Des physiciens élucident le mystère de la « flèche du temps »

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La flèche du temps, évoquée pour la première fois en 1928 par l’astrophysicien Arthur Eddington, décrit l’écoulement du temps du passé au futur. Ce qui relie ce phénomène aux interactions microscopiques entre les particules et les cellules reste cependant un mystère. Des physiciens théoriciens du Graduate Center de l’Université de la ville de New York apportent aujourd’hui de nouveaux éléments de réponse.

Le temps s’écoule toujours dans la même direction — et nous aurions d’ailleurs du mal à imaginer qu’il en soit autrement. Mais comment l’ensemble des particules qui composent la matière donnent-elles lieu à cette dynamique à grande échelle ? C’est un mystère que tentent de résoudre les physiciens depuis des décennies. Cette « flèche du temps » soulève d’ailleurs plusieurs interrogations, dues à l’asymétrie qui la caractérise : le passé n’est pas le strict reflet du futur et il est possible d’agir sur le futur, mais pas sur le passé. Le temps est la seule dimension physique qui semble caractérisée par une irréversibilité.

La flèche du temps thermodynamique découle de la deuxième loi de la thermodynamique (aussi connue sous le nom de principe de Carnot), selon laquelle les arrangements microscopiques des systèmes physiques ont tendance à augmenter de manière aléatoire, passant de l’ordre au désordre (ce qui se traduit par une augmentation de l’entropie du système). Plus un système devient désordonné, plus il lui est difficile de retourner à son état initial (ordonné) et plus la flèche du temps est forte. « En bref, la tendance de l’Univers au désordre est la raison fondamentale pour laquelle nous constatons que le temps s’écoule dans une seule direction », résument les chercheurs dans un communiqué.

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D’où vient l’irréversibilité du temps ?

La flèche du temps est une notion purement macroscopique et définit notre façon de voir le monde. Une scène qui vient de se dérouler sous nos yeux ne peut être inversée sans que le résultat nous semble complètement irréaliste. À l’échelle atomique en revanche, il n’y a aucune distinction entre le passé et le futur : absolument tous les phénomènes que nous observons présentent, à l’échelle microscopique, une parfaite symétrie entre le passé et le futur ; autrement dit, ils sont réversibles. Mais alors, d’où vient l’irréversibilité du temps ?

Pour éclairer la théorie de la flèche du temps, l’équipe — dont fait partie Christopher Lynn, postdoctorant du programme Initiative for Theoretical Sciences du CUNY Graduate Center — a tenté de répondre à deux questions précises. Tout d’abord, il était question de considérer un système particulier et de vérifier s’il était possible de quantifier la force de sa flèche du temps. Ensuite, il s’agissait de déterminer comment cette force émerge de l’échelle microscopique — à laquelle les cellules et neurones interagissent — pour finalement s’appliquer au système dans son ensemble.

Afin de répondre à ces questions, les chercheurs ont tenté de décomposer une flèche locale de temps, en observant des parties spécifiques d’un système et leurs interactions. « Dans un système avec de nombreux degrés de liberté, il y a un terme qui provient de la dynamique irréversible des variables individuelles, et ensuite une série de termes non négatifs contribuant aux corrélations entre les paires, les triplets, et les combinaisons d’ordre supérieur de variables », écrivent-ils dans leur article.

En clair, les « parties » dont il est question ici pourraient par exemple être les neurones situés dans une rétine (le système). À un instant précis, la flèche du temps peut être décomposée en plusieurs éléments : ceux produits par des parties fonctionnant individuellement, par paires, en triplets ou dans des configurations plus complexes. Sur cette base, les chercheurs ont analysé les résultats d’expériences antérieures sur la réponse des neurones de la rétine d’une salamandre à la vision de différents films.

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Une irréversibilité qui repose sur une dynamique par paires

L’un des films utilisés montrait un objet unique, se déplaçant de manière aléatoire sur l’écran. Un autre montrait des scènes plus complexes, que l’on trouve généralement dans la nature. Pour les deux films, les chercheurs ont constaté que la flèche du temps résultait d’interactions simples entre des paires de neurones (et non d’interactions neuronales plus complexes).

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Ils expliquent que les preuves de la flèche locale du temps s’accumulent à partir du comportement des degrés de liberté individuels et de leurs interactions. Les dynamiques d’ordre progressivement plus élevé apportent chacune une contribution non négative, ajoutant à l’irréversibilité locale. « Nos résultats constituent la première étape vers la compréhension de la manière dont la flèche du temps que nous expérimentons dans la vie quotidienne émerge de ces détails plus microscopiques », souligne l’équipe.

Contre toute attente, ils ont également remarqué que la rétine affichait une flèche du temps plus forte (donc une irréversibilité plus forte) en regardant un mouvement aléatoire qu’en observant une scène plus naturelle. Selon Lynn, ce dernier résultat soulève des questions sur la façon dont notre perception interne de la flèche du temps s’aligne sur le monde extérieur. « Ces résultats peuvent présenter un intérêt particulier pour les chercheurs en neurosciences », a-t-il déclaré, ajoutant qu’ils pourraient suggérer que la flèche du temps fonctionne différemment dans le cerveau des personnes neuroatypiques.

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En dépit de ces grandes différences dans la force de la flèche du temps locale en réponse à différentes entrées, la façon dont l’irréversibilité à grande échelle est construite à partir de la dynamique à petite échelle est constante — avec un rôle dominant joué par les corrélations entre paires de neurones. Cette émergence de l’irréversibilité à partir de la dynamique par paires ouvre la voie à de futures recherches visant à déterminer si, et comment, les connexions physiques entre les neurones se combinent pour produire une flèche du temps collective, concluent les chercheurs.

Source : C. Lynn et al., arXiv

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