Le modèle qui n’a pas besoin d’un commencement spécial — et ses trois juges

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En 2004, deux physiciens de Chicago proposent une idée à la fois simple et vertigineuse : et si l’Univers n’avait jamais eu besoin d’un commencement spécial ? Le texte a plus de vingt ans, il est cité partout — et il n’a jamais paru dans une revue. Trois lecteurs sérieux l’ont examiné en détail. Ils n’en sont pas revenus avec le même verdict.

La dette que personne ne sait payer

Pour expliquer pourquoi le temps a un sens — pourquoi les verres se brisent et ne se réparent pas —, la physique s’appuie sur un fait qu’elle ne démontre pas : l’Univers primitif se trouvait dans un état d’entropie extraordinairement basse. Les lois microscopiques, elles, ne distinguent pas le passé du futur. Toute la flèche du temps est donc suspendue à une condition initiale que l’on constate et que l’on ne dérive de rien. Établi

Cette dette a un nom depuis le philosophe David Albert, qui l’a baptisée l’hypothèse du passé en 2000. La question qui occupe les cosmologistes depuis vingt ans est de savoir s’il faut la payer — l’expliquer — ou s’en débarrasser. Le modèle dont il est question ici choisit la seconde voie. Établi

Supprimer le commencement plutôt que l’expliquer

Sean Carroll et Jennifer Chen partent d’une remarque de comptable : couplée à la gravitation, l’entropie n’a pas de plafond. Il y a toujours plus d’états disponibles, ne serait-ce qu’en diluant l’espace lui-même. Un univers ne peut donc pas « finir » à l’équilibre : il peut croître indéfiniment. Débattu

Dans un fond de type de Sitter, presque vide et doté d’une petite énergie du vide, ce fond se révèle instable : des fluctuations rares déclenchent çà et là des épisodes d’inflation, qui bourgeonnent en univers-bébés. Rien dans les équations ne privilégie une direction — des univers-bébés bourgeonnent aussi bien du côté que nous nommerions l’avenir que du côté que nous nommerions le passé. Vu d’assez loin, le tableau complet ne penche dans aucun sens du temps ; chaque bourgeon, lui, naît très ordonné et développe sa propre flèche en s’en éloignant. Spéculatif

Le gain est considérable, du moins sur le papier. La faible entropie de notre commencement n’est alors plus une clause d’exception écrite pour le Tout : elle devient la carte d’identité banale d’un bourgeon parmi une infinité d’autres. Il n’y a plus de dette, parce qu’il n’y a plus de commencement. Spéculatif

Premier juge : ce n’est pas faux, c’est mal posé

La première réponse arrive deux semaines plus tard. Hrvoje Nikolić accorde d’emblée que l’explication est prometteuse, puis vise un point précis de la construction : l’existence d’une surface d’entropie minimale, cet « instant du milieu » d’où les deux flèches partiraient dos à dos. Il conteste qu’une telle surface existe — et soutient dans la foulée qu’elle n’est pas nécessaire pour expliquer la flèche du temps. Débattu

L’objection est d’un genre rare : elle n’attaque pas la conclusion, elle retire une pièce de la machine en affirmant qu’elle était superflue. Un modèle allégé, donc, plutôt qu’un modèle démoli. C’est aussi, on le verra, la seule pièce du dossier que les deux autres juges reprendront chacun à leur compte, et dans des directions opposées. Débattu

Deuxième juge : c’est juste, et voici pourquoi

Seize ans plus tard, Dustin Lazarovici et Paula Reichert livrent l’examen le plus systématique que le modèle ait reçu — et ils le défendent. Leur argument porte sur un mot technique qui décide de tout : typique. Si la flèche du temps est une propriété typique des solutions, et non un accident miraculeux, alors le modèle fonde légitimement des prédictions et des rétrodictions, sans avoir besoin de quoi que ce soit qui ressemble à une hypothèse du passé. Débattu

Ils vont plus loin que la défense : ils proposent une définition d’entropie de Boltzmann pour un système classique de N particules soumises à la gravitation, et suggèrent qu’un univers newtonien gravitant pourrait fournir un exemple concret du type d’entropie que le modèle appelle. Ce faisant, ils rapprochent explicitement la proposition de Carroll et Chen d’une autre famille de travaux, celle qui cherche la flèche du temps dans la dynamique gravitationnelle elle-même. Débattu

Troisième juge : ce n’est pas une explication

Le verdict le plus sévère est aussi le seul à avoir passé un comité de lecture. En 2017, le philosophe des sciences Christopher Weaver consacre vingt-huit pages du Journal for General Philosophy of Science à démonter le modèle, point par point. Sa thèse tient en une phrase : la construction de Carroll et Chen ne fournit pas une explication scientifique plausible de la basse entropie initiale. Débattu

Trois lignes d’attaque, dont aucune ne porte sur la vraisemblance physique du multivers. D’abord, on ne peut pas soutenir sans difficulté que l’entropie n’ait pas de borne supérieure — c’est pourtant la pierre angulaire du dispositif. Ensuite, les mécanismes proposés pour faire naître un univers par nucléation depuis un espace-temps vide ou asymptotiquement de Sitter ne résistent pas à l’examen. Enfin, une objection plus abstraite, tirée de la nature formelle de la relation de cause à effet. Débattu

Mais l’argument le plus intéressant est méthodologique, et Weaver prend soin de préciser qu’il n’accable personne : Carroll et Chen sont eux-mêmes parfaitement francs sur ce que leur modèle n’a pas. Il n’a ni dynamique concrète, ni définition précise de son entropie. Or si l’on prend au sérieux l’idée qu’une théorie décrit quelque chose de réel, on ne peut pas appeler explication un dispositif dont les auteurs reconnaissent que des portions substantielles restent mal comprises. Weaver en tire une conclusion positive : peut-être l’hypothèse du passé est-elle simplement un fait brut, une loi qui ne se dérive de rien. Débattu

Ce que le dossier dit de la physique elle-même

Reste une bizarrerie bibliographique qui en dit long. L’article de Carroll et Chen fait trente-six pages, porte un numéro de rapport de l’Institut Enrico Fermi, et n’a jamais été publié dans une revue à comité de lecture : c’est une prépublication, et elle l’est restée. Sa critique la plus détaillée a paru dans une revue de philosophie des sciences ; sa défense la plus systématique est un chapitre d’ouvrage collectif. Établi

Cela n’invalide rien — un texte n’est pas faux parce qu’il n’a pas de comité de lecture, et les auteurs ont publié par ailleurs un court article de revue défendant la même orientation. Mais cela indique où se joue réellement la discussion sur l’origine de la flèche du temps : dans un espace intermédiaire, entre archive ouverte, philosophie de la physique et cosmologie théorique, où l’on argumente longtemps avant que quoi que ce soit ne soit tranché. Établi

Trois lecteurs compétents, trois verdicts : mal posé mais prometteur, juste et fécond, insuffisant pour expliquer quoi que ce soit. Aucune observation ne les départage, et il n’est pas certain qu’aucune le puisse un jour — c’est ce qui vaut à ce dossier sa pastille rouge. On peut trouver cela décevant. On peut aussi y voir une image assez fidèle de ce à quoi ressemble une question ouverte quand elle est prise au sérieux : non pas un vide en attente de réponse, mais un débat serré entre gens qui ont lu les mêmes équations.

Sources. Carroll, S. M. & Chen, J., « Spontaneous Inflation and the Origin of the Arrow of Time », arXiv:hep-th/0410270 (2004), rapport EFI-2004-33, 36 p. — prépublication, sans publication en revue ; des mêmes auteurs, « Does Inflation Provide Natural Initial Conditions for the Universe? », General Relativity and Gravitation 37, 1671-1674 (2005), réimprimé dans International Journal of Modern Physics D 14, 2335-2340 (2005), arXiv:gr-qc/0505037. Nikolić, H., « Comment on « Spontaneous Inflation and the Origin of the Arrow of Time » », arXiv:hep-th/0411115 (2004). Lazarovici, D. & Reichert, P., « Arrow(s) of Time without a Past Hypothesis », dans V. Allori (dir.), Statistical Mechanics and Scientific Explanation, World Scientific (2020), arXiv:1809.04646. Weaver, C. G., « On the Carroll-Chen Model », Journal for General Philosophy of Science 48(1), 97-124 (2017), DOI 10.1007/s10838-016-9337-9. Albert, D., Time and Chance, Harvard University Press (2000).