La seule loi qui distingue le passé de l’avenir — et pourquoi elle n’explique rien

ÉtabliDébattuSpéculatif

Il existe une loi de la physique qui distingue le passé de l’avenir. Une seule. Elle a été mesurée, au SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), sur quatre cent soixante-huit millions de paires de particules, et le résultat est sans appel. Elle n’explique rien de ce que vous vivez : ni le café qui refroidit, ni les rides, ni le verre brisé qui ne se recolle pas. C’est l’histoire d’une découverte majeure et parfaitement inutile — et de ce que « mesurer » veut dire.

Le scandale du film à l’envers

Filmez deux molécules qui se percutent, passez le film à l’envers : vous obtenez une autre collision, parfaitement légale. Les lois microscopiques du mouvement ne font pas la différence entre les deux sens du temps. Filmez maintenant un verre qui tombe et se brise, repassez le film : chaque collision individuelle y est encore légale, et pourtant personne ne s’y trompe une seconde.

C’est le paradoxe le mieux installé de la physique. Notre expérience est violemment orientée ; les lois ne le sont pas. La réponse standard, depuis Boltzmann, ne cherche pas l’asymétrie dans les lois mais dans un comptage : les états désordonnés sont de façon écrasante plus nombreux que les états ordonnés, un système qui part d’un état rare finit dans les états communs, et jamais l’inverse. La flèche n’est pas une loi, c’est une statistique. Établi

Reste une réserve, que tout lecteur attentif finit par formuler : vraiment aucune loi ? Est-il bien vrai que rien, nulle part, dans les équations fondamentales, ne distingue l’avant de l’après ?

Non. Et c’est mesuré.

L’interaction faible — celle qui gouverne certaines désintégrations radioactives — n’est pas symétrique dans le temps. On le soupçonnait depuis 1964, indirectement : cette année-là, on découvrait que la symétrie dite CP était violée dans les kaons, et un théorème très solide, le théorème CPT, impose alors que la symétrie T le soit aussi. Mais c’était une déduction, pas une observation. On savait que la porte était ouverte sans avoir jamais regardé par le trou de la serrure.

En 2012, la collaboration BaBar a regardé. Le dispositif est d’une élégance rare. Au SLAC, en Californie, des collisions électron-positron produisent des mésons Υ(4S) qui se désintègrent aussitôt en paires de mésons B neutres — et ces paires naissent intriquées. Mesurer l’une renseigne instantanément sur l’autre. Cette intrication permet de faire quelque chose qu’aucune expérience n’avait fait : préparer un état de départ A, observer combien de fois il devient B — puis préparer B, et observer combien de fois il devient A. Comparer les deux nombres. Si le temps était symétrique, ils seraient égaux.

Ils ne le sont pas. Sur 468 millions de paires, l’écart est massif : les paramètres mesurés valent ΔS_T⁺ = −1,37 et ΔS_T⁻ = +1,17, avec des barres d’erreur de l’ordre du dixième. Zéro est très, très loin. Le monde subatomique distingue bel et bien le sens du temps. Établi

Ce que « direct » veut dire

Ici commence la partie intéressante — celle qui ne tient pas dans un titre de presse.

Car BaBar n’était pas le premier à annoncer la chose. En 1998, au CERN, l’expérience CPLEAR publiait un article au titre sans ambiguïté : première observation directe de la non-invariance par renversement du temps dans le système des kaons neutres. Même idée : comparer la probabilité qu’un kaon devienne son antiparticule à la probabilité du trajet inverse.

La communauté a discuté. Sévèrement. Le reproche, formulé notamment par Lincoln Wolfenstein, puis analysé en détail par Luis Alvarez-Gaumé et ses collaborateurs : dans le dispositif de CPLEAR, ce sont des désintégrations qui servent à étiqueter l’état de la particule — et une désintégration est un processus irréversible. L’asymétrie observée pourrait donc venir de cette irréversibilité-là, et non d’une véritable violation de T. On croyait mesurer le renversement du temps ; on mesurait peut-être la mort des particules qu’on utilisait pour l’observer. Débattu

C’est en réponse à cette controverse que la formulation de BaBar, en 2012, est si prudente. Le titre ne dit pas « première observation ». L’article dit : première observation directe par échange des états initial et final, dans des transitions que seule une transformation de renversement du temps peut relier. Chaque mot est une réponse à quatorze ans de débat. On mesure ici un aller et un retour entre deux états authentiquement préparés, pas un sous-produit de désintégrations.

Deux hypothèses sous la mesure

Et même là, le sol n’est pas tout à fait ferme. En 2014, cinq théoriciens — Elaad Applebaum, Aielet Efrati, Yuval Grossman, Yosef Nir et Yotam Soreq — ont repris la mesure au scalpel pour établir exactement ce qu’elle suppose. Leur conclusion est instructive à double titre.

Bonne nouvelle d’abord : contrairement à ce qu’on croyait, il n’est pas nécessaire de supposer l’absence de violation directe de CP pour que le résultat tienne. Mais deux autres hypothèses, elles, sont indispensables : que CPT ne soit pas violée dans les désintégrations changeant l’étrangeté, et qu’il n’y ait pas de désintégrations « de mauvais signe ». Sous ces deux conditions — et seulement sous elles — les asymétries mesurées sont purement impaires sous le renversement du temps. Débattu

Voilà ce que vaut le mot « direct » en physique expérimentale. Non pas : je vois la chose. Mais : je la vois, à deux hypothèses près, que voici, nommées, et que rien ne contredit aujourd’hui. C’est moins glorieux qu’un titre de journal. C’est infiniment plus honnête.

Et pourtant, rien

Reprenons. Il existe donc bien, dans les lois fondamentales, une asymétrie temporelle. Elle est mesurée, à quatorze écarts-types, ce qui en physique des particules relève du triomphe. Elle est réelle.

Et elle ne sert à rien.

Elle est minuscule, cantonnée à l’interaction faible, et sans lien établi avec quoi que ce soit de ce que nous appelons le passage du temps. Elle ne fait pas refroidir votre café — un phénomène qui relève de l’électromagnétisme et de la statistique, où l’interaction faible n’intervient jamais. Elle ne fait pas vieillir les visages. Elle n’empêche pas le verre brisé de se recoller : ce qui l’empêche, c’est un comptage, pas une loi. Aucun mécanisme connu ne relie l’asymétrie des mésons B à l’irréversibilité du monde ordinaire, et personne n’en a proposé qui tienne. Établi

Le résultat de BaBar est un objet étrange : une exception magnifique et stérile. Il ferme définitivement une objection — non, les lois ne sont pas toutes symétriques — et il ne rouvre rien. La flèche du temps reste sans loi qui la porte.

Alors la question demeure, entière, et elle est la plus embarrassante de toute la physique : si les lois n’ont pas de flèche, et que nous en avons une, d’où vient-elle ? Il faudra bien qu’elle vienne de quelque part — et si ce n’est pas des lois, il ne reste qu’un seul suspect : l’état dans lequel l’univers a commencé. C’est là que la partie se joue vraiment.

On a souvent présenté ces résultats comme « la découverte de la flèche du temps dans les lois ». C’est l’inverse qu’il faut retenir : la physique a cherché pendant un demi-siècle une asymétrie temporelle fondamentale, elle l’a trouvée — et elle a découvert du même coup que ce n’était pas là que se cachait la réponse. Les plus belles mesures sont parfois celles qui ferment une porte.