Voyager dans le temps
L’expérience qui donne le signal du départ
Fameux thème de science-fiction, le voyage dans le passé ne transgresse pas les lois de la physique… mais celle de la logique. Pourtant, une expérience récente fournit, pour la première fois, un socle à la plus fascinante des hypothèses.
Peut-on voyager dans le passé ? La question n’en finit pas de troubler les esprits – même les plus rationnels. Le désir de retourner dans le passé est certes un vieux rêve de l’humanité. Pour ne parler que des cents dernières années, livres, films et bandes dessinées ont multiplié à l’envi l’expression de ce « fantasme ». De la Machine à explorer le temps, de Herbert George Wells, publiée en 1895, au film Retour vers le futur, en passant par le Piège diabolique de Blake et Mortimer, les héros de la célèbre BD – sans compter les séries télévisées -, le retour dans le passé semblait la chasse gardée des spéculations romanesques.
Mais la réalité dépasse parfois en imagination la pure fiction. Surtout depuis qu’un dénommé Einstein a offert à la science des équations quelque peu exotiques, grâce auxquelles les lois de la physique, sans le garantir, ne s’opposaient pas à un tel voyage. Aujourd’hui, un nouveau pas est franchi, avec une expérience qui pourrait être le « chaînon manquant » conduisant concrètement à la machine à remonter le temps ! Le no man’s land scientifique où s’épanouissait ce cliché de la science-fiction vient d’être pris d’assaut par la physique, non sans mettre notre bon sens à rude épreuve…
Tout a commencé en 1905, le jour où Einstein a échafaudé une théorie, la relativité restreinte, selon laquelle plus un corps se déplace vite, plus le temps s’écoule pour lui lentement. Ce phénomène est non pas subjectif, mais bel et bien réel. La limite étant la vitesse de la lumière (300.000 km/s), vitesse à laquelle le temps se fige ! Ainsi, si un vaisseau quitte la Terre et atteint une vitesse proche de la vitesse de la lumière, les voyageurs évolueront sur un rythme temporel plus lent que les hommes restés sur notre planète. S’ils communiquent par radio, les hommes restés sur place entendront les voix des voyageurs au ralenti, comme lorsqu’on passait un 45 tours à la vitesse d’un 33 tours. Les occupants du vaisseau observeront le phénomène opposé. La dilatation du temps, ainsi qu’on la nomme, est l’une des caractéristiques de l’Univers.
Cette loi fut la première atteinte à la croyance en l’existence d’un temps absolu, s’écoulant toujours au même rythme aux quatre points cardinaux de notre monde. Einstein récidiva en 1916, en énonçant la théorie de la relativité générale, selon laquelle il devenait possible de construire de véritables tunnels vers le passé.
En effet, selon cette théorie phare de la science du XXe siècle, plus un corps (une étoile) est dense, plus il courbe l’espace, comme une boule de billard posée sur un drap tendu. Cette courbure « précipite » les objets avoisinants sur le corps massif (les attire, en langage classique) : c’est ainsi que s’exerce la force dite de gravitation. Par exemple, la Terre, qui est plus dense que la Lune, produit une courbure plus accentuée de l’espace qui la contient, donc un champ gravitationnel plus fort, que son satellite naturel.
La densité[1] peut croître, du moins en théorie, au point de provoquer l’écroulement du corps sur lui-même, sous l’effet de sa propre gravité : la boule de billard superdense finit par crever le drap. On est alors en présence d’un trou noir cet objet mythique qui, prévu par la théorie de la relativité générale comme stade ultime d’une étoile massive s’effondrant sui elle-même, n’a pas encore été observé et identifié formellement. (On a cependant détecté des phénomènes cosmiques qui laissent croire que les trous noirs existent, in texte 1996). Autre particularité, un trou noir a une telle densité, une telle force d’attraction que même la lumière ne peut lui échapper quand elle tombe dans son puits. Tout ce qui s’en approche sera d’abord broyé puis définitivement gobé.
Toujours d’après la relativité générale, un trou noir peut parfois donner naissance à un « trou de ver », véritable tunnel de l’espace-temps débouchant sur une « fontaine de lumière », ou « fontaine blanche », sorte de frère jumeau ennemi du trou noir. L’entrée du trou de ver, le trou noir, absorbe la matière ; la sortie du trou de ver, la fontaine blanche, la recrache ! Avec les particularités, pour le moins étranges, d’une telle configuration, la science surpasse, et de loin, l’imagination. En effet, s’ils existent, les trous de ver sont des raccourcis de l’espace. Dans les trois dimensions où nous avons l’habitude de nous mouvoir, les raccourcis sont courants : si un train emprunte à 100 km/h un tunnel creusé dans la montagne et si une voiture suit le relief de cette montagne à la même vitesse, c’est le train qui arrivera le plus vite à destination. De même, une particule qui entre dans un trou de ver ressort par la fontaine de lumière, qui peut se trouver à des milliards de kilomètres de là, sans avoir dû parcourir physiquement cette distance. Les trous de ver sont des tunnels creusés non plus dans le flanc d’une montagne, mais dans l’espace à trois dimensions.
Mais il y a plus étrange encore ! D’après la relativité générale, l’espace et le temps sont intimement liés : ils forment une seule entité appelée espace-temps. La modification des paramètres liés à l’espace (lieu, vitesse, densité…) peut entraîner une altération du temps. En manipulant les équations de la relativité générale, des scientifiques[2] ont montré que les trous de ver pouvaient engendrer des « boucles temporelles », sortes de passages du présent vers le passé. Ils devenaient ainsi de véritables machines à remonter le temps. Si l’entrée du trou de ver (le trou noir) est immobile par rapport à nous et si la sortie (la fontaine blanche) se déplace dans l’espace à une vitesse proche de celle de la lumière, le phénomène de dilatation du temps aura une conséquence étonnante : le temps s’écoulera à des rythmes différents à l’entrée du tunnel temporel et à sa sortie. Supposons que la sortie du trou de ver se meut à 99,99 % de la vitesse de la lumière, lorsque 48 heures auront passé à l’entrée, il ne se sera écoulé que 28 minutes à la sortie ! De ce fait, la maîtrise de la construction des trous de ver permettrait de choisir le moment de sortie dans le passé. Dans l’exemple qui précède, si le voyageur temporel pénètre dans le trou de ver 48 heures après l’avoir créé, il en ressortira seulement 28 minutes après l’instant de la création : il aura donc fait un retour dans le passé de 47 h 32 min.
Le voyage dans le temps serait-il un jeu d’enfant ? Certains problèmes fondamentaux se posent. On ignore notamment s’il y a réellement des trous de ver dans l’Univers… Que la théorie les prévoie ne change rien à l’affaire, car celle-ci laisse une large place à la spéculation. Cependant, certains indices tendraient à prouver qu’ils existent dans l’Univers… mais seulement à l’échelle quantique, dans l’infiniment petit. Ils ne mesureraient que 10-43 cm et disparaîtraient au bout de 10-35 seconde[3] pour cause d’instabilité structurelle ! On aurait du mal à faire passer un homme et son vaisseau par cette tête d’épingle spatio-temporelle. Pour voyager dans le temps, il faudrait « construire » un trou de ver à notre échelle. Comment s’y prendre ?
L’instabilité des trous de ver est due à leur fâcheuse tendance à s’effondrer sur eux-mêmes. En effet, une simple particule qui s’approche de l’entrée du trou noir sera accélérée et atteindra la vitesse de la lumière au moment de s’y précipiter. En physique relativiste, on constate que la masse de la particule augmente à mesure que sa vitesse se rapproche de celle de la lumière. A cette limite, la masse sera infinie !
L’entrée dans le trou de ver de la particule à masse infinie se fera sans problème, car elle ajoutera sa masse gravitationnelle à celle (déjà énorme) du trou noir : le trou noir grandira. Mais, une fois qu’il aura été franchi, les structures du tunnel s’effondreront sous l’effet gravitationnel de la particule. Celle-ci creusera sa propre tombe : du trou de ver ne subsistera que le trou noir, dans lequel la particule restera prisonnière.
La seule manière de consolider le trou de ver serait de le « tapisser » avec un « matériau » capable de s’opposer à l’immense champ gravitationnel développé par la particule. Bref, pour maintenir les structures du tunnel, il faut… un champ gravitationnel, c’est-à-dire à énergie négative. Or, à notre échelle, nous ne connaissons pas un tel champ et nous ne savons pas non plus s’il pourrait exister. Nous revoilà en pleine science-fiction !
Pourtant, ces échafaudages intellectuels viennent de quitter le domaine de la spéculation pour entrer dans celui de la recherche. On a récemment mis en évidence expérimentalement un drôle de phénomène connu sous le nom « d’effet casimir » (voir la revue américaine Science du 7 juin 1996). En quelques mots, si l’on impose une forte tension électrique entre deux plaques conductrices séparées par du vide, on donne naissance à des électrons. Ce qui revient à extraire de l’énergie du vide. D’après les lois de la mécanique quantique, cette énergie ne peut être que négative ! En d’autres termes, un champ électromagnétique très fort peut engendrer une énergie électromagnétique négative. Si l’on extrapole ce résultat à la gravitation, on peut penser qu’un champ gravitationnel extrêmement fort (comme ceux qui se forment à la surface des trous noirs) donnera naissance à une énergie gravitationnelle négative. C’est exactement ce dont on a besoin pour consolider les trous de ver !
Les « plans » de la machine à remonter le temps sont, donc déjà conçus. En supposant qu’on puisse un jour fabriquer des trous de ver macroscopiques, il reste à vérifier que ce bel édifice ne croulera pas sous le poids d’une… « bourde » logique. Car toute réalisation matérielle doit respecter certains principes fondamentaux sous-jacents aux lois physiques, tels que la cohérence logique et le principe de causalité[4]. Sinon, la machine à remonter le temps, une fois construite, risque de ne pas fonctionner… Hors de la logique point de salut, même pour la physique la plus théorique.
Car, si la machine à remonter le temps met en lumière au moins deux paradoxes fondamentaux, elle se heurte à une redoutable interrogation : si le voyage dans le passé est possible, comment expliquer que nous ne soyons pas envahis par de lointains descendants venus du futur qui auraient maîtrisé cette technique ? La réponse est plus simple qu’il n’y paraît. Il faut imaginer qu’une boucle temporelle est une sorte de tunnel. Il est évident que si l’on perce l’entrée du tunnel mais non sa sortie, il ne servira à rien. Le trou de ver temporel suit le même principe : il faut d’abord le construire pour pouvoir l’utiliser !
Ainsi, si un inventeur de génie crée un trou de ver le 1er novembre 1996, « l’entrée » et la « sortie » commenceront leur existence à ce moment-là. L’entrée du trou de ver (le trou noir) évoluera normalement ; sa sortie (la fontaine de lumière) peut rester figée dans le temps si on lui communique la vitesse de la lumière. Ainsi, un an plus tard, si l’inventeur décide d’utiliser son tunnel temporel, il entrera par le trou noir, qui l’a suivi dans le temps, et sortira par la fontaine de lumière, qui se trouve « quelque part » entre le 1er novembre 1996 et le 1er novembre 1997.
L’inventeur ne pourra pas revenir au-delà de la première date, celle de la création : le temps, à la sortie, a simplement été gelé. Bref, nos descendants ne viendront pas nous saluer tant que nous n’aurons pas construit nous-mêmes notre première boucle temporelle (le trou de ver) ! Et voici le premier paradoxe : il serait fort possible que, le 1er novembre 1996, notre génial inventeur voit arriver par la sortie de son trou de ver, son petit-fils – qui n’est pas encore né. Supposons que ce dernier, redoutable psychopathe, tue son grand-père, l’inventeur, qui n’a pas encore de fils. Mort, l’inventeur ne peut plus engendrer de progéniture, donc son petit-fils ne naîtra jamais. Dès lors, comment ce dernier pourrait-il tuer son aïeul ? Ce « paradoxe du grand-père » interdit en toute logique qu’un quelconque retour dans le passé soit possible, car il nie ce qu’il affirme : il nie l’existence du petit-fils et il affirme que c’est celui-ci qui tue son grand père…
Hélas, ce cruel paradoxe n’est pas unique ! Si, au lieu de tuer son grand-père, le voyageur du temps fournit à un jeune homme le livre qui le rendra célèbre dans le futur, on débouche sur un nouveau paradoxe. En effet, le jeune homme, qui n’a encore rien écrit, n’aura qu’à recopier son futur livre pour gagner la célébrité. Bref, cette œuvre n’aura jamais été véritablement créée, elle aura simplement été recopiée ! Ce paradoxe est aussi décisif que le précédent : il semble lui aussi condamner tout retour dans le passé.
Devons-nous écarter à jamais ce rêve (ou ce cauchemar) ? Accepter la possibilité d’un tel voyage revient à nier les principes de causalité et de cohérence logique, sur lesquels reposent les théories physiques. Or, comme ces dernières sont en adéquation avec les observations, leurs bases semblent solides. En quelques mots : ou bien la physique élucide les paradoxes, ou bien il faut renoncer aux voyages dans le passé !
C’est là qu’intervient la physique quantique, autre révolution scientifique majeure de notre siècle, à côté de la relativité générale. En effet, le monde de la physique quantique est encore plus surprenant que celui de la relativité : il répond à une drôle de logique… Le meilleur exemple en est le fameux paradoxe du « chat de Schrödinger ». Sans entrer dans les détails, pour la physique quantique, une particule peut se trouver simultanément en plusieurs endroits. Mais, lorsqu’on l’observe, la (multi) particule se « ré-assemble » en une seule, en un lieu déterminé par une certaine probabilité de présence.
De nombreuses explications de ce comportement ont été esquissées depuis des décennies. Ces tentatives vont de l’extrême le plus « rationnel » (« la théorie quantique n’est qu’un formalisme mathématique qui ne décrit pas physiquement le comportement réel des particules »), à l’extrême le plus « spéculatif » (« il existe autant d’univers parallèle qu’il y a de possibilités de présence d’une même particule en des lieux distincts »).
Que signifie la possibilité de l’existence d’une multitude d’univers parallèles ? Lorsque la particule est « démultipliée » en plusieurs lieux, il se crée en réalité une superposition d’univers. Dans chacun des univers, la particule occupera un lieu et un seul. Ici, il est question non plus de superposition d’états d’une particule mais de superposition d’univers. Dès qu’on effectue la mesure, on disjoint les univers. Chacun d’eux suivra sa propre évolution, indépendamment des autres, et sera mesuré par des chercheurs « parallèles » dans chaque univers. Si « farfelue » qui puisse paraître une telle interprétation, elle est prise au sérieux par de nombreux physiciens. Car elle est bien la seule à pouvoir résoudre le paradoxe du grand-père et celui de l’écrivain. Ainsi, lorsqu’on crée une boucle temporelle, on construit en même temps un pont entre deux univers parallèles.
La résolution des paradoxes devient dès lors facile. Le petit-fils de l’inventeur vivait dans son univers. Quand il emprunte le trou de ver, il revient en arrière dans le temps, mais il change aussi d’univers. Il se retrouve alors face à un grand-père qui vit dans un univers qui n’est pas l’univers d’origine de notre voyageur. S’il tue son aïeul, il ne naîtra jamais dans l’univers où il a échoué. Mais il naîtra parfaitement dans l’univers d’où il est parti, car, là, le grand-père n’aura pas été tué (il n’aura même pas rencontré son petit-fils psychopathe venant du futur !). Ainsi, en retournant dans le passé, le voyageur va modifier l’histoire d’un univers auquel il n’appartient pas. Ses actions n’auront aucune conséquence sur son univers d’origine ni donc sur lui-même.
Le paradoxe de l’écrivain se résout de la même façon. Un écrivain recevra le livre que son « double » écrira dans le futur de l’autre univers. Le premier copiera le livre, mais celui-ci sera néanmoins créé dans l’autre univers… L’acte de création aura lieu au moins dans un univers. Les paradoxes s’estompent donc au prix – élevé ! – d’une multiplicité d’univers. Il n’en demeure pas moins que les physiciens semblent se servir de l’extrêmement improbable pour expliquer le fortement incertain !
Mais la difficulté théorique se complique d’autres écueils, plus « techniques » : comment passer à travers un trou noir sans être broyé et réduit à l’état de particule élémentaire ? La pression gravitationnelle qui s’exerce sur un objet à proximité d’un trou noir est si forte qu’à priori aucun vaisseau, si robuste qu’il soit ne pourrait garder son intégrité physique. Toujours est-il que si, un jour, dans vingt, cinquante ou cent ans, l’homme parvient à voyager dans le temps, les historiens diront que le premier pas de ce périple a été franchi au milieu des années 90.
Prévu par le physicien allemand H.B.G. Casimir en 1940, mais observé de manière expérimentale seulement depuis 1994, l’effet Casimir met en évidence les fluctuations quantiques du vide.
En effet, d’après la théorie quantique, le vide est en réalité peuplé de particules « virtuelles » qui naissent et disparaissent si vite qu’on est incapable de les voir. La plupart du temps, le vide reste vide, mais parfois les particules virtuelles (éphémères) deviennent « réelles » (c’est-à-dire qu’elles durent). Or le principe de symétrie, qui régit les lois physiques à l’échelle macroscopique, indique que « rien ne se crée, rien ne se perd, tout se transforme ». Donc, si une particule virtuelle devait perdurer, il faudrait que l’antiparticule qui lui est associé naisse et demeure aussi. Or, l’effet Casimir contrevient à ce principe : on peut par exemple faire naître du vide et des électrons sans produire simultanément les anti-électrons (ou positons) associés. En principe, on dit qu’il y a « rupture de symétrie » du vide. Dans les équations, ce phénomène se traduit par la création d’énergie négative.
[1] Quantité de matière par unité de volume.
[2] Kurt Gödel, Kip Thorne (physicien au Californian Institute of Technology).
[3] Ces deux valeurs, dites constantes de Planck, marquent la limite en deçà de laquelle les lois physiques nous échappent.
[4] Un effet ne peut se produire avant la cause qui lui donne naissance : l’effet suit la cause et ne la précède pas.
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