Le temps en physique

Le temps (du latin tempus) est une notion fondamentale de la Nature dans son sens de temps qui passe. " Les physiciens, écrit Etienne Klein, n'essaient pas de résoudre directement la délicate question de la nature du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) (...). Ils cherchent plutôt la meilleure façon de représenter le temps. " Ceci visant précisément à mieux appréhender le problème de la mesure physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la nature ;...) du temps et des prédictions qui s'y rapportent.

Héraclite et les atomistes proposaient de confondre la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) avec le mouvement. Selon eux, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) est mobile. En étudiant la chute des corps, Galilée (Galilée ou Galileo Galilei (né à Pise le 15 février 1564 et mort à Arcetri près de Florence, le 8 janvier 1642) est un physicien et astronome italien du XVIIe siècle, célèbre pour...) fut le premier à considérer le temps comme une grandeur quantifiable qui permettait de relier mathématiquement les expériences. C'est ainsi qu'en choisissant le temps comme paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) fondamental, il en déduit que la vitesse (On distingue :) acquise par un corps en chute libre est simplement proportionnelle à la durée de sa chute. La première figuration du temps fut une ligne (par après, une ligne orientée dans un seul sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie...), ou flèche du temps) composée d'une suite d'instants infinitésimaux.

Les interactions de la matière dans l'espace (définis comme phénomènes physiques) nécessitent un degré de liberté (La notion de degré de liberté recouvre plusieurs notions en sciences et ingénierie :) (une dimension) : le temps. Ce degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) de liberté peut être représenté ou figuré par une dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de révolution.) d'espace, suivant une correspondance (La correspondance est un échange de courrier généralement prolongé sur une longue période. Le terme désigne des échanges de courrier personnels plutôt qu'administratifs.) donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.) par un déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens En...) à vitesse constante, tandis que les autres dimensions de la représentation peuvent toujours servir à représenter des dimensions spatiales. Ainsi peut-on figurer dans un plan ce qui a lieu sur une droite au cours du temps via un déplacement de cette droite à vitesse constante, et figurer dans l'espace usuel ce qui a lieu dans un plan au cours du temps. Ce mode de représentation du temps sous forme spatiale permet de saisir sous certains aspects la manière dont le temps est relié à l'espace en relativité, laquelle décrit un continuum de l'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise notamment par Minkowski en 1908 dans un exposé mathématique sur...), suivant les termes d'Einstein. Il est possible d'envisager des longueurs ou des durées aussi petites que l'on veut.

Le temps scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) et le temps psychologique

On distingue traditionnellement deux dimensions conceptuelles vis-à-vis du temps. La première peut être qualifiée d'objective : mathématisée, elle correspond au temps étudié par la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir...) physique et que les philosophes désignent usuellement par le terme de " temps. " Coexiste avec cette première voie de conceptualisation une dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une...) plus subjective du temps, soulevant principalement la problématique de sa perception par l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme...). Il ne s'agit pas seulement de la perception des durées, mais plus généralement de la compréhension de l'écoulement du temps.

La première de ces deux dimensions, le temps objectif, est affaire de mesure et de grandeur, lesquelles sont définies en rapport à une horloge invariable. L'unité légale du temps dans le système international est la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La...) (et ses multiples), mais la quantification de cette unité a varié au cours de l'histoire.

Le temps subjectif peut, en première approche, être défini comme l'altération psychologique du temps objectif. En " temps subjectif " les secondes peuvent paraître des heures et les heures, des secondes. La durée (i.e. l'impression subjective du temps) dépend particulièrement des émotions ressenties par la personne qui l'évalue. Autrement dit, il existe une horloge subjective et variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un algorithme. En statistiques, une variable peut aussi...), qui bat la mesure en raison inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y =...) de la concentration du sujet... Pour le sujet très pris par son activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) (par exemple quand il s'amuse), l'horloge bat très lentement, il ne s'écoule que quelques battements et le sujet " ne voit pas le temps passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.). " Inversement, quand on s'ennuie ou qu'une situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un cadre plus général afin de le qualifier à...) est dramatique (lors d'un accident, par exemple), les phénomènes semblent se ralentir (l'attention cherche un appui), les battements s'accélèrent et on " trouve le temps long. "

Toutefois, temps objectif et subjectifs ne suffisent pas à donner une vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) complète de la complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par exemple par Henri Atlan), en sociologie, en...) posée par la conceptualisation du temps. Premièrement, ce qui semblait objectif pour les premiers astronomes – pionniers de l'estimation du temps – s'est révélé bien subjectif, les premières mesures venues. Par la suite, plusieurs révolutions conceptuelles ont pris le contrepied d'un modèle du temps objectif absolu et indépendant des phénomènes physiques. La relativité de la mesure du temps n'est ainsi pas l'apanage de la condition humaine.

Deux domaines des sciences ont des implications profondes avec le temps : la physique et la biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de l'histoire naturelle des êtres vivants (ou...). Pour les physiciens, le temps a une importance cruciale dans la formalisation des systèmes et des lois de la Nature. D'abord considéré comme un paramètre, le temps a acquis une stature (La taille humaine ou stature, est la hauteur d'un être humain. En général, si on la compare aux autres données anthropométriques, la stature...) nouvelle avec la Théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont fait un important champ d'étude, tant théorique...). Les biologistes ne peuvent pas non plus ignorer le temps, puisque l'essentiel de l'étude du vivant a affaire avec les interactions dynamiques et les ajustements au cours du temps, quelle que soit l'échelle considérée : de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative,...) de l'évolution à la multiplication (La multiplication est l'une des quatre opérations de l'arithmétique élémentaire avec l'addition, la soustraction et la division .) des microbes, le temps impose son cours. L'étude des différentes conceptualisations du temps en physique est cependant riche d'enseignements généraux et sera abordée en premier.

Le temps instantané de la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres...) classique

Le temps " scientifique ", qui hérite directement des idées aristotéliciennes, apparaît pour ainsi dire soudainement avec la révolution de la mécanique en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité occidentale du continent...), au début du XVIIe siècle. Avec la formalisation mathématique (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les nombres, les figures, les structures et les...) du système galiléo-newtonien, le temps est défini comme un cadre absolu, un repère inaltérable. Temps et espace constituent dans la mécanique dite " classique " les éléments indépendants d'un référentiel au pouvoir qu'on pourrait qualifier de régalien : les phénomènes physiques y trouvent leur place en tant que produits des lois, lesquelles sont totalement subordonnées au couple d'absolus formé par l'espace et le temps – ce qui constitue une formalisation simple et élégante de la causalité, tout à fait intuitive pour le non scientifique.

Cette vision du monde (Le mot monde peut désigner :) physique vient en fait directement d'Aristote ; elle n'en a pas moins constitué une grande avancée dans la conceptualisation du temps car elle acquière, par les mathématiques, un statut nouveau : démystifié, débarrassé de ses attributs divins, le temps n'est plus considéré comme une qualité mais déjà comme une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.). Cela est notamment lié aux progrès effectués dans la mesure du temps : le Moyen Âge a vu l'horlogerie se développer considérablement, et l'idée d'un temps universel (Le Temps universel (TU, ou en anglais UT) est une échelle de temps basée sur la rotation de la Terre. Il s'agit de la prolongation moderne du temps moyen de Greenwich (GMT, Greenwich Mean Time), qui...), sur la base duquel tous ces instruments de mesure pourraient être synchronisés, transparait finalement dans la physique et la pensée scientifique.

Ainsi, le temps prend le contre-pied de la superstition... mais aussi de l'histoire. C'est la naissance du premier temps physique construit, grâce au calcul différentiel (Un différentiel est un système mécanique qui a pour fonction de distribuer une vitesse de rotation de façon adaptative aux besoins d'un ensemble mécanique.). Exprimé sous la forme d'un rapport entre deux moments successifs, d'une " transformation invariante ", le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant...) continu qu'est le temps en mécanique classique perd dès lors de sa substance : les lois absolues ne considèrent en effet que les conditions initiales et leur devenir au cours du temps désormais mathématisé. Un tel temps, sans consistance propre, si éloigné de l'ontologie, fera dire à Kant que le temps est, non pas du tout une catégorie a priori de l'entendement, mais la forme a priori de la subjectivité humaine. Pour le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui...) en mécanique classique, il s'agit très pragmatiquement de considérer que le temps n'est plus une qualité, comme chez la majorité des penseurs grecs, mais un mode de l'être et une condition de son devenir. Ainsi, un corps change, se déplace, mais le temps vient avec lui, dans son absolue (L'absolue est un extrait obtenu à partir d’une concrète ou d’un résinoïde par extraction à l’éthanol à température ambiante ou plus généralement par chauffe,...) invariabilité, comme une " persévérance de l'être. " Il doit donc être supposé régulier – immuablement régulier : le calcul différentiel construit et donne naissance au temps instantané, qui fixe une fois pour toutes les relations de la causalité et de la logique (La logique (du grec logikê, dérivé de logos (λόγος), terme inventé par Xénocrate signifiant à...) (les lois de la Nature). Cette conceptualisation du temps fut d'abord géométrique ; la mécanique analytique (La mécanique classique peut être écrite (formalisée) de différentes manières. La plus courante est la formulation de Newton, qui utilise la notion de force : elle est de loin...) de Lagrange aidera à affiner la physique du mouvement sur la base de ce temps newtonien.

Le temps dépendant de la Relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels non-inertiels, est une théorie relativiste...)

À l'époque du modèle newtonien, tous les physiciens ne sont pas en accord avec le modèle de temps et d'espace absolus qui prévaut désormais. Ainsi, Ernst Mach considérait-il le temps comme un moyen d'exprimer facilement certaines relations entre les phénomènes, à l'instar de Leibniz. Cette façon de voir les choses peut sembler saugrenue à la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm...) de la physique classique. Pourtant, les développements théoriques de Lorentz jusqu'à nos jours lui donneront, en partie tout du moins, raison.

Un temps malléable

Divers problèmes et contradictions amenèrent les physiciens du XIXe siècle à réexaminer la mécanique classique. Poincaré en propose une vue historique d'intérêt dans son ouvrage La Valeur de la Science. En ce qui concerne le temps, l'essentiel du changement intervient avec Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le 18 avril 1955 à Princeton, New Jersey) est un physicien...), et tout premièrement avec la relativité restreinte (On nomme relativité restreinte une première version de la théorie de la relativité, émise en 1905 par Albert Einstein, qui ne considérait pas la question des accélérations d'un référentiel, ni les interactions d'origine...). Dans cette théorie, " ce qui se propose en premier, ce sont les phénomènes – et non la mesure – : le temps et l'espace en termes desquels nous représentons ces phénomènes sont construits de manière à permettre une représentation adéquate de ces derniers.[1] " Pour comprendre le bouleversement conceptuel relatif au temps, il suffit de savoir qu'Einstein entreprend de relier deux théories alors incompatibles, ou tout du moins contradictoires : la mécanique et l'électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude des phénomènes électriques et magnétiques dans leur synthèse du champ électromagnétique : le champ électromagnétique est...). La première exprime le principe de relativité (Le principe de relativité affirme que les lois physiques sont les mêmes pour tous les observateurs. Ou, ce qui revient au même, que les lois physiques doivent...), qui est déjà connu (Galilée l'exprimait déjà) ; la seconde stipule (En botanique, les stipules sont des pièces foliaires, au nombre de deux, en forme de feuilles réduites située de part et d'autre du pétiole, à sa base, au point d'insertion sur la tige.) notamment que la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant...) est constante, indépendamment du mouvement de la source qui l'émet (donc, fondamentalement, non relative). Afin d'unifier ses deux approches, le physicien va non seulement construire mais redéfinir le temps et l'espace (donc les notions de mouvement et de vitesse). Temps et espace, exprimés comme un couple par l'espace-temps de Minkowski, deviennent dépendants des propriétés générales des phénomènes, i.e. des principes explicités ci-avant. Il s'agit là d'une rupture forte avec la mécanique classique, qui s'exprimait à travers un temps absolu et immuable. La relativité générale impose ce diktat des phénomènes sur le temps à tous les types de mouvements, et non plus seulement au mouvement inertiel.

Elle montre en effet, via des équations complexes, que l'espace-temps est déformé par la présence de matière, et que cela se manifeste par une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles...) que nous appelons la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.). Selon Albert Einstein, temps, espace et matière ne peuvent exister l'un sans l'autre. Plus encore, elle inverse l'ordre habituel de causalité : ce ne sont plus le temps et l'espace qui sont le cadre des phénomènes mettant en jeu la matière, mais les corps qui influent principalement sur le temps et l'espace. Le temps regagne ici quelque matérialité, ce qu'il avait perdu chez Newton. L'ordre des événements, la succession, est inséparable de la causalité, et plus spécifiquement, des propriétés de la lumière. Kant l'avait déjà vu en partie, mais il croyait que la simultanéité (La notion de simultanéité est intuitive dans un univers, celui de Newton, où le temps est absolu et où temps et espace sont indépendants. Dans l'univers de la relativité restreinte proposé en 1905 par Albert Einstein, les notions...) était déterminée par une relation de causalité réciproque (La réciproque est une relation d'implication.). C'est qu'il pensait en termes de choses, comme le soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...) et la terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...), non en termes d'événements. De plus, si pour Kant les propriétés du temps étaient liées à une expérience, si elles n'avaient aucune nécessité logique apodictique, il ne s'agissait pas de l'expérience physique, mais de celle de notre propre sens intime, ou plutôt de sa forme a priori. Cette vision est certainement non intuitive pour le commun des mortels : un temps qui se dilate ou se raccourcit semble bien irréel. Il est pourtant celui qui permet d'expliquer des phénomènes comme la périhélie (Le périhélie est le point de l'orbite d'un corps céleste (planète, comète, etc.) qui est le plus rapproché du Soleil (grec : helios) autour duquel il tourne.) de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité...) Mercure ou les lentilles gravitationnelles, tout en étant compatible avec notre observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique...) quotidienne du monde. Le trou noir (Le Trou noir (The Black Hole) est un film de science-fiction réalisé par Gary Nelson, produit par la Walt Disney Pictures et sorti en 1979. L'histoire est...) constitue un exemple spectaculaire des propriétés théoriques du temps relativiste lorsque considéré à des vitesses proches de celle de la lumière.

Le lien entre espace et temps a également pour conséquence que la notion de simultanéité perd de son absolu : tout dépend de l'observateur. Ce phénomène ne fait pas non plus partie du sens commun, car il n'est visible que si les observateurs se déplacent l'un par rapport à l'autre à des vitesses relativement élevées par rapport à la vitesse de la lumière. De façon générale, la théorie de la relativité nous indique que le temps objectif du physicien n'en est pas moins variable (ce qui se traduit par local en termes d'espace-temps). La mesure du temps est différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application...) d'un référentiel à un autre, quand leurs vitesses respectives sont différentes l'une par rapport à l'autre. Cette condition nous permet de parler de réintroduire la notion de simultanéité : il y a là une simultanéité " objective " locale, un faux plus vrai que le vrai.

L'écoulement du temps relativiste

Les équations des théories physiques considèrent donc aujourd'hui le temps comme relatif. Les équations de la physique sont symétriques par rapport à une translation dans le temps. Le théorème (Un théorème est une proposition qui peut être mathématiquement démontrée, c'est-à-dire une assertion qui peut être établie comme vraie au travers d'un raisonnement logique construit à...) de Noether, établi en 1918, montre que cette propriété implique l'existence d'une quantité, l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), qui se conserve quelles que soient les interactions entre objets. En même temps que de fabuleuses avancées théoriques et pratiques, la relativité a apporté de nouvelles questions quant à la nature intime du temps. Beaucoup ont à voir avec son écoulement, ce qui les rapproche des interrogations usuelles de l'homme.

Savoir si l'écoulement du temps a des extrémités, un début, une fin, est une question qui a motivé de très nombreux scientifiques de tous champs disciplinaires, et qui renvoie bien sûr aux innombrables croyances sur la genèse et la fin du monde. Du point (Graphie) de vue scientifique, de nombreuses observations, interprétées dans le cadre de la théorie de la relativité générale, ont permis d'établir la théorie du Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que...), selon laquelle l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) aurait eu un début, où seraient apparus le temps, l'espace et la matière tels qu'on les comprend aujourd'hui. Selon les connaissances actuelles, le temps relativiste aurait commencé il y a environ 13,7 milliards d'années. Le fait que le temps ait eu un début, et que la question " qu'y avait-il avant le début du temps ? " n'ait pas de sens est extrêmement difficile à se représenter. Parmi les observations qui ont permis de confirmer la théorie du Big Bang – dans le sens où cette théorie leur donne une explication cohérente – figurent le décalage vers le rouge (Le décalage vers le rouge ou redshift est un phénomène astronomique de décalage vers les grandes longueurs d'onde des raies spectrales et de l'ensemble du spectre...) du spectre lumineux émis par les étoiles lointaines, ainsi que l'existence d'un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) cosmique provenant de toutes les directions de l'univers, correspondant à un rayonnement du corps noir (En physique, un corps noir désigne un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend que de sa température. En pratique, un tel objet matériel n'existe pas, mais il...) de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfert de...) 2,73 kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et s'écrivent en minuscule (« kelvin » et non...)[2].

Le temps cosmique (En cosmologie, le temps cosmique désigne une quantité qui intervient dans un modèle cosmologique homogène et isotrope.) en relativité

Tous ces questionnements posent une question plus large, celle de la définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les...) d'un temps cosmique : le temps général prévalant dans l'Univers, " ultime. " Dans la physique newtonienne, le temps absolu joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et...) pleinement ce rôle ; toutefois, il exclut par son existence même la possibilité de tout phénomène également absolu – i.e. d'échelle cosmique : l'Univers physique – si bien que la définition d'un temps cosmique parce qu'absolu semble aujourd'hui erronée – notamment à la lumière de la relativité générale. La théorie de la relativité, précisément, n'offre pas de modèle préconçu concernant un tel temps cosmique : au cours du XXe siècle, de nombreuses théories cosmologiques ont été proposées. Parmi elles, ce sont les modèles liés à la théorie du Big Bang qui semblent les plus probables, car les plus en accord avec les principes généraux de la relativité. Ce sont également les modèles qui offrent les meilleures formalisations d'un temps cosmique et permettent d'étudier l'évolution de l'Univers : le déroulement du temps y est logique d'après le point de vue humain, car linéaire, unidirectionnel... Pourtant, la définition d'un temps cosmique dans le cadre du Big Bang a apporté une énigme de plus : en " remontant " le cours du temps, il existe une limite infranchissable à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons...), qu'on appelle le temps de Planck (Le temps de Planck, également appelé échelle de Planck est, en physique, une unité de temps qui fait partie du système des unités de Planck. Notée tP.). Avant ce moment de la vie (La vie est le nom donné :) cosmique, les théories actuelles ne tiennent plus et la connaissance ne peut plus être ne serait-ce qu'extrapolée, car la science a besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins...) d'espace et de temps pour exister. Que peut-elle faire, quels indices logiques peut-elle nous donner, si elle prédit l'écroulement de ses propres fondations ? Un nouveau cadre conceptuel est ici à inventer, si tant est qu'il puisse s'en trouver un.

Une autre interrogation plus riche d'enseignements concerne donc la nature de l'écoulement du temps, depuis le premier moment de son existence (le fameux temps de Planck) : son cours est-il régulier ? Le système newtonien imposait évidemment un temps rigide. La relativité impose tout aussi naturellement un temps élastique[3], mais on a vu comment cette transformation s'est opérée par une redéfinition conceptuelle complexe, où le temps acquiert un double rôle de référentiel et de substance malléable. Enfin, on peut s'interroger sur le sens de l'écoulement du temps. Intuitivement, nous posons le temps comme unidirectionnel, tel une marche (La marche (le pléonasme marche à pied est également souvent utilisé) est un mode de locomotion naturel. Il consiste en un déplacement en appui alternatif sur les jambes, en position debout et en...) en avant du passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur...) vers le futur. Le langage exprime d'ailleurs les rapports entre les différents moments du temps linéaire avec une grande richesse. Toutefois, de nombreuses lois physiques sont, mathématiquement, réversibles sur la flèche du temps.

La flèche du temps

Les équations de la physique sont en effet bien souvent symétriques par rapport à une " inversion temps. " C'est le cas de toutes les équations qui décrivent les phénomènes à une échelle microscopique. Ainsi, si on passe l'enregistrement d'une interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact...) physique se produisant à échelle microscopique, il est impossible de dire si l'enregistrement est passé à l'endroit ou à l'envers.

Pourtant, à l'échelle macroscopique, certains phénomènes ne peuvent évidemment pas se passer à l'envers. Ainsi, un œuf qui tombe par terre et qui se casse, ne rebondira jamais sur la table dans le même état qu'avant sa chute fatale. Un autre exemple peut-être moins trivial mais quotidien est la transmission d'énergie thermique (L'énergie thermique est l'énergie cinétique d'un objet, qui est due à une agitation désordonnée de ses molécules et de ses atomes. Les transferts d'énergie thermique...) entre corps, laquelle se fait toujours du corps le plus chaud vers le corps le plus froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) – jamais l'inverse. La deuxième loi de la thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre. La...), dont l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...) est l'évolution de l'entropie (En thermodynamique, l'entropie est une fonction d'état introduite au milieu du XIXe siècle par Rudolf Clausius dans le cadre du second principe, d'après les travaux de Carnot[1]. Clausius...) au cours des échanges de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !), postule que l'entropie d'un système isolé ne peut qu'augmenter, et donne donc une loi physique non symétrique par rapport au temps. Ludwig Boltzmann a tenté d'expliquer comment des phénomènes réversibles par rapport au temps à l'échelle microscopique peuvent conduire à une flèche du temps évidente à l'échelle macroscopique. Pour cela, il a développé la physique statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une méthode...), où les probabilités jouent un rôle très important.[4] L'explication actuelle, portée par la physique quantique, qui étudie les interactions aux plus petites échelles de la matière, repose sur l'idée simple de... complexité. À l'échelle microscopique, les constituants que sont les atomes ont un comportement individuel erratique qu'on peut modéliser fidèlement par voie statistique – jusqu'à approcher la complète certitude pour certaines propriétés. Mais même une simple aiguille de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus...) contient des milliards de milliards d'atomes : " notre inaptitude à préciser exactement quelle est la configuration microscopique du système ne permet de caractériser celui-ci qu'avec un certain flou[5]. " Lorsque la cohésion d'un tel système est brisée ou seulement modifiée, les interactions des particules entre elles diluent l'information connue dans la complexité incroyablement grande de la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) d'évolution du système. Perte d'information, ou par équivalence, croissance du désordre moléculaire, engendrent sur la base de lois réversibles des comportements déterministes à notre échelle de vie. L'entropie est une mesure de ce désordre de la matière, dont la portée a été étendue à d'autres disciplines, notamment en Théorie de l'information. Ainsi, la flèche du temps s'appuie sur le cours du temps causal, et introduit l'idée d'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de...) pour certains phénomènes.

L'irréversibilité (La réversibilité et l’irréversibilité sont des concepts importants en physique et tout particulièrement en thermodynamique.) du temps, qui est exactement pour nous la direction de son écoulement, passe donc par la définition d'une orientation générale. Par exemple, " l'entropie apparaît comme indicateur du sens d'évolution [d'un réaction macroscopique] et sa croissance dans le temps mesure le degré d'irréversibilité d'un processus.[5] " À examiner le monde tel qu'il nous est donné, que ce soit par la physique ou par nos sens, flèche du temps et direction semblent cohérents. Les " énergistes " du XIXe siècle pointaient pourtant le manque de bon sens qui caractérisait selon eux l'atomisme (L'atomisme est une théorie philosophique proposant une conception d'un univers composé de matière et de vide. Selon les atomistes, les atomes composant l'univers sont tous de même substance et ne diffèrent les uns des autres que par leurs...) et en particulier, la thermodynamique. Il est vrai que la réversibilité à l'échelle microscopique semble aller contre le temps ; mais ils se trompaient en désignant par flèche du temps son cours. Newton n'avait pas fait cette erreur, et sans avoir eu a examiner ce problème, avait déjà compris que le concept de flèche du temps est différent de celui de l'irréversibilité : une loi physique peut bien être réversible sur le papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se...), les évènements qui en sont l'illustration, qu'ils se produisent à l'endroit ou à l'envers par rapport au temps intuitif (tel l'œuf qui se casse ou se recompose), ces évènements n'en sont pas moins inscrits dans le cours du temps, dans sa progression – ils adviennent. L'idée de remonter le temps, notamment, au sens d'en annuler son déroulement et d'en inverser le cours, est fondamentalement contre-intuitive. La thermodynamique en donne des exemples. Une autre illustration, en physique relativiste, est le cas de la lumière piégée dans un trou noir : elle parcourt une géodésique (En géométrie, une géodésique désigne le chemin le plus court, ou l'un des chemins s'il en existe plusieurs, entre deux points d'un espace une fois qu'on s'est donné un moyen de mesurer les distances, c’est-à-dire-une...) de l'espace-temps refermée sur elle-même, de sorte que pour elle le temps est figé ou annulé, ou quelque chose de cet ordre ; et on peut imaginer en effet que les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit...) puissent remonter le cours du temps " sur eux-mêmes. " Mais il ne s'agit-là que de spéculation, pour ne pas dire d'une interprétation erronée ; la pensée scientifique incite à considérer que seule la science-fiction (La science-fiction, prononcée /sjɑ̃s.fik.sjɔ̃/ (abrégé en SF), est un genre narratif (principalement littéraire et cinématographique)...) détient le séduisant pouvoir de donner une réalité au voyage (Un voyage est un déplacement effectué vers un point plus ou moins éloigné dans un but personnel (tourisme) ou professionnel (affaires). Le voyage s'est considérablement développé et démocratisé, au cours du...) temporel dans le passé.

La physique quantique et la thermodynamique nous apprennent que, fondamentalement, le grand mystère de l'Univers semble résider dans ses conditions initiales. En effet, la flèche du temps manifeste, ou porte, sans qu'on ne sache trop bien, l'importance critique des conditions initiales face à l'évolution d'un système, qui du réversible, passe au déterminé à travers le déterminisme chaotique. Ce problème des conditions initiales reste entier, mais suggère de nouvelles et intéressantes pistes de réflexion sur le temps, lesquelles permettront, peut-être ? de dépasser les limites actuelles des modèles théoriques scientifiques et philosophiques, en construisant ou en découvrant un " temps causal unifié. "

Pour l'heure (L'heure est une unité de mesure  :), c'est donc la flèche du temps qui porte le concept moderne de temps, aussi bien en sciences qu'ailleurs. Ainsi, la physique n'impose pas une flèche du temps universelle : la biologie introduit son propre cours immuable des choses, et on peut réfléchir à une flèche du temps psychologique. Et la physique elle-même a mis à jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le...) plusieurs flèches du temps, adaptées à l'un ou l'autre de ses champs disciplinaires : on trouve ainsi pêle-mêle la flèche gravitationnelle, qui voit son expression la plus spectaculaire dans l'effondrement stellaire ; la flèche radiative, qui révèle que toute source radiative est vouée à s'éteindre ; la flèche thermodynamique, explicitée ci-avant ; ou encore la flèche quantique... Nous nous créons intuitivement notre propre flèche du temps, du passé vers le futur, mais il est vrai que nous sommes plus sensibles aux durées qu'à la direction du temps – aussi la science conserve t-elle un " monopole " de l'étude des flèches temporelles. La diversité de ces modélisations est peut-être un indice de leur imperfection.

Le temps dans différents domaines de la physique

Utilisation de la vitesse de la lumière

La vitesse limite ne pouvant être dépassée est (jusqu'à preuve du contraire) égale à c, c'est-à-dire la vitesse de la lumière dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) (soit 299 792 458 mètres par seconde), une des constantes de l'univers physique. Cette vitesse intervient directement dans des phénomènes physiques courants, à savoir en l'occurrence la propagation dans le vide des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) électromagnétiques dont fait partie la lumière; la propagation de ces ondes dans l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et...) se faisant à une vitesse légèrement plus faible mais encore proche de c. C'est pourquoi on l'utilise parfois comme unité de référence pour exprimer des vitesses, exprimer ou mesurer des distances très grandes (la distance de la Terre au Soleil est de 150 millions de km ou 8 minutes-lumière). Les mesures exactes de durées et les corrections aux calculs qui s'y rapportent conformément à la relativité sont nécessaires au fonctionnement des systèmes de positionnement (On peut définir le positionnement comme un choix stratégique qui cherche à donner à une offre (produit, marque ou enseigne) une position crédible, différente et attractive au sein d’un marché et dans l’esprit des clients...) comme le GPS, à cause de la précision très grande requise sur les mesures de temps sur lesquelles ils reposent (les temps d'arrivée de signaux électromagnétiques de satellites (Satellite peut faire référence à :) permettant de calculer les distances à ces satellites et donc la position).

Ainsi, la seconde est définie comme égale à 9 192 631 770 périodes de la radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par...) de transition entre les deux niveaux hyperfins d'énergie de l'état fondamental (En physique quantique, les états fondamentaux d'un système sont les états quantiques de plus basse énergie. Tout état d'énergie supérieure à celle des états fondamentaux est un état excité.) de l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple...) de césium (Le césium est un élément chimique de symbole Cs et de numéro atomique 55.) 133; elle sert de base à la définition de l'unité d'espace (le mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la...), défini comme distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 seconde).

Physique Newtonienne et temps linéaire

Voir physique classique

Vers 1665, lorsque Isaac Newton (Sir Isaac Newton était un philosophe, mathématicien, physicien et astronome anglais né le 4 janvier 1643 du calendrier grégorien[1] au manoir de Woolsthorpe près...) tira de la chute des corps sous l'influence de la gravité, la première formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits homogènes, stables et possédant des propriétés spécifiques, en mélangeant...) claire de physique mathématique du traitement du temps : temps linéaire, conçu comme une horloge universelle.

Thermodynamique et le paradoxe (Un paradoxe est une proposition qui contient ou semble contenir une contradiction logique, ou un raisonnement qui, bien que sans faille apparente, aboutit à une absurdité, ou encore, une situation qui contredit l'intuition commune. Le...) d'irréversibilité

1812 - Fourier publie sa Théorie analytique de la chaleur. 1824 - Sadi Carnot analysa scientifiquement le moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à...) à vapeur ()

1ère loi de la thermodynamique - ou loi de conservation (En physique, une loi de conservation (rien ne se perd, rien ne se crée) exprime qu'une propriété mesurable particulière d'un système physique isolé reste constante au...) de l' énergie

2nde loi de la thermodynamique - la loi d'entropie (1850 - Clausius)

E = ... (énergie thermique)
ds = ...
\frac{\partial ^2T}{\partial t^2} =\frac{\partial T}{\partial x}

Les équations thermodynamiques, et en particulier la notion d'entropie, donnent au temps un sens, en introduisant la nécessité de l'irréversibilité. L'entropie d'un système isolé ne peut être que croissante au cours du temps.

La physique d'Einstein et le temps

Albert Einstein
Cet article de physique fait
partie de la série relativité
Bases
histoire - théorie
Lorentz - Einstein - Mach
transformation de Lorentz
Feynman - Poincaré - Michelson
espace-temps-c - E=mc² - t
EQR
exp:Michelson et Morley
exp:pensée?-éther
jumeaux-train
relativité restreinte-générale
théorie de la relativité
controverse historique
Techniques
cyclotron (Le cyclotron est un type d’accélérateur circulaire inventé par Ernest Orlando Lawrence en 1931. Dans un cyclotron, les particules placées dans un champ magnétique suivent une...)
accélérateur de particules (Les accélérateurs de particules sont des instruments qui utilisent des champs électriques et/ou magnétiques pour amener des particules chargées électriquement à des vitesses élevées. En...)
Méta
article
Liens physique
Formulaire

En 1875, Lorentz découvrit la transformation de Lorentz, découverte aussi en 1887 par W. Voigt, dont on se sert dans la théorie de la relativité d'Einstein publiée en 1905, au lieu des équations de transformation de Galilée (Les transformations de Galilée désigne le groupe de transformations qui permet de lier deux systèmes de coordonnées de deux référentiels galiléens, c'est-à-dire en mouvement relatif uniforme en...). Cette théorie est basée sur le postulat que la vitesse de la lumière est la même quel que soit le référentiel d'inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa vitesse (vectorielle). Ainsi, un corps immobile ou en mouvement rectiligne uniforme (se déplaçant sur une droite à...) à partir duquel on la calcule.

La théorie de la relativité d'Einstein utilise la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle,...) de Riemann, qui emploie le tenseur métrique décrivant l'espace de Minkowski : [(dx1)2 + (dx2)2 + (dx3)2c2(dt)2)], pour développer une solution géométrique à la transformation de Lorentz qui préserve les équations de Maxwell (Les équations de Maxwell, aussi appelées équations de Maxwell-Lorentz, sont des lois fondamentales de la physique. Elles constituent les postulats de base de l'électromagnétisme, avec...).

La théorie d'Einstein est basée sur l'hypothèse que tous les référentiels d'inertie sont équivalents en ce qui concerne toutes les lois de la physique. Sa théorie, simple et élégante, montre que la mesure du temps est différente d'un référentiel d'inertie à l'autre, c'est-à-dire qu'il n'existe pas de temps universel et unique. Chaque référentiel d'inertie possède sa propre mesure du temps.

Physique quantique et temps

Voir aussi mécanique quantique (Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques qu'on regroupe sous l'appellation générale de...).

L'une des inégalités de Heisenberg, {\Delta}E \, \cdot \, {\Delta}t  \ {\ge} \ \frac{\hbar}{2} , lie l'incertitude sur le temps de vie d'un système quantique et la mesure de son énergie. Pour simplifier, plus on connaît l'énergie d'une particule avec précision, moins on sait la situer dans le temps, et plus on en sait sur sa position dans le temps, moins on connaît son énergie. Cette inégalité peut avoir des conséquences remarquables, notamment en physique des particules : les interactions entre particules, assimilables (en première approximation) à des chocs, sont si brèves que l'incertitude sur l'énergie échangée est très grande. En fait, le terme incertitude est lui-même impropre, voir à ce sujet l'article concernant le principe d'incertitude. Or, comme d'après la célèbre équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre...) E=mc², la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps...) est liée à l'énergie en jeu, de nouvelles particules peuvent apparaître de cette énergie, qui d'un point de vue extérieur semble venir de nulle part.

Systèmes dynamiques

Voir systèmes dynamiques et théorie du chaos, structures dissipatives

On pourrait dire que le temps est la paramétrisation d'un système dynamique qui permet de révéler et d'agir sur la géométrie du système. Il a été affirmé que le temps est une conséquence implicite du chaos (c'est-à-dire sa non-linéarité/ son irréversibilité): le temps caractéristique, d'un système. Benoit Mandelbrot introduit le temps intrinsèque dans son livre Multifractales and bruit 1/f.

Bibliographie

  • La Recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques....) Hors série n°5 avril 2001 " Le temps "
  • Le temps, Marc Wetzel, Quintette collection "Philosopher", Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au...), 2006, ISBN 2868500269
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