Le temps naît de la forme de l'Univers ✛
L'horloge murale de la cuisine tic-taque, et chaque battement nous éloigne inexorablement du petit-déjeuner vers le déjeuner. C'est si habituel que cela semble être une loi de la nature, mais la physique dit autre chose. Dans les équations d'Einstein, le temps est réversible : on peut rembobiner le film, et aucun cadre ne révèle la supercherie. La direction n'apparaît que lorsque l'on considère l'Univers dans son ensemble, comme une scène où la thermodynamique joue la pièce du temps.
La scène doit être particulière. D'abord, elle est synchrone : tous les acteurs ont le même rythme, les lignes d'univers des particules ne s'enroulent pas les unes autour des autres. Un tel univers est dit synchrone, avec un temps cosmique unique. Ensuite, il ne doit pas y avoir de boucles fermées, sinon le héros, en faisant le tour de la scène, reviendrait dans son propre passé. Enfin, au début de la pièce, la scène est presque vide et ordonnée : le tenseur de Weyl, qui décrit les déformations de marée, s'annule au Big Bang. C'est l'hypothèse du passé : une faible entropie au moment de la naissance.
Auparavant, ces conditions étaient dispersées dans des articles séparés : certains parlaient de la flèche thermodynamique, d'autres de l'orientabilité temporelle, d'autres encore de l'interdiction des boucles. L'auteur les a réunies en une chaîne unique et a montré comment chaque étape s'appuie sur la précédente. D'abord la synchronie : sans elle, on ne peut même pas découper l'espace-temps en instants de « maintenant ». Ensuite, une singularité initiale régulière, sinon la pièce n'aurait pas un premier acte propre. Et enfin, l'orientabilité globale et la chronologie, pour qu'aucun itinéraire ne mène vers le passé.
Mais la géométrie ne fait que préparer la scène, elle ne joue pas la pièce. À elle seule, elle ne crée pas de direction : la flèche du temps naît de la croissance de l'entropie. L'espace-temps fournit le décor approprié, mais l'acteur, c'est la thermodynamique. En cosmologie quantique, le décor disparaît : l'équation de Wheeler-DeWitt, l'équation fondamentale de l'univers quantique, ne contient pas le temps. Celui-ci n'apparaît que dans l'approximation semi-classique, lorsque l'univers devient grand et classique. Ainsi, la physique fondamentale suggère que le temps n'est pas une donnée primaire, mais une propriété émergente de l'ensemble.
Si le temps dépend réellement de la forme globale de l'univers, alors la gravité quantique doit expliquer pourquoi, de l'écume quantique, a émergé précisément la géométrie qui admet une flèche du temps. Peut-être que les théories futures ne postuleront pas les conditions initiales, mais les dériveront de principes plus profonds. Une autre voie consiste à chercher d'autres phénomènes aussi étroitement liés à la forme de l'univers que le temps. Pour l'instant, c'est de la connaissance pure : aucune application pratique en vue, mais pour le choix des modèles cosmologiques et pour les discussions philosophiques sur la nature du temps, ce travail fournit une liste de contrôle claire.
L'univers de Gödel est une solution exacte des équations d'Einstein dans laquelle il existe des courbes fermées de genre temps : on peut revenir dans son propre passé. Dans un tel univers, la flèche du temps ne pourrait pas exister globalement, bien que localement l'entropie puisse croître.
Dans le roman de Kurt Vonnegut « Abattoir 5 », les extraterrestres de Tralfamadore voient tout le temps d'un coup : passé, présent et futur existent simultanément. C'est une illustration romanesque de la théorie B du temps, à laquelle l'article oppose la théorie A. Si l'univers ne satisfaisait pas aux conditions géométriques décrites, l'expérience humaine du temps ressemblerait à celle des Tralfamadoriens, sans « maintenant » privilégié et sans direction.