Une solution quantique au problème de la flèche du temps
La thermodynamique décrit très bien les relations entre des quantités macroscopiques, c’est-à-dire mesurables à l’échelle humaine : la température, la pression, le volume… Au 19e siècle, nous n’avions pas encore de modèle qui explique ces relations en terme de quantités plus fondamentales, comme les propriétés des atomes ou des molécules. Par exemple, on savait que lorsqu’on augmente la température d’un gaz confiné, sa pression augmentait. La thermodynamique arrive très bien à décrire quantitativement cette relation entre la température et la pression. Aujourd’hui, on sait que si on suppose le gaz composé de molécules qui se déplacent dans toutes les directions, alors l’augmentation de la pression en fonction de la température est expliquée si la vitesse moyenne des molécules augmente avec la température.
L'entropie dans un verre. Lorsqu'on mélange deux liquides, les couleurs se mêlent. Aussi longtemps qu'on attendra, jamais nous ne verrons les liquides se séparer spontanément, un processus qui diminuerait l'entropie du verre et donc interdit par la thermodynamique. Une nouvelle théorie suggère que des processus qui réduisent l'entropie seraient possible mais, l'univers n'en garderait aucune trace.
D’un côté, on a une description correcte des relations entre les quantités mesurables (la thermodynamique) et de l’autre, on a un modèle (de petites boules qui se déplacent dans toutes les directions) qui donne une explication possible à ces relations. Aujourd’hui, ce modèle est largement accepté, c’est-à-dire que la plupart croient que dans la nature, les objets sont composés de petites boules (atomes, molécules) qui interagissent. Mais au 19e siècle, il en était tout autrement. Ce modèle si intuitif aujourd’hui faisait alors face à un problème de taille : la flèche du temps.
Pour faire comprendre à mes étudiants ce qu’est la flèche du temps, je leur fais généralement visionner le vidéo Balancing Point. Dans celui-ci, des images sont passées à l’envers, de sorte qu’elles paraissent irréelles. On réalise alors rapidement que, dans la réalité, les événements évoluent dans une direction en particulier et jamais dans l’autre. C’est cette irréversibilité qui est appelée flèche du temps, en analogie avec une flèche qui pointe dans une seule direction. Richard Feynman [1] donnait l’exemple d’un mélange entre un liquide coloré et un liquide transparent. Si on les mélange, le liquide deviendra homogène. Aussi longtemps qu’on puisse attendre, jamais on ne verra le liquide se séparer en un liquide coloré d’un côté et un liquide transparent de l’autre. Le mélange des liquides est un exemple de phénomène irréversible, qui met en lumière la flèche du temps.
Balancing Point : le concept de la flèche du temps, ou de l`irréversibilité de certains phénomènes, mis en lumière par des extraits diffusés à l`envers qui paraissent irréels.
Ayant une meilleure idée de ce qu’est la flèche du temps, revenons à notre problème. Le modèle des petites boules utilisé pour expliquer la relation entre différentes quantités ne contient que des équations réversibles. En d’autres mots, si on regarde de près le mouvement de chacune des boules à l’endroit et à l’envers, on ne peut distinguer lequel est le bon sens. Les deux sont équivalents. Or, si on regarde globalement ce qui se passe, par exemple lors du mélange de liquides de couleurs différentes, l’irréversibilité est évidente. La thermodynamique en rend bien compte grâce à sa seconde loi qui demande à ce que les processus physiques augmentent l’entropie de l’univers. Comment une telle irréversibilité pourrait-elle être expliquée à l’aide du modèle des boules qui, lui, est complètement réversible? Voilà le problème de la flèche du temps. Ce problème fut résolu classiquement par L. Boltzmann, qui fournit l’explication statistique de l’entropie.
En aout 2009, L. Maccone de l’université de Pavia en Italie, publie sa solution quantique au problème de la flèche du temps [2]. D’un point de vue quantique, on peut considérer que les processus physiques impliquent des échanges d’information, lesquels augmentent l’entropie globale. Pour expliquer les conséquences de réduire l’entropie, c’est-à-dire renverser un phénomène irréversible, il imagine une expérience de pensée mettant en vedette Alice et Bob. Alice fait une expérience dans laquelle elle mesure l’état de spin d’un atome envoyé par Bob qui est par la suite isolé du laboratoire d’Alice. L’atome est dans un état superposé up-down jusqu’à ce qu’Alice mesure up ou down.
Du point de vue d’Alice, son laboratoire a gagné un bit d’information provenant de l’extérieur, laquelle a été enregistré sur un ordinateur et dans la mémoire d’Alice. Ce transfert d’information de l’atome au laboratoire a fait augmenter l’entropie selon Alice. Du point de vue de Bob, qui n’a aucune idée de ce qui vient de se passer, l’état de l’atome n’a pas été déterminé. Il ne voit pas de transfert d’information ni d’augmentation d’entropie. Pour voir ce qui se passe lorsqu’on réduit l’entropie, imaginons que Bob ait le parfait contrôle sur l’état quantique du laboratoire d’Alice. Pour réduire l’entropie du laboratoire, Bob renverse le transfert d’information en effaçant tout enregistrement de la mesure. Il le fait par un processus compliqué qui désenchevêtre l’état de l’atome et du laboratoire.
Selon Maccone, ce renversement ne viole aucune loi de la physique, c’est donc dire que selon lui, la physique quantique permet des processus qui diminuent l’entropie. De tels processus pourraient se produire dans la réalité, mais, puisque l’univers (tout comme Alice) n’en garderait aucun souvenir, ils seraient imperceptibles. En d’autres mots, le problème de la flèche du temps est réglé, car tout processus qui viole l’irréversibilité est par définition indétectable.
[1] R. P. Feynman, La nature des lois physique, marabou université
[2] L. Maccone, Quantum Solution to the Arrow-of-time Dilemma, Phys. Rev. Lett. 103, 080401