L'Espace-Temps


" L'énigme métaphysique la plus obscure réside à l'intersection des propriétés spatiales et des propriétés temporelles. " écrivait Gaston Bachelard.

Le lien entre l'espace et le temps est indissociable. Sous quelque point de vue que nous l'ayons abordé, il nous est apparu constant et pour reprendre un terme devenu trivial, incontournable. Les philosophes anciens avaient d'emblée considéré la signification réelle du lien entre l'espace et le temps. La science traditionnelle se fondait sur un concept de point matériel, le principe d'inertie, la loi du mouvement, la force résultant de la masse multipliée par l'accélération, et la loi de force, considérant les interactions entre des points matériels. Toutes ces certitudes devaient être remise en cause, à commencer par la matérialité du point. La chaleur, l'électricité, la lumière sont décrites comme des variables d'états spécifiques.
Albert Einstein
La Théorie de la Relativité, devait, selon les termes mêmes d'Albert Einstein " sublimer les notions d'espace et de temps en un continuum avec une structure métrique ". La Théorie de la Relativité impliquait qu'aucune vitesse ne pouvait être supérieure à celle de la lumière. En 1998, Nicolas Gisin a mis en évidence expérimentalement la possibilité d'une vitesse dix millions de fois supérieure à cette vitesse ce qui confirmerait, comme le pensent la plupart des physiciens actuels, la non séparation et la transcendance de l'espace. D'autres expériences comme celle d'Antoine Suarez en 2003, constituent également une remise en cause du temps. La Théorie de la Relativité  nous avait forcé à modifier fondamentalement nos idées sur l'espace et le temps. Les nouvelles données de la Physique imposeront sans doute de nouvelles conceptions de l'espace et du temps. Stephen Hawking constate : " nous devons accepter que le temps ne soit pas complètement séparé de l'espace, ni indépendant de lui, mais qu'il se combine à lui pour former un objet appelé " espace-temps ".
Nous sommes devenus familiers avec le positionnement par satellite (GPS) de la poursuite d'un mobile à la surface de la terre. Dans l'espace, trois coordonnées suffisent pour localiser la position d'un objet, assimilé à un point. Un événement est un phénomène qui se produit en un point particulier de l'espace, à un moment donné. Pour le caractériser, on aura recours à quatre nombres, par rapport à quatre coordonnées. Cet espace à quatre dimensions est appelé espace-temps. Stephen Hawking en donne une représentation sous forme de deux cônes, se rejoignant par leur sommet (comme un sablier ou une clepsydre, tiens, tiens !). Cette jonction, en un point, des deux cônes figure l'événement, le présent, l'un des cônes constituant le " passé absolu " et l'autre le " futur absolu " tout ce qui se trouve en dehors constituant une région de l'espace-temps qu'il dénomme ailleurs.

Un certain nombre de démonstrations expérimentales sont venues confirmer la Théorie de la Relativité : la lumière ne voyage pas en ligne dans l'espace, elle peut être fortement déviée par les champs gravitationnels et la mesure du temps par des horloges de haute précision varie avec la hauteur par rapport au sol. Une horloge placée au pied d'une tour marche plus lentement que la même horloge placée au sommet. Selon la Théorie de la Relativité, il n'y a pas de temps absolu, unique mais chaque individu a sa propre mesure personnelle du temps qui dépend du lieu où il est et de la manière dont il se déplace. D'autre part, l'asymétrie objective du temps, constitué par la séquence passé, présent, futur, la flèche du temps, n'existe pas en physique ni dans la Théorie de la Relativité. Au niveau des particules élémentaires, il n'y a pas de flèche du temps : " dans l'élémentaire, tout processus a son inverse ".

Stephen Hawking en déduit : " l'espace et le temps sont maintenant des quantités dynamiques : quand un corps se meut ou quand une force agit, cela affecte la courbure de l'espace-temps , et en retour, la structure de l'espace-temps affecte la façon dont les corps se meuvent  et dont les forces agissent. L'espace et le temps n'affectent pas seulement tout ce qui arrive dans l'Univers, ils en sont aussi affectés ".

En pratique, cela ne devrait pas nous perturber beaucoup et une bonne vieille montre doit continuer à  nous permettre d'être à l'heure à un rendez-vous. Pour envoyer des satellites dans l'espace, il faut en tenir compte et pour réfléchir au temps et à l'espace, on ne peut l'ignorer.

La tentative d'unifier la Gravitation Universelle et la Mécanique Quantique oblige à introduire une notion de " temps imaginaire ". Si l'on avance dans le " temps imaginaire ", on doit être capable de faire demi tour et de revenir, ce qui est proprement impensable dans un " temps réel ". Les lois de la Physique ne font pas de différence entre passé et futur.

Notre perception du temps en mouvement est celle d'un mouvement unidirectionnel, que l'on peut comparer à une flèche. Pour Jacques Monod " L'évolution est un processus nécessairement irréversible qui définit une direction dans le temps ". La flèche " psychologique " est la direction selon laquelle nous sentons le temps passer, du passé vers le futur. On peut considérer également une flèche " cosmologique " liée aux origines de l'Univers, à son expansion. En fonction du principe thermodynamique suivant lequel il existe toujours beaucoup plus d'états désordonnés que d'état ordonnés (exemple du puzzle), il existe une flèche " thermodynamique " correspondant à la direction du temps dans laquelle le désordre ou l'entropie augmente (exemple de la tasse qui tombe et finit en morceaux).

Si l'on tente de généraliser au temps ; la question se pose de savoir pourquoi les trois flèches pointent dans le même sens, pourquoi devrait-il exister une flèche du temps bien définie ?

L'interrogation fondamentale de la physique actuelle tient à ce que ses deux piliers que sont les deux théories phares, nées au début du XXième siècle, la relativité générale et la physique quantique, sont inconciliables. La relativité générale, axée vers la compréhension de l'infiniment grand, des planètes, des galaxies, de l'expansion de l'Univers, est fondée sur le déterminisme et la continuité. La physique quantique est tournée vers l'infiniment petit, électrons, atomes, molécules, et fait appel aux probabilités et aux discontinuités. L'une et l'autre permettent l'explication de phénomènes apportant la confirmation de leur bien fondé. L'unification des deux concepts est le défi qui se pose à la physique et aux mathématiques modernes. Les théories d'Alain Connes évoquent des espaces contre-intuitifs, non commutatifs, dans lesquels le déroulement des phénomènes implique un ordre. Dans cette vision du monde, on comprendrait pourquoi le temps s'écoule dans un sens et pas dans l'autre. Ce que chacun de nous perçoit intuitivement recevrait son explication, sa preuve. Cette approche, unissant coordonnées temporelles et spatiales, a conduit Alain Connes à inventer une nouvelle discipline, la géométrie non commutative. Paradoxalement, dans cette nouvelle approche explicative, les repères physiques deviennent insaisissables : "  Dans un espace non commutatif, les points sont indiscernables les uns des autres " explique Alain Connes. L'espace est devenu flou : " C'est l'essence du non commutatif : ne plus savoir où l'on est. ". La physique quantique participe d'une algèbre non commutative et la théorie qui la réunira à la relativité générale ne pourra pas se dispenser d'une part de non commutativité. " Il faut maintenant unifier ces deux travaux et caractériser les espaces abstraits qui en découlent " dit Alain Connes. C'est le rêve de nombreux scientifiques modernes qui à l'instar de Stephen Hawking  tente de relier gravitation et physique quantique au niveau d'un trou noir par une équation S=1/4A où S est l'entropie d'un trou noir et A son aire. A ce stade de la pensée scientifique, l'approche de la physique est proprement philosophique et les modèles d'univers suggérés recourent à la poésie.

A l'origine de la conception de l'espace-temps, la Mécanique Quantique implique, en fonction du principe d'" incertitude ", des distributions de probabilité des mesures plutôt qu'un modèle de description des évènements réels dans l'espace-temps. Même aléatoire ces faits sont confirmés par l'expérimentation. Et Einstein de conclure : on ne peut pas croire " que nous devrons abandonner, réellement et pour toujours, l'idée d'une représentation directe de la réalité physique dans l'espace et dans le temps ou que nous devrions accepter l'opinion que les évènements dans la nature ressemblent à un jeu de hasard ". " Herr Gott würfelt nicht. ", " Dieu ne joue pas aux dés " disait il, ce à quoi Niels Bohr ajoutait malicieusement : " Mais que savez vous ce que Dieu fait ? ".

En manière de conclusion et de transition, Gaston Bachelard a écrit : " Comment arriverons nous à imaginer l'association du temporel et du spatial ? Quelle vue suprême sur l'harmonie nous permettra d'accorder la répétition dans le temps avec la symétrie dans l'espace ? "
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