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Questions autour du temps

Si seule la science-fiction nous fait voyager vers le passé, la question du temps a depuis toujours inspiré poètes et philosophes. Il n’est que de lire ces vers de Ronsard : " Le temps s’en va, le temps s’en va, ma Dame, / Las ! Le temps, non, mais nous nous en allons / …". Cette permanence du temps, dans laquelle tous les changements s’inscrivent, est au cœur de toute la physique moderne.

question de temps vignetteL'horloge, symbole du temps qui passe.
© Guy Marty

Tout le monde croit savoir ce qu’est le temps. La preuve, nous sommes tous capables de distinguer, sans aucune ambiguïté, le passé du présent ou le présent du futur (sauf des personnes atteintes de maladies neurologiques, telles que la maladie d’Alzheimer, …). Et aucun de nous n’ignore la succession des saisons, ni ce que l’on nomme le cycle de la vie, celle-ci s’achevant irrémédiablement par la mort.

Pourtant, qui serait en mesure de donner une définition précise du temps ? Essayons donc de nous faire aider, par le Petit Robert par exemple : "milieu indéfini où paraissent se dérouler irréversiblement les existences dans leur changement, les événements et les phénomènes dans leur succession". Ou encore par le dictionnaire encyclopédique Hachette : "celle des dimensions de l’Univers selon laquelle semble s’ordonner la succession irréversible des phénomènes". Ces définitions nous disent certes quelque chose de la manière dont nous vivons le temps, mais l’on reste clairement sur sa faim. Comme si toute notre expérience quotidienne se déployait dans une dimension apparemment perceptible du temps, sans que nous sachions dire ce que c’est vraiment, à l’instar du Bourgeois gentilhomme qui faisait de la prose sans le savoir.

Le plus étrange est que pour les physiciens eux-mêmes, dont l’on aurait attendu qu’ils nous sortent de cette impasse, le temps reste une énigme. Les découvertes du siècle dernier et les recherches d’aujourd’hui ont remis et remettent en question nombre de choses que l’on pensait avoir comprises.

01.Le temps existe-t-il ?

ClepsydreLa clepsydre mesurait le temps par l'écoulement d'une certaine quantité d'eau d'un récipient à l'autre. Inventée par les Égyptiens, les Grecs l'ont perfectionnée pour la rendre plus précise (ajout d'un cadran et d'une aiguille), la transformant ainsi en véritable instrument de mesure.
© Ministère hellénique de la Culture-Berceau de la démocratie-2003 / Musée de l'Agora - Tout droit réservé
Depuis des millénaires,
les hommes ont observé le mouvement des étoiles et des planètes et ainsi remarqué leur périodicité. Ils ont construit des outils de mesure du temps pour se repérer dans leur vie quotidienne, des horloges à eau (clepsydres) jusqu’aux horloges mécaniques, en passant par les cadrans solaires. Ils ont établi des calendriers. Mais ce n’est qu’à une période relativement récente que le temps a été introduit comme paramètre clé en physique et, surtout, a commencé à acquérir une véritable existence objective. On le doit au célèbre Galilée (1564-1642), ce savant italien originaire de Pise qui dut subir la violence de l’Inquisition pour avoir affirmé que la Terre tourne autour du Soleil. Nos ancêtres étaient-ils à ce point dépourvus de toute notion de temps ?

À la fois oui et non pourrions-nous répondre. Oui, si nous nous fondons sur ce que la physique moderne nous apprend du temps. Non, si nous nous référons aux multiples conceptions du temps qui ont eu cours dans l’histoire des hommes, et qui montrent à quel point cette énigme du temps occupa une place centrale dans la pensée, qu’elle fût mythique ou rationnelle. Des cultures indiennes aux cultures africaines, de la Grèce antique à la Chine ou à l’Inde, du judaïsme au christianisme et à l’Islam, … chaque civilisation et/ou culture a produit une réflexion souvent très élaborée sur le temps. Chaque être humain a donc toujours eu une certaine perception du temps, différente selon la culture dans laquelle il évoluait.

Que nous disent toutes ces perceptions sur ce qu’est véritablement le temps ? Rien, ou presque, affirme sans ambages Étienne Klein, physicien au Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) : "Ce n’est pas le temps lui-même que nous percevons, mais certaines manifestations de la durée, des changements, ou bien la répétition de divers phénomènes. Notre rapport au temps est également marqué par la connaissance que nous avons de notre finitude. Ce sont ces ruptures ou ces évolutions qui nous suggèrent qu’il y a du temps." Ce que l’on perçoit, ce ne sont donc que les effets du temps, indique le chercheur. Bref, quand nous croyons percevoir du temps, nous percevons en fait de la durée.

Galilée, le premier temps mathématique

Le génie de Galilée aura été de mettre en avant un temps mathématique, un temps qui s’écoule dans un seul sens, sans que rien ne puisse affecter son cours, et qui se moque de nos contingences. Ce temps mathématique est en rupture totale avec l’intuition humaine : "Nous avons tendance à confondre le temps avec les phénomènes temporels. Nous parlons de temps biologique, ou géologique, ou encore de temps psychologique…, comme s’il y avait toutes sortes de temps différents, poursuit Étienne Klein, le temps tel qu’il est défini par Galilée est, lui, totalement indépendant de ce qui se passe en son sein."

Quel est ce temps soudainement devenu si abstrait ? "C’est un temps mathématiséPortrait de GaliléeAu XVIIe siècle, le physicien et astronome italien Galilée (1564-1642) fut le premier à affirmer que la Terre tournait autour du Soleil. Il mit aussi en avant un temps mathématique, qui s'écoule dans un seul sens sans que rien ne puisse affecter son cours.
© AIP Emilio Segre Visual Archives
qui permet de traduire par des lois simples certaines lois naturelles", répond le physicien. La première loi étudiée par Galilée fut celle de la chute des corps. Il énonçait que la vitesse de chute d’un corps était proportionnelle à la durée de sa chute, contredisant ainsi l’idée intuitive selon laquelle un corps de masse importante aurait dû tomber plus vite qu’un corps de moindre masse. Galilée est donc le premier à poser le temps comme une dimension dans laquelle s’inscrivent les phénomènes que nous observons. D’un système de coordonnées en (x, y, z), on est passé à un système avec une nouvelle dimension, celle du temps (x, y, z, t). Avec ce temps abstrait, on pouvait mesurer des durées. Mais, justement, ne les mesure-t-on pas depuis la nuit des temps ? "Les durées que l’on mesure, ce n’est pas exactement le temps : une durée correspond toujours à du temps habillé d’espace, ou projeté dans l’espace", ajoute Étienne Klein, au risque de nous embrouiller un peu plus. Exemples : les clepsydres s’appuyaient sur l’écoulement de l’eau, les cadrans solaires sur le déplacement d’une ombre portée, les horloges utilisent le balancement d’un pendule, les montres l’action d’un ressort, …

La trouvaille de Galilée a consisté à établir une séparation entre le temps et les phénomènes qui se produisent dans le temps. La chose n’allait bien sûr pas de soi, reconnaît notre interlocuteur : "Pour un non scientifique, l’une des difficultés à intégrer ce concept, aujourd’hui encore, vient de notre vocabulaire même : dans le langage de tous les jours, nous parlons du temps comme avant Galilée." C’est pourtant cette véritable révolution dans l’appréhension du temps qui va donner naissance à la physique moderne.

02.Le temps est-il absolu ou relatif ?

Portrait d'EinsteinEinstein, par sa théorie de la relativité, mit en avant en 1905 une relation inédite entre espace et temps : pour deux observateurs, situés dans deux référentiels en mouvement l’un par rapport à l’autre, le temps n’est pas le même.
© AIP Emilio Segre Visual Archives
Dans un livre adressé au grand public que Albert Einstein
(1879-1955) a cosigné avec Leopold Infeld, l’un de ses collaborateurs de Princeton (États-Unis), nous lisons ces mots : "La découverte et l’emploi du raisonnement scientifique par Galilée est une des conquêtes les plus importantes dans l’histoire de la pensée humaine […]. Cette découverte nous a appris qu’il ne faut pas toujours se fier aux conclusions intuitives basées sur l’observation immédiate, car elles conduisent parfois à des fils conducteurs trompeurs."* Einstein savait, ô combien, de quoi il parlait. À la faveur de ses découvertes, le temps de la physique allait encore s’éloigner un peu plus de l’intuition que nous pensions en avoir. Mais entre Galilée et Einstein, les aventures du temps ont connu bien d’autres épisodes.

Isaac Newton (1643-1727) va se saisir du temps galiléen pour en faire l’un des paramètres fondamentaux de toute la mécanique. Il en donne une définition dans sa grande œuvre (Les principes mathématiques de la philosophie naturelle), le décrivant comme un paramètre à une dimension qui s’écoule uniformément du passé vers l’avenir. Donc deux possibilités : il pouvait soit être représenté par une ligne circulaire, soit par une ligne droite. Mais comment décider entre un temps linéaire et un temps cyclique ? "Ce ne pouvait être un cercle, car un temps cyclique ne respecte pas le principe de causalité", explique Étienne Klein.

Quel est ce principe que tous les physiciens semblent admettre, mais aussi la plupart d’entre-nous sans même nous en rendre compte ? Il dit simplement que tout événement est l’effet d’une cause qui le précède dans le temps ; ou encore que, si un événement a lieu, il sera à jamais exclu de le défaire ou vain de le nier : "Autrement dit, on est sûr d’une chose : il nous est impossible de modifier le passé. Ce qui est extraordinaire, c’est que la physique a permis d’éprouver cette vérité restée longtemps à l’état de postulat", ajoute le chercheur.

De Newton à la théorie de la relativité

La preuve expérimentale de l’impossibilité de voyager dans le passé a en effet été apportée en 1932 grâce à la découverte de l’antimatière, dont l’existence avait été prédite par les théoriciens. Mais auparavant, d’autres étapes majeures ont été franchies.

Les équations de Newton ont par exemple commencé à montrer quelques insuffisances. Leur utilisation sous-entendait que tous les phénomènes étaient réversibles dans le temps, c’est-à-dire que tout système évoluant d’un état A vers un état B pouvait retrouver, dans son futur, l’état A. Cela fonctionnait au niveau microscopique (des atomes ou des molécules), mais contredisait nombre d’observations à notre échelle : "Par exemple, dit Étienne Klein, a-t-on jamais vu un morceau de sucre se reconstituer après avoir fondu dans une tasse de café ?" Le physicien autrichien Ludwig E. Boltzmann (1844-1906) formalisera pour la première fois cette notion d’irréversibilité.
Portrait de NewtonIsaac Newton (1643-1727) va se saisir du temps galiléen pour en faire l’un des paramètres fondamentaux de toute la mécanique. Il le décrit comme un paramètre à une dimension qui s'écoule uniformément du passé vers l'avenir.
© AIP Emilio Segre Visual Archives

Mais la véritable révolution est celle induite par la théorie de la relativité, en 1905. De cette théorie élaborée par Einstein, il résulte une relation totalement inédite entre espace et temps. Le physicien allemand montre que pour deux observateurs situés dans deux référentiels en mouvement l’un par rapport à l’autre, par exemple l’un sur Mars et l’autre sur Terre, le temps n’est pas le même. Sur les deux planètes il y a bien sûr de l’espace et du temps. Mais le Martien étant en mouvement par rapport au Terrien (et réciproquement), la séparation entre espace et temps n’est pas la même pour l’un et l’autre. "Cette séparation est "relative" à chaque observateur", souligne encore Étienne Klein. De toute évidence, aucun robot n’aurait pu être débarqué sur Mars si les calculs n’avaient pas tenu compte de cette théorie : la fusée le transportant ne serait tout simplement jamais arrivée à destination.

Autrement dit, explique-t-il, il existe autant de temps que d’observateurs en mouvement les uns par rapport aux autres : le temps absolu n’existe pas. En 1916, la théorie dite de relativité générale viendra compléter cette théorie de l’espace-temps (appelée désormais de la relativité restreinte) : elle proposera un nouveau lien entre l’espace-temps et son contenu (la matière et l’énergie). Toutes ces découvertes supposaient de comprendre la différence entre le temps et ce qui se passe dans le temps, souligne Étienne Klein : "Mais l’histoire du temps physique n’est sans doute pas achevée."



* Albert Einstein et Leopold Infeld, L’évolution des idées en physique, Flammarion, 1983.

03.Quel temps fait-il dans l'Univers ?

À l'aube du XVIIe siècle, Galilée avait inventé le temps. Trois siècles plus tard, Einstein inventait l’espace-temps et montrait qu’il n’y avait pas de temps absolu. Les conséquences ont été immenses, que ce soit dans la physique de l’infiniment petit ou de l’infiniment grand. C’est ainsi que la cosmologie, branche de l’astronomie relative à la structure et aux lois de l’Univers, s’est vue totalement renouvelée. Mieux encore, cette discipline pose de nouvelles questions aux physiciens sur ce qu’est le temps.

"Einstein s’est rendu compte que l’on pouvait appliquer sa théorie de la relativité générale à l’Univers dans son ensemble, explique Jérôme Pérez, mathématicien et astrophysicien, mais grande fut sa surprise lorsqu’il constata que la résolution de ses équations conduisait à un Univers dynamique, au sens temporel du terme." À en croire la relativité générale, l’Univers ne pouvait plus être considéré comme statique, ainsi qu’on se le représentait jusqu’alors. Il n’était pas dans un état donné une fois pour toutes, avec des planètes, des étoiles et des galaxies poursuivant imperturbablement le même chemin depuis toujours et jusqu’à la nuit des temps.
Un trou noirUn trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu'il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s'en échapper. On le dit noir car il n'émet pas de lumière.
© NASA/CXC/SAO

"Ce résultat était tellement inattendu qu’Einstein n’y a tout d’abord pas cru. Il a invoqué un oubli de sa part et modifié les équations en ajoutant un terme : une constante appelée constante cosmologique." Cela a conduit, en 1919, au modèle dit de l’espace-temps d’Einstein / de Sitter (Willem de Sitter, 1872-1934, était un astrophysicien néerlandais). Ironie du sort, des observations faites par l’astronome américain Edwin Hubble (1889-1953) quelques années plus tard vont donner raison aux conclusions premières du physicien allemand : il existait bel et bien une dynamique de l’Univers, et celui-ci était en expansion.

Quoi qu’il en soit, un pas supplémentaire avait été franchi avec la relativité générale : "Ce n’était plus seulement la vitesse (par exemple celle du déplacement de deux observateurs l’un par rapport à l’autre) qui influait sur le temps, mais aussi la masse - ou l’énergie, ce qui revient au même selon la fameuse formule E=mc2", explique Jérôme Pérez. Ces considérations étaient loin d’être des vues de l’esprit : "Si on ne les prenait pas en compte, les informations fournies par le système GPS dériveraient de plusieurs kilomètres par jour et seraient alors inutilisables", souligne-t-il.

Prédire les trous noirs

Mais les équations de la relativité allaient apporter d’autres surprises, bousculant un peu plus nos notions de temps et d’espace. Elles permettent en effet de prédire l’existence de ce que les cosmologistes ont baptisé "trous noirs". On les dit noirs parce qu'ils ne renvoient pas de lumière, qu'ils sont entourés d'un halo, et qu'on ne peut s'en écarter quand on s'en est trop approché. Il s’agit de points très particuliers de l’Univers en lesquels est concentrée une certaine masse. Autour de ces singularités, une sorte de frontière, appelée horizon du trou noir, délimite un volume dont aucun rayonnement lumineux ne peut s’échapper.

Or, là encore, d’après la relativité générale il se produit des bizarreries : "Si un objet, en s’approchant d’un trou noir, franchit l’horizon, il ne peut plus reculer. Ce n’est donc plus le temps qui est unidirectionnel mais la distance de l’objet au trou noir", souligne Jérôme Pérez, comme si temps et espace s’échangeaient les rôles. Mais pas moyen d’aller vérifier sur place : une fusée qui s’y risquerait ne pourrait jamais faire machine arrière. Les trous noirs sont donc essentiellement un sujet de recherche pour théoriciens.

Autre singularité prédite par la relativité générale, c’est-à-dire résultant de cette théorie de l’espace-temps de Einstein : celle connue sous le nom de big-bang. Schématiquement, le big-bang fait référence à une extrémité temporelle de l’Univers tel qu’on se le représente aujourd’hui. Mais nombre de controverses à ce sujet agitent encore la communauté scientifique. En particulier, que devient le temps lorsqu'on se rapproche du big-bang ? Le problème est que pour l'instant, la théorie ne permet pas de répondre à cette question.

En résumé, de l’Antiquité à nos jours, nous sommes passés de l’idée d’un univers immuable à un univers en expansion. Pour ce faire, il a entre autres fallu inventer le temps (Galilée), établir les lois régissant l’univers (Newton) désormais envisagé dans ses quatre dimensions (x, y, z, t), révolutionner la théorie de l’espace-temps (Einstein). À cela se sont ajoutées des observations, telles celles de Hubble, qui ne laissaient plus aucun doute sur l’hypothèse d’un univers en expansion, … Mais les découvertes du XXe siècle ont à leur tour apporté leur lot de questions, dont la controverse sur l’origine de l’univers et l’existence ou non d’un "temps zéro originel" n’est pas la moindre. Il faudra donc encore patienter quelque temps…


* La formule E=mc2 souligne l’équivalence entre la masse (m) et l'énergie (E). Plus précisément, lorsqu’une particule de masse m est au repos (de vitesse nulle), son énergie (E) est égale à sa masse (m) que multiplie le carré de la vitesse de la lumière (c2).

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