Voyage dans le temps

Certaines théories, plus particulièrement la relativité restreinte et la relativité générale, suggèrent que des géométries appropriées de l’espace-temps ou des types spécifiques de mouvement dans l’espace pourraient permettre le voyage dans le temps vers le passé et le futur si ces géométries ou ces mouvements étaient possibles.:499 Dans des articles techniques, les physiciens discutent de la possibilité de courbes timelike fermées, qui sont des lignes du monde qui forment des boucles fermées dans l’espace-temps, permettant aux objets de retourner dans leur propre passé. On sait qu’il existe des solutions aux équations de la relativité générale qui décrivent des espaces-temps qui contiennent des courbes timelike fermées, comme l’espace-temps de Gödel, mais la plausibilité physique de ces solutions est incertaine.

De nombreux membres de la communauté scientifique pensent que le voyage dans le passé est hautement improbable. Toute théorie qui permettrait le voyage dans le temps introduirait des problèmes potentiels de causalité. L’exemple classique d’un problème impliquant la causalité est le « paradoxe du grand-père » : que se passerait-il si l’on remontait le temps et que l’on tuait son propre grand-père avant la conception de son père ? Certains physiciens, tels que Novikov et Deutsch, ont suggéré que ces sortes de paradoxes temporels peuvent être évités par le principe d’autoconsistance de Novikov ou une variation de l’interprétation des nombreux mondes avec des mondes en interaction.

Relativité générale

Le voyage dans le temps vers le passé est théoriquement possible dans certaines géométries de l’espace-temps de la relativité générale qui permettent de voyager plus vite que la vitesse de la lumière, comme les cordes cosmiques, les trous de ver traversables et les lecteurs d’Alcubierre.:33-130 La théorie de la relativité générale suggère une base scientifique pour la possibilité d’un voyage dans le passé dans certains scénarios inhabituels, bien que les arguments de la gravité semi-classique suggèrent que lorsque les effets quantiques sont incorporés dans la relativité générale, ces lacunes peuvent être comblées. Ces arguments semi-classiques ont conduit Stephen Hawking à formuler la conjecture de la protection de la chronologie, suggérant que les lois fondamentales de la nature empêchent le voyage dans le temps, mais les physiciens ne peuvent pas parvenir à un jugement définitif sur la question sans une théorie de la gravité quantique pour joindre la mécanique quantique et la relativité générale dans une théorie complètement unifiée.:150

Différentes géométries de l’espace-temps

La théorie de la relativité générale décrit l’univers sous un système d’équations de champ qui déterminent la métrique, ou fonction de distance, de l’espace-temps. Il existe des solutions exactes à ces équations qui incluent des courbes fermées semblables au temps, qui sont des lignes du monde qui se croisent elles-mêmes ; un certain point dans le futur causal de la ligne du monde est également dans son passé causal, une situation qui peut être décrite comme un voyage dans le temps. Une telle solution a été proposée pour la première fois par Kurt Gödel, une solution connue sous le nom de métrique de Gödel, mais sa solution (et celle d’autres) exige que l’univers ait des caractéristiques physiques qu’il ne semble pas avoir, :499 telles que la rotation et l’absence d’expansion de Hubble. La question de savoir si la relativité générale interdit les courbes temporelles fermées pour toutes les conditions réalistes fait encore l’objet de recherches.

Vortex

Les trous de ver sont un hypothétique espace-temps déformé permis par les équations de champ d’Einstein de la relativité générale.:100 Une machine de voyage dans le temps proposée utilisant un trou de ver traversable fonctionnerait hypothétiquement de la manière suivante : Une extrémité du vortex est accélérée jusqu’à une fraction significative de la vitesse de la lumière, peut-être à l’aide d’un système de propulsion avancé, puis ramenée au point d’origine. Une autre méthode consiste à prendre une entrée du vortex et à la déplacer dans le champ gravitationnel d’un objet qui a une gravité plus élevée que l’autre entrée, puis à la ramener à une position proche de l’autre entrée. Pour ces deux méthodes, la dilatation du temps fait que l’extrémité du vortex qui a été déplacée a moins vieilli, ou est devenue plus « jeune », que l’extrémité stationnaire, comme le voit un observateur extérieur ; cependant, le temps se connecte différemment à travers le vortex et à l’extérieur de celui-ci, de sorte que les horloges synchronisées aux deux extrémités du vortex resteront toujours synchronisées comme le voit un observateur passant à travers le vortex, quelle que soit la façon dont les deux extrémités se déplacent.Cela signifie qu’un observateur entrant dans l’extrémité « jeune » sortirait de l’extrémité « plus vieille » à un moment où elle avait le même âge que l’extrémité « plus jeune », remontant effectivement dans le temps comme le verrait un observateur de l’extérieur. Une limitation importante d’une telle machine à voyager dans le temps est qu’il n’est possible de remonter aussi loin dans le temps que la création initiale de la machine ;:503 par essence, il s’agit plus d’un chemin à travers le temps que d’un dispositif qui se déplace lui-même dans le temps, et il ne permettrait pas à la technologie elle-même d’être déplacée en arrière dans le temps.

Selon les théories actuelles sur la nature des trous de ver, la construction d’un trou de ver traversable nécessiterait l’existence d’une substance à énergie négative, souvent appelée « matière exotique ». Plus techniquement, l’espace-temps du trou de ver nécessite une distribution d’énergie qui viole diverses conditions énergétiques, telles que la condition d’énergie nulle ainsi que les conditions d’énergie faible, forte et dominante. Cependant, il est connu que les effets quantiques peuvent conduire à de petites violations mesurables de la condition d’énergie nulle :101 et de nombreux physiciens pensent que l’énergie négative requise peut en fait être possible grâce à l’effet Casimir en physique quantique. Bien que les premiers calculs aient suggéré qu’une très grande quantité d’énergie négative serait nécessaire, des calculs ultérieurs ont montré que la quantité d’énergie négative peut être rendue arbitrairement petite.

En 1993, Matt Visser a soutenu que les deux bouches d’un trou de ver avec une telle différence d’horloge induite ne pouvaient pas être réunies sans induire des effets de champ quantique et de gravitation qui feraient soit s’effondrer le trou de ver, soit que les deux bouches se repoussent. De ce fait, les deux bouches ne pourraient pas être rapprochées suffisamment pour que la violation de causalité ait lieu. Cependant, dans un article de 1997, Visser a émis l’hypothèse qu’une configuration complexe de type « anneau romain » (du nom de Tom Roman) constituée d’un nombre N de trous de ver disposés dans un polygone symétrique pourrait tout de même agir comme une machine à voyager dans le temps, bien qu’il conclue qu’il s’agit plus probablement d’une faille dans la théorie de la gravité quantique classique que de la preuve que la violation de causalité est possible.

Autres approches basées sur la relativité générale

Une autre approche implique un cylindre dense en rotation généralement appelé cylindre de Tipler, une solution GR découverte par Willem Jacob van Stockum en 1936 et Kornel Lanczos en 1924, mais non reconnue comme permettant des courbes fermées de type timelike :21 jusqu’à une analyse de Frank Tipler en 1974. Si un cylindre est infiniment long et tourne suffisamment vite autour de son axe long, un vaisseau spatial volant autour du cylindre sur une trajectoire en spirale pourrait voyager dans le temps (ou en avant, selon la direction de sa spirale). Cependant, la densité et la vitesse requises sont si grandes que la matière ordinaire n’est pas assez forte pour le construire. Un dispositif similaire pourrait être construit à partir d’une corde cosmique, mais on n’en connaît aucune, et il ne semble pas possible de créer une nouvelle corde cosmique. Le physicien Ronald Mallett tente de recréer les conditions d’un trou noir en rotation avec des lasers annulaires, afin de courber l’espace-temps et de permettre le voyage dans le temps.

Une objection plus fondamentale aux schémas de voyage dans le temps basés sur des cylindres en rotation ou des cordes cosmiques a été avancée par Stephen Hawking, qui a prouvé un théorème montrant que, selon la relativité générale, il est impossible de construire une machine à voyager dans le temps d’un type spécial (une « machine à voyager dans le temps avec l’horizon de Cauchy généré de manière compacte ») dans une région où la condition d’énergie faible est satisfaite, ce qui signifie que la région ne contient aucune matière avec une densité d’énergie négative (matière exotique). Les solutions telles que celle de Tipler supposent des cylindres de longueur infinie, qui sont plus faciles à analyser mathématiquement, et bien que Tipler ait suggéré qu’un cylindre fini pourrait produire des courbes fermées semblables au temps si le taux de rotation était suffisamment rapide169, il ne l’a pas prouvé. Mais Hawking souligne qu’en raison de son théorème, « il est impossible de le faire avec une densité d’énergie positive partout ! Je peux prouver que pour construire une machine à temps fini, il faut une énergie négative »:96 Ce résultat provient de l’article de Hawking de 1992 sur la conjecture de la protection de la chronologie, où il examine « le cas où les violations de causalité apparaissent dans une région finie de l’espace-temps sans singularités de courbure » et prouve qu' »il y aura un horizon de Cauchy qui est généré de manière compacte et qui contient en général une ou plusieurs géodésiques nulles fermées qui seront incomplètes. On peut définir des quantités géométriques qui mesurent l’augmentation de Lorentz et de l’aire en contournant ces géodésiques nulles fermées. Si la violation de causalité s’est développée à partir d’une surface initiale non compacte, la condition d’énergie faible moyennée doit être violée sur l’horizon de Cauchy. » Ce théorème n’exclut pas la possibilité de voyager dans le temps au moyen de machines temporelles avec les horizons de Cauchy générés de manière non compacte (comme la machine temporelle de Deutsch-Politzer) ou dans des régions qui contiennent de la matière exotique, ce qui serait utilisé pour les trous de ver traversables ou le disque d’Alcubierre et le trou noir.

Physique quantique

Théorème de non-communication

Lorsqu’un signal est envoyé d’un endroit et reçu à un autre endroit, alors tant que le signal se déplace à la vitesse de la lumière ou plus lentement, les mathématiques de la simultanéité dans la théorie de la relativité montrent que tous les référentiels s’accordent pour dire que l’événement de transmission s’est produit avant l’événement de réception. Lorsque le signal se déplace plus vite que la lumière, il est reçu avant d’être envoyé, dans tous les référentiels. On pourrait dire que le signal a reculé dans le temps. Ce scénario hypothétique est parfois appelé un antitéléphone tachyonique.

Les phénomènes de mécanique quantique tels que la téléportation quantique, le paradoxe EPR ou l’intrication quantique pourraient sembler créer un mécanisme permettant une communication plus rapide que la lumière (FTL) ou un voyage dans le temps, et en fait certaines interprétations de la mécanique quantique telles que l’interprétation de Bohm présument que certaines informations sont échangées entre les particules instantanément afin de maintenir les corrélations entre les particules. Cet effet a été appelé « spooky action at a distance » par Einstein.

Néanmoins, le fait que la causalité soit préservée dans la mécanique quantique est un résultat rigoureux dans les théories modernes des champs quantiques, et donc les théories modernes ne permettent pas le voyage dans le temps ou la communication FTL. Dans tous les cas spécifiques où la FTL a été revendiquée, une analyse plus détaillée a prouvé que pour obtenir un signal, une certaine forme de communication classique doit également être utilisée. Le théorème de non-communication donne également une preuve générale que l’intrication quantique ne peut pas être utilisée pour transmettre des informations plus rapidement que les signaux classiques.

Interaction de l’interprétation many-worlds

Une variante de l’interprétation many-worlds (MWI) de la mécanique quantique de Hugh Everett fournit une résolution au paradoxe du grand-père qui implique que le voyageur du temps arrive dans un univers différent de celui d’où il vient ; il a été argumenté que puisque le voyageur arrive dans l’histoire d’un univers différent et non dans sa propre histoire, il ne s’agit pas d’un voyage temporel « authentique ». L’interprétation acceptée des nombreux mondes suggère que tous les événements quantiques possibles peuvent se produire dans des histoires mutuellement exclusives. Toutefois, certaines variations permettent à différents univers d’interagir. Ce concept est le plus souvent utilisé dans la science-fiction, mais certains physiciens, comme David Deutsch, ont suggéré qu’un voyageur temporel devait se retrouver dans une histoire différente de celle de départ. D’autre part, Stephen Hawking a affirmé que même si le MWI est correct, nous devrions nous attendre à ce que chaque voyageur du temps fasse l’expérience d’une seule histoire cohérente, de sorte que les voyageurs du temps restent dans leur propre monde plutôt que de voyager dans un autre. Le physicien Allen Everett a affirmé que l’approche de Deutsch « implique de modifier les principes fondamentaux de la mécanique quantique ; elle va certainement au-delà de la simple adoption du MWI ». Everett soutient également que même si l’approche de Deutsch est correcte, elle impliquerait que tout objet macroscopique composé de plusieurs particules serait divisé lors d’un voyage dans le temps à travers un trou de ver, les différentes particules émergeant dans des mondes différents.

Résultats expérimentaux

Certaines expériences réalisées donnent l’impression d’une causalité inversée, mais ne parviennent pas à la démontrer lors d’un examen plus approfondi.

L’expérience d’effacement quantique à choix retardé réalisée par Marlan Scully implique des paires de photons intriqués qui sont divisés en « photons signaux » et « photons idlers », les photons signaux émergeant d’un des deux emplacements et leur position étant mesurée ultérieurement comme dans l’expérience de la double fente. En fonction de la façon dont le photon idler est mesuré, l’expérimentateur peut soit apprendre de quel endroit le photon signal a émergé, soit « effacer » cette information. Même si les photons du signal peuvent être mesurés avant que le choix n’ait été fait concernant les photons idlers, ce choix semble déterminer rétroactivement si une figure d’interférence est observée ou non lorsqu’on met en corrélation les mesures des photons idlers avec les photons du signal correspondants. Cependant, puisque l’interférence ne peut être observée qu’après que les photons idlers ont été mesurés et qu’ils ont été corrélés avec les photons de signal, il n’y a aucun moyen pour les expérimentateurs de dire quel choix sera fait à l’avance juste en regardant les photons de signal, seulement en recueillant des informations classiques du système entier ; ainsi la causalité est préservée.

L’expérience de Lijun Wang pourrait également montrer une violation de la causalité puisqu’elle a permis d’envoyer des paquets d’ondes à travers une ampoule de césium gazeux de telle sorte que le paquet semblait sortir de l’ampoule 62 nanosecondes avant son entrée, mais un paquet d’ondes n’est pas un objet unique bien défini mais plutôt une somme de multiples ondes de différentes fréquences (voir analyse de Fourier), et le paquet peut sembler se déplacer plus vite que la lumière ou même reculer dans le temps même si aucune des ondes pures de la somme ne le fait. Cet effet ne peut pas être utilisé pour envoyer de la matière, de l’énergie ou de l’information plus vite que la lumière, donc cette expérience est comprise comme ne violant pas non plus la causalité.

Les physiciens Günter Nimtz et Alfons Stahlhofen, de l’Université de Coblence, affirment avoir violé la théorie de la relativité d’Einstein en transmettant des photons plus vite que la vitesse de la lumière. Ils affirment avoir mené une expérience au cours de laquelle des photons micro-ondes ont voyagé « instantanément » entre une paire de prismes qui avaient été déplacés jusqu’à 3 pieds (0,91 m) de distance, en utilisant un phénomène connu sous le nom de tunnel quantique. Nimtz a déclaré au magazine New Scientist : « Pour l’instant, c’est la seule violation de la relativité restreinte que je connaisse. » Cependant, d’autres physiciens affirment que ce phénomène ne permet pas de transmettre des informations plus rapidement que la lumière. Aephraim Steinberg, expert en optique quantique à l’Université de Toronto, au Canada, utilise l’analogie d’un train allant de Chicago à New York, mais déposant des wagons à chaque station en cours de route, de sorte que le centre du train avance à chaque arrêt ; de cette façon, la vitesse du centre du train dépasse la vitesse de n’importe lequel des wagons individuels.

Shengwang Du prétend dans une revue à comité de lecture avoir observé les précurseurs des photons uniques, affirmant qu’ils ne voyagent pas plus vite que c dans le vide. Son expérience a impliqué une lumière lente ainsi que le passage de la lumière dans le vide. Il a généré deux photons uniques, en a fait passer un à travers des atomes de rubidium qui avaient été refroidis par un laser (ce qui a ralenti la lumière) et un autre à travers le vide. Les deux fois, apparemment, les précurseurs ont précédé les corps principaux des photons, et le précurseur a voyagé à la vitesse c dans le vide. Selon Du, cela implique qu’il n’y a aucune possibilité que la lumière voyage plus vite que c et, donc, aucune possibilité de violer la causalité.

Absence de voyageurs temporels du futur

Krononautes

Beaucoup ont affirmé que l’absence de voyageurs temporels du futur démontre qu’une telle technologie ne sera jamais développée, suggérant qu’elle est impossible. C’est une analogie avec le paradoxe de Fermi lié à l’absence de preuves de vie extraterrestre. De même que l’absence de visiteurs extraterrestres ne prouve pas catégoriquement qu’ils n’existent pas, l’absence de voyageurs dans le temps ne prouve pas que le voyage dans le temps est physiquement impossible ; il se pourrait que le voyage dans le temps soit physiquement possible mais qu’il ne soit jamais développé ou qu’il soit utilisé avec prudence. Carl Sagan a un jour suggéré la possibilité que les voyageurs temporels puissent être là mais qu’ils dissimulent leur existence ou ne soient pas reconnus comme tels. Certaines versions de la relativité générale suggèrent que le voyage dans le temps ne serait possible que dans une région de l’espace-temps qui est déformée d’une certaine manière, et que les voyageurs dans le temps ne pourraient donc pas remonter à des régions antérieures de l’espace-temps, avant que cette région n’existe. Stephen Hawking a déclaré que cela expliquerait pourquoi le monde n’a pas encore été envahi par des « touristes du futur ».

Plusieurs expériences ont été menées pour tenter d’inciter les humains du futur, qui pourraient inventer la technologie du voyage dans le temps, à revenir et à la démontrer aux personnes du temps présent. Des événements tels que le Destination Day de Perth ou la Time Traveler Convention du MIT ont fortement médiatisé les « annonces » permanentes d’une heure et d’un lieu de rencontre pour les futurs voyageurs du temps. En 1982, un groupe de Baltimore, dans le Maryland, se présentant comme les Krononautes, a organisé un événement de ce type accueillant des visiteurs venus du futur. Ces expériences n’avaient que la possibilité de générer un résultat positif démontrant l’existence du voyage dans le temps, mais elles ont échoué jusqu’à présent – aucun voyageur du temps n’est connu pour avoir participé à l’un ou l’autre événement. Certaines versions de l’interprétation des mondes multiples peuvent être utilisées pour suggérer que les humains du futur ont voyagé dans le temps, mais qu’ils se sont rendus au moment et au lieu de la rencontre dans un univers parallèle.