English German Espagnol Portugese Chinese Japanese Arab Rusian Italian Norvegian Dutch Hebrew Polish Turkish Hindi
Accueil du site > 01 - Livre Un : PHILOSOPHIE > LIVRE UN - Chapitre 02 : Matière à philosopher ? > Le temps est-il réel (c’est-à-dire physique) ou subjectif ?

Le temps est-il réel (c’est-à-dire physique) ou subjectif ?

vendredi 13 avril 2018, par Robert Paris

Le temps a-t-il une signification matérielle réelle ou est-il seulement une apparence psychologique construite par le cerveau humain ?

Aristote, dans sa « Physique », considérait le temps comme un produit de la conscience et de l’intelligence humaines :

« La relation entre le temps et la conscience mérite examen… Et rien ne peut énumérer sauf la conscience, et la conscience seulement en temps qu’intelligence (et non pas seulement en temps que sensation), alors il est impossible que le temps puisse exister sans la conscience… à moins qu’il ne soit que la chose objective que nous appelons subjectivement le temps, pour autant que nous puissions supposer que le mouvement pourrait ainsi exister objectivement sans qu’il y ait aucune conscience. »

Aristote :

« Le temps n’existe pas sans le changement ; en effet, quand nous ne subissons pas de changements dans notre pensée, ou que nous ne les apercevons pas, il ne nous semble pas qu’il se soit passé du temps… Voici ce qu’est le temps : le nombre du mouvement selon l’antérieur-postérieur… »

Augustin :

« Qu’est-ce donc que le temps ? Quand personne ne me le demande, je le sais ; dès qu’il s’agit de l’exprimer, je ne le sais plus. »

Newton, dans « Principes mathématiques de la philosophie naturelle » :

« Le temps absolu, vrai et mathématique, sans relation à rien d’extérieur, coule uniformément, et s’appelle la durée. Le temps relatif, apparent et vulgaire, est cette mesure sensible et externe d’une partie de durée quelconque (égale ou inégale) prise du mouvement : telles sont les mesures d’heures, de jours, de mois, etc... dont on se sert ordinairement à la place du temps vrai. »

Emmanuel Kant affirmait que le temps et l’espace étaient des formes a priori de la connaissance humaine.

Kant dans « Critique de la raison pure » :

« Le caractère intelligible est le caractère par lequel le sujet serait la cause de ses actes, comme des phénomènes, mais qui lui-même ne serait pas soumis aux conditions de la sensibilité et ne serait pas même un phénomène. Ce sujet agissant ne serait donc pas soumis, quant à son caractère intelligible, à des conditions de temps, car le temps n’est que la condition des phénomènes, mais non des choses en soi. En lui ne naîtrait ni ne périrait aucun acte et, par suite, il ne serait pas non plus soumis à la loi de toute détermination de temps, de tout ce qui change, qui est que tout ce qui arrive a sa cause dans les phénomènes (de l’état précédent). Ainsi sa causalité intellectuelle ne rentrerait nullement dans la série des conditions empiriques qui rendent l’événement nécessaire dans le monde sensible. Ce caractère intelligible ne pourrait jamais être connu immédiatement, puisque nous ne pouvons percevoir une chose en tant qu’elle apparaît, mais il devrait pourtant être conçu conformément au caractère empirique, de la manière même que nous devons, en général, poser dans la pensée, pour fondement aux phénomènes, un objet transcendantal, bien qu’à la vérité nous ne sachions rien de ce qu’il est en soi. Ainsi en tant que noumène, cet être actif serait, dans ses actions, indépendant et libre de toute nécessité naturelle comme celle qui se trouve uniquement dans le monde sensible et on dirait de lui très exactement qu’il commence de lui-même ses effets dans le monde sensible sans que l’acte commence en lui-même. »

Kant dans son « Esthétique » :

« Le temps n’est pas un concept empirique ou qui dérive de quelque expérience. En effet, la simultanéité et la succession ne tomberaient pas elles-mêmes sous notre perception, si la représentation du temps ne lui servait à priori de fondement.[...]. Le temps est une représentation nécessaire qui sert de fondement à toutes les intuitions. [...] Sur cette nécessité se fonde à priori la possibilité de principes apodictiques concernant les rapports du temps, ou d’axiomes du temps en général, comme ceux-ci : le temps n’a qu’une dimension ; des temps différents ne sont pas simultanés, mais successifs... Le temps n’est pas un concept discursif, ou, comme on dit, général, mais une forme pure de l’intuition sensible. »

Hegel répondant à Kant :

« Si vous connaissez toutes les qualités d’une chose, vous connaissez la chose elle-même ; il ne reste que le fait que ladite chose existe en dehors de vous, et dès que vos sens vous ont appris ce fait, vous avez saisi le dernier reste de la chose en soi, la célèbre chose en soi inconnaissable de Kant. A quoi on peut ajouter que, du temps de Kant, notre connaissance des objets naturels était si fragmentaire qu’il pouvait se croire en droit de supposer, au-delà du peu que nous connaissions de chacun d’eux, une mystérieuse « chose en soi ». »

Hegel dans « Encyclopédie des sciences philosophiques » :

« On dit que tout naît et disparaît dans le temps ; quand on fait abstraction du tout, et notamment de ce qui emplit du temps et de l’espace, alors il reste le temps et l’espace vides – c’est-à-dire qu’alors on pose et on représente des abstractions de l’extériorité comme si elles étaient pour elles-mêmes. Mais tout naît et disparaît non « dans » le temps – c’est le temps lui-même qui est ce devenir, la naissance et la disparition, l’abstraction en acte, el Chronos qui donne naissance à tout et qui détruit ses enfants. »

Einstein :

« La vision très louée de Kant sur le temps me rappelle la fable d’Andersen sur les nouveaux vêtements de l’empereur, seulement la forme de l’intuition prend la forme des vêtements de l’empereur. »

Einstein :

« Le temps s’écoule plus lentement si la vitesse se rapproche de celle de la lumière (c’est la dilatation du temps). »

Einstein dans « L’éther et la théorie de la relativité » :

« Pour nous résumer, nous dirons donc que l’espace est, selon la théorie de la relativité générale, doté de qualités physiques et qu’en ce sens il existe un éther. D’après la théorie de la relativité générale, un espace sans éther est impensable, car dans un tel espace non seulement la lumière ne pourrait se propager, mais aussi les règles et les horloges ne pourraient pas exister et il n’y aurait donc pas de distances spacio-temporelles au sens de la physique. Mais il ne faut pas s’imaginer cet éther comme doté de la propriété qui caractérise les milieux pondérables : être constitué de parties que l’on peut suivre au cours du temps ; on ne doit pas lui appliquer le concept de mouvement. »

Poincaré dans « La mesure du temps » (dans « La valeur de la science ») :

« Tant que l’on ne sort pas du domaine de la conscience, la notion du temps est relativement claire… Le temps doit être défini de telle façon que les équations de la mécanique soient aussi simples que possible. »

La suite

De Broglie dans « La physique nouvelle et les quanta » :

« En vérité, les notions d’espace et de temps tirées de notre expérience quotidienne ne sont valables que pour les phénomènes à grande échelle. »

Bernard Piettre dans « Philosophie et science du temps » :

« Il n’existe aucun espace ni aucun temps en dehors de ceux de l’univers. Le monde, en tant qu’espace-temps, ne peut donc être l’objet d’une cosmologie comme science, contrairement à ce que pensait Kant… Le temps appartient intimement au monde sans être un être réel, subsistant. Le monde est temps en ce sens qu’il ne saurait s’appréhender indépendamment de sa dimension évolutive : son être est devenir, un devenir orienté… »

Banesh Hoffman et Michel Paty, dans « L’étrange histoire des quanta » :

« Ces électrons, ainsi que les autres particules fondamentales, n’existent pas dans l’espace et le temps. Ce sont l’espace et le temps qui existent en fonction d’eux. »

Laurent Nottale, dans « La complexité, vertiges et promesses » :

« La nature même de l’espace-temps est changée car elle contient en réalité ces changements d’échelle d’une manière intrinsèque et irréductible à l’espace-temps ordinaire qui est, lui, dans la vision physico-mathématique, un ensemble de points. (...) En réalité, cette vision dans laquelle on représente le monde sous forme de points prétend faire des mesures avec une précision infiniment grande – à chaque petit intervalle spatial correspond un petit intervalle de temps. Or, c’est la mécanique quantique qui nous dit qu’il faudrait une énergie infinie pour pouvoir faire une telle mesure. »

Maurice Jacob dans « Au cœur de la matière » :

« Le vide bouillonne de particules à très faible échelle de temps. (...) Si le temps d’observation est de 10-21 s, (…) des paires électron-positon peuvent spontanément apparaître. Si le temps d’observation tombe à 10-24 s, (...) le vide peut bouillonner de pions. Sur un temps de 10-26 s, une particule Z (...) peut se manifester. Quand on atteint (...) 10-44 secondes (...) le tissu même de l’espace-temps se trouve soumis à ces fluctuations quantiques. »

N. Campbell écrivait dans "Philosophical foundation of quantum theory" :

« La notion de temps découle d’une conception statistique ne possédant de signification que pour de grands nombres d’atomes (...) L’intervalle de temps entre des événements atomiques a aussi peu de sens que de parler de la température d’une molécule isolée. »

Lee Smolin dans « Rien ne va plus en physique » :

« La théorie générale de la relativité d’Einstein diffère complètement. Il n’y a plus de fond fixe. La géométrie de l’espace et du temps varie et évolue en permanence, ainsi que le reste de la nature. (…) Il n’y a plus un champ qui se déplace sur un fond géométrique fixe. Au contraire, nous avons une collection de champs, qui interagissent tous, les uns avec les autres, qui sont dynamiques, qui tous exercent une influence sur les autres, et la géométrie de l’espace-temps en fait partie. (…) La relativité générale a vite mené aux prédictions de phénomènes nouveaux, tels que l’expansion de l’univers, le Big Bang, les ondes gravitationnelles et les trous noirs, dont il existe, pour tous, de solides preuves expérimentales. (…) La leçon principale de la relativité générale était qu’il n’y avait pas de géométrie fixe du fond spatio-temporel. (…) Cela signifie que les lois de la nature doivent s’exprimer sous une forme qui ne présuppose pas que l’espace ait une géométrie fixe. C’est le cœur de la leçon einsteinienne. Cette forme se traduit en principe, celui d’indépendance par rapport au fond. Ce principe énonce que les lois de la nature peuvent être décrites dans leur totalité sans présupposer la géométrie de l’espace. (…) L’espace et le temps émergent de ces lois plutôt que de faire partie de la scène où se joue le spectacle. Un autre aspect de l’indépendance par rapport au fond est qu’il n’existe pas de temps privilégié. »

Lee Smolin :

« Tous les mystères auxquels sont confrontés les physiciens et les cosmologistes – du Big-Bang au destin de l’univers, des casse-tête de la physique qu antique à l’unification des forces et des particules – nous conduisent à la nature du temps…La réalité du temps est la clef pour affronter le mystère de ce qui sélectionne les lois de la physique. »

Carlo Rovelli :

« On ne voit jamais le temps, mais on voit les choses changer. »

Carlo Rovelli :

« Le temps est un effet de notre ignorance des détails du monde. Si nous connaissions parfaitement tous les détails du monde, nous n’aurions pas la sensation de l’écoulement du temps. J’ai beaucoup travaillé sur cette idée et sur l’idée mathématique qui la soutient ; celle ci doit montrer comment des phénomènes typiques liés au passage du temps peuvent émerger d’un monde atemporel, lorsque nous en avons une connaissance limitée. »

Carlo Rovelli :

« Il faut comprendre comment cette étrange structure du temps est affectée par la mécanique quantique : au niveau fondamental, il n’y pas de temps local ni de temps commun, on ne peut parler que de la façon dont les choses bougent les unes par rapport aux autres. Cela signifie que le temps ne permet pas de décrire le monde au niveau fondamental. On ne voit jamais le temps, mais on voit les choses changer. On voit le soleil monter et descendre, on peut décrire les faits sans parler du temps, seulement en mettant en avant comment les choses changent. Ainsi, les horloges nous donnent-elles un repère temporel commun et pas de repères généraux. »

Gilles Cohen-Tannoudji :

« La matière, c’est tout ce qui donne sa flèche au temps. La lumière, c’est ce qui tisse la trame de l’espace-temps. »

Jean-Didier Vincent, dans la préface de « Les fils du temps » de Rémy Lestienne :

« Il existe une horloge formée d’une centaine de neurones dans l’œil de l’escargot : elle indique les jours avec une précision digne d’un horloger helvète. On dit qu’il s’agit d’un « pacemaker » circadien parce qu’elle a la propriété de produire des rythmes à la façon d’un métronome battant la mesure selon une période d’environ un jour. Ce rythme est une propriété intrinsèque des cellules oculaires ; isolées de l’œil et du reste du corps, celles-ci continuent de présenter une alternance d’activité et de repos selon une périodicité de vingt-quatre heures. Comme toute horloge, la montre vivante doit être remise à l’heure en fonction des saisons et des fuseaux horaires. C’est le cerveau qui réalise ce réglage par l’intermédiaire des voies nerveuses qui changent la phase de l’horloge sans en modifier la période. Pour transmettre ses ordres, il utilise un messager chimique, la sérotonine, véritable horloger du vivant présent chez toutes les espèces d’animaux supérieurs. Fabriquer du temps semble donc être une propriété fondamentale du vivant. Le rythme circadien constitue une formidable possibilité d’adaptation aux conditions de vie à la surface de la Terre. Tous les êtres vivants plus évolués que les bactéries présentent des rythmes biologiques (alternance d’activité-repos, cycle des températures, etc.) qui se produisent avec une périodicité de vingt-quatre heures. Ces rythmes circadiens sont endogènes et font partie intégrante de la cellule. Chez les êtres pluricellulaires, seules quelques cellules conservent cette propriété de produire un rythme circadien. Ce sont les horloges internes, constituées de neurones spécialisés, que possèdent non seulement l’escargot mais aussi des animaux plus évolués : le rat, le lapin… et l’homme. Personne ne peut échapper à ces cadences imposées par le cerveau… Nombre de nos activités, de nos sécrétions hormonales, de mouvements de nos viscères ne pourraient pas se passer de ce temps quotidien. De multiples « montres » logées dans notre cerveau règlent l’emploi du temps de chacune de nos fonctions. Il semble qu’une seule horloge, dite « maîtresse », coiffe et gouverne cet amoncellement de pendules, un peu comme à la gare Saint-Lazare. Elle est enfouie au plus profond du cerveau, dans le « noyau suprachiasmatique » de l’hypothalamus. Le rythme circadien existe déjà chez le fœtus : il est alors entravé par celui de la mère, dont il peut toutefois être facilement dissocié. Les plans de l’horloge font partie du patrimoine génétique de l’individu. Des biologistes ont récemment isolé, sur le chromosome X de la mouche drosophile, le gène responsable de cette périodicité. »

Rémy Lestienne dans « Les fils du temps » :

« Il peut paraître étrange qu’une expérience aussi primitive que celle du temps et de sa fuite puisse faire l’objet d’un livre, reprenant les données de l’histoire de la science et les acquis les plus récents de la recherche moderne. Les apparences de la vie quotidienne nous incitent à adopter une position réaliste, au sens philosophique du terme, c’est-à-dire à tenir fermement que le temps existe bien, indépendamment de nous et de nos discours. Mais la question de la réalité ou de l’illusion du temps n’est en rien incongrue. Cette fuite que nous tenons instinctivement pour certaine est en réalité l’objet d’un débat millénaire. Loin d’être en accord avec le sens commun, la pensée philosophique depuis deux mille ans et la pensée scientifique depuis deux cent ans pointent volontiers vers une autre direction : celle désignée par Emmanuel Kant, pour lequel ni le temps ni l’espace n’appartiennent au monde brut – au monde tel qu’il est vraiment, indépendamment de nos sens -, mais seulement au monde conçu par notre esprit…

Examinons d’abord l’aspect contradictoire du temps. Quand nous en parlons, nos discours font immédiatement appel, tour à tour ou simultanément, aux catégories de la « permanence » et du « changement »...

Parallèlement à cette « dialectique » de la permanence et du changement, le développement de la science a donné le jour à deux paradigmes temporels : la « causalité » et l’ « entropie »…

Mais, contrairement aux affirmations péremptoires de certains de ses promoteurs les plus fervents, le paradigme de causalité et les concepts d’espace-temps qui lui sont associés n’épuisent pas toute la richesse de la notion originale de temps. En fait, ils en négligent même l’aspect essentiel : le devenir, le vieillissement, le fait que les choses suivent constamment et avec application la pente de l’entropie croissante définie par Rudolf Clausius…

Albert Einstein fut celui à qui revint le mérite de remettre en cause l’édifice établi par Newton, théorie physique fondée sur le découplage entre l’espace cartésien et le temps absolu et universel. Il montra en effet l’impossibilité pratique de synchroniser des horloges pour peu que celles-ci soient en mouvement les unes par rapport aux autres. Il mit ainsi au grand jour le caractère arbitraire du schéma newtonien de temps universel. Il s’attacha alors à donner une signification opérationnelle précise à la notion de temps, et donc à redéfinir la simultanéité en faisant appel à des opérations purement physiques (lecture des indications d’une horloge, mesures de distances à l’aide d’une règle, transmission de signaux se propageant à une vitesse déterminée). La nouvelle façon de repérer et d’ordonner les événements dans le monde qui en résulte ouvre alors la voie au développement d’un nouvel édifice de la théorie physique, la théorie de la relativité… La théorie de la relativité est une théorie causale du temps… La théorie de la relativité, qu’elle soit restreinte ou généralisée, accorde au paradigme de causalité, exprimé par la propagation de la lumière à vitesse finie et constante, une « réalité »… Dans une conférence donnée en 1911 à Bologne, Langevin eut l’idée d’illustrer les aspects paradoxaux du temps en mécanique relativiste en racontant l’histoire de deux jumeaux, dont l’un part pour un voyage intersidéral effectué à très grande vitesse, tandis que l’autre reste sur Terre. Au bout de deux ans, ayant achevé son périple, le jumeau voyageur revient sur Terre, mais retrouve celle-ci vieillie de deux cents ans… Par ce texte prémonitoire, Langevin désigne clairement la cause véritable de la dissymétrie dans le vieillissement : les accélérations subies par le voyageur, qui ne sont pas relatives. La relativité, en gestation à l’époque de la conférence de Langevin, ne pouvait que conforter ce point de vue. Une analyse détaillée de ce type d’expérience dans le cadre de la relativité générale permet de confirmer la valeur du décalage prévu entre ces deux horloges, décalage qui est bien celui auquel conduit l’approche précédente… Enfin, en 1971, le physicien américain Joseph Hafele, jugeant que la précision atteinte par les horloges atomiques était désormais suffisante pour observer concrètement l’effet de vieillissement inégal, effectue l’expérience décisive… Depuis la publication des résultats, personne ne conteste plus l’existence de l’effet relativiste du vieillissement inégal.

On pourrait penser que l’abandon du temps absolu de Newton, à cause de la théorie de la relativité, et le mélange des variables d’espace et de temps dans les mesures de distance ou de durée ont ébranlé le temps comme notion fondamentale pour la description de la nature. Il n’en est rien cependant. Paradoxalement, le concept de temps, revu par la théorie de la relativité, acquiert davantage de poids : il prend par rapport au temps newtonien une épaisseur nouvelle. Au temps immatériel des coordonnées cartésiennes, au temps théologique de Newton, le paradigme de causalité propagée de la relativité nous oblige à substituer un temps individuel, attaché à chaque chose et à chaque être. Ce temps marque leur réalité, leur devenir, le temps des horloges qui règlent le fonctionnement de leurs rouages internes, en bref leur temps propre. Le mélange des variables d’espace et de temps n’altère pas la spécificité du temps, parce que celle-ci prend toute sa valeur dès lors que l’on se place dans le système de référence où la chose ou l’être est.

Mais du même coup, ce temps, parce qu’il résulte de la coordination de l’Univers entier au travers des principes de la relativité, marque aussi la présence de chaque chose et de chaque être au monde, leur participation au devenir cosmologique tout entier, dans un univers marqué par le sceau de l’histoire…

Mais l’interprétation causale du temps est entachée d’un double et grave défaut. D’une part, l’équation entre temps et causalité donne une image mutilée du temps, parce qu’elle le dépouille de sa flèche : ce temps n’est plus orienté… En outre, le champ d’application de la causalité n’est peut-être pas aussi universel que le croyait Einstein. Il semble ne s’étendre en effet qu’aux phénomènes macroscopiques, et non aux éléments de la réalité en soi, comme le prouvent les propriétés d’inséparabilité démontrées par certaines interactions entre particules élémentaires… La nécessité de recourir à un principe subsidiaire pour restituer la dissymétrie passé-futur et l’inséparabilité de certaines propriétés quantiques paraissent limiter l’universalité du principe relativiste de causalité et ruiner toute adéquation possible entre temps primordial et cette dernière…

Les atomes radioactifs ou les particules élémentaires instables se désintègrent spontanément. Le temps qui s’écoule avant la désintégration d’un atome ou d’une particule est extrêmement variable, mais les atomes et les particules d’une espèce déterminée ont une vie moyenne caractéristique de cette espèce. Ainsi, après une période de 6,5 milliards d’années, la moitié des atomes d’uranium 238 présents au début de cette période s’est désintégrée… Les physiciens savent recréer, par les interactions nucléaires, des atomes ou des particules élémentaires dont la durée de vie moyenne est infiniment plus brève que celle de l’uranium. Parmi celles-ci, retenons le cas des mésons pis, dont la vie moyenne à l’état libre ne dépasse pas 0,03 microseconde, et le méson K°, dont il existe deux versions ayant un temps de vie différent, chacun de l’ordre du milliardième de seconde.

La désintégration de ces substances, qu’elles soient naturelles ou créées en laboratoire, couvre une vaste échelle de temps ; la seule existence du phénomène de l’instabilité de la matière suffit à démontrer que le devenir est inscrit au cœur des choses…

La désintégration des particules instables semble obéir à une loi phénoménologique simple, caractéristique des phénomènes d’accroissement d’entropie. Cette loi est la loi exponentielle décroissante, dont la découverte dans le cas des atomes radioactifs remonte aux premières années du XXe siècle…

A la suite des travaux de Rutherford et Soddy, la loi exponentielle a presque toujours été acceptée sans réserve. Habituellement, elle caractérise des phénomènes de relaxation, correspondant à la décharge soudaine d’une énergie lentement accumulée, et dissipée sous forme de chaleur. Ces phénomènes sont fréquents en mécanique et en électronique. Quand, à chaque instant, le flux de la décharge (courant électrique par exemple) est proportionnel au potentiel (différence de potentiel par exemple), alors le flux comme le potentiel décroissent exponentiellement…

Le phénomène peut d’ailleurs se reproduire périodiquement, par un succession monotone de charges et de décharges. On a alors ce que l’on peut appeler une « horloge thermodynamique », par opposition aux « horloges mécaniques » fondées sur des phénomènes d’oscillations entretenues. Dans leur fonctionnement même, les horloges thermodynamiques dissipent de l’énergie ; à l’inverse, dans les horloges mécaniques, il est essentiel que les phénomènes de dissipation (les frottements mécaniques, les courants ohmiques) soient réduits au minimum. En pratique, la loi exponentielle de déclin est la signature d’un phénomène de relaxation. Inversement, tout phénomène auquel on attribue la qualité de phénomène de relaxation est censé obéir à une loi de variation exponentielle dans le temps…

Chaque atome, pris individuellement, pourvu qu’il existe à l’état non désintégré à l’instant t, a la même probabilité de se désintégrer au cours de l’intervalle qui suit, quel que soit l’instant considéré… Cette condition exprime, en somme, l’indifférence de chaque atome pour son propre passé. Elle affirme que la durée est un phénomène collectif, un phénomène mettant obligatoirement en jeu des ensembles ; bref, qu’il s’agit d’un phénomène thermodynamique…

Le temps de la mécanique quantique et le temps classique doivent être distingués dans le problème du « renversement du temps »… En pratique, cela revient à changer en leurs opposés, dans les équations fondamentales de la théorie, les grandeurs temps, vitesses, courants, chaque fois qu’elles apparaissent. Si les lois restent identiques à elles-mêmes après ces transformations, nous conclurons que passé et futur sont interchangeables du point de vue de la théorie physique : nous parlerons d’une symétrie de la nature par renversement du temps. Si elles sont différentes, nous dirons que cette symétrie est absente, ou qu’elle est violée. L’absence de symétrie par renversement du temps implique bien évidemment que la nature n’est pas indifférente au sens de l’écoulement du temps, et que la « flèche du temps » a donc une signification objective.

Toutes les lois de la physique obéissent en fait à la symétrie par renversement du temps, que ce soit en mécanique classique, en mécanique quantique ou en relativité. Par conséquent l’asymétrie observée dans l’évolution des systèmes matériels macroscopiques dont l’étude fait l’objet de la thermodynamique, ne peut être due qu’à des conditions aux limites très particulières…

Chassée des théories physiques, l’irréversibilité temporelle a opéré un discret retour, à partir du milieu du siècle dernier, par l’intermédiaire de la thermodynamique, ou science des machines thermiques.

Dans ses « Réflexions sur la puissance motrice du feu », Sadi Carnot s’était aperçu que la transformation de la chaleur en énergie mécanique était limitée, dans la pratique, par le sens irréversible dans lequel s’accomplissent les transferts de chaleur entre les corps à différentes températures : les transferts de chaleur spontanés s’opèrent toujours et exclusivement des corps chauds vers les corps froids. Cette propriété est non seulement l’archétype, mais bien probablement la base même de l’irréversibilité temporelle. L’ « entropie » est la grandeur qui permet de quantifier cette irréversibilité dans ses rapports avec les transferts de chaleur.

L’équation de Fourier, décrivant la propagation de chaleur dans les milieux continus contraste avec les équations fondamentales de la mécanique, en ce qu’elle n’est pas réversible par rapport au temps… Les autres équations décrivant les phénomènes irréversibles (équation de Fick pour la diffusion de la matière) ont une forme semblable à l’équation de Fourier, sans doute parce qu’elles traduisent toutes, en définitive, une dissipation d’énergie sous forme de chaleur. Même la désintégration des substances radioactives se traduit finalement par une dissipation de chaleur, comme l’atteste la chaleur terrestre, entretenue par la désintégration de métaux radioactifs dans les couches profondes du globe.

On est donc amené à considérer l’irréversibilité des flux de chaleur comme l’archétype des manifestations physiques de l’irréversibilité temporelle. Remarque importante car, si elle est exacte, si tous les exemples d’irréversibilité constatée dans la physique à notre échelle peuvent effectivement se relier directement à des échanges de chaleur, l’analyse de ces processus irréversibles doit pouvoir être faite de façon purement objective, à partir des grandeurs thermodynamiques telles que chaleur, température, etc. Ces dernières grandeurs peuvent sembler moins objectives que les autres mesures utilisées en physique, comme la masse et l’énergie, car elles ne quantifient pas des particules individuelles, mais de vastes ensembles de particules…

En 1850, Clausius est imprégné de l’importance universelle du nouveau concept de conservation de l’énergie mécanique-chaleur, et fasciné par la conservation de l’énergie à travers ses manifestations et transformations diverses. Mais si l’énergie est le concept central de la théorie physique et qu’elle se conserve, il y a quelque chose d’essentiel dans la nature qui échappe au devenir. Plus encore que les autres lois de conservation, la loi de la conservation de l’énergie s’inscrit dans une perspective intemporelle…

La racine grecque du mot « entropie » signifie « transformation »… Ce n’est pas faire injure à la mémoire de Clausius que de prêter au mot entropie le sens de ce qui « change réellement quand en apparence tout redevient pareil ». Dans un cycle de machine à vapeur… de la chaleur est passée de la source chaude (le foyer) à la source froide (le condensateur). L’entropie du système global (la machine et ses sources) a augmenté.

Encore une fois, l’accroissement de l’entropie, telle que l’a définie Clausius, peut paraître un exemple particulier d’irréversibilité, liée aux seules transformations thermiques, alors que la loi de conservation de l’énergie est générale. Il n’en est rien cependant : comme on l’a dit, tous les exemples d’irréversibilité observés, du moins dans la physique macroscopique, semblent être reliés directement à des échanges de chaleur. La loi de Clausius a donc bien le même degré de généralité que la loi de Helmoltz, et la même importance épistémologique.

La loi de l’accroissement de l’entropie est une vérité statistique. Si l’on dénombre les conditions microscopiques d’un volume de gaz qui conduisent à une situation thermodynamique donnée, on se convainc facilement que le nombre de conditions correspondant à l’équilibre thermodynamique, d’entropie maximum, est très grand devant celui correspondant à n’importe quel autre état…

En 1870, Boltzmann croyait avoir démontré que les chocs élastiques entre les molécules au sein d’un gaz entraînaient immanquablement un transfert de chaleur des parties chaudes vers les parties froides, et donc une évolution irréversible qu’il pouvait relier à une grandeur mécanique H qui, comme l’entropie, ne varie que dans un seul sens (théorème H). Mais il fut bientôt clair que sa démonstration reposait, en fait, sur une hypothèse implicite, et dont la validité n’est pas assurée. Cette hypothèse dit de « chaos moléculaire » admet l’absence de corrélations entre les vitesses des molécules dans l’état initial de la massez gazeuse, bien qu’il y en ait, de toute évidence, dans l’état final entre les molécules qui sont entrées en collision. L’hypothèse de chaos moléculaire revient donc subtilement à admettre dès le départ cette irréversibilité que l’on entend démontrer.

Le théorème de Boltzmann provoqua l’embarras parmi les physiciens de son temps. Comment une fonction monotone, variant toujours dans le même sens au cours du temps, pouvait-elle être attachée à un système mécanique, dès lors que les lois de la mécanique qui gouvernent son évolution n’impliquent aucun sens d’évolution privilégié pour aucune des variables dynamiques du système ? Lord Kelvin fut apparemment le premier à souligner que les lois de la mécanique n’interdisent pas, en particulier, d’imaginer qu’à un instant donné on renverse les vitesses de toutes les molécules du gaz dont le théorème « H » prétend étudier l’évolution. Les lois de la mécanique impliquent alors que le volume de gaz doit repasser de proche en proche par tous les états qu’il avait occupés antérieurement, comme si l’on passait à rebours le film de l’évolution originale de cet échantillon. Toutes les fonctions des variables du système qui décroissaient dans l’évolution originale doivent maintenant croître, et vice versa. Il est donc impossible que la fonction « H » ne puisse connaître qu’une évolution monotone. Cette objection est aujourd’hui connue sous le nom de « paradoxe de Loschmidt ». « Eh bien, allez-y, aurait rétorqué un supporter de Boltzmann, vous voulez retourner la vitesse de toutes les molécules du gaz ? Faites-le ! » Ce défi soulignant l’impossibilité « pratique » de préparer des systèmes dont l’entropie décroîtrait spontanément, résume parfaitement l’esprit de la réponse présentée d’abord par Boltzmann. Non, les lois de la mécanique n’interdisent pas que l’entropie d’un système abandonné à lui-même diminue. Mais de tels systèmes n’existent habituellement pas dans la nature : les conditions initiales des systèmes réels sont telles que leur entropie croît…

La décroissance de l’entropie n’est pas exclue, elle est seulement improbable, compte tenu de l’énorme diversité des situations microscopiques caractérisant par exemple le volume d’un gaz, compatibles avec son état d’équilibre thermodynamique, par opposition à la rareté des situations microscopiques compatibles avec un état donné différent de l’équilibre…

Feynman écrit ironiquement dans son « Cours de physique élémentaire » que « l’irréversibilité des phénomènes effectivement observés est due à un très grand nombre de particules concernées. Si nous pouvions voir les molécules individuelles, nous ne pourrions pas décider dans quel sens temporel le système évolue… mais si nous ne voyons pas tous les détails, alors la situation devient parfaitement claire. » Ne doit-on pas plutôt suivre Poincaré, pour qui, si le hasard peut nous aider à prédire le comportement futur des systèmes physiques, il faut bien qu’il « soit autre chose que le nom que nous donnons à notre ignorance. »

L’interprétation probabiliste de l’entropie a, de notre point de vue, un grand mérite et un sérieux inconvénient. Le mérite est de souligner, si besoin était, le caractère collectif, « macroscopique », de ce concept, qui n’a pas de sens pour une particule isolée (qu’est-ce que la température d’une particule isolée ?), mais seulement pour des systèmes ayant un très grand nombre de degrés de liberté. L’inconvénient est de donner l’impression que l’entropie est un concept irrémédiablement entaché de subjectivité, un concept portant sur nos relations aux choses, plutôt qu’une qualité ou une grandeur attachée aux choses elles-mêmes…

On peut imaginer et le développement récent de la physique des processus irréversibles l’a amplement démontré, des situations dans lesquelles l’entropie croît, bien que l’évolution du système s’accompagne d’une apparition d’ordre : la formation de cristaux dans une solution sursaturée en donne un exemple.

Une étape de l’évolution vers un statut subjectif de l’entropie concerne l’identification du concept d’entropie à la notion de perte d’information. L’idée d’une relation entre ces concepts remonte à J.C. Maxwell. Il imagina en 1872 un petit démon microscopique, dont l’intervention permettait selon lui de démentir le second principe. Placé à l’entrée de l’orifice de communication entre deux ballons contenant un gaz à température uniforme, ce démon trie les molécules selon leur vitesse. Il ne laisse par exemple passer que les molécules rapides du réservoir de droite au réservoir de gauche, et les molécules lentes en sens inverse. Aussi provoque-t-il une différence de température entre les deux parties du réservoir initialement en équilibre thermique, ce qui contredit le principe de Carnot. Boltzmann commenta aussi la parenté entre augmentation d’entropie et défaut d’information. Dans les années 1930, le théoricien Richard Tolman, le mathématicien Emile Borel et le physicien Léo Szilard, furent parmi ceux qui portèrent le plus d’attention aux relations entre les deux notions. Mais c’est seulement au lendemain de la Seconde Guerre mondiale que Claude Shannon propose d’assimiler les deux concepts dans son œuvre « The mathematical theory of communication ». Léon Brillouin, enfin, énonce en 1948 un « principe de Carnot généralisé » qui stipule que non seulement l’entropie d’un système isolé est condamnée à croître, mais encore que l’entropie diminuée de l’information acquise sur le système est elle-même condamnée à croître…

Information, volonté, mémoire, faculté d’organisation sont-elles pour autant de même nature que l’entropie ? L’admettre équivaut à renoncer à donner un statut objectif à cette dernière. N’oublions pas que l’identification de l’information et de la néguentropie repose au départ sur une interprétation subjective des probabilités, sur la décision apparemment arbitraire de donner des chances égales à toutes les configurations microscopiques possibles d’un système d’énergie fixée. En physique, l’efficacité d’une telle « recette » est bien mystérieuse : elle évoque, pour Lecomte du Nouy, les tours de passe-passe des prestidigitateurs qui enchantaient son enfance… L’identification de la néguentropie à l’information ouvre en outre la porte à des conclusions difficiles à accepter du strict point de vue de la thermodynamique physique : attribuera-t-on une entropie différente à deux jeux de cartes battus dans les mêmes conditions, selon que l’un des jeux contient ou non des séquences remarquables, ou selon que le joueur a pris ou non connaissance de ce résultat ? (…)

Les travaux pionniers de Boltzmann ont démontré que la loi d’accroissement de l’entropie est une loi statistique, exclusivement valable pour les grands systèmes, ou mieux encore pour les ensembles de systèmes. Il s’agit donc de fonder une interprétation à la fois statistique et objective de l’entropie. Un pas dans cette direction a été tenté dans les décades précédentes par le physicien américain David Layser, qui a suggéré de rattacher les propriétés statistiques de l’entropie aux propriétés du chaos cosmologique… Cette idée repose d’abord sur l’analyse critique de la fonction du démon de Maxwell. Triant les molécules de gaz, celui-ci peut tirer profit d’inhomogénéités locales dans les vitesses des molécules, inhomogénéités qui sont inobservables à notre échelle. A part cela, il agit à son échelle microscopique exactement comme nous pourrions le faire à la nôtre, triant par exemple des balles de tennis. L’accroissement de l’entropie dans l’exemple du mélange par diffusion du gaz entre deux ballons à températures différentes apparaît donc moins comme un problème de disparition de l’information que comme un problème de « changement d’échelle » de l’information. Reprenons, de la même manière, l’exemple de la dispersion d’une goutte de lait dans le café. Globalement, à notre échelle, il y a bien disparition d’information : dans le café au lait nous ne pouvons plus distinguer les deux constituants. Mais un organisme minuscule qui vivrait dans le café observerait la séparation de la goutte de lait en minuscules globules, et continuerait à distinguer ces globules du café environnant. Il aurait toujours la possibilité de pratiquer une séparation entre les deux constituants : le volume total des globules serait d’ailleurs toujours rigoureusement égal au volume de la goutte de lait initiale. L’information n’a pas changé. Ce n’est que lorsqu’on se contente d’une description approximative, fondée sur une notion subjective d’apparence globale, que l’information nécessaire à la description de l’observation change. L’information dépend donc de l’échelle de pertinence de la description. Bien entendu, ce changement d’échelle est aussi, en soi, un phénomène difficilement analysable en termes objectifs : où placera-t-on la limite entre le monde macroscopique, dans lequel l’information est accessible, voire utilisable aux fins d’organisation, et le monde microscopique, où l’information serait inaccessible ? Cette limite dépend-elle de la puissance des instruments d’investigation dont on dispose ?

Pour reprendre les termes de Borel, l’accroissement de l’entropie traduit donc une tendance de l’Univers vers un état à la structure de plus en plus fine : « L’évolution de l’Univers pourrait ainsi être conçue comme tendant à produire un état de plus en plus compliqué ne pouvant être perçu et utilisé que par des êtres de plus en plus petits. » (« Le Hasard », E. Borel)

Le seul processus de création d’entropie réellement objectif, s’il existait, devrait donc être associé à la disparition totale d’information, et non pas à sa transformation à une échelle plus petite. De même, le seul processus de création de néguentropie qui serait réellement objectif devrait être lié à l’apparition absolue d’une quantité d’information, et non pas à son changement d’échelle.

L’Univers pourrait bien constituer cette source d’information objective. Selon Layzer, un mécanisme de production objective de néguentropie s’y trouve à l’œuvre, du fait même de l’expansion cosmologique telle que nous la comprenons aujourd’hui à l’aide de la relativité générale. Une telle affirmation n’est toutefois vraie que dans le cadre d’un modèle précis, obéissant au « principe cosmologique fort ». Selon ce principe, la répartition de la matière et de l’énergie au sein de l’Univers résulte du pur hasard et ne fait apparaître ni lieu ni direction privilégiée. Les irrégularités locales, telles que les galaxies et les étoiles qui les constituent ne sont, à l’échelle de l’Univers, que des fluctuations, reflétant sans doute les fluctuations essentielles d’origine quantique qui présidèrent à l’apparition de la matière, aux tout premiers instants du Big-Bang. Par nature, ces fluctuations échappent à tout déterminisme, et la matière qui forme aujourd’hui l’Univers pourrait donc obéir à ce principe statistique… En bref, l’hypothèse de Layzer écarte la possibilité d’une information ou d’un ordre objectif dans l’Univers à cette échelle de description. Toute apparition d’ordre, ou de néguentropie, à une échelle inférieure est donc une « création ». Seule la création de néguentropie à une échelle inférieure, si elle existe, peut être dite objective.

Les deux étapes de l’expansion de l’Univers interviennent dans le mécanisme proposé de création locale de néguentropie : le refroidissement de la matière et de la lumière, et l’effondrement gravitationnel des nuages de matière froide. Le refroidissement qui accompagne l’expansion de l’espace explique pourquoi la température caractéristique du rayonnement du fond du ciel, vestige fossile d’un univers concentré et chaud, n’est plus aujourd’hui que de 2,7° K. Mais ce refroidissement affecte différemment les photons, dépourvus de masse, et les particules matérielles. Le température des premiers décroît comme l’inverse de R, où R est un paramètre caractéristique pouvant être appelé rayon de l’Univers, tandis que la température des secondes décroît comme l’inverse du carré de R. Ainsi, une source permanente de néguentropie est-elle créée, le flux correspondant prenant naissance grâce aux processus couplant matière et rayonnement. Parmi ceux-ci, les effondrements gravitationnels de particules matérielles froides, provoquant le réchauffement des nuages de gaz et leur condensation en étoiles, jouent un rôle central…

Rappelons que le phénomène d’accroissement de l’entropie relève du collectif. Un atome, même radioactif, n’a pas d’âge : il a toujours la même probabilité d’exister la minute suivante. Par contre, une collection d’atomes radioactifs, un échantillon de matière radioactive, permettent de construire une horloge thermodynamique. Plus l’échantillon est massif, plus l’horloge est précise. La durée thermodynamique semble donc être infusée dans la matière avec une possibilité de précision qui dépend de la taille de l’échantillon étudié…

Dans l’Univers, la structure externe est la durée cosmologique, la flèche que l’expansion universelle confère au temps…

(…)

Pour Kant, espace et temps étaient des catégories de l’entendement, c’est-à-dire des idées innées qui nous permettent d’ordonner le monde, mais elles n’appartenaient pas tout entières à la nature : elles reflètent en partie les structures de notre esprit. En outre, nos perceptions ne nous livraient qu’une version déjà interprétée du monde, à travers précisément ces catégories d’espace et de temps. Ce n’est pas dans cette version interprétée du monde, celle des « phénomènes », que s’applique la causalité… Mais depuis que nous savons dissocier temps et causalité, et que nous connaissons les limites de cette notion, il ne paraît pas nécessaire de recourir à l’artifice kantien pour ouvrir dans la nature une brèche par laquelle la liberté pourrait s’engouffrer…

Hegel avait déjà fait du devenir la « forme d’être de la nature », et en cela le mouvement récent de la science nous rapproche de lui…

Grâce au concept d’entropie, nous essayons d’affirmer le caractère absolu du devenir, la réalité du changement dans le monde… »

Le monde matériel existe-t-il objectivement, en dehors de nos pensées ?

Les fils du temps - The Children of Time

Certains théoriciens supposent que le temps n’existe pas réellement

Le temps est-il une illusion ?

Le temps de la physique

L’irréversibilité du temps, apparence ou réalité en physique ?

Le temps existait peut-être déjà avant le Big Bang

La disparition du temps en gravitation quantique

Lee Smolin et la renaissance du temps

Carlo Rovelli et la disparition du temps

Qu’est-ce que le temps ?

Encore une fois, qu’est-ce que le temps

Le temps et sa flèche

Quelques questions sur le temps en Physique

Quel lien entre espace, temps, matière, lumière et vide quantique ?

La dialectique de l’instant et de la durée

Le concept de temps dans l’œuvre de Hegel

Voyager dans le temps

Dialogues sur l’émergence

Le pouvoir créatif du hasard – The Creative Power of Chance

Bibliographie

2 Messages de forum

Répondre à cet article

SPIP | squelette | | Plan du site | Suivre la vie du site RSS 2.0