Espace (notion) - Définition

Introduction

L'espace est avant tout une notion de et de qui désigne une étendue, abstraite ou non, ou encore la perception de cette étendue. Conceptuellement, il est synonyme de contenant aux bords indéterminés.

Mais l'espace prend de nombreux sens précis et propres à de multiples disciplines scientifiques dérivées de la géométrie. L'espace figure alors, de manière générale, un Tout ensembliste, mais structuré : le domaine de travail.

On parle encore d'espace pour désigner une certaine distance (l’espace entre deux personnes), une certaine surface (ce parc naturel couvre un espace considérable) ou un certain volume (ce placard occupe un grand espace).

Étymologie

Le mot vient du latin spatium, qui a la même signification que le terme en français. En ancien et moyen français, espace signifiait plutôt un laps de temps, une durée : le soleil occupait tout l'espace du jour.

Physique

En physique, la notion d’espace (et la façon dont celui-ci est modélisé mathématiquement) varie en fonction des conditions expérimentales:

• En mécanique classique, dont les lois expliquent la quasi-totalité des phénomènes survenant à échelle humaine, l’espace est modélisé comme un espace euclidien de dimension 3.
• La relativité restreinte, dont les lois prennent en compte le fait que la vitesse de la lumière est une constante quel que soit l’observateur, introduit un lien entre l’espace et le temps. L’espace-temps y est modélisé comme un Espace de Minkowski. Ces lois ne s’appliquent que dans un cadre restreint (pas d’accélération du référentiel, pas de gravité).
• En relativité générale, qui étend la mécanique classique en intégrant le fait que la vitesse de la lumière en excluant le caractère absolu du temps est une constante, l’espace, la matière et le temps sont liés. L’espace-temps est modélisé mathématiquement comme une variété de dimension 4, dont la courbure dépend du potentiel de gravitation. L’espace tangent (approximation de l’espace sur de petites distances et de petites durées, en ignorant la courbure) est un Espace de Minkowski. Les prédictions de la relativité générale ne s’écartent sensiblement des prédictions de la mécanique classique qu’à des champs de gravité extrêmement forts, ou à des vitesses extrêmement élevées.
• En mécanique quantique, qui étudie les phénomènes à des tailles tellement petites que les changements d’états ne sont plus continus, mais se font par saut (les quanta), l’espace est modélisé comme un espace euclidien de dimension 3, mais la notion de position n’existe plus, et est remplacée par la notion de fonction d'onde, ou nuage de probabilité. Position et mouvement y sont liés par le principe d'incertitude d'Heisenberg qui postule qu’ils ne peuvent être connus simultanément avec précision, ce qui rend impossible toute notion de trajectoire d’une particule. Bien qu’efficace pour prédire les phénomènes, cette modélisation pose des problèmes d’interprétation (voir par exemple École de Copenhague). Pour les calculs, la mécanique quantique ne considère pas la position du système étudié, mais son état. Les états des systèmes sont modélisés mathématiquement dans un espace de Hilbert. Dans cet espace aussi, les mouvements (changements d'état) sont discontinus.

L’espace physique, ou espace-temps, soulève plusieurs questions philosophiques:

• L’espace est-il absolu ou relatif ? En d’autres termes, que se passerait-il si l’on poussait l’univers entier de trois mètres dans une direction ? Pour la physique, l’espace-temps est relatif, et un résultat théorique majeur (Théorème de Noether) montre que cela explique les lois de conservation de la quantité de mouvement et de l’énergie.
• L’espace possède-t-il une géométrie propre ou la géométrie de l’espace est-elle uniquement une convention?

La question des caractéristiques de l’espace avait été abordée par

• Isaac Newton (l’espace est absolu),
• Gottfried Leibniz (l’espace est relatif)
• Henri Poincaré (la géométrie de l’espace est une convention).