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Le voyage dans le temps est un des grands thèmes de la science-fiction, au point d’être considéré comme un genre à part entière. L’idée d’aller revivre le passé ou de découvrir à l’avance le futur est un rêve humain causé par le fait que l’être humain avance dans le temps de manière permanente, mais irréversible (et, à l’état de veille, apparemment de façon linéaire).
La première mention d’un voyage dans le temps serait le personnage de Merlin l’Enchanteur dans le cycle arthurien des Chevaliers de la Table ronde, qui visitait les temps passés. Les Celtes croyaient en la possibilité de voyager dans le temps et dans un monde parallèle, à partir des tombes, des tertres ou de certains lieux. Mais la problématique du voyage dans le temps est assez liée à celle de l’oracle, qui existait déjà chez les Grecs et pouvait entraîner les mêmes paradoxes.
Les physiciens et les philosophes, tout autant que les auteurs de science-fiction, s’intéressent au voyage dans le temps, aux effets théoriques des voyages à la vitesse de la lumière et aux paradoxes logiques qui naîtraient d’un voyage dans le temps.
La relativité restreinte d’Albert Einstein (et, par extension, la relativité générale) autorise explicitement certaines dilatations du temps, ce qui ressemble à un « voyage dans le temps ». Par exemple, un voyageur se déplaçant dans l'espace à une vitesse proche de celle de la lumière (par rapport à la Terre) pourrait revenir des années après son départ dans le calendrier terrestre après un voyage qui n'aura duré que quelques jours pour lui.
Cependant, cet effet permet le « voyage dans le temps » seulement accéléré vers le futur. Et cela dit, même sans mouvement, nous voyageons déjà de toute façon du passé vers le futur.
Le voyage rétrograde dans le temps semble a priori hautement improbable. Il faudrait pour cela abandonner le postulat de causalité qui veut que l'effet ait obligatoirement lieu après la cause.
Si l'on renonce à ce principe, il faudra alors trouver comment le voyage dans le temps s'accommode d'actions qui risqueraient d'introduire des contradictions dans l'histoire — les fameux paradoxes temporels, largement abordés par les auteurs de science-fiction.
D'une certaine manière, dans l'hypothèse des univers parallèles, il n'y a plus ni problème avec les paradoxes ni violation de la causalité. En effet, s'il est possible de voyager de l'univers A vers l'univers B à une date antérieure, mais pas l'inverse, il suffit de convenir que les dates des deux univers soient décalées pour que la causalité soit respectée.
La notion de voyage dans le temps est indissolublement liée à une conception moderne du temps.
Dès les origines, c'est un procédé littéraire destiné à exposer les thèses d'un auteur sur sa vision de l'avenir. À ce point de vue, le procédé du voyage dans le temps est une variante, un aspect particulier du roman d'anticipation. Ainsi le thème du voyage dans le temps se confond, dès Herbert George Wells (La Machine à explorer le temps) avec une description de l'avenir à fort contenu politique, assez proche de celle de Jules Verne (Paris au XXe siècle), qui n'y recourt cependant pas : dès les premiers « romans scientifiques » dont le XIXe siècle sera si prolixe, anticipation et voyage dans le temps sont les deux aspects d'un même projet : décrire l'avenir, radieux ou inquiétant. Mais faire voyager le protagoniste dans le temps est un moyen commode de faire entendre en direct le point de vue contemporain, le « voyageur du temps » partageant naturellement les préjugés, les modes de pensée et les étonnements du lecteur. Ce décalage ne pouvait que tenter les romanciers par les possibilités narratives très intéressantes qu'il offrait.
Ainsi « l'explorateur du temps » de Wells, victorien et manifestement socialiste, décrit avec le recul de son temps la terrifiante société dégénérée de l'an 802701, avec maintes allusions, précisément, aux inventions apparaissant à l'époque de Wells : usines souterraines, mécanisation accélérée des villes, gratte-ciels, tours en fer, etc. Le Voyageur imprudent de René Barjavel reprend la même idée : avenir très lointain (« l'an 100 000 ») et dégénérescence biologique de l'Humanité, stupéfaction du voyageur temporel qui est, comme chez Wells, un scientifique apte à comprendre l'incompréhensible (le futur) et de le communiquer au lecteur.
L'idée de voyage dans le temps n'apparaît qu'avec l'idée de progrès, exactement avec la science-fiction et l'anticipation. S'il va de soi pour nous que le futur est censé apporter des changements, que l'avenir existe d'un point de vue philosophique, il n'en a pas toujours été ainsi. L'idée de voyager dans le temps n'aurait pas traversé l'esprit d'un grec de l'Antiquité, par exemple, car pour les anciens le temps était cyclique. De plus les changements étaient lents et peu perceptibles à l'échelle d'une vie humaine. Ce sera la notion de progrès, d'évolution, de changement qui modifiera notre vision du temps, considéré comme divisé en passé, présent, et avenir. Ces notions existaient certes, mais le « futur » n'était pas censé avoir un intérêt en soi: c'était sur un évènement à venir précis que l'on interrogeait la Pythie à Delphes. Les Grecs ne concevaient l'avenir que comme l'accomplissement du destin, connu des dieux seuls. Il n'y avait donc pas de « monde futur » ou de « temps à venir » tels que nous le comprenons. Ce sont des notions indissolublement liées à l'idée d'évolution et de progrès. Idées parfaitement étrangères aux anciens et au Moyen-âge.
L'idée que l'avenir va apporter des choses suffisamment étonnantes pour produire de l'intérêt romanesque n'apparait qu'à la Renaissance. Sans être un véritable roman de science-fiction, La Nouvelle Atlantide de Francis Bacon (1561-1626), est incontestablement une sorte de roman d'anticipation sur la cité de l'avenir régie par la sagesse et la science. Certes les voyageurs ne traversent pas le temps, mais les océans. Néanmoins c'est bien une cité « future » que Bacon nous décrit, et plus tout à fait une cité « idéale » comme Platon. Bacon décrit une société parfaite réalisable par la science, donc réalisable dans l'avenir.
Ce n'est que dans la deuxième moitié du XXème siècle que, le procédé narratif du voyage dans le temps étant usé, les auteurs vont s'intéresser aux paradoxes générés par cette hypothèse. En effet, voyager dans le temps, et notamment dans le passé, cela permet de court-circuiter le destin. Celui qui voyage dans le temps plus vite que le commun des mortels connaît l'avenir et peut y parer.
De ce point de vue, ce sont essentiellement aux liens de cause à effet que la SF va s'intéresser dans cette période, avec d'innombrables possibilités. (voir plus bas : « Conséquences des modifications du passé »).