Le voyage dans le temps expliqué : science, limites et possibilités

Pourquoi le voyage dans le temps passionne encore les physiciens

Parler de machines à remonter le temps ressemble à de la science-fiction, mais la question a stimulé certains des travaux les plus profonds de la physique des XXe et XXIe siècles. La relativité générale — la théorie géométrique de la gravité d'Einstein — permet des solutions mathématiques dans lesquelles une ligne d'univers peut boucler sur elle-même. La théorie quantique, à son tour, soulève ses propres énigmes concernant la causalité et l'information si de telles boucles existent. Au cours des trois dernières décennies, les chercheurs sont passés de constructions purement théoriques à des expériences de laboratoire qui sondent l'interaction entre la mécanique quantique et le temps. Le résultat est une cartographie plus claire de ce que la physique permet en principe, de ce qu'elle interdit en pratique, et de ce que les expériences sont désormais capables de tester.

Ce que les équations permettent : courbes de genre temps fermées et espaces-temps exotiques

Dans le langage de la relativité, le « voyage dans le temps » signifie généralement l'existence de courbes de genre temps fermées (CTC) : des lignes d'univers qui reviennent vers leur propre passé. Plusieurs solutions exactes aux équations d'Einstein contiennent des CTC. Elles incluent des solutions d'univers en rotation, certains cylindres rotatifs idéalisés et des trous de ver traversables théoriques dont les deux entrées sont disposées de telle sorte que des horloges différentes à chaque extrémité indiquent des temps différents. Les métriques conçues pour un mouvement plus rapide que la lumière — appelées moteurs à distorsion (warp drives) — sont également liées aux CTC dans de nombreuses constructions.

Ces solutions sont mathématiquement cohérentes, mais elles s'accompagnent de sérieuses réserves physiques. La plupart violent les conditions sur l'énergie qui, dans les situations quotidiennes, garantissent une densité d'énergie locale positive. Créer un trou de ver traversable ou une bulle de distorsion à la Alcubierre nécessite des formes de tension-énergie avec une densité d'énergie « négative » — de la matière exotique ou des effets de vide quantique concentrés de manière extrême. Ces exigences poussent les constructions vers des régimes où la physique connue devient incertaine.

La physique qui pourrait protéger la causalité

De nombreux physiciens considèrent l'existence mathématique des CTC comme l'indice qu'il nous manque un principe dynamique essentiel. Une idée influente est que les effets quantique rétroagissent sur l'espace-temps pour empêcher les violations macroscopiques de la causalité : lorsqu'une potentielle machine à remonter le temps se forme, les fluctuations du vide et l'énergie s'accumulent de manière à déstabiliser le dispositif. L'intuition est que les lois qui régissent la matière et les champs quantiques pourraient conspirer pour empêcher la formation de scénarios paradoxaux — une idée parfois résumée sous le terme de mécanisme de « protection de la chronologie ».

Even without a full quantum theory of gravity, semiclassical analyses suggest there are practical barriers: the energy and engineering requirements look astronomical, and stability against quantum fields is doubtful. In short, while general relativity allows many exotic geometries on paper, the microphysics and energetic cost probably block their realisation.

Même sans une théorie quantique complète de la gravité, les analyses semi-classiques suggèrent l'existence de barrières pratiques : les exigences énergétiques et techniques semblent astronomiques, et la stabilité face aux champs quantiques est douteuse. En résumé, si la relativité générale autorise sur le papier de nombreuses géométries exotiques, la microphysique et le coût énergétique bloquent probablement leur réalisation.

Rebondissements quantiques : deux façons de concevoir le voyage temporel quantique

Lorsque la mécanique quantique est combinée à l'idée des CTC, des possibilités conceptuelles surprenantes apparaissent. Deux cadres larges ont été développés pour modéliser le comportement des systèmes quantiques si des parties de leurs lignes d'univers bouclaient dans le temps.

Ces deux visions sont mathématiquement différentes et entraînent des conséquences physiques et informationnelles distinctes. Crucialement, aucun des deux modèles ne nécessite de construire réellement une machine à remonter le temps dans l'espace-temps ; tous deux servent d'expériences de pensée et, dans certains cas, de prescriptions pouvant être simulées en laboratoire.

Calcul, paradoxes et retombées surprenantes

L'étude des CTC a apporté des éclairages inattendus sur l'informatique. Si un comportement de type CTC était disponible en tant que ressource physique, cela modifierait radicalement la puissance de calcul : certains modèles montrent que l'accès à des ressources de boucle temporelle permettrait aux machines de résoudre des problèmes considérés aujourd'hui comme insolubles. Ce résultat a aidé les chercheurs à sonder les limites de la complexité computationnelle et à affiner notre compréhension de ce que les lois physiques impliquent pour le traitement de l'information.

Sur le front des paradoxes, les formulations quantiques évitent souvent les contradictions classiques. Au lieu d'une histoire unique incohérente, la prescription quantique exige un point fixe d'évolution auto-cohérent, ou utilise une post-sélection probabiliste pour supprimer les branches paradoxales. Ces solutions troquent les paradoxes contre d'autres caractéristiques contre-intuitives — non-linéarité, effets de type clonage ou modifications des corrélations autorisées.

Simulations en laboratoire : le « voyage dans le temps » au service des expériences quantiques

Ici, le domaine a dépassé la pure spéculation. L'optique quantique et les expériences basées sur des circuits peuvent simuler certains aspects de boucles temporelles hypothétiques en utilisant l'intrication, la téléportation et la post-sélection. Des expériences récentes ont mis en œuvre des simulations de protocoles de boucles temporelles basées sur la téléportation et ont démontré des avantages pratiques : par exemple, elles ont montré comment une astuce probabiliste consistant à « renvoyer son entrée dans le passé » peut parfois améliorer l'information qu'un métrologue extrait d'une sonde unique. Ces résultats ne rendent pas les machines à remonter le temps réelles, mais ils montrent que les protocoles inspirés des CTC peuvent être des outils utiles dans la détection et la mesure quantiques.

Parallèlement, les horloges de précision ont atteint des sensibilités telles que des différences de temps relativistes sur des centimètres, voire des millimètres, sont mesurables. Les horloges atomiques optiques et les propositions d'interférométrie de temps propre mettent les descriptions quantique et relativiste du temps à la portée de l'expérimentation. Cela permet aux laboratoires de tester, de manière contrôlée, si l'évolution des horloges quantiques dans différents potentiels gravitationnels suit le schéma classique du temps propre ou si des caractéristiques véritablement quantiques du temps apparaissent.

Ce à quoi un voyageur serait réellement confronté

Même dans les modèles spéculatifs où les CTC existent, des analyses détaillées de la matière et de la thermodynamique suggèrent des contraintes déplaisantes. Certains travaux théoriques soutiennent que les systèmes qui bouclent à travers leur propre passé devraient réinitialiser leurs degrés de liberté internes afin que l'entropie et les souvenirs enregistrés reviennent à leurs états initiaux à la fin de la boucle. En d'autres termes, un voyage le long d'une courbe de genre temps fermée pourrait effacer les souvenirs du voyageur et inverser l'augmentation de l'entropie, rendant l'expérience subjective du voyage temporel plus étrange que n'importe quelle fiction.

Alors, le voyage dans le temps est-il possible ?

Réponse courte : pas d'une manière utile aux humains. Réponse longue : les équations fondamentales de la gravité et de la mécanique quantique admettent encore des trajectoires et des modèles qui ressemblent à un voyage temporel vers le passé, mais chaque voie physiquement plausible se heurte à des contraintes — conditions d'énergie, instabilités quantiques, inconnues à l'échelle de Planck ou bizarreries thermodynamiques. Ce que les expériences accomplissent à la place est bien plus productif pour la science : elles sondent la frontière où la théorie quantique et la relativité se rencontrent, utilisant des idées inspirées par des expériences de pensée sur le voyage temporel pour construire de meilleurs capteurs, tester la causalité quantique et mettre nos théories à l'épreuve.

Pourquoi c'est important

Les questions sur le voyage dans le temps ne sont pas seulement des curiosités spéculatives. Elles forcent les physiciens à s'attaquer à l'interface entre la théorie quantique, la thermodynamique et la structure de l'espace-temps. Ce travail favorise les avancées dans la mesure précise du temps, l'information quantique et la clarté conceptuelle sur la causalité et l'information. Même si des touristes du futur n'arrivent jamais, la recherche inspirée par les énigmes du voyage temporel redéfinit la façon dont nous mesurons et manipulons le temps lui-même.

— Mattias Risberg, Dark Matter