élaboré la gravité quantique à boucles. De plus, comme il n'existe pas encore de théorie de gravité quantique complète, les avis divergent sur la façon concrète de modifier notre vision du temps. Quant au temps thermique, c'est une idée très particulière que très peu de gens partagent. Rares sont ceux qui y travaillent, et les autres la regardent comme une idée étrange. La difficulté est de parvenir à la faire fructifier, pour les convaincre.Par Propos recueillis par Hélène Le Meurhttp://www.larecherche.fr/savoirs/dossier/1-carlo-rovelli-il-faut-oublier-temps-01-06-2010-82542
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