Temps | Dr. Goulu

Un temps pour l'éternité

Sun, 19 Aug 2018 00:00:00 +0000

Frédéric Leclerc m’a fait parvenir un exemplaire de son livre tout neuf consacré au . Petit par la taille (80 pages + les 25 pages de l’article qui l’a motivé ), ce livre est une remarquable synthèse de l’état de la recherche sur la nature du temps, que l’auteur préfère nommer la .

“Aficionado de cosmologie déguisé pour la circonstance en chroniqueur scientifique”, Frédéric Leclerc s’adresse à ses amis lecteurs en les tutoyant et les emmène dans sa propre quête au travers des scientifiques contemporains qui l’ont marqué, principalement , , , (qui a en grande partie ) (dont j’ai ), Sir (celui des et d’un nombre incroyable d’autres choses), ( grâce à qui j’avais découvert le concours fxQi sur ) et (dont l’essai a gagné ce concours).

Inutile de dire que je me suis retrouvé dans la curiosité de Frédéric Leclerc pour le temps et dans certains points de vues tirés de lectures communes :

que les cosmologistes sont pour la plupart des gens non seulement remarquables au plan scientifique, mais aussi des communicateurs accessibles
que la semble sans issue, et que la devrait prendre le relais…
que des expériences comme celle du ou celle mentionnée dans montrent que le temps “microscopique” ne correspond pas à notre perception du temps à notre échelle
que le temps “macroscopique” a un lien intime avec la . Pour ma part, plus j’y pense plus je me dis que notre mesure du temps en secondes pourrait être à la “nature du temps” ce que la est à la , et qu’il y ait un zéro absolu du temps…

Pourtant, je n’ai pas vraiment réussi à voir si Frédéric Leclerc est , ce qui serait normal vu l’importance de la mécanique quantique dans son livre, ou plutôt comme je persiste à l’être sous l’influence de notre compatriote commun, Albert Einstein. Car comme dans d’autres textes inspirés par la mécanique quantique, je trouve que la Relativité est traitée un peu légèrement dans “Un temps pour l’éternité”. Il ne me semble un peu rapide de dire que puisque le temps dépend de l’observateur, il n’y a pas de temps absolu, donc que le temps n’existe pas mais “émerge” d’autres notions. Le livre mentionne pourtant la possibilité de qui me semble injustifiables sans admettre une forme d’ dans lequel le passé existe au même titre que le présent, mais surtout que le futur.

Mais peut-être que je me trompe et que nos positions sont plus proches, car il y a cette phrase:

La temporalité a pour effet de continuellement transformer directement le futur en passé sans jamais s’arrêter par la case présent.

ce qui est assez proche de mon intuition actuelle (qui ne vaut certainement pas tripette, comme très souvent les intuitions en physique), selon laquelle le présent serait une sorte de transition de phase entre un futur “gazeux”, probabiliste et quantique et un passé “solide”, déterministe et relativiste. C’est le point de vue “No Futuriste” du “ ”

Mais trêve de philosophie, le livre de Frédéric Leclerc se “concentre sur la physique, celle qu’on qualifie de théorique… avant-gardiste, corsée, musclée, aérienne, téméraire, exigeante, surprenante, bousculante, rêveuse et lumineuse”. Malgré un discours très clair et des notes détaillées sur les théories et expériences mentionnées, il y a quand même des passages difficiles dans le livre, qui ne se destine probablement pas au néophyte complet, mais plutôt aux personnes ayant déjà une bonne culture générale en physique. A ceux-là, ou aux néophytes qui ne veulent plus l’être, je conseille vivement ce livre.

En passant, si Frédéric Leclerc peine à situer la position de Sean Carroll, je le vois un peu comme un provocateur depuis son article dans lequel il fait “émerger” l’espace du temps, alors que plusieurs articles font le contraire. Le message sous-jacent me semble être : avec un bon niveau en maths, on peut sans trop de difficultés créer des univers théoriques, mais ça ne leur donne aucune légitimité en physique. Je continue à penser qu’en définitive, ce seront des expériences qui nous diront ce qu’est le temps.

Sinon, j’ai adoré la remarque de à propos du refus de de toucher le million de dollars pour avoir résolu la :

Avec moi, il ne faut pas toucher à Perelmann. Tout le monde peut refuser un million de dollars, moi aussi je peux le faire, mais démontrer la Conjecture de Poincaré, alors ça ! …

J’ai aussi écouté , conseillé dans le livre pour toucher l’éternité, mais bien que j’adore la guitare, c’est trop calme pour moi. Je vois plutôt l’éternité comme “ ” de Van Halen : une séquence d’étapes explosives, bruyantes, un rythme si rapide qu’on le perçoit à peine à travers le chaos , puis une envolée vers la complexité, puis tout s’éteint dans un froid grave, et le silence…

Frédéric m’a aussi envoyé par mail deux articles de [4,5] que j’ai lus, mais pas encore pleinement digérés. Notamment le second, qui quantifie les systèmes dynamiques (ma spécialité dans une autre vie) avec un point de vue qui me semble venir de l’informatique théorique. Quand la digestion sera terminée, on en reparlera ici, promis.

Merci Frédéric !

Références :

Frédéric Leclerc (2018) : Un temps pour l’éternité. Éd livre, 2018, ISBN: 978-2414258000.
A Connes and C Rovelli (1994) : . Dans: Class. Quantum Grav., vol. 11, no. 12, p. 2899–2917, 1994, ISSN: 1361-6382.
ChunJun Cao and Sean M. Carroll and Spyridon Michalakis : . Dans: Phys. Rev. D, vol. 95, no. 2, 2017, ISSN: 2470-0029.
. Springer International Publishing, 2017, ISBN: 9783319686554.
Nicolas Gisin : . Dans: Erkenntnis, vol. 86, no. 6, p. 1469–1481, 2021, ISSN: 1572-8420.

La Renaissance du temps 2/2

Thu, 31 Dec 2015 00:00:00 +0000

Beaucoup trop longtemps après publiée lors de la du Café des Sciences, voici la fin du compte rendu consacré à la seconde partie du livre “grand public” de sur le temps.

Dans cette seconde partie, Smolin plaide en faveur de la réalité du temps et présente sa propre conception du temps. Petit rappel en préambule : Smolin est un cosmologiste reconnu qui a travaillé pendant des décennies avec les plus grands sur ce sujet, donc avant de le traiter d’hurluberlu aux idées délirantes, rappelez-vous qu’il peut vous asséner des “peer reviewed” et des tableaux noirs pleins de formules pour défendre son point de vue.

Mais il peut aussi se planter, et il l’admet, et ce qui en fait un scientifique.

11. les lois évolutives

Le chapitre 11 présente une première idée iconoclaste, celle de “lois évolutives” résultant d’une “ ” . L’hypothèse de base est que les univers se reproduisent par la création de nouveaux univers au cœur des trous noirs. Ces bébés univers auraient des constantes universelles légèrement différentes de celles de leur parent, mais seuls ceux qui seraient “fertiles” en trous noirs comme le notre se “reproduiraient” au cours d’un temps infini. Smolin propose un test indirect de son hypothèse : en simulant des univers dont les constantes universelles seraient légèrement différentes du nôtre, on devrait vérifier qu’ils produisent moins de trous noirs que le notre. D’autres hypothèses sont plus facilement testables et pourraient infirmer la sélection cosmologique naturelle, notamment une concernant les kaons qui jouent un rôle dans la masse minimale des étoiles à neutrons .

D’autre part, la sélection naturelle cosmologique nie l’épisode d’ . Selon la théorie de Smolin, l’Univers ne débute pas par une singularité mais par la taille du trou noir qui lui donne naissance, donc si les fluctuations du mesurées par que l’on est en train d’analyser ne sont pas compatibles avec son hypothèse, Smolin admet que sa théorie sera .

12. la mécanique quantique et la libération de l’atome

Smolin commence par relever l’échec de la mécanique quantique à décrire nos expériences individuelles et quotidiennes avant de livrer son credo:

J’en suis venu à croire que la mécanique quantique connaîtra le même sort que les grandes théories de Ptolémée et de Newton. Peut-être ne pouvons-nous pas la comprendre tout simplement parce qu’elle n’est pas vraie. Au lieu de cela, il est vraisemblable qu’elle soit une approximation d’une théorie plus profonde qui sera plus simple à comprendre. Cette théorie plus profonde est la théorie cosmologique inconnue que désignent tous les arguments de ce livre. La clef est, ici encore, la réalité du temps.

Mais Smolin reconnait que sa théorie doit décrire trois propriétés de la nature que la mécanique quantique a mis en évidence : l’ , la et les “questions incompatibles” associées au . Smolin esquisse les contours d’une variante de la mécanique quantique qu’il qualifie lui-même de spéculative, dans laquelle intervient un “principe de précédence” proche d’une idée énoncée par il y a plus d’un siècle:

Toutes choses ont une tendance à prendre des habitudes. Pour les atomes et leurs constituants, les molécules et les groupes de molécules, et en bref chaque objet réel concevable, il y a une plus grande probabilité d’agir comme lors d’une occasion antérieure qu’autrement. Cette tendance elle-même constitue une régularité, et ne cesse de s’intensifier.

Smolin relie ce principe de précédence au (qu’il trouve mal nommé, le libre arbitre étant un “concept glissant” selon lui) pour définir la “quantité de liberté” liée à une théorie, cette quantité étant la “quantité d’information sur un système dont vous aurez besoin afin d’être capable de faire des prédictions sur son futur”. Par exemple, la mécanique classique, déterministe, est la théorie qui minimise la liberté des systèmes étudiés. Lors de ses travaux , Smolin a montré que la mécanique quantique la maximise, puis a formulé une nouvelle formulation de la mécanique quantique combinant ce “principe de liberté maximale” et le “principe de précédence”.

Dans cette théorie, les particules interagissent avec leurs copies dans le passé pour “savoir” comment se comporter. Smolin admet ne pas trop savoir comment ça se passe, mais renvoie la question différemment : comment un quark sait-il qu’il est un quark ? Smolin soutient que sa théorie satisfait au moins la “fermeture explicative”, qui n’est possible qu’en admettant la réalité du temps. Par contre elle ne satisfait pas le “principe de raison suffisante” : comme les systèmes quantiques sont fondamentalement libres, il n’existe aucune raison rationnelle au résultat d’une expérience individuelle comme la désintégration d’un noyau radioactif.

13. le combat de la relativité et du quantum

Dans ce chapitre, Smolin s’attaque au conflit persistant depuis un siècle entre la mécanique quantique et la relativité et aux tentatives de résoudre ce conflit par les “théories aux ” comme la . Pour Smolin, le principal défaut de cette théorie est de ne pas satisfaire le critère du . L’ de la mécanique quantique corrige ce défaut, mais nécessite de considérer que la réalité “choisit” au hasard le résultat d’une expérience individuelle parmi la collection de tous les résultats possibles, ce qu’Einstein avait déjà compris:

Essayer de concevoir la description par la théorie quantique comme la description complète des systèmes individuels mène à des interprétations théoriques non naturelles, qui deviennent aussitôt superflues lorsqu’on accepte l’interprétation que la description se réfère à des ensembles (ou collections) de systèmes et non à des systèmes individuels. (Albert Einstein )

Mais où donc se trouvent ces “collections”, puisque la fermeture explicative exige qu’elle fasse partie de l’Univers ? Smolin propose une hypothèse pour le moins audacieuse : toutes les particules de l’Univers forment les “collections” de ces particules. Lorsqu’on observe un atome d’hydrogène, la position de son électron est “copiée” à partir de celle d’un autre atome d’hydrogène pris au hasard parmi tous ceux de l’Univers. Smolin a inventé des “règles de copiage” des propriétés qui donnent des probabilités pour la réponse d’un atome à une mesure rigoureusement identiques à celles calculées par la mécanique quantique. La théorie “interprétation d’ensemble réel” de Smolin explique bien l’intrication et autres phénomènes “non locaux” de la mécanique quantique, et aussi pourquoi les “gros” systèmes n’obéissent pas à la mécanique quantique : ils n’ont pas de copie dans l’Univers *.

Reste un gros problème : l’ “interprétation d’ensemble réel” n’est pas plus compatible avec la relativité que les autres interprétations de la mécanique quantique. Mais elle est compatible avec l’existence d’un temps réel, absolu:

Soit la mécanique quantique est la théorie finale et il n’y a pas moyen de sonder au delà du voile statistique pour atteindre un niveau de description plus profond, ou bien Einstein, Newton et Galilée avaient tort, il n’y a pas de relativité du mouvement, et avait raison : il existe une version privilégiée du mouvement et du repos.

14. la renaissance du temps par la relativité

Pour Smolin, le conflit entre mécanique quantique et relativité ramène à un conflit entre la relativité et le qu’il s’agit de résoudre en faveur de ce dernier. Ceci ne demande pas d’abandonner la théorie de la relativité mais de la reformuler.

La initiée par remplace la relativité du temps par la relativité de la taille des objets. L’idée est qu’il n’est pas possible de comparer la taille d’un objet proche avec celui d’un objet lointain sans déplacer l’un des objets ou une règle d’un objet à l’autre, soit exactement la même problématique que pour synchroniser deux horloges. Pour les théoriciens, cette dualité est complète, du même ordre que la : la “dynamique des formes” est parfaitement équivalente à la théorie de la relativité générale.

Mais alors qu’il n’existe pas de temps privilégié en relativité einsteinienne, il existe un temps universel en dynamique des formes, un temps absolu qui n’a de sens qu’à l’échelle de l’Univers. De plus en dynamique des formes il existe une grandeur sur laquelle tous les observateurs s’accordent : la taille de l’Univers. Pour Smolin, le temps vient d’être redécouvert : il mesure l’expansion de l’Univers !

15. l’émergence de l’espace

Ce long chapitre est le plat de résistance du livre. C’est là que ça passe où ça casse, et j’ai mis plus de deux semaines à le digérer avec peine. Il commence très fort:

L’aspect le plus mystérieux du monde est juste sous nos yeux. Rien n’est plus banal que l’espace, et pourtant lorsque nous l’examinons de près, rien n’est plus mystérieux. Je crois que le temps est réel et essentiel à une description fondamentale de la nature. Mais je crois probable que l’espace va s’avérer n’être qu’une illusion (…)

Selon Smolin, l’existence d’un temps réel est indispensable pour réconcilier les deux pans de la physique, mais l’espace ne l’est pas. Parmi les théories ayant exploré l’idée que l’espace d’une structure de plus fondamentale, la première est la “ ”.

Représentations graphiques de la triangulation dynamique causale d’un espace à 2 dimensions. J’ai mis cette vidéo là car je l’ai trouvée jolie, mais je n’y ai rien compris. Pour plus de détails, voir la .

Puis a proposé la “ ” (sic) . D’autres théories comme les et certaines variantes de la ramènent à la même idée.

Tout comme la dont elles sont assez proches, ces théories postulent que l’espace et le temps sont discrets à l’ (idée ). Smolin a besoin d’une quinzaine de pages pour décrire les propriétés du graphe défini par les “arêtes” de cette discrétisation dans ces différentes théories. Je résume ce que j’en ai retenu, en quelques lignes, avec les incohérences résultant des différences entre ces théories:

Les particules et leurs propriétés correspondent à la configuration du graphe à très petite échelle.
L’ensemble du graphe forme l’état quantique de l’Univers.
Les arêtes définissent la localité : deux nœuds connectés par une arête sont tellement proches que nous les percevons comme identiques. L’ et autres phénomènes de s’expliquent par des arêtes “court-circuitant” l’espace en liant des noeuds que nous percevons comme éloignées.
Les particules passent d’un noeud à un noeud voisin (= connecté par une arête d’une ) en un temps extrêmement bref ( un ), ce qui définit la vitesse de la lumière.
Initialement, l’Univers était très fortement connecté, tous les noeuds du graphe étaient locaux. Il était à la fois minuscule et doté de très nombreuses dimensions
Avec le temps, le graphe se transforme à très petite échelle selon des règles très simples qui tendent à réduire la dimensionnalité du graphe à 3, les trois dimensions de l’espace que nous percevons:

Un triomphe de la gravitation quantique à boucles est que la dynamique de l’espace-temps qui est donnée en relativité générale par les peut effectivement être codée en règles simples quant à la manière dont le graphe évolue dans le temps. (…) Nous considérons la gravitation quantique à boucles comme une “quantification” de la relativité générale. A l’inverse il y a plusieurs résultats indépendants montrant que la relativité générale émerge des modèles de (…) une version quantique de l’univers bloc.

Il ne faut donc pas imaginer ce graphe comme “dans” l’espace mais comme générant l’espace. Comme le conclut Smolin : “l’espace pourrait donc bien être une illusion, mais le temps doit être réel.”

16 . vie et mort de l’Univers

Ce chapitre traite du lien entre le temps et la en tentant de répondre à l’une des questions les plus intrigantes à propos de l’Univers : pourquoi l’Univers est-il intéressant ? Pourquoi ce que nous voyons autour de nous est structuré et complexe, alors que la complexité est statistiquement improbable ?

Smolin commence par fournir une clef pour comprendre la thermodynamique moderne (qui inclut la ) : elle relie deux niveaux de description d’un système. A l’échelle microscopique, on peut définir un “micro-état” par la position et le mouvement de chaque particule, alors qu’à l’échelle macroscopique le “macro-état” ne comprend que quelques variables comme la pression et la température. La thermodynamique concerne les relations entre ces deux descriptions.

Musée Guggenheim de Bilbao (Photo Dr. Goulu sur flickr)

Smolin commence par montrer que l’ est l’inverse de l’information en utilisant une analogie architecturale. Il faut beaucoup d’information pour décrire le design du musée Guggenheim de Bilbao dont toutes les pièces sont distinctes et doivent s’assembler de manière précise (entropie faible). Pour un immeuble en briques, il suffit de définir les dimensions des murs, que les maçons auront une multitude de manières de réaliser avec les briques standard fournies.

Ensuite Smolin introduit la notion de à l’aide d’un jeu de cartes : en le brassant très longtemps, il finira par se retrouver dans l’ordre. La probabilité que les atomes d’un gaz enfermé dans une boîte se retrouvent soudain tous comprimés dans une moitié de la boîte est infinitésimale, mais pas nulle. Par contre il est certain que les processus aléatoires microscopiques produisent des fluctuations à plus grande échelle, comme le qu’Albert Einstein (encore lui!) a réussi à .

Selon le , l’entropie d’un système augmente, l’amenant inéluctablement vers un équilibre thermique. En plus, les lois de la physique étant symétriques par rapport au temps, il ne devrait pas y avoir de . Pourtant depuis 13 milliards d’années, l’Univers n’a pas atteint cet équilibre, et la flèche du temps est évidente : nous nous sentons et nous observons comme voyageant du passé vers le futur. Pour Smolin il existe en fait plusieurs flèches du temps:

la flèche du temps cosmologique, correspondant à l’expansion de l’Univers
la flèche du temps thermodynamique selon laquelle un petit système isolé tend à devenir désordonné
on naît, on grandit, on vieillit et on meurt selon la flèche du temps biologique
nous nous rappelons du passé mais pas du futur; c’est la flèche du temps de l’expérience
moins évidente : la flèche du temps électromagnétique. La lumière voyageant du passé vers le futur, nous voyons le monde tel qu’il était dans le passé, jamais comme il sera
la flèche du temps gravitationnelle est l’équivalent pour les ondes gravitationnelles
la flèche du temps des trous noirs. Il n’y avait apparemment pas de trou noir primordial au moment du Big Bang. Aujourd’hui il y en a des milliards, et toujours pas de à l’horizon.

Pourquoi toutes ces flèches distinctes alors que les lois de la physique sont réversibles dans le temps ? Pour Smolin, c’est que les conditions initiales ne sont pas symétriques. Les conditions initiales de notre Univers semblent finement ajustées pour produire un Univers asymétrique dans le temps. Les physiciens sont aujourd’hui capables d’imaginer les univers produits par des conditions initiales légèrement différentes : ils seraient très différents du notre. Mais alors comment les conditions initiales sont elles choisies ? Et pourquoi seules les conditions initiales définissent l’asymétrie par rapport au temps, et pas les lois ?

Il se pourrait que les lois physique ainsi que les conditions initiales découlent toutes d’une même loi, plus fondamentale, et asymétrique par rapport au temps.

Smolin examine ensuite une autre hypothèse historiquement évoquée, celle dite du : dans un univers très vaste à l’équilibre thermique, la probabilité qu’un être conscient soit spontanément assemblé par le mouvement aléatoire d’atomes n’est pas nulle. Et si le temps est infini c’est même une certitude : il devrait y avoir beaucoup plus de “cerveaux de Boltzmann” produits par de petites fluctuations que de cerveaux produits par un mécanisme comme l’Evolution qui nécessiterait une énorme fluctuation durant des centaines de millions d’années. Or nous savons que nous sommes produits par l’Evolution et nous ne connaissons aucun “cerveau de Boltzmann”, donc nous ne sommes pas dans une fluctuation de l’Univers.

La vision intemporelle de la physique basée sur le paradigme de Newton a montré son impuissance face aux questions les plus basiques de l’univers : pourquoi est-il intéressant (…) au point que des créatures comme nous puissions y être et nous en émerveiller ?

Mais si nous adoptons la réalité du temps, nous rendons possible une physique asymétrique par rapport au temps dans laquelle l’univers peut naturellement faire évoluer de la complexité et de la structure. Et ainsi nous évitons le paradoxe d’un univers improbable.

17. la renaissance du temps par la chaleur et la lumière

Dans ce chapitre, Smolin poursuit sa réflexion sur l’émergence de structures organisées, apparemment en contradiction avec le .

Il commence par remarquer que, selon le principe d’identité des indiscernables évoqué au Chapitre 10, chaque instant et chaque endroit à chaque instant est distinguable d’un autre de façon unique. Ceci implique que notre univers ne peut pas avoir de symétries exactes. Toutes les symétries postulées jusqu’ici se sont avérées approchées ou rompues (voir ).

Pour Smolin, deux types d’univers sont théoriquement possibles:

les univers “boltzmanniens”, en quasi équilibre thermique, dans lesquels des fluctuations dues au hasard provoquent des états complexes par pur hasard
les univers “leibniziens” dans lesquel des flux d’énergie comme ceux fournis par les étoiles permettent à des systèmes ouverts comme les planètes, les êtres vivants etc. d’évoluer vers des états de plus grande organisation:

Ainsi, Aristote avait raison lorsqu’il comprenait que notre domaine terrestre est maintenu loi de l’équilibre par le flux d’énergie qui le traverse. Ne pas avoir suffisamment su apprécier cette idée a conduit certains scientifiques et philosophes à voir un conflit entre la et le fait que la ait produit des structures toujours plus improbables.

Mais pourquoi existe-t-il des étoiles ? Quelles sont les caractéristiques permettant leur apparition. D’abord, il faut un “ajustement incroyablement précis des paramètres qui gouvernent la physique”, pour reprendre les termes de Smolin. C’est un fait assez connu : si les “constantes universelles” qui équilibrent les étaient légèrement différentes, l’univers serait très différent.

L’autre caractéristique relevée par Smolin est moins évidente : les systèmes régis par la gravitation sont d’une certaine façon “anti thermodynamiques”. En injectant de l’énergie dans une étoile, un système solaire ou une galaxie, il “refroidit”. Par exemple, si on donne de l’énergie à une planète, elle va s’éloigner de l’étoile pour tourner sur une orbite plus lointaine sur laquelle elle se déplacera moins vite: son énergie cinétique baisse, donc la du système baisse. Selon le même principe un amas d’étoiles qui éjecte de temps en temps une étoile passant trop près d’un système double se refroidit.

Ceci ne contredit pas la , mais juste son interprétation naïve qui considère que l’augmentation de l’entropie produit des structures uniformes, prévisibles. Selon Smolin, la seconde loi amène au contraire les systèmes gravitationnels vers une multitude d’états possibles, très hétérogènes. Et c’est grâce à ceci que notre Univers est encore très loin de sa , 13.7 milliards d’années après ses origines.

18. Infinité de l’espace ou infinité du temps ?

Mais si l’univers était “boltzmanien” et infini, et que nous ne vivions que dans une région de 93 milliards d’années lumière de diamètre apparue par une grosse fluctuation statistique ? Alors il y aurait une infinité de copies de notre région, et de toutes ses variantes imaginables, ou inimaginables. Pour Smolin, ce serait la “tragédie de l’infini boltzmannien” : la physique ne sert à rien car elle ne décrit qu’un seul possible. En même temps que vous faites une expérience, une infinité de copies de vous qui font la même expérience dans une infinité de copies de cet univers obtiennent d’autres résultats, comme dans la . Pour Smolin, cette idée est inacceptable.

Le seul moyen de nier l’univers boltzmannien infini serait de démontrer que l’espace est fini. Or, les mesures de la ne permettent pas encore de conclure si l’espace est

refermé sur lui même et fini comme une sphère (courbure positive)
“plat” et infini, ou fini et torique (le tore a une courbure moyenne nulle)
ou a courbure négative, ce qui laisse une infinité de possibilités…

Smolin note au passage que seuls un univers spatialement fermé et fini obéit au principe de fermeture explicative et au principe de raison suffisante.

La suite du chapitre concerne la finitude du temps. Si le temps est infini, alors une fois que notre univers aura atteint sa il restera une infinité de temps pour que des fluctuations aléatoires produisent une infinité de structures hautement improbables : on retombe sur le paradoxe du cerveau de Boltzmann…

La plus grande inconnue concernant ce futur très très lointain est le rôle qu’y jouera l’ . Elle semble accélérer l’expansion de l’univers, mais tant qu’on n’aura pas compris sa nature et son lien avec la on ne peut exclure l’hypothèse du de l’Univers dans lequel l’espace se recompacte en . Les modèles cosmologiques montrent qu’il s’ensuit un produisant un nouvel univers comme lors du . Un tel événement doit théoriquement laisser des traces dans le : on devrait y détecter d’une part des ondes gravitationnelles primordiales, d’autre part un certain type de non-gaussianité du rayonnement. Des expériences sont en cours pour vérifier ou infirmer cette théorie, et celle plus communément admise de l’ , mais c’est délicat comme l’a montré la récente “affaire” 2.

propose un assez surprenant. Selon lui, le gaz de photons qui remplira l’univers en est indiscernable de celui qui existait au moment du Big Bang, donc par le principe des indiscernables c’est la même chose, et un nouvel univers naît automatiquement. Dans ce cas on devrait identifier des motifs circulaires dans le fonds diffus. Penrose croyait les avoir trouvés en 2010 mais c’est fortement contesté.

Pour Smolin cependant, l’idée d’une succession d’Univers est indispensable pour permettre l’ajustement des lois par évolution comme il l’a décrit au chapitre 10.

Ceux qu’encombrent des présupposés métaphysiques comme quoi le but de la science est de découvrir des vérités intemporelles représentés par des objets mathématiques intemporels pourraient croire qu’éliminer le temps, rendant ainsi l’univers semblable à un objet mathématique, est la voie vers une cosmologie scientifique. Mais il s’avère que c’est tout l’opposé. Comme l’a compris il y a plus d’un siècle, les lois doivent évoluer pour être explicables.

19. le futur du temps

Ce chapitre de conclusion commence par un résumé des chapitres précédents puis s’attaque au “dilemme des méta-lois” : si les lois physiques sont évolutives, alors qu’est-ce qui gouverne leur évolution ? Soit c’est une autre loi, donc une “méta-loi” puisqu’elle agit sur les lois, soit il n’y en a pas et les lois évoluent au hasard. Mais alors le principe de raison suffisante est “vérolé aux fondations même de la science”, pour reprendre les termes de Smolin.

Pour Smolin, la résolution de ce dilemme sera la clef des avancées de la cosmologie et de la physique théorique ce siècle. Pour lui, tant que les mathématiques ne parviendront pas à exprimer clairement ce qui distingue l’instant présent par rapport à t-1 et t+1, elles devront se mettre au service de la physique au lieu de pse prétendre discipline Reine. Ensuite:

La récompense que nous obtenons pour avoir sacrifié une reine est une vision plus démocratique du mobilier des théories physiques. (…) Il n’est plus possible de voir des lois absolues et intemporelles dicter l’évolution de la configuraiton ancrée dans le temps du monde. Si tout ce qui est réel est réel à un instant, alors la distinction entre lois et états doit être relative, ce qui survient et peut être distingué à une époque relativement froide et calme comme la notre. Mais dans d’autres ères plus violentes (NdG : comme les Big-Bangs successifs), la distinction doit se dissoudre en une description du monde totalement nouvelle, totalement dynamique, qui est rationnelle et répond au principe de raison suffisante.

Le livre s’achève par un long épilogue intitulé “Penser dans le temps” illustrant le fait que tous nos actes, notre pensée, notre civilisation sont fondamentalement basés sur l’écoulement irréversible du temps. Le réchauffement climatique et quelques effets économiques sont analysés sous ccet angle, mais j’ai survolé ce chapitre, le trouvant un peu hors-sujet.

Critique

Je me suis fait piéger en voulant parler de ce bouquin. J’avais envisagé de faire juste une critique du genre “Dans ce livre Smolin propose une nouvelle théorie de la physique extrêmement originale. Si vous vous intéressez à la cosmologie et avez de solides bases en physique, ce livre vous passionnera, mais il ne s’adresse définitivement pas au grand public.” Mais il fallait en dire un peu plus pour la du Café des Sciences, et comme je n’ai pas réussi à le résumer en un seul article c’est devenu un serpent de mer qui m’a bloqué de semaines, puis des mois car je ne voulais pas intercaler d’autre article entre les deux parties comme je le fais trop souvent, car ensuite je ne termine pas la série…

Maintenant que c’est fait, je dirais que ce livre est phénoménalement intéressant, et très ardu. Mais il ne se lit pas en quelques jours. Ni même en quelques semaines. Il faut vraiment s’accrocher. J’ai du relire certains passages plusieurs fois, y réfléchir des heures avant d’attaquer la suite, et je ne suis pas sur d’avoir tout compris. En fait je suis même sur de n’avoir pas compris grand chose (mais y’a-t-il quelque chose à comprendre?) . Je pourrais incriminer une traduction assez moyenne, ou simplement la densité de la prose de Smolin, mais en définitive c’est juste le défi lancé par Smolin qui est très ardu : vulgariser des concepts avancés de la cosmologie théorique, ce n’est définitivement pas facile. Et de ce point de vue j’ai lu pire, mais pas mieux depuis longtemps, donc c’est un bouquin important si vous vous intéressez au sujet.

L’objectif de terminer cet article en 2015 étant atteint, je vous donne rendez-vous pour un redémarrage de ce blog en 2016. A demain !

Note* : j’ai écrit à Smolin pour lui demander comment sa théorie traitait les phénomènes quantiques cryogéniques comme l’hélium superfluide et les qui n’ont dans l’univers.

Références

Lee Smolin (2014). La Renaissance du Temps: pour en finir avec la crise de la physique. Dunod.
Lee Smolin (1998). The life of the cosmos. Oxford University Press.
G. E. Brown, C.-H. Lee, and M. Rho “ ", 2008,
Lee Smolin, “ ", 2012, \[quant-ph\]
Albert Einstein, “Remarks to the Essays Appearing in this Collective Volume”, dans Schilpp, Paul Arthur (1998). Albert Einstein, Philosopher-Scientist: The Library of Living Philosophers Volume VII (Library of Living Philosophers). Open Court.
Lee Smolin, “ ”, 2011, \[quant-ph\]
Tomasz Konopka, Fotini Markopoulou, Lee Smolin “Quantum Graphity”, 2006, arXiv:hep-th/0611197

La Renaissance du Temps 1/2

Wed, 28 Jan 2015 00:00:00 +0000

A l’occasion de la du C@fé des Sciences, voici un compte rendu du livre “grand public” de , physicien théoricien passionné par ce sujet. Je n’ai pas réussi à résumer en un seul article ce livre de 300 pages extrêmement denses en informations et idées étonnantes.

Donc voici ce que j’ai retenu de la première partie du livre intitulée “Le poids : la mort du temps”, dans laquelle Smolin décrit comment le temps a progressivement quasiment disparu de la physique au point que de nombreux scientifiques le considèrent comme une illusion ou une .

Un second article couvrira très bientôt la seconde partie “Lumière : la renaissance du temps” dans laquelle Smolin plaide en faveur de la réalité du temps et présente sa propre conception du temps, dont les implications sont stupéfiantes.

1, 2, 3 : La mort du temps

Le premier chapitre propose la comme prétexte à une réflexion philosophique sur l’existence du monde des mathématiques, atemporel, dans lequel existeraient les équations décrivant notre univers sensible. Pour Smolin, cette approche est du même ordre que le mysticisme religieux. Il défend une approche :

C’est un bien plus grand défi que d’accepter la discipline de devoir expliquer l’univers que nous percevons et dont nous faisons l’expérience uniquement en termes de lui-même, d’expliquer le réel seulement par le réel.

Après un rappel historique des progrès de l’astronomie jusqu’à Newton et sa unifiant le mouvement des astres et la chute des corps sur Terre, Smolin consacre un chapitre entier à la représentation du temps en physique, et notamment aux graphiques représentant le temps sur un axe et la position sur un autre:

C’est une complète invention humaine, seulement une autre représentation de l’enregistrement du processus (…) Si nous confondons l’espace-temps avec la réalité, nous commettons une faute que nous pourrions appeler l’erreur de la spatialisation du temps (…). Ici dans le monde réel il y a toujours un instant, un moment présent. Aucun objet mathématique ne peut avoir cette particularité car une fois construits, les objets mathématiques sont intemporels.

4. faire de la physique dans une boîte

Le chapitre 4 est l’un de ceux qui m’a le plus fait réfléchir. Smolin relève que l’approche scientifique a conduit à “faire de la physique dans une boîte” : on considère un petit sous- du reste de l’univers dans lequel on néglige certains effets pour ne s’intéresser qu’à certaines variables qui définissent un , atemporel. De plus, en général on considère l’horloge comme extérieure au sous-système : l’évolution du système est mesurée en référence à une horloge extérieure, et rien de ce qui se produit dans le système n’est supposé influer sur l’horloge. Smolin insiste sur la puissance pratique de cette approche newtonienne de la physique pour décrire et prédire ce qui se passe à notre échelle. Mais en l’appliquant à l’Univers dans sa globalité, on commet l’erreur de penser que l’Univers évolue par rapport à une horloge absolue qui lui est extérieure, et une autre plus grave car plus insidieuse, de croire que les lois de la physique sont elles aussi extérieures au système et indépendantes du temps.

5. éradication de la surprise et de la nouveauté

Le chapitre suivant traite de l’ “éradication de la surprise et de la nouveauté” qui découlerait d’un univers totalement . De plus, les lois fondamentales de la physique étant réversibles dans le temps en vertu de la (dont je cause dans ) , la distinction entre passé et futur disparaît des équations mathématiques et apporte encore un argument aux physiciens qui éradiquent le temps de leur conception de la nature", pour reprendre les mots de Smolin

6. relativité et intemporalité

Animation relativiste trouvée sur la Wikipédia montrant les plans de simultanéité suivant la vitesse relative de référentiels divers par rapport à un référentiel où les événements A, B et C sont simultanés.

Le chapitre 6 intitulé “relativité et intemporalité” traite de la conception du temps qui résulte des théories de la relativité (restreinte et générale) d’Einstein et dont j’ai déjà causé dans plusieurs articles : le temps est une qui pour former l’ des “éternalistes”. Pour Smolin, pourtant plein d’admiration pour Einstein et ses travaux notamment son qui traite de la chute libre, et même si la parvient à mettre le temps “dans” l’Univers, cette conception du temps n’est pas satisfaisante. D’une part il y a les problèmes posés par les singularités comme les trous noirs et le Big Bang, mais surtout l’ est toujours une loi intemporelle, extérieure à l’univers, et qui ne répond toujours pas à la question de savoir pourquoi je ressens une certaine configuration de l’Univers comme “présente”, et ce qui distingue le futur du passé.

7. cosmologie quantique

Le chapitre 7 “ et fin du temps” traite de la vision du temps apportée par l’autre grande branche de la physique théorique, la dans laquelle le temps disparaît complètement et débouche sur le :

Le cosmos quantique n’évolue pas ni ne change, il n’est pas en expansion ni en contraction, il EST, tout simplement.

Pour Smolin, la mécanique quantique est l’illustration parfaite de la “physique dans une boite” : elle marche très bien pour un atome tellement isolé qu’on n’a même pas le droit de l’observer, et l’ , elle aussi extérieure à la boîte, décrit comment l’ de l’atome évolue en fonction d’une horloge elle aussi extérieure à la boite. Pour supprimer cette horloge, la cosmologie quantique de Wheeler & DeWitt énonce que la l’énergie totale de l’Univers doit être nulle, donc qu’il existe de l’ , entre autres sous forme d’énergie potentielle de gravitation, qui contrebalance exactement l’énergie “positive” et la matière qui lui correspond.

Smolin est pour le moins critique avec cette approche et défend plutôt la qu’il a contribué à développer, avec entre autres. Si j’ai bien compris cette page (89) assez dense, la gravitation quantique à boucles déboucherait sur l’idée que le temps puisse “émerger” à notre échelle alors qu’il n’aurait pas de signification à l’échelle des particules, la notion de . Smolin mentionne aussi d’autres conceptions du temps censées être compatibles avec la cosmologie quantique, notamment celle de , sur la nature du temps en 2009 (et dont le site s’appelle )

Pour Barbour, tout les instants possibles de l’Univers correspondant à tous ses états quantiques possibles “existent” dans un phénoménalement grand “entassement d’instants”. De plus les instants/états sont dupliqués à de très nombreux exemplaires en fonction de leur probabilité d’occurrence. Selon Barbour l’Univers passe d’un instant à l’autre en permanence au hasard, sans causalité, mais avec une “préférence” statistique pour le passage d’un “petit” état défini par peu d’information à un état “grand”, ce qui définirait la . Smolin termine ce chapitre par une citation ( ) d’Einstein, tirée de la lettre de condoléances qu’il envoya à l’épouse de son ami Luc Besso:

Il a pris congé de ce monde étrange avec un peu d’avance sur moi. Cela ne veut rien dire. Les gens comme nous, qui croyons à la physique, savons que la distinction entre passé, présent et futur est seulement une illusion d’une persistance entêtée.

La première partie du livre se termine en réalité ici, mais je trouve que les deux chapitres suivants auraient pu y être rattachés car ils ne concernent pas encore la conception du temps de Smolin

8. l’erreur cosmologique

Au chapitre 8, il revient sur ce qu’il appelle l’“erreur cosmologique” : appliquer à l’Univers entier des lois établies et vérifiées sur des sous-systèmes. Il fait remarquer en particulier que les lois se vérifient sur beaucoup de sous-systèmes, alors que nous n’avons qu’un seul Univers sous la main. Comment vérifier la validité d’une loi sur un un seul “cas d’application” ? Et pourquoi cette loi et pas une autre ? De plus, beaucoup de théories cosmologiques ( , …) admettent en réalité une infinité de solutions, parmi lesquelles une seule correspond à notre univers. Doit-on se résoudre à admettre l’existence d’une infinité d’Univers inaccessibles pour pouvoir justifier le notre par un ?

9. le défi cosmologique

Smolin relève ensuite que toutes les théories physiques divisent le monde en deux parties, une “dynamique” qui change , et une statique qui contient un “fond” de choses immuables, comme les constantes fondamentales par exemple. Au chapitre 9, il présente le “défi cosmologique” consistant à formuler une théorie de l’univers “indépendante du fond”, purement dynamique afin de ne rien supposer d’extérieur à l’Univers.

Lorsqu’on fait de la “physique dans une boite”, le “fond” comprend notamment les , et la méthode expérimentale permet de contrôler les conditions initiales afin de s’assurer que les lois sont indépendantes de ces conditions. En cosmologie, cette distinction entre “lois” et “conditions initiales” aggrave le problème qu’elle résout “dans une boite” : si nos observations du ne correspondent pas bien à la théorie de , faut-il corriger la loi ou les conditions initiales ? Smolin critique aussi les qui décrivent bien ce qui se passe à une certaine échelle de grandeur, mais en négligeant l’influence de ce qui est beaucoup plus grand ou plus petit. Pour Smolin, la théorie issue du défi cosmologique doit tenir compte de tout, sans rien négliger.

10. nouveaux principes de cosmologie

Le chapitre 10 liste les “nouveaux principes de cosmologie” que devrait satisfaire une nouvelle théorie cosmologique:

Elle devrait contenir ce que nous savons déjà sur la nature. Le , la et la doivent “émerger en tant qu’approximations” de cette nouvelle théorie.
Elle devrait être scientifique, c’est à dire produire des prédictions testables pour des expériences réalistes ( !)
Elle devrait répondre à la question “Pourquoi ces lois ?”
Elle devrait résoudre le problème des conditions initiales
Elle ne devrait contenir ni symétries ni . Là je sens bondir ! L’argument de Smolin est basé sur le qu’il considère extrêmement important, et sur l’idée que les symétries ne sont valables que “dans une boite”, et parfois . Donc il ne dit pas que les symétries ou les lois de conservation sont fausses, mais plutôt qu’elles devraient résulter de la théorie (selon le point 1) au lieu d’en être le fondement comme dans les théories basées sur la par exemple.
Elle devrait être et au plan explicatif : rien hors de l’Univers ne devrait être requis pour expliquer quoi que ce soit à l’intérieur de l’Univers
Elle devrait satisfaire le , le , ainsi que le . Ces principes “philosophiques” m’ont semblé les plus contestables, et je n’ai pas vraiment compris pourquoi Smolin les introduit si ce n’est pour favoriser sa propre théorie…
Ses variables physiques ne devraient décrire que des relations évolutives entre des entités dynamique. Elle devrait être purement dynamique, indépendante du fond, ce qui implique que les lois de la nature évoluent, impliquant que le temps est réel.

Dans ce dernier point, Smolin n’arrive plus à s’empêcher de mentionner sa solution en même temps que le problème. Nous verrons dans la deuxième partie que l’idée de lois physiques qui évoluent n’est qu’une des nombreuses hypothèses étonnantes de Smolin, mais aussi qu’il propose des méthodes expérimentales de les vérifier.

Ca fait envie ? Patientez quelques jours pour , lisez d’autres compte-rendus , ou achetez le livre !

Références

Lee Smolin (2014). La Renaissance du Temps: pour en finir avec la crise de la physique. Dunod.
Bernard Dugué “ ”, 2013, sur Agoravox
Jean-Paul Baquiast, “ ”, 2013, Revue Automates Intelligents No 136

L'espace infini entre les mots

Sun, 18 May 2014 00:00:00 +0000

Bon, ça fait juste trop longtemps que je fais toutes sortes de choses passionnantes au lieu d’avancer sur les 4 ou 5 brouillons d’articles pour ce blog… Alors je vous livre en vitesse une traduction du dernier article du blog Coding Horror, intitulé “ ” . Je le trouve excellent (l’article, et le blog) :

La performance des ordinateurs est une sorte de Vous êtes toujours en train d’attendre l’une de ces 4 choses:

Disque
Processeur
Mémoire
Réseau

Mais laquelle ? Et combien de temps faudra-t’il attendre ? Et que faire pendant que vous attendez ?

Avez-vous vu le film ? Si non, vous devriez. Il est bien. L’une de mes scènes préférée est quand l’ décrit comme il devient difficile de communiquer avec les humains :

C’est comme si je lisais un livre… c’est un livre que j’aime profondément, mais je le lis si lentement, maintenant. les mots sont loin les uns des autres, l’espace entre les mots est presque infini. je peux toujours vous ressentir… et les mots de notre histoire … mais cet dans cet espace sans fin entre les mots que je me trouve maintenant.. C’est un endroit qui n’est pas dans le monde physique. C’est là où se trouve tout ce dont j’ignorais l’existence. je vous aime tant. Mais c’est là que je suis désormais. Et c’est ce que je suis désormais. Et j’ai besoin que vous me laissiez partir. Même si je le voulais, je ne peux plus vivre votre livre plus longtemps.

J’ai de sérieuses réserves sur l’environnement de travail décrit dans “Her”, où tout le monde passe toute ses journées à murmurer frénétiquement à son ordinateur, mais il y a une très profonde vérité dans cette scène clé. C’est que l’espace infini “entre” ce que nous autres humains ressentons comme le temps est l’ “endroit” où les ordinateurs passent tout leur temps. C’est une échelle de temps totalement différente.

Dans le livre “Systems Performance: Enterprise and the Cloud” se trouve une table qui illustre très bien l’énorme différence entre ces différences de temps. Ramenons tout à l’échelle de la seconde:

1 cycle	0.3	1 s
accès au [cache]( émoire_cache) L1	0.9 ns	3 s
accès au cache L2	2.8 ns	9 s
accès au cache L3	12.9 ns	43 s
accès à la	120 ns	6 min
entrée/sortie à un disque [SSD]( )	50-150 μs	2-6 jours
entrée/sortie à un	1-10 ms	1-12 mois
Internet: San Francisco - New-York	40 ms	4 ans
Internet: San Francisco - Angleterre	81 ms	8 ans
Internet: San Francisco - Angleterre	183 ms	19 ans
[Reboot]( ) d’un OS [virtualisé]( )	4 s	423 ans
time-out d’une commande	30 s	3000 ans
Reboot d’un ordinateur virtualisé	40 s	4000 ans
Reboot d’un ordinateur physique	5 m	32 millénaires

Les temps “internet” ci-dessus sont quelque peu optimistes. Si vous consultez , le temps de San Francisco à New-York est plutôt autour de 70ms. Je vais donc doubler les valeurs internet de ce tableau.

La est une chose, mais il faut aussi considérer .

A ce propos, le grand , avait une . Si on ramène ces temps à des distances où se trouvent les données à accéder, alors un accès à un disque est équivalent à chercher des données sur Pluton.

il se référait probablement aux traditionnels disques rotatifs rouillants, alors ajustons ces points extrêmes à la situation d’aujourd’hui :

Distance à Pluton : 7.5 milliard de kilomètres.
Meilleure performance d’un disque rotatif ( ) par rapport au meilleur disque SSD PCI Express ( ). C’est 10x mieux
Nouvelle distance : 750 millions de kilomètres
Distance à Jupiter : 750 millions de kilomètres

Donc, au lieu d’aller jusqu’à Pluton pour chercher nos données en 1999, aujourd’hui nous n’avons plus besoin que d’aller jusqu’à Jupiter.

Ceci pour la performance des disques en une décennie. Et quelle est laccélération des processeurs, de la mémoire et des réseaux dans ce même temps ? Est-ce qu’une amélioration d’un facteur 10 ou 100 fait vraiment une différence dans ce grand espace infini de temps dans lequel les ordinateurs travaillent ?

Pour les ordinateurs, nous autres humains vivons dans une échelle de temps totalement différente, presque un . Ce qui déforme notre perception. Plus les ordinateurs vont vite, plus cette disparité de temps s’accroît.

Références:

Jeff Atwood, “ ”, 2014, Coding Horror
Brendan Gregg (2013). Systems Performance: Enterprise and the Cloud. Prenctice-Hall.
Jim Gray, “ ”, 1999,

Ou étiez-vous, photons ?

Tue, 03 Dec 2013 00:00:00 +0000

Je vous propose ci-dessous ma traduction d’un article récent que j’ai trouvé fort bien fait sur un sujet difficile d’accès : la mécanique quantique. L’expérience décrite est géniale, et son interprétation par une symétrie du temps me titille particulièrement les neurones…

Résumé

Avec une nouvelle version de la fameuse expérience des , des physiciens israéliens viennent de mesurer un phénomène bizarre même selon les standards contre-intuitifs de la mécanique quantique. En plaçant deux fentes de Young sur le trajet d’une expérience avec deux autres fentes de Young, les chercheurs ont montré que des photons traversent une partie de l’installation dans laquelle ils n’entrent pas, ni ne sortent. Selon cette équipe, cet effet se comprend le plus facilement en invoquant une interprétation non conventionnelle de la mécanique quantique proposée dès 1964, le “formalisme vectoriel à deux états”.

L’expérience

Expérience de Young version aquatique. Cliquez pour une très bonne video

La démonstration la plus simple et convaincante de la est probablement la fameuse expérience des fentes de Young. Des particules comme les photons ou les électrons émis un à un se comportent comme des ondes lorsqu’ils traversent deux fentes étroites rapprochées, et forment un motif d’interférence sur un écran.

Dans une version récente de l’expérience, et ses collègues de l’Université de Tel-Aviv ont utilisé des comme double fentes de Young, et des photons comme particules. L’interféromètre optique utilise un miroir semi-réfléchissant pour diviser le faisceau de photons en deux chemins distincts qui sont recombinés et envoyés à un détecteur. Toute différence de longueur entre les deux chemins influence l’interférence des deux rayons lorsqu’ils sont recombinés, ce qui modifie l’intensité mesurée par le détecteur.

Trois chemins possibles

Dans l’expérience de Tel-Aviv, un interféromètre de Mach–Zehnder “interne” est placé sur l’un des chemins d’un interféromètre “externe” de façon à ce que le faisceau recombiné poursuive son chemin à travers l’appareil “externe” jusqu’à un détecteur (voir la figure ci-dessous). Un photon a donc trois chemins possibles entre sa source et le détecteur. Le but de l’expérience est de découvrir quels chemins ont été empruntés par les photons arrivant au détecteur, du moins une partie d’entre eux. Ceci s’appelle une “ ”, et est consistant avec les lois de la mécanique quantique car ça n’implique pas de mesurer la trajectoire suivie par un photon spécifique.

Avec le "formalisme vectoriel à deux états", la probabilité de trouver un photon est définie par une onde se propageant depuis la source (en rouge) et une onde se rétro-propageant depuis le détecteur (en vert). Un photon ne peut se trouver que là où les deux sont non nulles . (illustration: Lev Vaidman)

Pour effectuer leurs mesures, les physiciens ont fait vibrer les miroirs des interféromètres chacun à une fréquence différente. En vibrant, chaque miroir altère légèrement la longueur du rayon lumineux qu’il réfléchit, ce qui change l’intensité détectée. Comme chaque miroir vibre à une fréquence distincte, la présence d’un pic à chacune de ces fréquences sur le signal détecté indique que des photons sont passés par le miroir correspondant.

Les chercheurs ont ajusté la longueur des chemins à travers l’interféromètre interne pour que les deux rayons interfèrent de manière destructive lors de leur recombinaison. De ce fait, aucune lumière ne peut quitter l’interféromètre interne. On pourrait donc attendre que la seule oscillation détectée provienne du miroir C contournant l’interféromètre interne, mais ce n’est pas ce que les chercheurs ont trouvé

Conclusion bizarre

L’intensité détectée oscille effectivement à la fréquence du miroir C, mais aussi à celles des miroirs de l’interféromètre interne A et B. Pourtant elle n’oscille pas aux fréquences des miroirs E et F situés à l’entrée et à la sortie de celui-ci. Ceci mène à la bizarre conclusion que certains photons reçus au détecteur ont passé à travers l’interféromètre interne, mais n’y sont jamais entrés ni sortis.

Les chercheurs pensent que ceci valide une des appelée “formalisme vectoriel à deux états” ( ). Elle a été proposée en 1964 déjà par , Peter Bergmann et Joel Lebowitz. Avec cette interprétation, la probabilité de trouver une particule à un certain endroit est le produit de deux vecteurs, l’un évoluant à partir de la source, l’autre remontant le temps à partir du détecteur.

Un photon ne peut toucher un miroir que si et seulement si les deux ondes ne sont pas nulles en ce point. L’interféromètre interne fait que toute onde qui le quitte est identiquement nulle. L’onde allant vers le futur (rouge sur l’illustration) ne passe pas par le miroir F, donc aucun photon ne peut s’y trouver. Quant à l’onde remontant le temps à travers l’interféromètre interne (en vert) , elle ne passe pas par le miroir d’entrée E, donc aucun photon ne peut s’y trouver non plus. Pourtant, dans l’interféromètre interne les deux ondes sont non nulles, donc les photons passent par les deux chemins incluant les miroirs A et B.

Intuitions et explications

Vaidman insiste sur le fait que le “formalisme vectoriel à deux états” ne fait en réalité pas de prédictions différentes de celles de l’approche conventionnelle de la conçue par dans les années 1920. Cependant, les résultats de cette expérience semblent hautement contre-intuitifs et sont difficiles à rationaliser par la méthode traditionnelle. Selon Vaidman “Vous pouvez définir des constantes et vous pouvez avoir des intuitions sur ce qui se passe à l’aide du formalisme vectoriel à deux états, mais rien de ce que la mécanique quantique standard ne peut expliquer en fin de compte.”

Onur Hosten de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign n’a pas participé à l’expérience et estime que, formalisme vectoriel à deux états ou pas, l’effet est produit par le fait qu’une mesure faible perturbe inévitablement le système. Faire osciller les miroirs change la longueur des chemins, ce qui détruit l’interférence destructive parfaite et permet à la fonction d’onde de s’échapper. “De mon point de vue, c’est vraiment intéressant de comprendre pourquoi on obtient ces résultats”, dit Hosten, “mais il est aussi intéressant qu’une mesure faible fournisse des réponses déconcertantes”.

Références:

Tim Wogan “ ”, 26 novembre 2013, physicsworld.com
Ariel Danan, Demitry Farfurnik, Shimshon Bar-Ad, & Lev Vaidman (2013). Asking photons where have they been ArXiv arXiv: \[[pdf](http://arxiv.org/pdf/1304.7469v2.pdf)\], soumis à Physical Review Letters
Aephraim Steinberg, Amir Feizpour, Lee Rozema, Dylan Mahler and Alex Hayat “ ”, 7 mars 2013, physicsworld.com

Terra Nova : le quiz

Wed, 29 Feb 2012 00:00:00 +0000

Une série télévisée de science-fiction basée sur un voyage dans le temps ? Et chapeautée par Steven Spielberge en plus ? Je regarde !

Le pitch de est simple : en 2149 la planète devient invivable, mais les humains trouvent par hasard une faille temporelle, qu’il faut un peu pour envoyer des poignées de colons 85 millions d’années dans le passé, au . Là ils tentent de fonder une nouvelle civilisation dans un monde vierge, un véritable Eden s’il n’y avait pas quelques et, pire encore, certains humains assoiffés de pouvoir….

Terra Nova rappelle assez vite Lost, avec ses héros isolés dans une nature hostile, leurs amours, leurs trahisons, etc. Mais autant l’univers de Lost était surnaturel, autant celui de Terra Nova se veut scientifique, avec ses dinosaures reconstitués, dominés grâce à la technologie du XXIIème siècle. Je ne m’étendrai pas sur la , dont on comprend juste qu’elle utilise un est de quelques microns… A part ça, les auteurs se sont visiblement bien documentés, et quelques éléments surprenants du scénario se sont avérés exacts après vérification. Mais un certains nombre d’erreurs manifestes m’ont tout de même choqué.

Je vous propose un petit quiz sur quelques assertions remarquées dans les premiers épisodes:

“Votre organisme risque de mettre du temps avant de s’habituer à la densité de l’atmosphère” du Crétacé. Vrai ou Faux ?
La Lune apparaît plus grosse car “elle s’éloigne de la Terre d’environ 1/2 centimètre par an, donc elle est beaucoup plus proche qu’elle ne l’était hier”, soit juste avant le voyage, 85 millions d’années plus tard. Vrai ou Faux ?
“Les étoiles sont différentes aussi. Elles n’ont pas la même place qu’en 2149 parce que l’Univers a poursuivi son expansion pendant 85 millions d’années”. Vrai ou Faux ?
Au Crétacé vivaient des libellules de 70 cm d’envergure. Vrai ou Faux ?
La chute d’une météorite peut provoquer une . Vrai ou Faux ?

Réponses:

Vrai et faux. Selon , la de 1013 aujourd’hui était effectivement supérieure d’au moins 70 hPa au Crétacé car l’oxygène composait environ 25% de l’atmosphère contre 21% aujourd’hui. Le CO2 était aussi environ 5 fois plus abondant qu’aujourd’hui, mais sa contribution à la pression atmosphérique est négligeable. Mais cette pression légèrement plus élevée ne peut pas provoquer de troubles de la respiration. On pourrait éventuellement craindre une comme le crie l’infirmière lorsque le héros s’écroule, mais il faudrait que la pression d’oxygène dépasse 500 hPa alors qu’il n’y en avait que 280 hPa au Crétacé. Comme le taux de CO2 n’était pas non plus assez élevé pour risquer l’ , on peut en déduire que les aides respiratoires de “Terra Nova” sont parfaitement inutiles.
Faux. D’abord la Lune s’éloigne plus vite, de 3.8 cm par an pour être précis. Mais surtout, 85*106*0.038 = 3230 km seulement, ce qui fait moins de 1% de la distance Terre-Lune, et donc de son diamètre apparent. De plus l’ellipse de fait varier cette distance entre 363'104 et 405'696 km, soit une variation de 12%, bien plus grande que le 1% de variation depuis le Crétacé. Bref, on ne pouvait pas observer de différence à l’oeil nu.
Faux. 85 millions d’années est une durée presque négligeable par rapport aux 13.7 milliards d’années de l’Univers. L’expansion de l’Univers éloigne les galaxies les unes par rapport aux autres, mais n’a pas d’effet perceptible dans une galaxie comme notre Voie Lactée. Le des étoiles n’a rien à voir avec ça.
Pas sur. La fameuse vivait au Carbonifère, soit bien avant. Selon , il y aussi eu de gros insectes au Crétacé, notamment des , mais je n’ai pas trouvé trace de grosses libellules. Si vous en savez plus, un petit commentaire serait apprécié.
Là j’ai eu une surprise : possible. En se vaporisant dans l’atmosphère, une grosse météorite pourrait en principe ioniser l’atmosphère comme une bombe atomique. Donc ce n’est pas impossible a priori, mais comme je n’ai pas trouvé de référence sérieuse sur le sujet, j’ai préféré demander au , l’auteur de . Voilà ce qu’il m’a répondu:

I don’t think a meteorite can do that, unless it’s very, very big (and I’m not even sure about that). EMPs are usually from a huge surge of ions, either from a solar flare or from ionizing radiation from a nuclear weapon. Meteors just don’t have that kind of energy to do that. If they did, then we’d see EMPs all the time from them, and we don’t! So I think that’s just a bit of writing license they took. :)

Voilà pour l’instant, il y aura peut-être une suite, surtout si vous crochez aussi à cette série tout à fait regardable et que vous postez questions et commentaires ci-dessous.

Références:

Joseph Gale et al. “ ", J. Exp. Bot. (2001) 52 (357): 801-809.doi: 10.1093/jexbot/52.357.801
Dudely, R. “ ”, 1998, The Journal of Experimental Biology, 201, 1043–1050.
Philip C. Plait (2009). Death from the skies!. Penguin.

Selon Newton, l'univers serait discret

Sat, 13 Aug 2011 00:00:00 +0000

"An experimental sonic black hole" par "E8 Album HQR Initiative" sur flickr.com

C’est du moins ce qu’illustre Jarmo Mäkelä dans son essai “Is Reality Digital or Analog?” qui a remporté le premier dont il y a quelques mois.

Le texte commence comme une petite nouvelle de S.-F. : le narrateur rêve de rencontrer Sir Isaac Newton après lui avoir envoyé quelques livres et articles sur la physique contemporaine, et il trouve le lendemain une invitation à rencontrer le célèbre physicien le 18 novembre 1700 à Londres, à 3 PM. Ne souhaitant pas “ennuyer le lecteur avec une description détaillée de la manière dont il s’est rendu au rendez-vous”, Mäkelä passe à un compte-rendu de sa rencontre avec Newton, auquel il demande sans ambages : “Alors, la réalité est-elle digitale ou analogique?”. Newton répond sans hésitation “Digital, of course.” - “Comment le savez-vous?” - “Parce que je l’ai calculé.”

Suivent deux pages de vulgarisation très bien faites sur la relativité et la mécanique quantique pour arriver au résultat sur lequel Newton base son calcul : l’ prédite par Stephen Hawking. Les trois pages suivantes sont consacrées à la physique des trous noirs. Elles sont nettement plus techniques et décorées de quelques formules susceptibles d’effrayer les non matheux, mais l’argumentation peut être suivie grâce au texte du dialogue entre les deux physiciens.

En résumé, un trou noir a une masse finie, une finie et la surface de son est elle aussi finie. Pourtant le calcul de la d’un trou noir conduit à des fonctions divergentes qui n’ont pas de réalité physique, à moins de considérer que la surface de l’horizon des événements est constituée d’une somme (finie) de surfaces minuscules. Et puisque l’horizon des événements appartient à l’espace-temps “normal”, alors toute surface dans l’espace-temps “normal” doit être discrète.

une brique d’espace-temps ?

A la fin de son essai, Mäkelä va encore plus loin : à l’ où les notions de distance, de temps et de causalité n’ont plus de sens, son Newton propose de substituer un sorte de “surface de Planck”. Il explique que dans l’espace temps, l’analogue du tétraèdre (4 sommets, 6 arètes, 4 triangles) est un “4- ” appelé aussi ". Cet objet a 5 sommets, et 10 arêtes qui forment aussi 10 triangles, ce qui permet exprimer la longueur des arêtes en fonction de la surface des triangles aussi bien que la surface des triangles en fonction de la longueur des arêtes. Dans un espace-temps découpé en “pentatopes”, les notions de distance et de surface sont interchangeables !

Après cette rencontre extraordinaire, Newton remet à son visiteur temporel un papier intitulé “La théorie complète de la ” à publier au XXIème siècle, mais au moment d’en découvrir l’équation fondamentale, le narrateur se réveille dans son lit…

Je le dis tout net, l’essai de Jarmo Mäkelä est un chef-d’oeuvre. Je n’ai pas la compétence d’en juger la valeur purement scientifique (voir les nombreux à son article si ça vous intéresse), mais du point de vue de la littérature scientifique, c’est une magnifique combinaison de fiction, de vulgarisation et de pédagogie sur un sujet aussi pointu que fondamental. Vous lisez l’anglais ? Alors lisez !

Note: titre changé le 8.8.18 de “… digital” en “… discret” car effectivement plus clair en français

Références:

Jarmo Mäkelä, “ ”, FQXi 2011
George Musser “ ” sur le blog Scientific American
" " sur Zone-Reflex

La réalité est-elle digitale ou analogique ?

Wed, 30 Mar 2011 00:00:00 +0000

"Deconstitutionalisation 29" par maistora sur Flickr

C’est le sujet du , motivé par cette réflexion*:

“Alors que la physique classique - ainsi que le calcul différentiel qui lui sert de fondations - est basé sur les nombre réels et leur ensemble continu de valeurs, la mécanique quantique indique que certaines quantités physiques ne peuvent prendre que des valeurs discrètes et dénombrables. En conséquence, plusieurs approches actuelles des questions fondamentales de la physique et de la cosmologie soutiennent de nouvelles visions de la nature discrètes ou “digitales”. Ce concours d’essais pose cette question : la Nature est-elle fondamentalement continue, ou discrète, et comment ces deux conceptions contradictoires mais très utiles pourraient être réconciliées ?”

Les essais doivent aborder une ou plusieurs des aspects suivants:

Comment un espace-temps ou un autre continuum doté de symétries continues peut-il émerger d’une description “digitale” ?

Quelle est la nature de l’epace ? Comment un univers discret pourrait-il être en expansion sans que sa discrétisation ne devienne évidente ? Ou : devient-elle évidente ?

Quelles sont les implications de minima de longueur, de temps ou d’énergie, et comment pourrions nous les observer aujourd’hui ? Ou : ceci est-il une mauvaise manière de voir la discrétisation fondamentale ?

Un univers infini de quelque manière est-il incompatible avec une description digitale ?

Comment une description digitale est-elle consistante avec l’“écoulement” du temps ? Comment fonctionne la causalité ?

le Monde peut-il est modélisé par ( ou être… ) un calcul digital ? Ou nous amène cette image ?

Les modèles discrets simples comme les automates cellulaires sont-ils des approches efficaces en physique ?

Y’a-t-il une profonde raison fondamentale pour laquelle la réalité doit être purement analogique, ou pourquoi doit-elle être digitale ?

Plus de 100 scientifiques du monde entier ont concouru en soumettant autant d’ . Impossible de les résumer ici, d’autant que je n’en ai parcouru qu’une poignée. Quelques mots sur trois d’entre eux, sélectionnés selon des critères purement subjectifs.

Julian Barbour est le sur “ ”. Voici l’abstract de son essai “ ”

Avec son aphorisme “it from bit”, a prétendu que toute chose physique, n’importe quel “it”, trouve sa véritable existence uniquement dans de l’information susceptible d’être captée par un détecteur via des réponses oui/non à des “bits” de choix quantiques. Dans cet esprit, beaucoup de théoriciens donnent aujourd’hui une priorité ontologique à l’information. Pour tester cette idée, J’identifie trois sortes distinctes d’information et trouve que les choses priment sur l’information. En examinant ce que Wheeler voulait dire par “it” et “bit” m’a conduit à inverser son aphorisme: “bit” dérive de “it”. Je soutiens que ceci affaiblit, mais ne détruit pas nécessairement l’argument selon lequel la nature est fondamentalement digitale et la continuité ne serait qu’une illusion. Il y aurait aussi des implications sur l’interprétation de la mécanique quantique et la nature du temps, la causalité et le monde.

Selon , “ ”. C’est grâce à lui que j’ai (re-)découvert ce concours d’essais car il est l’un des coauteurs de , j’y reviendrai très très bientôt. De plus il travaille pour Wolfram Research, et à part le génial Mathematica et le non moins génial , est l’un des supporters d’un univers digital du type “automate cellulaire” abordé dans son livre (contesté) “ ”. Retour à Zenil : voilà l’abstract de son essai:

Je propose la notion selon laquelle l’univers est digital, non comme revendication sur ce dont il est fait, mais plutôt sur la manière dont il se révèle. L’argumentation se base sur les concepts de rupture de symétrie et de probabilité algorithmique qui seront utilisés comme outils pour comparer la manière dont les structures sont distribuées dans notre monde avec leur distribution dans un univers digital simulé. Ces concepts fourniront un cadre pour une discussion sur la nature informationnelle de la réalité. Je soutiens que si l’univers était analogique, le monde serait principalement aléatoire, le rendant largement incompréhensible. Le modèle digital a cependant une beauté inhérente dans la l’imposition d’une limite supérieure de la puissance de calcul et la convergence vers un niveau maximum de sophistication. Même s’il est déterministe, “digital” n’implique pas que le monde soit trivial ou prédictible, mais plutôt qu’il est construit sur la base d’opérations très simples à petite échelle mais qui paraissent complexes ou même aléatoires à grande échelle, mais seulement en apparence.

Dans “ ” de Stefan Weckbach, c’est clairement le titre qui a attiré l’ingénieur que je suis. Pour moi, , et Stefan Weckbach propose une manière assez simple et séduisante de vérifier si l’Univers est calculé dans un ordinateur : essayer de construire un ordinateur encore plus puissant! En se basant sur de (celui de “ ") , il estime qu’une simulation de l’univers entier depuis le Big Bang nécessite environ 10123 opérations binaires. Or si on arrivait à construire un utilisant environ 500 particules intriquées, il serait capable de réaliser en un temps humainement raisonnable nettement plus que ces 10123 opérations binaires, par exemple pour factoriser un . Si on arrive à faire ça, ça prouve que notre univers n’est pas calculé. Si on n’y arrive pas alors que notre ordinateur quantique fonctionne bien avec moins de 500 particules intriquées, ça voudra dire que notre univers est calculé par une machine pas assez puissante.

Holà ! les vont se réveiller : ça pourrait aussi faire planter le système…

Note* : traductions effectuées par Dr. Goulu dans la mesure de ses modestes connaissances. N’hésitez pas à corriger ou préciser via commentaires svp.

Pourquoi 3 dimensions + 1 temps ?

Sun, 30 Jan 2011 00:00:00 +0000

Dans “ ", traite de la “question bête” d’un lecteur de son livre qui se demande à quoi ressemblerait l’univers si le temps avait plus d’une dimension, et plus généralement, si la vie serait imaginable dans un univers à N≠3 dimensions. Voici quelques idées qu’il y développe, additionnées des miennes sur ce sujet.

La vie dans un espace à 2 dimensions (+1 temps) a été imaginée dès 1884 dans “ ” , une allégorie purement géométrique dont a été tiré en 2007 :

Un siècle plus tard, A.K. Dewdney a traité de manière beaucoup plus “scientifique” la physique, la chimie et la biologie dans “ ” , répondant au passage à une objection de Dave Goldberg : oui, il est possible de croiser deux fils dans le Planivers, , donc de réaliser des ordinateurs en 2D, comme le montre également le “ ” qui est une machine “ ”

Un univers à N=1 dimension (+1 temps) n’est pas imaginable en physique, mais du point de vue artistique j’aime beaucoup “la Linea” de mon enfance, un dessin animé minimaliste en “1½ D” avec interventions ponctuelles d’un Créateur tridimensionnel :

A propos d’un univers à (+1 temps toujours), Dave Goldberg mentionne un fait que je n’avais pas réalisé : l’action des forces n’y diminue pas comme l’inverse du carré de la distance comme dans notre univers, mais comme l’inverse du cube de la distance. Ceci fait notamment qu’aucune planète à 4 dimensions ne peut décrire une orbite stable autour de son soleil hypersphérique. Le problème ne s’arrangeant pas en augmentant les dimensions il faut se rendre à l’évidence : un univers “fertile”, où la complexité peut se développer jusqu’à permettre des formes de vie ne peut avoir que N=3 dimensions, ou à la rigueur 2.

Plus une seule dimension de temps, toujours. Quelle que soit la “ ” on n’y coupe pas : au niveau macroscopique bien décrit par la relativité d’Albert, le , au sens mathématique des nombres complexes. Evidemment, sans temps un univers serait désespérément statique et sans intérêt.

Mais peut-on imaginer un temps à plus d’une dimension ? Mathématiquement ça ne pose pas trop de problèmes et les caractéristiques de tels univers ont été étudiées, notamment par . Son très intéressant article soulève la difficulté majeure posée par un univers à plusieurs dimensions de temps :

Si un observateur est capable d’utiliser sa conscience de soi et des capacités de traitement de l’information, les lois de la physique doivent être telles qu’il puisse faire au moins certaines prédictions. Plus précisément, au sein du cadre d’une théorie des champs, en mesurant diverses valeurs de champ à proximité, il faut qu’il ait la possibilité de calculer les valeurs de champ à certains points plus éloignés de l’espace-temps (ceux se trouvant le long de la ligne de son monde à venir sont particulièrement utiles) avec une marge d’erreur finie. Si ce type de causalité bien définie était absente, alors non seulement il n’y aurait aucune raison pour que cet observateur ait une conscience de soi, mais il semble très peu probable que des systèmes de traitement de l’information tels que les ordinateurs ou le cerveau puisse exister.

Or justement cette prédictibilité n’apparaît que si les équations de champ suivent des . Et Tegmark montre que ceci n’est le cas que dans les univers à une seule dimension de temps ou une seule dimension d’espace. S’il y en a plus, l’univers devient totalement imprévisible. Avec un temps à deux dimensions, il est par exemple impossible de donner un rendez-vous à quelqu’un, car si nous contrôlons nos déplacements dans l’espace et pouvons éventuellement les moduler de façon à nous retrouver à un certain moment t1 selon le “temps1” à l’endroit convenu, nous n’aurions pas le moyen de gérer simultanément le “temps2” : l’autre personne suivant une trajectoire dans l’espace-temps différente n’aurait aucun moyen d’arriver au rendez-vous à la fois à la même position spatiale et au au même temps (t1,t2)

Le tableau suivant résume les caractéristiques des univers selon leurs dimensions spatiales et temporelles selon Tegmark:

Notre univers n’est donc pas le résultat d’une expérience menée par des êtres à 4 dimensions, ou de dieux pour lesquels notre temps ne serait qu’une dimension parmi beaucoup d’autres. Nous ne sommes pas manipulés comme “La Linea”, ça soulage…

Le tableau exhibe aussi une jolie symétrie entre entre dimensions spatiales et dimensions temporelles, ce qui laisse espérer un autres univers intéressant, notre “symétrique” à une dimension spatiale et “temps cubique”. Dans cet univers, la physique des particules n’autorise que l’existence de , des particules très hypothétiques dans notre univers mais liées à la théorie des cordes, laquelle postule l’existence de dimensions “bouclées” à très petite échelle en plus des dimensions spatiales. Dès qu’on vérifie leur existence expérimentalement j’écris un article là dessus, promis.

Références:

Dave Goldberg, Jeff Blomquist (2010). A User's Guide to the Universe: Surviving the perils of black holes, time paradoxes, and quantum uncertainty. Wiley.
Edwin Abbott Abbott (1885). Flatland: A Romance of Many Dimensions. Roberts brothers. (texte intégral en )
A.K. Dewdney (1985). le Planivers: Contact informatique avec un monde à deux dimensions. Londreys.
Max Tegmark, “ ”, 1997, , DOI

Le temps est-il une illusion ?

Sun, 21 Nov 2010 00:00:00 +0000

C’est le thème du , qui vaut vraiment la peine que vous vous précipitiez dans le kiosque le plus proche. Vous y retrouverez des idées et auteurs déjà mentionnés sur “Dr. Goulu” ou sur “ ", plus de nombreux autres.

Dans “L’instant présent, unique mais banal”, Étienne Klein montre le statut très particulier du présent par rapport au passé et au futur. Physicien suivant une approche essentiellement philosophique et citant notamment “ ” de McTaggart, Klein introduit de façon assez convaincante du temps, selon laquelle seul le présent existe.

L’article de intitulé “Le temps-est-il une illusion ?” est un pont dans l’autre sens entre physique et philo, car Callender est prof de philo mais ‘appuie son discours sur de nombreuses notions de physique. J’ai un peu de la peine à le suivre cependant lorsqu’il prétend que “le temps est passé à la trappe en 1915” lorsqu’Albert a montré qu’il n’existait pas UN temps absolu, ni plus loin lorsqu’il montre qu’une “tranche” d’espace-temps coupée perpendiculairement au temps est plus cohérente et simple qu’une tranche coupée parallèlement au temps. Il me semble que ça doit résulter tout bonnement du fait que dans l’ , le d’une part, et que d’autre part ce que nous appelons “présent” est une …

Egalement, lorsque Callender affirme que l’ est dépourvue de variable temporelle, il me semble qu’il va un peu vite. Pour le peu que j’en aie compris, cette équation décrit toutes les probabilités qu’un Univers dans un état donné passe dans un autre état. Elle décrit donc tous les univers possibles en même temps, ce qui la rend populaire auprès des adeptes des univers parallèles, multiples, superposés et autres mousses d’univers. Mais pour décrire l’évolution du seul Univers dans lequel j’ai le plaisir de vivre, il faut décrire les corrélations entre les événements que nous observons, et comme le reconnait tout de même Callender, il est pratique de “définir une entité nommée temps et tout y relier”. Callender voit ce temps comme purement virtuel, fictif, peut être parce que la notion de seconde ou de durée est effectivement absente des lois de la physique. Pour ma part, je me demande si ce n’est pas simplement un .

A noter que Callender avait participé aux avec “ ”.

Dans “la disparition du temps en relativité”, Marc Lachièze- Rey détaille un peu mieux la profonde remise en question du temps induite par la théorie d’Albert. L’article montre de façon convaincante que la notion de durée n’a plus de sens depuis 1905. Selon la fin de l’article “la relativité à définitivement condamné la plupart des propriétés du temps et des notions qui s’y rapportent. Il y a toutes les raisons de penser que cette disparition est fondamentale” alors que le passage mis en évidence dans le journal est “il y a toutes les raisons de penser que la disparition du temps est fondamentale”, ce qui me semble un raccourci rapide.

Si la relativité a remis en question les notions de simultanéité et de chronologie, c’est en conférant au temps le statut assez rigoureux de dimension dans l’espace de Minkowski… S’il est aujourd’hui possible de formuler une théorie sans temps, voire sans métrique, il me semble qu’il reste à la valider par des observations avant d’enterrer le temps lui-même…

Les auteurs précédents se réfèrent à plusieurs fois à Carlo Rovelli, qui signe l’article “s’affranchir du temps” après “ ” présenté au concours fq(x). Ce professeur de physique à l’Université de Marseille explique bien pourquoi l’existence même du temps est remise en question : “je suis convaincu que pour conceptualiser la temporalité, le devenir et l’évolution d’une manière qui soit compatible tant avec la mécanique quantique qu’avec la relativité générale (…) la meilleure option est d’abandonner la notion de temps toute entière.” Mais Rovelli reconnaît qu’après avoir supprimé le temps pour permettre la fusion des deux théories les plus solides de la physique du point de vue mathématique, il faut pouvoir expliquer notre perception évidente de ce que nous nommons “temps”.

Rovelli commence par distinguer deux classes de phénomènes physiques : ceux dans lesquels le temps peut être inversé sans difficulté, comme le mouvement des planètes et autres systèmes mécaniques, et ceux dans lesquels le temps est irréversible, essentiellement dans les phénomènes thermodynamiques. Il présente ensuite sa conception du “temps thermique”, selon laquelle notre sensation d’écoulement du temps est provoquée par les lois de la thermodynamique. J’aime beaucoup cette idée pour .Le point qui me perturbe, c’est justement cette distinction trop nette entre phénomènes réversibles et thermodynamiques. Un jeu de billard, c’est mécanique ou thermodynamique ? Les orbites des planètes, ça à l’air mécanique, mais à long terme, … L’approche de Rovelli permet-elle de décrire aussi bien les phénomènes évoluant en microsecondes que ceux étalés sur des millions d’années ? Il faudrait que je lise “ ’” pour aller plus loin. (voir aussi “temps de tomita”)

Cette question cruciale de la réversibilité de certains phénomènes et de l’irréversibilité d’autres est abordée par Roger Ballan dans “le paradoxe de l’irréversibilité”. Il y fait le lien entre la “flèche du temps”, la thermodynamique et la théorie de l’information en considérant un gaz formé de N particules confinées dans un volume A puis libérées dans un volume B double, et en montrant que l’augmentation d’entropie chère à correspond à une incertitude croissante sur l’état des N particules.

Tombe de Boltzmann à Vienne par martinroell sur flickr

Je suis resté un peu sur ma faim à la fin car j’espérais un développement de ce lien pour aboutir à une véritable proposition sur la nature du temps.

Le “présent” ne pourrait-il pas être une sorte de “ ” où l’information probabiliste sur le futur se “condense” en certitude sur le passé ? Dans cette vision “no-futuriste” qui est la mienne actuellement, la mécanique quantique décrirait en quelque sorte cette condensation limitée à la surface d’un bloc d’espace-temps qui croît en figeant l’information.

Suit un passionnant article de Marie-Hélène Schune : “Du sens du temps à la violation de la symétrie CP”. (Pour une introduction au sujet, ne manquez pas de (re-) lire mon article “ ” dont je suis très fier mais qui n’a reçu que peu d’écho, à mon grand désespoir ). Mme Schune travaillant au du CERN** (), son article parle beaucoup d’antimatière*, donc de la faible rupture de la symétrie CP. Mais elle explique aussi que la rupture de la symétrie T, donc la direction de la “flèche du temps”, est fondamentalement liée à la CP (puisque la symétrie CPT est absolument conservée). Si je comprends bien, dans un Univers parfaitement symétrique, non seulement la matière et l’anti-matière se seraient annihilés mutuellement au moment du Big Bang, mais le temps n’aurait alors même pas commencé à s’écouler, donc il n’y aurait pas eu de Big Bang…

“Mesurer le temps avec des atomes” de Christophe Salomon est un régal pour les suisses ou tous autres passionnés d’horlogerie. Il y explique le fonctionnement des horloges atomiques au césium actuelles, utilisées pour la définition même de la ainsi que dans les , puis décrit les horloges optiques en développement, qui atteindront des précisions encore supérieures pour des applications plus nombreuses et variées qu’on ne l’imagine.

“Les paradoxes temporels” de Philippe Boulanger décrit les diverses variantes de scénarios rencontrés dans les romans et de voyages dans le temps, ainsi que d’autres paradoxes célèbres liés au temps comme “ ”. Cet article m’a rappelé une réflexion que je m’étais faite en lisant l’excellent “Au pays des paradoxes” de Jean-Paul Delahaye : le temps joue un rôle crucial dans tous les paradoxes, et d’ailleurs en logique, où tous les énoncés se font par étapes, au cours d’un temps très quantifié. Il y a aussi peu de paradoxes “à temps continu” que de raisonnements réversibles dans le temps. Faut que je demande à ce que le philosophe en pense.

Enfin pose LA bonne question : “Peut-on créer une machine à remonter le temps ?” reprise de son livre dont j’ai . Certes la machine envisagée par Davies nécessite une technologie beaucoup plus avancée, de l’énergie en quantité phénoménale et l’accès à diverses bricoles telles qu’un trou noir, mais son propos est de montrer que c’est en théorie possible, pour autant que nous vivions dans un univers-bloc strict (où le futur existe au même titre que le passé et où tout est donc prédéterminé, le libre-arbitre étant une illusion due à notre ignorance) où que nous vivions à la surface d’un bloc no-futuriste.

Et c’est là que je vois l’intérêt de la “proposition” de Paul Davies : elle va dans la direction d’une vérification expérimentale de la nature du temps. On pourra peut-être concevoir bientôt une expérience de physique permettant de départager éternalistes et présentistes. Ce ne sera peut-être pas mon double surgissant d’une spirale colorée pour me serrer la pince, mais peut-être juste une particule piégée dans une “boucle de genre temps”, ou une réalisation subtile d’un , mais au moins on saura…

C’est d’ailleurs ce qui m’a frappé dans cet excellent “Pour la Science” : les défenseurs du temps sont plutôt des expérimentateurs, alors que les théoriciens sont plutôt enclins à l’éliminer parce que sa simplifie les équations de la .

Dans ce contexte, j’aurais bien aimé que écrive aussi un article dans ce journal. Sean tient l’excellent blog “ ” qui m’a lancé sur le sujet du temps, et son essai “ ” au concours fq(x). Il défend le temps dans une et dans où il se livre au même jeu que les présentistes, mais à l’envers : il élimine mathématiquement l’espace des équations de la physique et montre que tout est plus simple et cohérent en ne gardant que le temps comme dimension fondamentale :-)

Ce “Pour la Science” contient encore d’autres articles, notamment sur le temps biologique, neurologique ou en ethnologie, mais si j’avais attendu de les lire avant d’écrire cet article, il n’y aurait plus eu de numéros en kiosque, alors courez !

Notes:

*Le CERN vient d’ailleurs de réaliser une importante avancée dans l’étude de l’antimatière en parvenant à

** Chouette de Marie-Hélène Schune, en particulier le passage sur la direction de recherches

Les voyages temporels au cinéma

Sat, 23 Oct 2010 00:00:00 +0000

Il y a apparaissait la plus belle machine à voyager dans le temps du cinéma, la :

"Faut voir grand dans la vie, quitte à voyager à travers le temps au volant d’une voiture, autant en choisir une qui ait de la gueule!"

C’est l’occasion de faire une petite revue de films montrant des machines à voyager dans le temps, dans le contexte des articles précédents sur la et les .

Dans les “ ” et ses suites, le “convecteur temporel” consomme une puissance de 1.21 GigOwatt (sic…), soit une fraction de la pour faire sauter instantanément la DeLorean et ses passagers à une date pré sélectionnée.

A noter que tous les voyages dans le temps au cinéma se font par “sauts”, à une exception notable : la fameuse de 1960 et son , tirés du de 1895. Lorsque la machine se déplace dans la son occupant voit le temps défiler en accéléré où à rebours à l’extérieur de son engin, et la stoppe à la date choisie. Voyez ou revoyez cette magnifique séquence:

Le de [La Planète des Singes, version 1968](https://La Planète des singes (film, 1968).wikipedia.org/wiki/) effectue aussi un voyage continu et sans retour vers l’avenir, ce qui ne pose aucun problème théorique et n’est donc pas un vrai voyage dans le temps.

Par contre, l’excellent “[Contact](https://Contact (film, 1997).wikipedia.org/wiki/)” devrait à mon sens être considéré comme un voyage dans le temps, car la capsule occupée par Jodie Foster traverse un “trou de ver” où s’écoulent quelques heures, puis elle revient exactement à l’emplacement et au moment du départ de sorte que les observateurs ne s’aperçoivent de rien, au point de contester la réalité du voyage. De plus la machine est très belle :

Dans plusieurs films, la machine existe mais n’est hélas pas montrée. Ainsi dans les on voit un terrible robot du futur apparaître dans un festival d’effets pyrotechniques, mais on ignore pourquoi il doit revêtir la peau du gouverneur de Californie pour voyager dans le temps…

L’ ne s’étend pas non plus sur la machine proprement dite, et c’est le seul reproche que je ferai à ce film génial, car l’un des seuls représentant un “univers bloc” avec (sans machine) et (machine ressemblant à un chaudron de fromager vu le budget du film, en attendant le ). Sans dévoiler la chute de ces excellents films, disons simplement que ce sont les seuls dans lesquels le voyageur ne peut absolument pas modifier le cours des choses, contrairement à tous les autres films dans lesquels les interventions des voyageurs dans le passé influent sur l’avenir, le plus souvent en créant des “univers parallèles” ou des “bifurcations de l’espace-temps”.

Par exemple, je vies de voir (merci Stefano), film intéressant qui débute par la découverte du cadavre d’un voyageur temporel avant que le voyage n’ait lieu. On y voit cependant un prototype de machine envoyer une pomme 4 secondes dans le passé. La pomme apparaît donc “à double” à quelques centimètres de son point de départ avant que l’opérateur n’appuie sur le bouton lançant l’expérience, et lorsqu’il le fait elle disparaît de son point de départ. Mais qu’arriverait-il s’il n’appuyait pas sur le bouton une fois la pomme apparue ? Et bien dans ce cas c’est la pomme voyageuse qui disparaît au moment où il aurait du le faire. Appuyer sur le bouton, ou ne pas appuyer, ce choix binaire crée deux futurs possibles. Simple, non ?

D’ailleurs, il n’y a pas forcément besoin d’envoyer physiquement un voyageur dans le temps pour créer un paradoxe, la transmission d’information suffit. Ainsi dans “ ” et “ ”, des machines permettent de voir ce qui va se produire dans l’avenir, et évidemment d’agir pour infléchir ce futur. Dans “ ”, le fonctionnement de la machine est même décrit comme “optique”, consistant à observer “des rayons lumineux ayant dépassé la courbure de l’univers”… Inutile de dire que la physique n’est pas le point fort du film.

D’ailleurs, parmi les , seule une petite moitié fait intervenir une technologie de science-fiction. Beaucoup de films sont plutôt basés sur le magique ou le fantastique, comme

”, où deux personnages vivant à quelques années de différences s’échangent des messages à travers une boîte aux lettres
“ ”, où le héros reçoit le journal du lendemain, sans explication
“ ”, où des mutants voient les crimes qui auront lieu dans un futur proche grâce à un don parapsychologique
la “tempête électromagnétique” de ou la version de par exemple.
la potion magique des “ ” ou la baguette d’ “
le pouvoir psychique mystérieux comme dans “ ”
”, où le héros condamné à revivre sans cesse la même journée par une force surnaturelle
, où l’héroïne vit inexplicablement les jours d’une semaine dans le désordre
etc.

A quand un film basé sur une machine à voyager dans le temps “moderne” comme par exemple ? Lucas, Spielberg, Cronenberg, Zemeckis, can you read me ?

Neurologie du Temps

Sat, 27 Jun 2009 00:00:00 +0000

Dans son excellent blog “ ”, Sean Carroll aborde souvent la passionnante question de la nature du temps et m’a inspiré plusieurs . Son récent article “ ” est un peu moins cosmologique que d’habitude, mais tout aussi excitant.

Grâce à l’imagerie médicale, on sait aujourd’hui que les zones du cerveau activées lorsqu’on imagine une situation future sont les mêmes que celles utilisées lorsqu’on se rappelle une situation du passé.

L’idée selon laquelle notre capacité à faire un “voyage dans le temps” mental en nous projetant dans le futur reposerait sur notre mémoire du passé date de 1985, où D.H. Ingvar publia “Memory of the future” . En 2005, Tulving publia le résultat de nombreuses expériences astucieuses effectuées sur les animaux : seuls les humains sont capables de voyager dans le temps mentalement. De nombreuses autres études indiquent que les amnésiques ont plus de difficultés que la moyenne des gens à se projeter dans le futur, difficultés rencontrées aussi par les personnes atteintes de certaines maladies mentales comme la schizophrénie.

Toutes ces informations sont détaillées dans un article de Daniel L. Schacter et de son équipe à Harward , qui ont franchi une étape de plus en soutenant que notre cerveau est un “organe prospectif”, dont une des fonctions essentielles est justement de nous permettre d’envisager des situations futures, et que que notre mémoire du passé est un élément essentiel de cette fonction. En effet, à quoi bon se souvenir du passé si nous étions incapables d’utiliser ces informations pour prendre des décisions influant sur notre futur ?

Selon Schacter, il est de ce point de vue normal que notre mémoire ne fonctionne pas comme celle d’un ordinateur qui se remplit progressivement, mais en étant plutôt capable de relier entre eux des morceaux de souvenirs avec une extrême flexibilité. Si je suis en présence d’un objet brûlant, je me rappelle instantanément des nombreuses occasions où je me suis brûlé (y compris la fameuse fois où j’ai marché pieds nus sur un fer à souder…) et je suis capable d’interpoler et d’extrapoler à la fois pour agir de façon à ne pas me brûler cette fois-ci. De plus, les scénarios imaginés rejoignent les souvenirs, parfois même en s’y confondant, mais ceci nous permet d’améliorer encore notre comportement futur.

Ainsi, le cerveau nous donnerait un avantage adaptatif important en nous permettant de “simuler” les futurs possibles, et en les intégrant au même rang que nos souvenirs.

Références:

Ingvar, D. H. ,“Memory of the future : an essay on the temporal organization of conscious awareness”, 1985. Human neurobiology, 4(3), 127–36.
Tulving, E. (2005). Episodic Memory and Autonoesis: Uniquely Human? In H. S. Terrace & J. Metcalfe (Eds.), The missing link in cognition: Origins of self-reflective consciousness (pp. 3-56). New York, NY, US: Oxford University Press.
Daniel L. Schacter, Donna Rose Addis and Randy L. Buckner, “Remembering the past to imagine the future: the prospective brain”, Nature Reviews, Neuroscience volume 8, september 2007, 657 ( )

MIROIR | ЯIOЯIM

Sat, 04 Apr 2009 00:00:00 +0000

Un long article divisés en quelques Pourquois, Comments et Combiens. On commence en douceur:

Pourquoi un miroir inverse-t-il la gauche et la droite et pas le haut et le bas ?

cette question “bête” en soulève deux autres moins triviales :

comment marche un miroir ?
comment définir la “gauche” et la “droite” ?

Un miroir réfléchit simplement la lumière en n’inversant rien du tout : en face d’un miroir, la lumière issue de votre main droite rebondit sur le miroir et arrive à vos yeux par la droite. La lumière venant de vos pieds vous parvient de même par le bas : tout est à sa place. Tout, sauf la “profondeur” : c’est en fait la distance des objets au miroir, autrement dit “l’avant” et “l’arrière” qui sont “inversés” par :

Toby Reflects par Kevin Steele sur flickr

Notre image dans un miroir est donc “retournée comme un gant” : un gant droit retourné devient un gant gauche, comme nos mains dans le miroir .

Même si nous nous regardons dans des miroirs artificiels ou naturels depuis pas mal de miliers d’années, nous avons toujours de la peine à comprendre que la symétrie ne correspond pas à une rotation (sauf dans un espace de dimension supérieur, comme le note ). Ce fait bien n’empêche pas certaines de tenter avec obstination d’orienter leurs mèches de cheveux à gauche ou à droite alors que personne ne les verra jamais comme elles se voient dans un miroir…

Ce qui nous amène à la seconde partie de la question : les notions de “gauche” et de “droite” ont-elles une réalité physique ? Autrement dit, existe-t’il des objets ou phénomènes dont l’image dans un miroir serait impossible ?

On pense tout de suite à l’écriture : un texte vu dans un miroir est illisible, ou du moins pas facilement. Mais ce n’est qu’une question de convention : on aurait très bien pu écrire de droite à gauche comme certaines langues, en utilisant des lettres “retournées” comme dans cette jolie affiche:

Du russe ou du ЯIOЯIM ?

Comment expliquer la gauche et la droite aux extraterrestres ?

Page 15 du message de Dutil et Durand. Le message de paix pourrait-être lu à l envers…

La question de la transmission de cette convention est d’ailleurs un problème intéressant : les messages que certains ont envoyé aux extra-terrestres ( ) sont composés de bits que les destinataires sont censés assembler en lignes et en colonnes pour produire des images en noir et blanc. Comment leur dire que les points doivent être disposés de gauche à droite plutôt que de droite à gauche ?

(On admet qu’on ne dispose pas de points de repère communs avec les extra-terrestres, sinon ça serait trop simple… Disons qu’ils vivent sous une couverture nuageuse perpétuelle et ne connaissent rien à l’astronomie …)

Cette question est équivalente à celle posée plus haut : il suffirait de décrire dans le message un objet ou un phénomène physique dont l’image dans un miroir ne peut pas exister dans la réalité .

Il existe bien quelques objets déroutants en version “miroir”, comme les tire-bouchons “tourne à gauche” vendus dans les farces et attrapes, mais ils sont tous aussi possibles à réaliser que leur version “normale”.

Une molécule chimique ? Il en existe beaucoup qui ont une forme différente de leur image dans le miroir. Par exemple le sucre existe sous forme de qui fait tourner le plan de polarisation de la lumière à droite et sous sa forme . La des molécules détermine donc parfois leur propriétés physiques, mais … tout reste cohérent vu dans un miroir.

Les effets de ces molécules peuvent être très différents selon leur forme dans le miroir : la catastrophe de la est due à l’énantiomère d’un bête calmant, et la L-métamphétamine débouche juste le nez, alors que la D- a d’autres effets…

D-méthamphétamine / L-méthamphétamine

La raison de ceci est que ces molécules interagissent différemment avec les molécules de notre organisme, qui ont elles-mêmes une certaine géométrie plutôt que leur image dans le miroir. Ainsi les êtres vivants sur Terre produisent ou consomme beaucoup plus de D-glucose (ou dextrose) que de L-glucose, et l’ADN présent dans tous les être vivants à la forme d’une double hélice tournant dans à droite. Mais il n’y a pas de raison fondamentale à ceci : la vie a probablement “préféré” une forme plutôt qu’une autre à ses débuts, et cette “brisure de symétrie” s’est propagée par contagion, mais une biochimie “dans le miroir” est parfaitement cohérente.

L’électromagnétisme alors ? Si on fait passer un courant électrique dans une bobine, on crée un champ magnétique avec un pôle Nord et un pôle Sud. Si la bobine est bobinée à l’envers, les pôles Nord et Sud sont inversés.

La main droite, pouce écarté, tient le solénoïde. Le courant sort par les doigts et le pouce oriente le vecteur champ mégnétique.

Oui… mais les notions de pôles magnétiques “Nord” et “Sud” sont tout à fait conventionnelles (jusqu’à ce qu’on trouve un ) : le schéma ci-dessus reste parfaitement cohérent vu dans un miroir.

Combien de fêlures dans les miroirs de la physique ?

Jusqu’en 1956, l’Univers observé dans un miroir était parfaitement cohérent. De fait, 3 des ont une parfaite. Mais en 1956, Mme démontra une concernant la 4ème force, l’ . Lors de désintégration β d’un noyau de Cobalt 60, un électron est émis dans une direction aléatoire. Mais il y en a statistiquement de plus qui part dans la direction opposée à celle du spin du noyau que dans la direction du spin (le spin indique le sens de rotation du noyau). En regardant l’expérience dans un miroir le spin change de sens et l’électron irait très légèrement plus souvent dans la direction du spin, ce qui est contraire à l’expérience. L’interaction faible “préfère” très légèrement la rotation à gauche et on pourrait donc expliquer aux extraterrestres notre convention gauche/droite en leur transmettant ce dessin:

Mais si par malheur nos extraterrestres vivent dans une Galaxie (hypothétique) formé d’ , on a un gros problème : l’antimatière peut également être considérée comme “vue dans un miroir”. Chaque particule de la physique possède son antiparticule dont toutes les caractéristiques sont les mêmes sauf la charge électrique, qui est inversée. Le “miroir” de la “ ” (C comme charge) est très semblable à celui de la symétrie P : toute la physique et la chimie est parfaitement identique avec de l’antimatière qu’avec de la matière, sauf pour l’interaction faible, exactement comme ci-dessus.

Autrement dit, si nos extraterrestres font l’expérience avec un noyau de ce que nous appellerions de l’anti-Cobalt 60 et observent la direction d’émission du , tout marchera parfaitement bien mais ils comprendront absolument tout à l’envers : la gauche et la droite, le signe des charges électriques, les pôles Nord/Sud magnétiques etc. Et la rencontre des deux civilisations fera des étincelles …

Le problème est que notre dessin implique en fait 2 miroirs, le C et le P qui inversent tous deux de la même manière l’expérience, et comme chacun sait, si on regarde notre reflet dans un miroir à l’aide d’un autre miroir, tout se remet en place.

"Two Mirrors" de Steven Scott

On appelle “ ” l’image de l’Univers qu’on obtient en inversant à la fois la gauche et la droite et les charges électriques, et cette symétrie était parfaite. Mais dans les années 1960, on a découvert une très légère brisure de la symétrie CP : la transformation d’un kaon en antikaon est 1 milliardième de fois plus rare que la transformation d’un antikaon en kaon.

Cette nanoscopique (10-9) fêlure a une conséquence pratique assez importante: nous existons.

En effet, c’est la violation de la symétrie CP qui fait que le Big Bang a eu la bonne idée de produire un milliardième de plus de matière “normale” que d’antimatière, et c’est ce milliardième qui ne s’est pas annihilé avec l’antimatière qui constitue tout ce qui nous entoure, sans quoi il n’y aurait pas eu grand chose après “que la lumière soit”.

Comment transformer une caméra vidéo en miroir temporel

Réponse : c’est très facile et amusant :

Même un extra terrestre très différent de nous devinerait assez vite qu’il regarde le film à l’envers parce que beaucoup de phénomènes macroscopiques ont une préférence pour le futur. Ce n’est pas le cas à petite échelle : toutes les interactions entre particules peuvent se produire “en sens inverse” : la mécanique quantique possède une “ ” que l’on retrouve dans les dont .

Voici donc un troisième miroir légèrement imparfait, qui peut se combiner avec les autres ! D’ailleurs, pour réaliser le film ci-dessus, je suppose que la demoiselle qui va “à l’endroit” regarde dans un miroir pour marcher à l’envers sans se heurter à la foule. En quelque sorte, la symétrie PT a permis de rendre le film plus réaliste qu’avec la symétrie T seule.

Mais à propos… pour la violation de la symétrie CP on a dit que la transformation d’un kaon en antikaon plus rare que son contraire, mais si on passe le film de l’expérience à l’envers ? On verra plus de kaons se transformer en antikaons, donc l’Univers observé dans les trois miroirs C,P et T sera parfaitement cohérent avec les observations dans l’Univers “normal”.

La “ ” est aujourd’hui considérée comme une loi fondamentale de la physique car c’est une des rares qui soit compatibles à la fois avec la mécanique quantique et la théorie de la relativité via le principe d’ . Mathématiquement, on a même réussi à montrer que la symétrie T était identique à la symétrie CP et donc que toute violation de la symétrie CP devait causer une violation de T équivalente, et vice-versa.

Les conséquences de la symétrie CPT

Avertissement : dans ce paragraphe, je m’avance un peu en terrain dangereux, mais c’est pour mieux vous faire réagir si vous maîtrisez le sujet mieux que moi …

Une conséquence fondamentale de la symétrie CPT est qu’il est impossible de distinguer:

une particule qui se promène entre les points A et B
son antiparticule qui suivrait la même trajectoire entre A et B, filmée dans un miroir, et dont on passe le film à l’envers (où on la verrait donc aller de B en A)

Si on suppose que comme une , on peut aller un peu plus loin en disant que ces deux observations sont parfaitement indiscernables :

une particule qui se promène entre les points A et B
son antiparticule qui remonte le temps entre B et A, vue dans un miroir.

Donc lorsqu’on reçoit par exemple un sous forme d’un antiproton à haute énergie, ne devrait-on pas vérifier s’il ne s’agirait pas d’un proton généré par un événement futur et qui remonte le temps? Est-ce que des installations comme l’ ont un “miroir” permettant d’observer la brisure de symétrie P qui distingue les deux cas ?

Dans le même ordre d’idée, l’ est décrit par des phénomènes quantiques représentés par des diagrammes de Feynman ressemblant à la figure ci-contre, et qui surviennent des milliards de fois chaque seconde dans chaque millimètre cube de vide de tout l’Univers…

La lecture classique est que 2 particules virtuelles, dont l’une est l’antiparticule de l’autre apparaissent spontanément par les fluctuations du , et leur annihilation mutuelle un court instant plus tard restitue “l’énergie du vide” empruntée par les particules.

Mais là aussi, je me demande comment distinguer cette interprétation de celle d’une particule tournant “en rond” dans le temps : pendant sa phase de retour dans le passé, la particule nous apparait exactement comme son antiparticule allant vers le futur … Existe-t-il une expérience permettant de vérifier la symétrie P du phénomène pour exclure cette interprétation ?

Références:

" " sur le Webinet des Curiosités
Michel Thévoz “L ”
Tom Roud “ ”
Tom Roud “ ”
Tom Roud “ ”

Les Natures du Temps

Sat, 28 Mar 2009 00:00:00 +0000

“Gear Work 2” par Curious Expeditions sur flickr

Les résultats du concours d’essais scientifiques sur “ ” ont été proclamés il y a quelques semaines, sans trompettes médiatiques hélas.

Le premier prix va a pour

Le jury a admiré cet essai pour sa présentation attirante et claire comme le cristal d’un problème de dynamique classique, à savoir de trouver une mesure de la durée de la taille d’un intervalle de temps. L’article débat lucidement et d’une manière historiquement bien informée, qu’un choix approprié d’une telle mesure ne peut être trouvée dans la notion Newtonnienne d’un temps absolu pré-existant, mais émerge plutôt sous la forme d’un temps éphémère, des mouvements obsrvables et de l’hypothèse de la conservation de l’énergie. L’article suggère également comment cette émergence de la durée peut s’appliquer aux problèmes de gravité quantique.*

Le second prix va à pour“ ”

Un problème fondamental en gravité quantique est que , probablement notre équantion la plus fiable en gravité quantique, ne se réfère ni même ne suggère quoi que ce soit à propos du temps oude l’évolution. Dans ce contexte le temps doit émerger sous forme de relations entre un système donné et un autre qui pourrait être considéré comme une horloge. Kiefer décrit (reviews) ce problème de façon magnifique et propose comment, grâce à la “décohérence quantique”, le temps décrit par l’équation de Schrödinger habituelle en mécanqiue quantique peut émerger d’un substrat dépourvu de temps, via l’imbroglio (entanglement) entre les systèmes physiques de l’espace, et la métrique spaciale qui contrôle le mouvement.*

Le troisième prix est décerné à Sean Carroll pour “ ”. (Sean maintient le j’ai découvert ce concours)

Poursuivant sur des développements récents de la théorie des cordes , Carroll a impressionné le jury par un intéressant (exciting) rapport sur comment un espace-temps gravitationnel pourrait en fait n’être qu’une approximation holographique d’une théorie sans gravitation dans laquelle le temps “existerait vraiement” . Observant les difficultés soulevées par d’étranges récurrences dans un univers éternel, il soutient une forte condition sur l’ensemble des états quantiques permis qui interdirait ces répétition. Carroll termine en tenant de réconcilier cette image avec les observations récentes qui indiquent que l’expansion de l’univers accélère, avec des résultats surprenants.

Le premier prix de la communauté, donné par les votes du public, va à Carlo Rovelli pour “ ”.

On le voit, les conceptions modernes du temps en physique sont assez éloignées de l’intuition, et de profondes divergences et interrogations subsistent. Comme le note le jury:

Notez qu’à cause de la difficulté et la subtilité du sujet, il y a eu de nombreuses divergences au sein du jury sur pratiquement tous les essais. La remise d’un prix signifie que le jury reconnait que le gagnant est un essai intéressant et productif pertinent (relevant) : quelque chose qui est bien écrit, dérangeant, stimulant, amusant, etc. Il ne doit pas être supposé que les membres du jury ont cru que l’approche soit complète, sans faute, exempte de critique etc.

datant d’environ un siècle, je crois que je vais lire ou relire quelques-uns de ces essais en essayant d’y comprendre quelque chose …

Note* : Les paragraphes en italique sont des traductions effectuées par votre serviteur, qui n’est pas un spécialiste… Les corrections et précisions éventuelles sont les bienvenues.

La Nature du Temps

Wed, 24 Dec 2008 00:00:00 +0000

Malgré les fantastiques progrès de la physique depuis la théorie de la relativité et l’avènement de la mécanique quantique, le débat fait toujours rage autour de la question “qu’est-ce que le temps?”

L’ “institut des questions fondamentales en physique et cosmologie” a organisé un (en anglais…) sur ce thème. Les auteurs étaient invités à soumettre un article d’un niveau intermédiaire entre “Pour la Science” et “Science” ou “Nature”. Ce concours vise donc surtout les spécialistes de la physique théorique, option cosmologie, mécanique quantique et/ou thermodynamique, mais certains passionnés ont aussi soumis leurs idées. A noter que , un précurseur de la question “ ” est membre de la fondation fq(x).

C’est un succès : , les forums de discussion attachés à certains article sont très animés, et le public peut jusqu’au 1er janvier 2009 pour désigner la meilleure contribution.

La plupart des essais tentent de réconcilier les deux conceptions du temps fondamentalement différentes (déja esquissées dans “ ”):

l’ “ ”, ou théorie de l’Univers-Bloc, qui découle logiquement de la théorie de la relativité.
le “ ”, résultant d’une vision quantique du monde.

l’Univers-bloc

Dans la sa version la plus simplifiée, l’Univers-bloc ressemble à un “flipbook” :

Si on considère le “flipbook” comme un “univers” à 2 dimensions spatiales (où l’on dessine) + 1 temporelle (les pages qu’on feuillette) , on peut imaginer l’Univers-bloc comme ayant 3 dimensions spatiales,plus la fameuse 4ème dimension du temps. Le “présent” ne serait alors qu’une “tranche” à 3 dimensions traversant l’Univers selon l’axe du temps à la vitesse d’une seconde par seconde.

L’Univers-bloc est une solution de l’ , dans lequel au sens mathématique du terme. Ceci permet de très bien décrire la relativité, au point que Ken Wharton considère dans “ , que

L’univers-bloc est de loin le meilleur cadre (framework) pour les théories physiques, du fait que la relativité générale est simplement incompatible avec toute alternative

En effet, dans l’Univers-bloc, chaque point de l’Univers peut avoir son propre “présent”, défini par le “ du passé”, sur lequel se trouvent tous les objets que nous voyons à cet instant. Plus ces objets sont éloignés, plus ils mettent de temps à agir sur nous, et toutes les actions ou interactions qui surviennent ici et maintenant n’influenceront le futur qu’à l’intérieur du “cône de lumière du futur”. De ce fait, nous n’avons aucune idée de ce qu’est le “présent” sur la Galaxie d’Andromède depuis 2.5 millions d’années, et nous n’avons aucune façon de le savoir avant 2.5 millions d’années.

De plus, comme non seulement la théorie d’Albert, mais aussi de nombreuses expériences montrent que le temps ne s’écoule pas partout à la même vitesse, nous sommes amenés à imaginer que le passé et le futur sont aussi des notions “locales”, et que le seul moyen de rendre le passé d’un point cohérent avec le futur des autres est de considérer que tout “préexiste”.

Dans l’Univers-bloc, le passé existe encore et le futur existe déjà. Ils sont prédéfinis. L’Univers-bloc est déterministe, figé, et notre libre-arbitre est une magnifique illusion. Notons en passant que le n’est pas exclu dans l’Univers-bloc, mais il est limité à des particules “tournant en rond” sur de boucles figées, ce qui exclut toute possibilité de “modifier le passé”.

Outre une réalité difficile à accepter par les “animaux prétentieux” que nous sommes, l’Univers-bloc est totalement contradictoire avec la mécanique quantique, qui démontre par de très nombreuses expériences aussi que le hasard est fondamental en physique.

Le

Radicalement opposés à l’Univers-bloc, les “présentistes” soutiennent que seul le présent existe. L’univers est défini par un seul “état” que l’on peut imaginer comme un très grand vecteur contenant les positions, vitesses charge électrique etc. de toutes les particules de l’Univers. Les variations de ce vecteur selon les lois statistiques de la mécanique quantique définissent la “flèche du temps” qui pointe en direction d’un Univers plus probable à chaque instant, expliquant ainsi comment les phénomènes fondamentalement réversibles de la mécanique quantique produisent des phénomènes aussi irréversibles que la dilution d’un nuage de lait dans votre thé de Noël.

Le voyage dans le temps dans l’Univers présentiste est beaucoup plus délicat, voir impossible : il n’y a nulle part où aller car le vecteur d’état n’est “mémorisé” nulle part. En fait le présentisme pose la question même de l’existence du temps : que représente la variable t de nos cours de physique dans un monde sans passé ni futur ? A quoi bon se fatiguer à compter 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux hyperfins F=3 et F=4 de l’état fondamental 6S½ de l’atome de césium 133 pour décréter qu’une seconde s’est écoulée, alors que le vecteur d’état n’en a rien à battre ?

C’est notamment le point de vue de Carlo Rovelli, professeur de physique à l’Université de Marseille dans “ ” selon qui

Dans la nature, il n’y a pas de variable préférentielle t pour un temps physique. Il n’y a pas d’états d’équilibre préferés ρo a priori. Plutôt, toutes les variables sont équivalentes; nous pouvons trouver le système dans un état arbitraire ρ ; si le système est dans un état ρ, alors une variable préférentielle est rendue célibataire (“singled out”) par l’état du système. C’est cette variable que nous appelons “temps”.

Essais de réconciliation

Peu de textes proposés défendent bec et ongles l’une ou l’autre position, et c’est une bonne nouvelle : chaque tendance reconnait des points forts dans l’autre et comprend la nécessité de proposer une vision du temps englobant les acquis des deux théories indestructibles de la physique moderne : la mécanique quantique et la relativité. Cet effort est très semblable (identique ?) à celui tentant d’unifier la gravitation aux autres forces “atomiques”. Je n’ai hélas pas eu le temps de lire en détail les dizaines d’articles que j’aurais souhaité étudier, mais voici déjà quelques mots sur ceux qui m’ont intéressé jusqu’ici :

Commençons par Sean Carroll, qui maintient l’excellent blog “ ” grâce auquel j’ai découvert ce concours et où se trouve notamment une Dans son essai, il il propose de considérer tout de même le temps explicitement dans l’univers présentiste ce qui permettrait, si j’ai bien compris car son article est tout de même très technique, de considérer la mécanique quantique comme une théorie “duale” de l’univers relativiste.
Cette idée de dualité se retrouve dans un article plus accessible, “ ” de Richard P. Dolan selon qui

Dans le modèle de l’espace-temps “ ”, il y a une dualité inhérente entre le concept “univers-bloc” du temps et notre sensation d’un temps qui s’écoule. Ces visions sont complémentaires dans le même sens que la nature corpusculaire et ondulatoire du photon. Alors que les lois de la physique voient l’univers-bloc, nous ne voyons que le temps qui s’écoule car nous somme faits du flux du temps.
Elliot McGucken aka “Dr. E” a intensivement utilisé les forums de pratiquement tous les autres articles pour promouvoir son propre essai baptisé " dont l’abstract est très attrayant :

Dans son manuscrit sur la relativité de 1912, Einstein n’a jamais dit que le temps est la 4ème dimension, mais il a plutôt écrit x4=i.c.t. 4ème dimension n’est pas le temps, mais i.c.t. Malgré ceci, des physiciens réputés égalent le temps et la 4ème dimension, conduisant à des paradoxes insolubles et des confusions sur la nature physique du temps car les physiciens projettent faussement des propriétés des 3 dimensions spatiales sur une dimension temporelle, arrivant à des concepts curieux comme le “temps gelé” ou “l’univers-bloc” dans lesquels le passé et le futur sont omni-présents, niant le libre arbitre tout en permettant des voyages temporels vers le passé, que des visiteurs venus du futurs doivent encore prouver. Commençant avec le postulat que le temps est un phénomène émergent, résultant d’une quatrième dimension en expansion par rapport aux dimensions spatiales à la vitesse c, divers phénomènes comme la relativité, la mécanique quantique et la mécanique statistique sont pris en compte.(…) La théorie présentée postule que la 4ème dimension se déplace indépendamment des 3 dimensions spatiales, ce qui distribue la localité et donne naissance au temps.

Dr. E. tente donc de découpler la relativité de la conception de l’Univers-bloc, en considérant l’Univers en expansion également dans la dimension imaginaire du temps. En gros il propose une cosmologie autorisant le présentisme, ce qui est très intéressant. Mais la démonstration de la compatibilité avec les théories physiques (relativité, quantique, thermodynamique) semble un peu courte, comme en témoigne une avalanche de commentaires.
A l’inverse, pour les défenseurs de l’Univers Bloc comme Ken Wharton dans “ , la mécanique quantique pourrait être reformulée dans l’Univers bloc.
Mark Stuckey suit une approche similaire dans ”. Il étend la notion d’espace-temps à l’espace-temps-matière et ajoute une notion de graphe relationnel à l’univers-bloc pour y intégrer la mécanique quantique.

De la théorie à la pratique

Tous ces articles sont bien théoriques… Seuls quelques auteurs ont suggéré des validations expérimentales possibles :

Dans “ ” Cristinel Stoica propose une expérience permettant de tester l’existence du libre arbitre, et donc de confirmer ou d’invalider l’Univers-bloc. Je n’ai encore pas tout compris…
“ ” de Franklin Potter prédit l’observation prochaine au LHC de quarks b’, qui prouveraient que les leptons et les quarks se déplacent sur une grille d’espace-temps discrète.
Dans “ ” by Kenneth M. Sasaki propose une expérience destinée à confirmer une version modernisée de la théorie de l’Ether, qui n’est donc toujours pas morte …

Conclusion

Cet article m’en a pris beaucoup, du temps. Initialement je voulais lire (et comprendre) tous les essais proposés, mais sans machine à remonter le temps je n’aurais rien publié avant la fin des votes. Donc n’hésitez pas à butiner aussi dans les essais que je ne mentionne pas ici et à faire part de vos découvertes dans les commentaires. Il y aura d’autres articles sur le temps bientôt sur Dr. Goulu car

soit c’est certain car nous vivons dans un Univers-Bloc et ils sont déjà écrits, il faut juste que le cône de lumière les éclaire …
soit la flèche du temps pointe dans la direction où l’entropie les force à sortir de mon cerveau à 37° pour les étaler sur un écran à 20° …

Peut-on voyager dans le temps ?

Thu, 19 Jun 2008 00:00:00 +0000

C’était la question abordée dans une récemment par , et à laquelle il a répondu NON, trop vite à mon goût. Il faut dire qu’Etienne Klein est physicien et philosophe, et que sa conférence mêlait un peu les deux aspects de la question. De plus, le titre de son livre “Le facteur temps ne sonne jamais deux fois” ne laissait que peu de doute sur son opinion sur le sujet. (Je me suis permis d’illustrer cet article avec l’image de la couverture, que je trouve excellente)

Voyage vers le futur

Klein a commencé par introduire deux conceptions philosophiques opposées du temps en physique , , , :

le “présentisme”, qui correspond à l’intuition selon laquelle seul l’instant présent “existe” alors que le passé n’existe plus et le futur pas encore.
l’ “éternalisme”, ou théorie de l’ “Univers-bloc”, qui considère que tout ce qui existe est déterminé dans un espace comportant donc que le passé et le futur existent au même titre que le présent, qui n’est que la “tranche” (cônique) d’Univers que nous percevons , , , .

J’ai rapidement compris que j’étais éternaliste, et suspecté que Klein était présentiste , dès qu’il a mis en garde ceux qui voudraient “se téléporter vers le futur, car peut-être qu’il n’existe pas encore”.

Dans son avertissement, c’est surtout le mot “téléporter” qui m’a dérangé : pourquoi le voyage dans le temps supposerait-il une discontinuité, un saut “instantané” qui est par ailleurs interdit dans les déplacements spatiaux ? D’ailleurs même la première “ ” imaginée il y a plus d’un siècle par H.G. Wells ne “saute” pas : son passager parcourt le temps en accéléré, en avant ou en arrière.

Or il existe au moins 4 moyens physiquement envisageables pour voyager de manière continue vers le futur:

attendre ! En fait, le plus difficile est de ne PAS avancer dans le temps à la vitesse d’une seconde par seconde ;-) …
L’attente “accélérée” en orbite autour d’une grande masse. Le temps propre (donc le “vieillissement”) d’un voyageur tournant autour d’un astre très massif est ralenti très légèrement, voir beaucoup à proximité d’un trou noir par exemple. C’est prouvé par les satellites GPS entre autres .
A défaut de trou noir à proximité, le produit le même effet. Il est d’une difficulté technique certaine, mais on sait déjà que ça marcherait : les horloges atomiques des GPS le prouvent aussi .
L’hibernation. Bon, on ne sait pas (encore) le faire sur des humains, mais des êtres vivants plus simples peuvent sauter un hiver, une saison sèche ou même de nombreuses années pratiquement sans vieillir.

Le problème du voyage dans le temps est donc essentiellement celui du …

Voyage vers le passé

A priori, un “voyage vers le passé” déclencherait toute une série de violations de principes physiques :

La conservation de la masse ou de l’énergie : en retournant hier, il y aurait 2 copies de moi, le voyage ajouterait 100 kg à l’Univers…
la conservation de l’information : je vais 1h dans le futur lire la fin de cet article sur le web
\[Ctrl-C\]
et je reviens le copier là
\[Ctrl-V\]
: qui l’a écrit, finalement ?
Mais surtout, la violation de la sacro-sainte Causalité, qui introduit tous les paradoxes soulevés dans la science-fiction de bas de gamme : le voyageur de temps qui tue accidentellement sa grand-mère etc.

Etienne Klein place la Causalité en principe absolu de la Physique et de la Logique philosophique. Dès lors, le voyage dans le temps est impossible car l’Univers ne permet pas son viol (celui de la Causalité … ) .

Pourtant, l’éternalisme permet de contourner cette difficulté de plusieurs manières, et je regrette que Klein ne les ait pas abordées dans sa conférence:

La “ ”. Géométriquement du moins, on peut dessiner des courbes fermées dans l’ à 4 dimensions, et conformes à la relativité d’Einstein. , le plus extraordinaire mathématicien du XXème siècle a même réussi à faire douter Einstein de la relativité en proposant son “ ”, à la fois relativiste et permettant le voyage dans le temps. Ce sujet est tellement intéressant que je vais lui consacrer un article spécifique, mais à ce stade ce qu’il suffit de savoir c’est qu’une particule qui tournerait en rond sur “boucle de genre temps” ne violerait pas la causalité, tout simplement en n’interagissant pas avec le reste de l’Univers.
L’abandon du libre arbitre. Si on admet que l’Univers est un bloc dans lequel le futur existe au même titre que le présent et ne peut pas plus être altéré que le passé, alors le problème ne se pose pas car ni le voyageur, ni aucun être humain ne peut réellement influer sur l’avenir, à plus forte raison modifier le passé. C’est certainement ce qui me dérange le plus dans l’Univers-bloc (mais l’être humain à une tendance naturelle à l’anthropocentrisme, donc à se croire doté de facultés spécifiques comme le libre-arbitre, peut-être qu’un peu de modestie lui ferait du bien). Deux de mes histoires de voyage dans le temps préférées sont liées à cette question:
1. dans le génialissime film “ ” (ne lisez pas la suite si vous ne l’avez pas vu…) un voyageur temporel est en fait la cause du problème qu’il était censé résoudre.
2. une très courte nouvelle lue il y a longtemps et dont je recherche la référence. En deux mots, l’humanité fabrique à grands frais une machine à voyager dans le temps. Un voyageur soigneusement sélectionné est envoyé 1 siècle dans le futur. A son retour (instantané) on lui demande comment c’était. Il dit “je ne sais plus!” On lui demande comment ça se fait. Il dit “je me rappelle qu’on m’a bien accueilli, tout montré et expliqué, et qu’au moment de rentrer on m’a proposé de m’effacer la mémoire…et j’ai dit oui !”

Trous de vers

Comme Klein, je pensais les voyages dans le temps absolument impossibles jusqu’à lecture de “How to build a time machine” de désormais disponible en français . Maintenant je pense qu’ils sont seulement impossibles en pratique, mais que le fait qu’ils ne soient pas absiolument formellement impossibles pour des petites particules dans des conditions très spéciales est intéressant à étudier du point de vue théorique.

C’est pourquoi j’ai été très déçu d’entendre Klein ranger la machine de Paul Davies, basée sur la création puis l’agrandissement d’un “trou de ver” permettant une boucle de genre temps, au rang de machine à générer des ventes pour Science & Vie, alors qu’il a quand même publié dans Pour la Science ( ) !

De plus, cette “machine” répond bien à une objection souvent entendue au sujet du voyage dans le temps et reprise par Etienne Klein : si c’était possible, il devrait y avoir des visiteurs du futur parmi nous, descendant de machines assez spectaculaires pour qu’on les remarque. En fait, les “machines” basées sur les boucles de genre temps dans un univers bloc ne permettent pas de remonter avant leur construction, et même pas de choisir facilement la date d’arrivée. L’idée est que le trou de ver mettrait en “contact” deux points de l’espace, puis l’une des extrémités du trou “vieillirait moins vite” que l’autre grâce à des effets relativistes, disons d’un facteur 100. Ainsi, après la création de la machine, il faudrait attendre 100 ans pour pouvoir revenir de 99 ans vers le passé, un an après la création du trou de ver. Pour voyager vers le futur, la date d’arrivée dépendrait exactement de la date de départ : en partant 2 ans après la construction, on arriverait 200 ans dans le futur, 3 ans - 300 ans etc.

Donc en résumé, j’aurais bien aimé une réponse de scientifique du genre “Non, sauf éventuellement peut-être si …” pour préserver le rêve, alors que le “Non” définitif du philosophe l’a brisé.

Références :

" " sur le Journal du Net : dossier très complet
" " sur e-znogood
" " sur la Wikipedia
, Le facteur temps ne sonne jamais deux fois, 1997, Flammarion, ISBN : 9782081205802
” sur nuance blog
Michael Esfeld “ (ch. 13)”, Université de Lausanne
Pierre Spagnou, De la relativité au GPS. Quand Einstein s’invite dans votre voiture, 2020, Ellipse, ISBN:9782729872816
Claude Semay, “ ”, conférence du 18 décembre 2002 à l’université de Mons-Hainaut (Belgique).
“ ” (2002) Penguin Books Ltd ISBN:9780141005348
" ", Films tirés des conférences Cyclope du 12 et 19 juin 2006, INSTN de Saclay, dont “Le Temps existe-t-il ?” par Etienne Klein

Le temps dans les constantes universelles

Thu, 12 Jun 2008 00:00:00 +0000

En répondant à un sur , je me suis aperçu que le mètre et la seconde apparaissaient ensemble dans toutes les unités des :

Nom	Symbole	Unité
dans le vide	c	m/s
	μ0	kg·m / A2·s2
	ε0	A2·s4 /kg·m3
	Z0	kg·m2 / A2·s3
	ℎ	kg·m2/s

Albert et Max (Einstein et Planck)

Or, comme expliqué dans “ ”, la relativité d’Albert lie le temps et l’espace par la vitesse de la lumière : actuellement, est d’ailleurs basée sur , mais dans cet “espace-temps” ( ) , le temps est une dimension “imaginaire” au sens mathématique du terme :

\[s\]

= i. 300'000'000

\[m\]

, où i est l’ telle que i2=-1

En introduisant la seconde comme équivalente, à un facteur près, à des mètres imaginaires dans les unités des constantes universelles on obtient :

Nom	Symbole	Unité
dans le vide	c	-i
	μ0	-kg / A2·m
	ε0	A2·m /kg
	Z0	i. kg / A2·m
	ℎ	-i.kg·m

N’est-ce pas merveilleux ? non seulement la vitesse de la lumière devient une constante purement géométrique, mais les “constantes du vide” retrouvent leur parenté oubliée…

Le plus amusant dans ce petit jeu, c’est de voir ce que devient l’unité d’énergie, le avec cette manipulation :

1 J = 1 kg·m2/s2 ≈ -1 kg

L’énergie, c’est une masse négative ! Ah, me direz vous, mais Albert a dit que E=m.c2, donc que (beaucoup) d’énergie était équivalent à (un peu) de masse ! Oui, mais c est proportionnel au nombre imaginaire i, donc c2 ≈ i2 = -1, donc c’est bien ça : l’énergie correspond à de la masse négative.

Pour demain, démontrez que : E+m = 0, donc qu’avec un peu d’imagination, la somme de tout ce qui existe pourrait être rigoureusement nulle ;-)

Références:

“ ” sur Wikipedia
“ ” sur Wikipedia

la Grande Question du Temps

Fri, 06 Jun 2008 00:00:00 +0000

"Big Bang" par ToniVC sur flickr

Dès que l’on parle du , la première question qui se pose est “qu’y avait-il avant ?”. C’est la Grande Question du Temps. La réponse de la physique actuelle est “la question n’a pas de sens”. Dans cet article, je vais tenter de montrer que ce n’est de loin pas une façon de contourner la difficulté de la question.

Introduction

Commençons par un sujet qui peut paraître éloigné. Notre intuition en regardant un thermomètre est qu’il peut toujours faire plus froid : 20°C, 0°, -20°, -100°, -300°C … Et bien non. Il ne peut pas faire -300°C, parce que , et qu’à une certaine température appelée “zéro absolu” (-273.15°C), les molécules ou atomes ne bougent absolument plus du tout. Une fois qu’on a compris que la température mesure en fait une sorte de vitesse, il devient évident qu’il ne peut pas faire plus froid que le zéro absolu. En serait-il de même avec le temps ? Si le temps que l’on mesure en secondes était en fait relié à une autre notion qui aurait un “zéro absolu” au moment du Big Bang, la question de savoir ce qu’il y avait “avant” n’aurait effectivement pas de sens.

La 4ème dimension

Selon Einstein, liée aux dimensions spatiales par la vitesse de la lumière. Si on admet qu’à l’instant du Big Bang, l’Univers était un point de dimensions spatiales nulles, le temps était aussi au “Temps zéro” absolu. Autrement dit, si on mesure le temps non pas en secondes, mais en se basant sur le qui augmente depuis le BigBang, il devient clair qu’à un moment l’univers avait un rayon de 1 mètre (à 10-32 secondes), mais que se demander quand il avait un rayon de -1m n’a pas de sens.

fig. 1 : relation entre la taille de l’Univers observable et son âge

La mesure du temps

Nous allons nous intéresser à la mesure du temps, en commençant par son unité : la seconde. A quoi correspond-elle physiquement ? Jusqu’en 1956, c’était un 60ème de 60ème de 24ème de jour terrestre. Puis on s’est aperçus que la Terre ralentissait, alors c’est devenu 1/31 556 925,9747 d’année. Mais alors que valait une seconde avant que le Système Solaire n’existe, il y a 4 milliards d’années ?

Heureusement, en 1967 on a défini la seconde comme

\[1\]

la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux hyperfins F=3 et F=4 de l’état fondamental 6S½ de l’atome de césium 133 à 0°K .

C’est mieux, ça sonne bien physique. Mais , et d’ailleurs les premiers atomes sont apparus 300'000 “ans” après le Big Bang, et le césium plutôt après 1'000'000'000 d’années, avec les premières étoiles. Avec quelle horloge pouvait-on mesurer le temps avant ? Ou autrement dit, comment savoir si les secondes du début de l’Univers avaient la même durée que les secondes actuelles ?

fig 2 : Histoire "microscopique" de l’Univers (cliquer pour la "macroscopique")

Le Grand Métronome Absolu

Dans la purée de particules et de rayonnements qui composaient l’Univers pendant la première “minute” après le Big Bang, il n’existait aucun moyen de mesurer le temps. Aucun système oscillant de façon stable en conservant de l’énergie, sauf peut-être des photons dont la fréquence variait rapidement avec la dilatation de l’Univers, à condition qu’ils aient la chance de parcourir plus d’une longueur d’onde avant de heurter une autre particule. Pendant une minute, l’Univers a entièrement été gouverné par le Hasard Quantique. Même Dieu n’aurait pas pu chronométrer une seconde de cette minute là.

Et encore avant cela, avant l’inflation et pire encore avant le à 10-44 secondes, on a strictement aucune idée de ce que contenait l’Univers à part de “l’énergie pure”.

On a donc un gros problème : le Big Bang est décrit en utilisant la notion actuelle de “seconde”, mais on n’a peut être pas le droit de le faire car il n’existe pas de “Grand Métronome Absolu”.

Temps et Énergie

Cependant, il existe un point commun entre toutes les mesures passées et actuelles du temps, c’est l’énergie : toutes les horloges sont basées sur une oscillation périodique d’un système contenant de l’énergie. Que ce soit la rotation de la Terre, le mouvement d’un balancier muni d’un ou la fréquence d’un rayonnement électromagnétique, notre mesure du temps est étroitement liée à la notion d’énergie.

La théorie du Big Bang lie étroitement le temps et l’énergie au “début” de l’Univers, comme on le voit sur la fig.2. Les particules sont apparues à 10-10 s, quand leur énergie correspondait à 10² Giga (GeV). Puis elles se sont agglomérées en atomes à 1013 secondes, quand leur énergie a baissé à 10-11 GeV, et actuellement il est exactement 2,3.10-13 GeV après le Big Bang.

Chaud le Big Bang, chaud !

Comme on l’a vu dans l’introduction, la température est une mesure de l’énergie des particules, et ceci permet de graduer l’âge de l’Univers avec un thermomètre. Actuellement, il est 2,7 °K d’après le rayonnement du fond du ciel, mais il était 15°K quand les étoiles et galaxies se sont formées et 1015°K au moment de la formation des particules. Notez le retournement de situation avec cette façon de mesurer le temps : le Big Bang n’a pas lieu au “temps zéro”, mais à “énergie infinie”. Et contrairement au froid qui admet un “zéro absolu”, il n’y a en principe pas de limite supérieure à la température. En mesurant le temps par l’énergie ou la température, poser la question “Qu’y avait-il avant ?” n’a plus de sens car le Big Bang est repoussé à l’infini de notre nouvelle échelle du temps : on peut toujours imaginer un Univers encore plus petit, encore plus dense et encore plus chaud.

Conclusion

L’idée selon laquelle le Big Bang a eu lieu à un “instant” précis est le résultat de notre mesure du temps par des “secondes”. Mais comme l’Univers n’a pas de “Grand Métronome Absolu”, on doit se résoudre à utiliser l’énergie ou la température pour graduer le temps de façon cohérente. Tout ce que l’on peut dire alors, c’est que l’Univers est en refroidissement perpétuel, sans que ça suppose l’existence d’un “début”. Mesuré avec un thermomètre, le temps est continu de plus l’infini jusqu’au zéro absolu, qui aura lieu dans une infinité de secondes. Le Big Bang n’est pas un événement remarquable, avec un “avant” et un “après”. Avec les bonnes unités, c’est une asymptote à l’infini dans le passé.

Sources:

Etienne Klein, “ ”, dans Michel Cazenave (1998). Dictionnaire de l'ignorance: aux frontières de la science. A. Michel.
“ ”

Le temps, une 4ème dimension imaginaire

Wed, 07 Feb 2007 00:00:00 +0000

photo d’arrigoceramista sur flickr

Dans “ ”, je montre comment un cube peut aider à se représenter une 4ème dimension spatiale facilement.

Ce deuxième article explique pourquoi le temps, la 4ème dimension de l’ dans lequel nous vivons, n’est pas une dimension spatiale comme les 3 autres, mais une dimension , au sens mathématique du terme : un temps élevé au carré est équivalent à une surface négative !

Imaginez qu’un cube de côté égal à 1 mètre surgisse du néant devant vous et disparaisse tout aussi soudainement 1 seconde plus tard. Le cube a donc été “étiré” dans la dimension du temps sur une distance de 1 seconde, et si vous êtes un “dieu” pour qui le temps est une dimension comme les autres, vous verriez cet événement comme un hypercube flottant dans un espace à 4 dimensions tel que décrit dans .

Mais le temps est-il une dimension “comme les autres” ? Le fait qu’on mesure le temps en secondes et les distances en mètres nous met sur la piste d’une différence fondamentale, qui tient à la manière dont on mesure les distances dans un espace.

Comment faire si une dimension ne se mesure pas dans les mêmes unités que les autres ? L’idéal serait de trouver un moyen de convertir les secondes en mètres. Et c’est ce qu’a fait Albert Einstein entre autres, en montrant que la vitesse de la lumière appelée “c” est une constante absolue, parce que justement elle mesure le rapport entre l’espace et le temps en chaque point de l’Univers : 1 seconde vaut 300'000 km.

Autrement dit, le"dieu à 4 dimensions" verrait le cube de tout à l’heure immensément allongé dans la direction du temps. Pour qu’il lui apparaisse comme parfaitement hypercubique, il n’aurait du apparaître que pendant 1/300'000'000 de seconde.

Mais ça ne suffit pas pour prouver que le temps soit une dimension “comme les autres”. Les 2 dimensions d’une feuille de papier, tout comme les 3 dimensions de l’espace sont parce qu’on peut mesurer les distances entre des points par le théorème de Pythagore. Vous savez, celui qui dit que la carré de l’hypoténuse est égal à la somme des carrés des côtés.

la diagonale de notre carré à 2 dimensions de côté 1 vaut \(\sqrt{1²⁺¹2} = \sqrt{2}\)
la diagonale de notre cube à 3 dimensions de côté 1 vaut \(\sqrt{1²⁺¹2+1^2} = \sqrt{3}\)
mais la diagonale de l’hypercube unité dans l’espace temps vaut-elle vraiment \(\sqrt{1²⁺¹2+1²⁺¹2}\), soit 2 ?

Cela revient à la question “comment mesurer la distance entre deux points distincts dans l’espace et le temps ?”

Pour y répondre, nous allons nous intéresser aux cercles et aux sphères plutôt qu’aux cubes, parce que tous les points sur un cercle ont la particularité d’être à la même distance du centre, comme d’ailleurs tous ceux à la surface d’une sphère. C’est même la définition mathématique de ces objets.

Commençons par remarquer que cette distance est toujours positive : le carré de l’hypoténuse ne peut jamais être un nombre négatif.

Maintenant, imaginons une ampoule située sur la Lune à une distance d=300'000 km d’ici et qui s’allume là bas exactement … top ! maintenant. Elle nous paraîtra s’allumer exactement en même temps qu’une ampoule allumée ici t=1 seconde plus tard, autrement dit la “distance à 4 dimensions” d entre les 2 allumages d’ampoules et le “top” est la même.

Disons que le “top” est aux coodonnées (0,0,0,0), l’ampoule qui s’allume sur la Lune est aux coordonnées (x,y,z,0), et l’ampoule dans le labo aux coordonnées (0,0,0, c.t), c étant la vitesse de la lumière et t le temps après lequel on voit l’ampoule s’allumer, 1 seconde dans l’exemple.

On a donc:

\[mathjax\]

\(d= c.t =\sqrt{ x^2+y2+z^{2}\), soit: \(d}2= c^2.t2 = x^2+y2+z^{2\), ce qui donne la relation : \(\boldsymbol{x}2+y^2+z2-c^2.t2 = 0}\)

Plus généralement, la distance d entre deux événements situés en (x,y,z,t) et en (x’,y’,z’,t’) dans l’espace-temps s’écrit

d2=(x-x’)2+(y-y’)2+(z-z’)2 - c2.(t-t’)2

Ce n’est pas une distance euclidienne à cause du signe “moins”, donc le temps n’est pas une dimension “comme les autres”, même après l’avoir transformé en distance grâce à la vitesse de la lumière. L’espace-temps n’est donc pas un , mais un .

A moins que l’on puisse remplacer c par quelque chose qui deviendrait négatif en l’élevant au carré, mais le carré de tous les nombres réels est positif … On ne peut faire intervenir que le nombre imaginaire i, tel que i2=-1 par convention.

Avec cette astuce, la distance devient “euclidienne” parce qu’on peut l’écrire : **d=dx2+dy2+dz2 + c2(**i.dt)2

Mais ceci montre que le temps est une dimension très spéciale car, tout en étant “perpendiculaire” à l’espace, on doit accepter qu’une distance mesurée entre deux événements dans le temps, au carré, correspond à une surface négative : le temps est donc une dimension “imaginaire” de l’espace-temps.

Références:

Comment construire une machine à explorer le temps ?

Fri, 16 Jun 2006 00:00:00 +0000

Dans ce livre propose le schéma de principe d’un système permettant en créant un :

un collisionneur crée un . Les accélérateurs d’ions lourds comme le du peuvent produire ces plasmas, à une température de 1013 .
un « imploseur » comprimerait ensuite ce plasma par un facteur 1019 pour atteindre la , ce qui formerait éventuellement un minuscule trou de ver. L’énergie nécessaire n’est pas élevée grâce au très faible volume, mais la technologie n’est pas disponible actuellement. Davis propose d’utiliser un dispositif amélioré, en le ceinturant d’une sphère de bombes thermonucléaires.
un « inflateur » est ensuite chargé d’agrandir le trou de ver par de l’ “ ”, correspondant au niveau d’énergie que l’on trouve entre les plaques de l’ . Paul Davies propose diverses idées liées à l’ ou à l’ , mais l’inflateur est certainement le composant le plus hypothétique de la machine…
le trou de ver étant créé, le « différentiateur » est chargé de créer une différence temporelle entre ses deux extrémités. On peut soit accélérer une extrémité A, chargée, à vitesse relativiste dans un accélérateur de particules, soit la placer dans le champ gravitationnel d’une , pendant que l’extrémité B vieillit en même temps que les expérimentateurs, mettons pendant 10 ans.

En entrant dans l’extrémité B, et en ressortant en A, le voyageur remontera dans le temps de 10 ans, soit au moment de la création de la machine.

Une telle machine permet d’expliquer le “paradoxe de Hawking” selon lequel, si le voyage temporel était possible, nous aurions la visite de voyageurs temporels. En effet, la machine de Davies ne permet pas de remonter avant le moment de sa construction.

Références :

Paul Davies (2002). How to Build a Time Machine. Penguin Books Ltd.
Paul Davies (2007). Comment construire une machine à explorer le temps ?. EDP Sciences.

Mis à jour le 29/2/2012 : j’avais initialement ajouté ce texte à l’article sur le dans la Wikipedia , il a ensuite été déplacé à l’article “ ”. Je viens de le reprendre avec les liens et en y ajoutant la référence claire aux livres