L'univers et la flèche du temps

• Prologue – La nature du temps, l’importance de l’entropie, et le rôle de la cosmologie
• I L’EXPÉRIENCE DU TEMPS ET DE L’UNIVERS
• 1 Le passé est un souvenir présent – Le mot «temps» a plusieurs significations: un repère pour différents moments, la durée entre des événements et un instrument de changement. Nous pouvons considérer que passé, présent et futur sont tous aussi réels les uns que les autres.
• 2 La mainmise de l’entropie – La direction du temps est gouvernée par le deuxième principe de la thermodynamique: dans un système fermé, l’entropie ne peut qu’augmenter ou rester constante. L’entropie mesure le désordre d’un système.
• 3 Le commencement et la fin du temps – L’évolution de l’Univers au cours du temps, avec au début un Big Bang (qui n’est peut-être pas le véritable commencement) dense et chaud, puis l’expansion et la formation d’étoiles et de galaxies, et enfin une accélération vers le vide.
• II LE TEMPS DANS L’UNIVERS D’EINSTEIN
• 4 Le temps est personnel – La théorie de la relativité restreinte d’Einstein. Il est impossible de dépasser la vitesse de la lumière. Nous restons à l’intérieur d’un cône de lumière dans l’espace-temps. Le temps mesure la durée écoulée le long de différentes trajectoires.
• 5 Le temps est flexible – La théorie de la relativité générale d’Einstein. L’espace-temps est courbe, et cette courbure est pour nous la gravitation. La courbure de l’espace-temps est à l’origine des trous noirs et de l’expansion de l’Univers.
• 6 Des boucles dans le temps – Des courbes fermées de genre temps permettraient de voyager dans le passé sans violer les règles de la relativité. Une machine temporelle ne conduit pas forcément à des paradoxes, mais pourrait être impossible à fabriquer selon les lois de la physique.
• III ENTROPIE ET FLÈCHE DU TEMPS
• 7 Le temps à rebours – Les lois physiques fondamentales, telles que nous les connaissons, conservent l’information: futur et passé peuvent être prédits et rétrodits à partir de la parfaite connaissance de l’état présent. Les processus microscopiques sont réversibles.
• 8 Entropie et désordre – Ludwig Boltzmann a découvert l’interprétation moderne de l’entropie: les différentes manières d’arranger les constituants microscopiques pour former le même système macroscopique. Il est naturel que l’entropie augmente, mais seulement si nous supposons une «hypothèse du passé» selon laquelle l’entropie est partie d’une très faible valeur.
• 9 L’information et la vie – La croissance de l’entropie est le moteur de notre expérience de la vie: la capacité à se rappeler le passé, à métaboliser l’énergie libre, et à traiter l’information. Le démon de Maxwell illustre la relation liant entropie et information.
• 10 Cauchemars récurrents – Un système fini passe la plupart de son temps dans un état d’équilibre de forte entropie, avec des fluctuations occasionnelles vers une plus faible entropie. Un univers fini qui dure éternellement se comporterait ainsi, et la plupart des observateurs seraient des «cerveaux de Boltzmann» désincarnés.
• 11 Le temps quantique – La mécanique quantique affirme que ce que nous pouvons observer n’est qu’une infime partie de ce qui existe. L’acte d’observation semble irréversible. Nous pouvons ainsi penser que l’irréversibilité n’est qu’apparente, car notre existence a cours dans des «ramifications de la fonction d’onde» qui perdent contact entre elles.
• IV DE LA CUISINE AU MULTIVERS
• 12 Trous noirs: les fins du temps – Stephen Hawking a démontré que les trous noirs ne sont pas complètement noirs: ils émettent un rayonnement. Cela implique qu’ils ont une entropie, et qu’ils finiront par disparaître en s’évaporant. Les trous noirs sont des éléments clés de la connexion entre entropie et gravitation.
• 13 La vie de l’Univers – Aux alentours du Big Bang, l’entropie de l’Univers était extrêmement faible. Elle a augmenté avec l’expansion de l’Univers, à mesure que la gravitation agglomérait la matière pour former des étoiles, des galaxies et des trous noirs. Pourtant, elle demeure plus faible que ce qu’elle pourrait être. Un état d’entropie vraiment très élevé ressemblerait à l’espace vide.
• 14 Inflation et multivers – L’état homogène de l’Univers primordial peut s’expliquer par l’inflation: une période dans les tout premiers temps où l’expansion a subi une accélération de haute énergie. Mais l’inflation elle-même exige que l’Univers ait commencé dans un état d’entropie encore plus faible, elle ne répond donc pas en soi à nos interrogations. Une nouvelle possibilité s’ouvre sous la forme de l’inflation éternelle et du multivers.
• 15 Le passé, miroir du futur – Il existe un certain nombre d’explications possibles à la flèche du temps que nous observons, y compris des lois fondamentalement irréversibles et une condition aux limites indépendantes des lois physiques. Pour expliquer cette flèche en ayant seulement recours aux lois réversibles, il faut que l’on situe l’Univers que l’on observe dans un multivers à symétrie temporelle. Ce scénario, et d’autres, spéculatifs, font actuellement l’objet de travaux de recherche.
• Épilogue – L’origine de l’Univers et la flèche du temps sont deux grandes questions non résolues dans notre compréhension du monde naturel. Mais nous avons toutes les raisons de croire que les lois de la physique vont permettre de les élucider un jour. La quête de réponses donne à ces questions toute leur valeur.
• Appendice: mathématiques
• Notes
• Bibliographie
• Remerciements

Éditeur : Quanto

Auteur(s) : Sean Carroll

Collection : Quanto

Publication : 10 février 2022

Édition : 1^re édition

Support(s) : Livre papier

Nombre de pages Livre papier : 568

Format (en mm) Livre papier : 160 x 240

Poids (en grammes) : 780

Langue(s) : Français

EAN13 Livre papier : 9782889154326