Kathleen V. Tatem
Questions fondamentales, expérimentalistes, direction du temps
Alors que les fondements de la physique deviennent une spécialisation en philosophie et un intérêt principalement pour les physiciens théoriques plutôt qu’expérimentaux, la physique expérimentale peut avoir des répercussions sur des questions fondamentales qui passent inaperçues. Ce poème résume une thèse qui comble le fossé entre les expérimentalistes et les philosophes, mettant en valeur une ligne d’enquête dans le débat sur l’origine de la direction du temps qui s’améliore lorsqu’elle dialogue avec l’expérience. Tout d’abord interprété au pub irlandais d’Anna O’Brien à Honolulu en 2017, puis dans d’autres lieux à travers Hawaï, au milieu des mouvements populaires visant à protéger les terres souveraines hawaïennes contre le développement de l’astronomie, ce poème narratif s’inspire des traditions rythmiques celtiques qui favorisent la guérison communautaire. Alors que les conflits s’intensifiaient au sein des sciences humaines, des sciences et du public à Hawaï, ce poème a été conçu pour engager et équilibrer les groupes polarisés. Annonçant l’abondance des possibilités physiques, des théories de la physique alternatives et des interprétations philosophiques, ainsi que des connaissances existantes méconnues, ce poème créait une brève pause, une occasion d’imaginer des résultats inattendus. Lisez-le à voix haute ; il a été écrit pour être entendu.
Qu’une seule particule rayonnante
À l’intérieur d’une cavité supraconductrice,
Une cavité qui n’a intrinsèquement aucune absorption thermique à sa frontière ?
Et si nous y mettions une amibe à l’intérieur ?
Vieillirait-elle ?
Ou arrêterions-nous le temps ?
Quelle est l’origine physique de la direction du temps ?
Une question philosophique,
Mais une question que des expériences futures pourraient décider,
Et où mon voyage intellectuel me mènera,
Je ne sais pas,
Mais je laisse mes souvenirs du futur être mon guide.
Étrange,
N’est-ce pas ?
Si vous commencez à
Y réfléchir.
Que sommes-nous, vraiment ?
Quelle est la nature fondamentale
De notre expérience ?
La physique rend le banal étrange,
Rend les événements quotidiens
Mystérieux.
Quelles régularités cachées
Se trouvent à notre portée ?
Quels sont les schémas de la nature ?
Quelles mathématiques avons-nous besoin ?
Un modèle mathématique de l’univers,
C’est ce que recherchent les physiciens.
Mais en tant que philosophe,
Je m’intéresse à ce qui se cache en dessous,
La métaphysique dans la physique,
C’est ce que je cherche,
Lire entre les lignes des mathématiques,
Avoir une explication métaphysique,
Pas seulement une équation mathématique utile.
Il y a un problème philosophique en physique,
Appelé le problème de la direction du temps.
C’est un problème qui se situe à l’intersection même
Où la physique et la philosophie s’entremêlent.
Mon objectif ce soir est de soutenir,
Que cette controverse peut être résolue grâce à l’expérience,
Et que si une idée est correcte,
Alors pour un système isolé, nous pouvons arrêter le temps.
Microscopiquement, il y a une réversibilité.
C’est ce que nous appelons la symétrie temporelle.
Il suffit de substituer “moins t”,
Juste une valeur négative du temps,
Dans les équations du mouvement.
Cela inverse la direction de la vitesse,
Et vous obtenez la trajectoire exactement inverse.
Chaque particule finira là où elle a commencé,
Exactement là où vous vous y attendriez.
Et maintenant, cela nous amène vraiment à la question.
Puisque les lois du mouvement sont symétriques par rapport à l’inversion temporelle,
Il y a tellement plus de chemins physiquement possibles que ce à quoi on s’attendrait.
Les lois de la physique permettent des événements miraculeux,
Des choses que nous n’avons jamais détectées,
Des choses comme un œuf qui se recolle,
Comme un verre brisé qui se reconstitue,
Comme une bière qui se déverse à l’envers,
Comme de l’eau qui se déverse sans éclaboussures,
Le problème est que rien dans les lois de la physique n’explique pourquoi ces choses étranges ne se produisent pas.
Mais pour que cela se produise,
Il faudrait une force très particulière,
Sur chaque particule,
Dirigée d’une manière ou d’une autre vers le haut à partir du sol.
D’une manière ou d’une autre, faire en sorte que le verre brisé se répare spontanément.
Mais un flux spontané d’énergie de ce genre n’est pas quelque chose que nous observons.
Cela nécessiterait une diminution de l’entropie,
La mesure du désordre, de la possibilité,
La mesure des arrangements microscopiques possibles en dessous,
Du système macroscopique que nous observons.
Tout cela est résumé dans la science de la chaleur.
Dérivée de la mécanique statistique,
Il s’agit de la deuxième loi de la thermodynamique,
Selon laquelle l’entropie d’un système ne peut rester constante ou augmenter,
Si le système est isolé, c’est-à-dire si aucune énergie n’entre ou ne sort.
C’est une loi qui établit une direction du temps,
Car elle rend les processus irréversibles bien définis.
Dans les processus réversibles, l’entropie reste la même,
Mais dans les processus irréversibles, il y a un gain d’entropie.
Il y a écrasante-ment plus de façons possibles,
Que les particules subatomiques pourraient être disposées,
Mais à notre niveau, le système semblerait toujours inchangé.
Il est possible que le verre se recombine spontanément,
Mais cette probabilité est tellement faible qu’elle ne compte pratiquement pas.
Il existe tellement plus d’arrangements microscopiques compatibles
Avec le verre qui reste brisé.
Mais simplement compter un grand nombre d’états microscopiques possibles,
N’explique pas pleinement pourquoi un verre ne se répare pas.
Il y a autre chose que nous devons postuler,
C’est que nous pouvons égaliser
La probabilité de chaque micro-état compatible avec un macro-état,
Cela signifie que la chance de chaque micro-état de se produire est la même.
Si le temps évolue vers l’avant, il devient probable que l’entropie augmente,
Mais il y a encore un problème ici,
En raison de la symétrie dans le temps.
Si le temps évolue vers l’arrière, l’entropie augmentera toujours,
Contrairement à l’expérience – ce n’est pas quelque chose que nous voulons supposer.
C’est ce qui a amené les philosophes à considérer,
L’origine de la direction du temps,
Comme quelque chose qui prend naissance,
Au moment du Big Bang,
Le moment de la conception de l’univers,
Où le fait que rien n’existait avant le Big Bang,
Signifie que vous ne pouvez évoluer dans le temps que dans une seule direction.
Et ainsi, en thermodynamique,
Le problème de la direction du temps peut être résolu,
Si vous appliquez le postulat selon lequel la probabilité de chaque micro-état est la même,
Seulement au moment du Big Bang, puis laissez le temps évoluer.
Mais maintenant, considérez le problème du rayonnement électromagnétique,
Dans lequel les particules chargées émettent de la lumière lorsqu’elles sont accélérées.
Considérez principalement l’argument qui a été soulevé,
Sur la façon dont l’asymétrie temporelle découle de ces ondes.
Dans son article avec Einstein en 1909,
Walter Ritz a soutenu que le rayonnement est responsable de l’asymétrie observée dans le temps.
Selon sa théorie, vous n’avez pas besoin de considérer la probabilité ;
La direction du temps découle directement de la théorie électromagnétique.
Si vous êtes physicien, cela peut sembler déroutant,
Car les lois de l’électrodynamique sont symétriques par rapport au temps, tout comme celles de Newton.
Expérimentalement, nous n’observons que le rayonnement allant du passé vers le futur.
Dans le scénario inversé dans le temps, la lumière devrait s’effondrer,
Mais c’est quelque chose que nous ne voyons jamais en laboratoire,
Et donc la théorie doit supposer une certaine condition limite.
La règle générale est d’ignorer les solutions où la lumière va du futur vers le passé.
Elles fonctionnent tout aussi bien, mais ne remettez pas cela en question, ne demandez pas.
Certains diraient que c’est le seul devoir d’un scientifique,
Prédire les données qu’ils voient en laboratoire.
Ces solutions négligées sont appelées les champs avancés,
Et il est vrai que les utiliser peut sembler vraiment étrange.
Cela semble violer la causalité,
Et crée une image étrange de la réalité.
C’est comme dire que le futur influence la façon dont le passé sera.
Mais en réalité, mathématiquement, pour ce type d’équations,
La somme de deux solutions résout également le problème de la même manière.
Vous pouvez résoudre les équations d’électrodynamique en utilisant une somme d’ondes entrantes et sortantes.
Cela peut sembler violer votre intuition,
Mais c’est simplement une description des ondes se déplaçant en superposition.
Notez que la somme de ces solutions a une symétrie temporelle.
Maintenant, je vais décrire une découverte analytique récente,
Réalisée par Pardis Niknejadi, une physicienne de l’Université d’Hawaï.
Elle a montré que si vous supposez les conditions limites habituelles,
Les lois de l’électrodynamique sont violées ou l’énergie n’est pas conservée.
Elle a également émis l’hypothèse d’une expérience pour rechercher l’existence des champs avancés,
Les champs se déplaçant en sens inverse.
Et cela serait très important,
Car on pensait que ces champs avancés n’étaient pas vraiment réels.
J’ai réalisé que cela change le débat sur la direction du temps,
Car certains philosophes s’opposent encore à Einstein.
Par exemple, un philosophe de la physique nommé Mathias Frisch,
Soutient que vous devriez laisser l’électrodynamique telle quelle.
Il affirme qu’il n’y a aucun problème du tout,
Il suffit de considérer l’asymétrie temporelle dans les champs de rayonnement comme une nouvelle loi fondamentale.
D’autres ne sont pas d’accord, bien sûr,
Notamment la philosophe de la physique Jill North,
Qui a soutenu qu’il existe une symétrie temporelle fondamentale dans le rayonnement,
Mais que la direction du temps observée découle de la probabilité, et non des équations.
Si vous êtes familier avec l’argument sur la façon dont nous observons le rayonnement de fond cosmique micro-ondes, ou CMB,
Vous verrez qu’elle argumente de manière similaire.
Les champs de rayonnement avancés sont simplement quelque chose que nous ne voyons plus,
Un peu comme les interactions de physique des particules qui se sont produites lorsque la chaleur était plus élevée.
Dans les premiers stades de l’univers, la lumière pouvait voyager vers le passé,
Mais à mesure que l’univers se refroidissait et se dilatait, ce processus ne durait pas.
La théorie de Frisch a déjà été écartée analytiquement,
Mais cela serait également le cas pour celle de North si Niknejadi trouve des champs avancés en laboratoire.
Quelque chose que je devrais mentionner, c’est que tout cela concerne le rayonnement dans l’espace libre.
Mais qu’en est-il du rayonnement confiné ?
Une étude sur le rayonnement dans une boîte a même remporté un prix Nobel.
Dans une expérience menée par Serge Haroche,
Il a découvert dans son laboratoire les champs se déplaçant en sens inverse.
Une particule accélérée ne rayonnait que,
Lorsque les ondes de rayonnement étaient compatibles avec les bords de la boîte,
Ce qui a causé une petite surprise.
C’est comme si la boîte avait un effet sur l’horloge interne de la particule.
Comment savait-elle à quoi ressemblaient les bords de la boîte ?
Elle n’avait pas encore émis de rayonnement,
Il n’y avait donc pas de rebond de lumière.
La seule explication :
Les champs avancés se déplaçant depuis le futur portaient cette information.
Mais malgré tout, cette découverte n’a pas été largement acceptée.
On pensait peut-être que seul dans les espaces confinés le rayonnement avait une symétrie temporelle.
Maintenant, j’aimerais conclure avec une hypothèse proposée par le physicien John Madey,
Selon laquelle nous pourrions peut-être arrêter le temps, peut-être.
Vous voyez, dans l’article de Niknejadi, elle favorisait une théorie de Feynman et Wheeler,
Qui est tout aussi réussie que les autres théories, mais n’était pas prise au sérieux parce qu’elle est plus étrange.
Si un arbre tombe dans la forêt et que personne n’est là pour l’entendre, fait-il du bruit ?
Vous pouvez poser une question analogue ici et elle est assez profonde.
Une particule rayonnera-t-elle dans l’espace vide indéfiniment ?
Ou faut-il qu’il y ait un matériau absorbant autour ?
Feynman et Wheeler répondent “non” à cette question.
Ils supposent que même dans l’espace libre,
Pour qu’une particule rayonne,
Il doit y avoir une frontière thermodynamiquement absorbante au loin,
Sinon aucune lumière ne s’échappera,
Même si une particule s’accélère,
Ou plutôt, elle ne s’accélérerait tout simplement pas,
Car d’une certaine manière,
Elle attend,
Les informations provenant de ces ondes avancées
Du futur,
Pour lui parler de la forme des frontières.
Leur théorie est symétrique par rapport au temps,
Mais la direction du temps provient,
Vous pouvez le deviner,
Des probabilités dans la frontière thermiquement absorbante au loin.
Madey a suggéré,
Et si nous mettions quelque chose de plus grand qu’une simple particule rayonnante
À l’intérieur d’une cavité supraconductrice,
Une cavité qui n’a intrinsèquement aucune absorption thermique à sa frontière ?
Et si nous y mettions une amibe à l’intérieur ?
Vieillirait-elle ?
Ou arrêterions-nous le temps ?
Quelle est l’origine physique de la direction du temps ?
Une question philosophique,
Mais une question que des expériences futures pourraient décider,
Et où mon voyage intellectuel me mènera,
Je ne sais pas,
Mais je laisse simplement mes souvenirs du futur être mon guide.
Citations :
-Albert, David Z. Time and Chance. Cambridge, MA: Harvard University Press, 2000.
-Einstein, A. “On the Present Status of the Radiation Problem.” Physikalische Zeitschrift 10, no. 56 (1909): 185–193. https://einsteinpapers.press.princeton.edu/vol2-trans/371.
-Frisch, Mathias. “(Dis-)Solving the Puzzle of the Arrow of Radiation.” British Journal for the Philosophy of Science 51, no. 3 (2000): 381–410. https://doi.org/10.1093/bjps/51.3.381.
-Haroche, Serge. “Nobel Lecture: Controlling photons in a box and exploring the quantum to classical boundary.* Reviews of Modern Physics 85, no. 3 (2013): 1083. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.85.1083.
-Niknejadi, Pardis, John M. J. Madey, and Jeremy M. D. Kowalczyk. “Radiated power and radiation reaction forces of coherently oscillating charged particles in classical electrodynamics. Physical Review Letters D 91, no. 9 (2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevD.91.096006.
-North, Jill. “Understanding the Time-Asymmetry of Radiation.” Philosophy of Science 70, no. 5 (2003): 1086–1097. https://doi.org/10.1086/377391.
-Ritz, W. and A. Einstein. “On the Present Status of the Radiation Problem.” Physikalische Zeitschrift 10, no. 57 (1909): 323–324. http://einsteinpapers.press.princeton.edu/vol2-trans/390.
-Tatem, Kathleen V. “A Direction of Time in Time-Symmetric Electrodynamics.” MA Thesis, Columbia University Academic Commons, 2017. https://doi.org/10.7916/D89C74V4.
-Wheeler, John Archibald and Richard Phillips Feynman. “Classical Electrodynamics in terms of Direct Interparticle Action.” Reviews of Modern Physics 21, no. 3 (1949): 425-433. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.21.425.
