par Peter Millington , The Conversation

« Si l’on faisait une demande de subvention de recherche pour travailler sur le voyage dans le temps, elle serait immédiatement rejetée », écrit le physicien Stephen Hawking dans son livre posthume Brief Answers to the Big Questions. Il avait raison. Mais il avait également raison de dire que se demander si le voyage dans le temps est possible est une « question très sérieuse » qui peut encore être abordée scientifiquement.

Arguant que notre compréhension actuelle ne peut pas l’exclure, Hawking, semble-t-il, était prudemment optimiste. Alors, où cela nous mène-t-il ? Nous ne pouvons pas construire une machine à remonter le temps aujourd’hui, mais le pourrions-nous dans le futur ?

Commençons par notre expérience quotidienne. Nous considérons comme acquise la possibilité d’appeler nos amis et notre famille, où qu’ils soient dans le monde, pour savoir ce qu’ils font en ce moment. Mais c’est une chose que nous ne pouvons jamais savoir réellement. Les signaux transportant leurs voix et leurs images voyagent à une vitesse incompréhensible, mais il faut tout de même un temps fini pour que ces signaux nous parviennent.

Notre incapacité à accéder au « maintenant » de quelqu’un de lointain est au cœur des théories d’Albert Einstein sur l’espace et le temps.

Vitesse de la lumière

Einstein nous a dit que l’espace et le temps font partie d’une seule chose – l’espace-temps – et que nous devrions être aussi disposés à penser aux distances dans le temps qu’aux distances dans l’espace. Aussi étrange que cela puisse paraître, nous répondons volontiers « environ deux heures et demie » lorsque quelqu’un nous demande à quelle distance se trouve Birmingham de Londres. Ce que nous voulons dire, c’est que le trajet dure aussi longtemps à une vitesse moyenne de 80 km/h.

Mathématiquement, notre affirmation équivaut à dire que Birmingham est à environ 125 miles de Londres. Comme l’écrivent les physiciens Brian Cox et Jeff Forshaw dans leur livre Why does E=mc² ?, le temps et la distance « peuvent être interchangés en utilisant quelque chose qui a la devise d’une vitesse ». Le saut intellectuel d’Einstein a été de supposer que le taux d’échange d’un temps à une distance dans l’espace-temps est universel – et c’est la vitesse de la lumière.

La vitesse de la lumière est la plus rapide qu’un signal puisse parcourir, ce qui met une limite fondamentale à la rapidité avec laquelle nous pouvons savoir ce qui se passe ailleurs dans l’univers. Cela nous donne la « causalité » – la loi selon laquelle les effets doivent toujours venir après leurs causes. Il s’agit d’une sérieuse épine théorique dans le pied des protagonistes qui voyagent dans le temps. Pour moi, voyager dans le temps et déclencher des événements qui empêchent ma naissance, c’est mettre l’effet (moi) avant la cause (ma naissance).

Maintenant, si la vitesse de la lumière est universelle, nous devons mesurer qu’elle est la même – 299 792 458 mètres par seconde dans le vide – quelle que soit la vitesse à laquelle nous nous déplaçons nous-mêmes. Einstein a compris que si la vitesse de la lumière est absolue, l’espace et le temps eux-mêmes ne peuvent l’être. Et il s’avère que les horloges en mouvement doivent tinter plus lentement que celles qui sont à l’arrêt.

Plus vous vous déplacez rapidement, plus votre horloge tique lentement par rapport à celles que vous dépassez. Le mot « relatif » est essentiel : le temps semblera s’écouler normalement pour vous. Pour tous ceux qui sont immobiles, cependant, vous serez au ralenti. Si vous deviez vous déplacer à la vitesse de la lumière, vous sembleriez figé dans le temps – en ce qui vous concerne, tous les autres seraient en avance rapide.

Et si nous devions voyager plus vite que la lumière, le temps s’écoulerait-il à l’envers comme la science-fiction nous l’a appris ?

Malheureusement, il faut une énergie infinie pour accélérer un être humain à la vitesse de la lumière, sans parler de la dépasser. Mais même si nous le pouvions, le temps ne reviendrait pas simplement en arrière. Au contraire, cela n’aurait plus de sens de parler d’avance et de recul. La loi de causalité serait violée et le concept de cause et d’effet perdrait son sens.

Troupes de ver

Einstein nous a également dit que la force de gravité est une conséquence de la façon dont la masse déforme l’espace et le temps. Plus nous comprimons de masse dans une région de l’espace, plus l’espace-temps est déformé et plus les horloges proches sont lentes. Si nous introduisons suffisamment de masse, l’espace-temps est tellement déformé que même la lumière ne peut échapper à son attraction gravitationnelle et un trou noir se forme. Et si vous vous approchiez du bord du trou noir – son horizon des événements – votre horloge tiendrait infiniment lentement par rapport à celles qui en sont éloignées.

Pouvons-nous donc déformer l’espace-temps de la bonne façon pour le refermer sur lui-même et voyager dans le temps ?

La réponse est peut-être, et la déformation dont nous avons besoin est un trou de ver traversable. Mais nous devons aussi produire des régions de densité d’énergie négative pour le stabiliser, et la physique classique du 19ème siècle l’empêche. La théorie moderne de la mécanique quantique, cependant, pourrait ne pas le faire.

Selon la mécanique quantique, l’espace vide n’est pas vide. Au lieu de cela, il est rempli de paires de particules qui entrent et sortent de l’existence. Si nous pouvons créer une région où moins de paires sont autorisées à entrer et sortir que partout ailleurs, alors cette région aura une densité d’énergie négative.

Cependant, trouver une théorie cohérente qui combine la mécanique quantique avec la théorie de la gravité d’Einstein reste l’un des plus grands défis de la physique théorique. Un candidat, la théorie des cordes (plus précisément la M-théorie) pourrait offrir une autre possibilité.

La M-théorie exige que l’espace-temps ait 11 dimensions : celle du temps et trois de l’espace dans lesquelles nous nous déplaçons et sept autres, recroquevillées de manière invisible. Pourrions-nous utiliser ces dimensions spatiales supplémentaires pour raccourcir l’espace et le temps ? Hawking, en tout cas, avait bon espoir.

Sauver l’histoire

Alors, le voyage dans le temps est-il vraiment une possibilité ? Notre compréhension actuelle ne peut pas l’exclure, mais la réponse est probablement non.

Les théories d’Einstein ne parviennent pas à décrire la structure de l’espace-temps à des échelles incroyablement petites. Et si les lois de la nature peuvent souvent être en totale contradiction avec notre expérience quotidienne, elles sont toujours cohérentes avec elles-mêmes – ce qui laisse peu de place aux paradoxes qui abondent lorsque nous jouons avec la cause et l’effet dans le cadre d’un voyage dans le temps de science-fiction.

Malgré son optimisme enjoué, Hawking a reconnu que les lois non découvertes de la physique qui remplaceront un jour celles d’Einstein pourraient conspirer pour empêcher les grands objets comme vous et moi de sauter par hasard (et non par causalité) dans le temps. Nous appelons cet héritage sa « conjecture de protection de la chronologie ».

Que l’avenir nous réserve ou non des machines à voyager dans le temps, nous pouvons nous consoler en sachant que lorsque nous escaladons une montagne ou que nous roulons à toute vitesse dans nos voitures, nous changeons la façon dont le temps s’écoule.

Alors, en ce « jour où vous prétendez être un voyageur du temps » (8 décembre), rappelez-vous que vous l’êtes déjà, mais pas de la façon que vous pourriez espérer.

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