Le temps pourrait-il avoir plus d’une dimension ?

Et qu’est-ce que cela signifierait pour l’Univers ?

Il a longtemps été proposé que, lorsque notre univers a pris forme, trois dimensions d’espace et une dimension de temps ont jailli du big bang : l’événement qui a rendu possible tout ce que nous voyons autour de nous – de l’hydrogène et de l’hélium qui fusionnent pour former les étoiles et aider les planètes à se coaliser, aux trous noirs et galaxies, et même nos propres existences,

Cependant, la croyance traditionnelle selon laquelle l’univers n’a pas seulement manifesté trois dimensions d’espace et une de temps a fait l’objet de débats. En fait, l’ajout de quelques dimensions supplémentaires résout plusieurs des problèmes les plus délicats que nous essayons toujours de résoudre dans le cadre du modèle standard de la physique.

Notre univers pourrait-il vraiment avoir plus d’une dimension temporelle ?

Rangez votre chapeau, assurez-vous que votre ceinture est bien fixée et accrochez-vous bien : Ce sera un voyage intéressant (et assez complexe) à travers la physique.

Einstein est à l’origine d’une grande partie de ce que nous savons sur le fonctionnement de l’univers à grande échelle. Ses théories de la relativité générale et de la relativité restreinte jouent un rôle important dans notre compréhension de la physique dans son ensemble, mais la théorie des cordes et la physique quantique, qui sont très importantes pour la discussion que nous allons avoir, n’en étaient qu’à leurs débuts lorsqu’Einstein est mort. Depuis lors, elles sont toutes deux devenues des hypothèses bien étoffées, mais certains de leurs aspects ne peuvent être conciliés avec les travaux d’Einstein. Avant d’entrer dans le vif du sujet, qu’est-ce qu’une dimension et comment savons-nous qu’elle existe ?

Commençons par les trois dimensions que nous rencontrons dans notre vie quotidienne : elles peuvent être résumées par la longueur, la largeur et la hauteur. Elle a simplement une longueur, mais pas d’épaisseur, et elle peut se déplacer indéfiniment dans les deux sens. Les objets bidimensionnels, par exemple un objet plat comme un cercle ou un carré, ont une largeur et une hauteur, mais pas de profondeur ni d’“épaisseur”. Tout ce qui a une longueur, une largeur et une hauteur est considéré comme tridimensionnel. Le temps, comme nous le savons, est la quatrième dimension, un peu plus insaisissable… c’est pourquoi le tissu de l’univers est officiellement appelé espace-temps au lieu de l’espace tout court.

C’est là que la discussion sur la théorie des cordes entre en jeu.

Alors, qu’est-ce que la théorie des cordes ?

La physique traditionnelle affirme que l’univers est composé de trois dimensions spatiales et d’une dimension temporelle. L’univers lui-même est en grande partie vide en volume, mais ce que nous pouvons observer n’est constitué que d’environ 5 % de “matière normale” (protons, électrons, neutrons, quarks, etc.), d’environ 27 % de matière noire, et des 68 % restants, attribuables à une force mystérieuse et inconnue, connue sous le nom d’énergie noire, qui serait à l’origine de l’expansion de l’univers.

La théorie des cordes, dans les termes les plus simples possibles, nous dit d’imaginer que le tissu même de l’univers et tout ce qu’il contient n’est pas composé de particules ponctuelles, mais plutôt de cordes incompréhensiblement petites – beaucoup plus petites que le plus petit atome.

Ces cordes vibrent à des fréquences qui leur sont propres, ce qui rend concevable le fait que ce que nous percevons comme des particules ponctuelles ne sont en fait pas du tout des particules, mais des cordes si minuscules qu’elles ne font “que 10^33 centimètres de long”. En écrivant à la manière longue, cela correspondrait à un point décimal suivi de 32 zéros puis d’un 1. Certains ont théorisé que la longueur d’une corde aurait le même rapport au diamètre d’un proton que le proton a au diamètre du système solaire.

Il existe deux types différents de ces cordes : l’une est ouverte et l’autre est fermée – bien que toutes deux soient trop petites pour être observées par la technologie actuelle. Comme leur nom l’indique, les cordes ouvertes ressemblent à des lignes ondulées dont les extrémités ne se touchent pas, alors que c’est l’inverse pour les cordes fermées – elles forment des boucles et n’ont pas d’extrémités ouvertes.

Cependant, pour que la théorie des cordes fonctionne, les mathématiques imposent l’existence de nombreuses dimensions supplémentaires d’espace et de temps. Si nous trouvions la preuve de l’existence de ces autres dimensions, et si le nombre de dimensions supplémentaires était compris entre 10 et 26, cela changerait non seulement notre compréhension de la physique quantique, mais nous nous rapprocherions également de la création d’une “théorie du tout” cohérente et crédible. Une théorie qui serait en accord à la fois avec la physique quantique et la macrophysique – comme les forces de la nature et la gravité, ce qui n’est pas une mince affaire.

Pourrait-il y avoir une dimension supplémentaire du temps ?

Comme d’habitude, un grand nombre de ces arguments théoriques reviennent sur les travaux d’Einstein. Si l’on ne tient pas compte de la croyance d’Einstein selon laquelle le temps pourrait simplement être une illusion très élaborée, la question de savoir s’il pourrait y avoir des dimensions supplémentaires du temps est tout à fait possible. En fait, en étudiant comment les forces fondamentales de la nature et les lois de la physique sont affectées par le temps, certains astronomes pensent que l’ajout d’au moins une dimension temporelle supplémentaire résoudrait l’un des plus gros problèmes cosmologiques restants.

Voyez-vous, nous ne savons toujours pas exactement ce qu’est la gravité, ni comment elle affecte pleinement la matière visible et invisible. Notre meilleure hypothèse, une fois de plus une théorie einsteinienne, dit que la gravité est la force créée par la déformation de l’espace-temps. Plus l’objet est grand, plus il déforme l’espace-temps qui l’entoure, et plus son attraction gravitationnelle devient forte. Tout cela serait bien beau si nous n’avions pas à marier nos théories de la gravité avec la théorie quantique, mais c’est le cas, et c’est là que réside le problème.

Notre compréhension actuelle de la gravité n’est tout simplement pas compatible avec d’autres éléments de la mécanique quantique. Les autres forces de la nature – la force électromagnétique et les forces nucléaires forte et faible – s’inscrivent toutes dans le cadre du micro-univers, mais pas la gravité. On espère que la théorie des cordes pourra peut-être aider à résoudre ce mystère. Au moins un physicien soutient que le temps n’est pas simplement unidimensionnel.

Itzhak Bars, un physicien théoricien de l’USC College, a déclaré à NewScientist : “Il n’y a pas qu’une seule dimension du temps, il y en a deux. Une dimension entière est passée jusqu’à présent totalement inaperçue pour nous.”

Il a également décrit comment les dimensions supplémentaires de l’espace pourraient exister “à la vue de tous” en disant : “Les dimensions supplémentaires de l’espace ne sont pas faciles à imaginer – dans la vie quotidienne, personne ne remarque jamais plus de trois. Tout mouvement que vous faites peut être décrit comme la somme des mouvements dans trois directions – de haut en bas, d’avant en arrière ou de côté. De même, tout lieu peut être décrit par trois nombres (sur Terre, latitude, longitude et altitude), correspondant aux trois dimensions de l’espace. D’autres dimensions pourraient cependant exister, si elles étaient enroulées en petites boules, trop petites pour être remarquées. Si vous vous déplaciez dans l’une de ces dimensions, vous reviendriez si vite à votre point de départ que vous ne vous rendriez jamais compte que vous vous êtes déplacé.”

“Une dimension supplémentaire de l’espace pourrait vraiment être là, elle est juste si petite que nous ne la voyons pas.”

Que signifieraient des dimensions supplémentaires du temps ?

Vous êtes arrivé jusqu’ici ? Félicitations. La conclusion vaut la peine de patauger dans toutes ces idées compliquées.

La physique soutient principalement que le temps doit être une dimension, mais il y a certainement des physiciens qui pensent que le temps n’est qu’une construction humaine. D’autres soutiennent qu’il doit y avoir plus de dimensions du temps que ce que l’on croyait auparavant. Si c’était vrai, qu’est-ce que cela signifierait pour la physique ?

Eh bien, pour Bars, cela signifierait : “Le feu vert à l’idée du voyage dans le temps. Si le temps est unidimensionnel, comme une ligne droite, la route reliant le passé, le présent et le futur est clairement définie. L’ajout d’une autre dimension transforme le temps en un plan bidimensionnel, comme une feuille de papier plate. Sur un tel plan, le chemin entre le passé et le futur se refermerait sur lui-même, permettant de voyager dans le passé et dans le futur. Cela permettrait toutes sortes de situations absurdes, comme le fameux paradoxe du grand-père. Dans ce scénario, vous pourriez revenir en arrière et tuer votre grand-père avant que votre mère ne soit qu’une lueur dans ses yeux, empêchant ainsi votre propre naissance.”

Le temps bidimensionnel a tout l’air d’être un échec. Pourtant, en 1995, lorsque Bars a trouvé des indices dans la théorie M (une théorie qui unifie toutes les versions cohérentes de la théorie des supercordes) indiquant qu’une dimension temporelle supplémentaire était possible, il a décidé d’y regarder de plus près. Il a alors découvert qu’une structure mathématique clé commune aux 11 dimensions supposées de la M-théorie (10 dimensions d’espace et 1 de temps) restait intacte lorsqu’il ajoutait une dimension supplémentaire. “À une condition”, dit Bars. “La dimension supplémentaire devait être semblable au temps.”

Que pensez-vous de la théorie des cordes, de la gravité quantique et des dimensions supplémentaires du temps ?

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Source : Interesting Engineering – Traduit par Anguille sous roche