« Pourquoi nous souvenons-nous du passé et non pas du futur ? » se demandait Stephen Hawking. Le temps est en effet orienté dans un sens particulier, mais la raison pour laquelle le temps s’écoule dans cette direction semble bien mystérieuse.

Nous sommes libres de nous mouvoir à droite ou à gauche ou dans toutes les directions de l’espace. Alors pourquoi sommes-nous toujours inexorablement entraînés vers le futur, sans moyen de remonter vers le passé ? Pourquoi le temps possède-t-il un statut à part au sein des quatre dimensions de notre univers ? On donne un nom à cette orientation de la dimension temporelle : la flèche du temps. Comprendre d’où provient l’émergence de cette flèche du temps est aujourd’hui l’un des problèmes ouverts de la physique.

L’entropie : le nombre fait la flèche

L’existence d’une flèche du temps signifie plus généralement que certains événements physiques ne sont pas réversibles. Ils peuvent se produire dans un sens, mais pas dans l’autre. Une bassine contenant un litre d’eau chaude et un litre d’eau froide finit par contenir deux litres d’eau tiède, mais il est impossible de partir d’eau tiède pour obtenir à gauche de l’eau froide et à droite de l’eau chaude. Une grandeur physique existe pour décrire l’irréversibilité des phénomènes : l’entropie.

Dans un système composé d’un grand nombre de molécules, comme notre bassine, ces dernières peuvent s’organiser de nombreuses façons, sans que nous puissions percevoir la différence entre ces différentes situations. L’entropie mesure le nombre de combinaisons différentes que peuvent prendre les molécules sans que le phénomène ne change à notre échelle. Dans notre bassine, l’eau chaude est composée de molécules plus agitées que celles de l’eau froide. Il y a très peu de chances que toutes les molécules rapides restent ensemble, et au contraire il est très probable qu’elles percutent et se glissent au sein des molécules lentes. Il existe bien plus de combinaisons où les molécules sont mélangées plutôt que bien rangées chacune de leur côté. L’entropie est donc plus importante une fois que la température est homogène, quand le temps avance. L’entropie est une grandeur qui ne peut qu’augmenter au cours du temps, et c’est ce qu’établit la seconde loi de la thermodynamique. La flèche du temps apparaîtrait donc pour des raisons statistiques. Notre monde aurait tendance à évoluer vers l’état dont la probabilité est la plus forte.

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Un temps sans flèche à petite échelle ?

Si la flèche du temps n’est que la conséquence du grand nombre de particules que nous observons au niveau macroscopique, cela signifierait qu’elle n’existe pas à l’échelle microscopique ? Cela semble être le cas. Les lois physiques qui décrivent les particules sont réversibles. La flèche du temps ne serait qu’une illusion à notre échelle. Mais certaines particules semblent contredire cette idée. L’expérience CPLEAR, menée de 1982 à 1996, est parvenue à démontrer qu’une classe de particules, le kaon neutre, produit des phénomènes non réversibles. Un kaon peut devenir un anti-kaon, et réciproquement, mais la vitesse de ces deux transformations n’est pas la même. La flèche du temps se retrouverait donc même à l’échelle des particules. Pourquoi ? La question reste ouverte …

Edwyn Guérineau

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Sources :

Gabathuler E. et Pavlopoulos P. (2004) The CPLEAR experiment. Physics Reports. 403–404, pp. 303-321. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2004.08.020

Hawking, S. (1989). La Flèche du temps. Dans Une Brève Histoire du temps (pp. 176-188). Flammarion

Klein, E. (2000) Le Temps et sa flèche [Conférence]. Université de tous les savoirs, Conservatoire national des arts et métiers à Paris. http://etienneklein.fr/1527/