La flèche du temps lue dans la structure du vide

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Depuis Boltzmann, expliquer pourquoi le temps a un sens revient à expliquer pourquoi l’Univers a commencé dans un état très ordonné. En 2012, Raphael Bousso propose de déplacer la question : et si la flèche du temps ne contraignait pas d’abord les conditions initiales, mais la théorie elle-même — la liste des états de vide qu’elle autorise ?

Une ère prolongée de production d’entropie

L’article s’ouvre sur un constat presque désinvolte : nous nous trouvons dans une ère prolongée de production d’entropie. C’est une observation, au même titre que la température du fond diffus ou la valeur de la constante de Hubble. Sauf qu’on ne la traite jamais comme telle. Établi

Toutes les autres observations servent à contraindre la théorie : si le modèle ne les reproduit pas, il est en difficulté. La flèche du temps, elle, est renvoyée à une clause à part — une condition initiale spéciale, posée au bord du temps, dont on convient qu’elle ne s’explique pas. C’est ce traitement de faveur que Bousso conteste. Débattu

Ni nécessaire, ni suffisante

L’argument passe par des contre-exemples, et il porte sur les deux versants à la fois. Bousso construit des potentiels de champ scalaire — des objets simples, pas des constructions exotiques — dans lesquels une entropie initiale basse n’est pas nécessaire à l’apparition d’une flèche du temps. Dans d’autres, elle n’y suffit pas. Débattu

Le premier résultat est le plus frappant. Dans certains de ces modèles, une flèche du temps s’installe même si le vide initial possède une entropie arbitrairement grande. Autrement dit : le postulat que toute la thermodynamique cosmologique tient pour indispensable devient, dans ce cadre, dispensable. Spéculatif

Le second est plus discret mais tout aussi gênant pour l’orthodoxie : si l’on peut partir bas et n’obtenir aucune flèche, alors la condition initiale n’était de toute façon pas l’explication qu’on croyait. Elle était au mieux une pièce, jamais le mécanisme. Débattu

Ce qui fait la différence : la forme du paysage

Ce qui décide, dans ces modèles, n’est pas l’état de départ mais la géographie des vides accessibles. Combien il y en a, comment ils sont reliés, quelle énergie sépare deux voisins, combien de temps chacun survit avant de se désintégrer en un autre. C’est ce que Bousso appelle la structure du vide de la théorie. Débattu

Il soutient alors que le paysage de la théorie des cordes engendre une flèche du temps indépendamment de l’entropie initiale — sous une condition qu’il qualifie lui-même de plausible, portant sur la durée de vie de ses vides métastables. Le mot « plausible » est de lui, et il est important : c’est une hypothèse de travail, pas un résultat démontré. Spéculatif

Le même trait explique deux énigmes

Vient alors la partie qui donne à l’article sa force d’attraction. Les propriétés structurelles qui produisent la flèche du temps sont, dit Bousso, très proches de celles qui permettent au paysage des cordes de résoudre le problème de la constante cosmologique sans produire un univers vide : sa grande dimensionnalité, et le fort écart d’énergie de vide entre voisins immédiats. Spéculatif

Une seule caractéristique de la théorie rendrait donc compte de deux faits que rien ne relie autrement : pourquoi l’énergie du vide est ridiculement petite sans être nulle, et pourquoi le temps coule dans un sens. Une explication qui en couvre deux pour le prix d’une a toujours du charme. Encore faut-il que le cadre qui la porte existe. Débattu

Le prix à payer

Il est élevé, et il faut le dire sans détour. L’argument suppose le paysage de la théorie des cordes : un ensemble de vides dont l’existence, le nombre et les propriétés ne sont établis par aucune observation. Il suppose en outre une condition sur les durées de vie que l’auteur ne démontre pas. Établi

La proposition n’est donc pas testable en l’état, et elle ne prétend pas l’être. Ce qu’elle offre n’est pas une preuve, c’est un déplacement : elle montre qu’il existe des cadres théoriques cohérents dans lesquels l’hypothèse du passé n’a plus de rôle à jouer. Cela ne rend pas ces cadres vrais. Cela retire à l’hypothèse du passé son statut de nécessité logique. Débattu

Ce que le débat y gagne

On peut lire cet article comme une pièce de plus au dossier des tentatives pour se débarrasser d’un postulat encombrant. On peut aussi y voir une clarification de méthode, et c’est la lecture la plus utile. Débattu

Tant que la flèche du temps était traitée comme une condition initiale, elle échappait par construction à la théorie : une condition initiale, cela se constate, cela ne se dérive pas. En la traitant comme une contrainte sur la structure du vide, Bousso la fait rentrer dans le domaine de ce qu’une théorie doit expliquer. Le prix de ce rapatriement est de dépendre d’une théorie qu’on n’a pas. Débattu

La pastille rouge de cet article ne porte pas sur la rigueur du raisonnement, qui n’est pas en cause, mais sur son socle : le paysage des cordes reste une conjecture, et la condition sur les durées de vie une hypothèse assumée. Rien de tout cela ne se mesure aujourd’hui. Ce qui reste, quoi qu’il advienne du cadre, est une objection de principe utile : celui qui affirme que la flèche du temps exige un commencement spécial doit désormais montrer pourquoi, puisqu’on sait construire des théories où elle n’en exige pas.

Sources. Bousso, R., « Vacuum Structure and the Arrow of Time », Physical Review D 86, 123509, publié le 7 décembre 2012, DOI 10.1103/PhysRevD.86.123509 ; prépublication arXiv:1112.3341 (v1 14 décembre 2011, v2 11 juin 2012).