30.4.07

Le temps existe-t-il ?

"Qu'est-ce donc le temps ? Si personne ne me le demande, je le sais ; mais si on me le demande et que je veuille l'expliquer, je ne sais plus." Cette célèbre phrase de Saint-Augustin illustre le paradoxe qui se pose lorsque l'on parle du temps. Immergés dedans (impossible de nous en extraire), nous ne savons comment le définir.

Intuitivement, il nous apparaît incompressible, inextensible, irréversible. Le problème, c'est que toutes ces expressions présupposent ou contiennent déjà l'idée du temps. En effet, au moins quatre difficultés nous empêchent de saisir réellement ce qu'est le temps. D'abord la pauvreté du langage : le mot "temps" ne désigne rien de concret. Ensuite, on ne peut s'extraire du temps (même sans événement, il reste). De plus, on confond souvent le temps (qu'on se sait donc pas définir) et sa fonction (renouveler le présent). Et enfin, le temps n'est perceptible directement par aucun de nos sens.

Ils sont nombreux les penseurs, philosophes et scientifiques, à s'être posé ces questions. Y'a-t-il un ou des temps ? S'écoule-t-il toujours de la même façon ? Passe-t-il tout le temps ? Combien de temps dure l'instant ? Le temps est-il subjectif ou objectif ? Réversible ou pas ? A-t-il un début ? Est-il intérieur ou extérieur à l'homme ? S'écoule-t-il ou le traversons-nous ? Pourrions nous le maîtriser ? Ou au contraire en sommes-nous les prisonniers ? N'est-il qu'une illusion ?

Le temps et nous : notre temps subjectif
Tout le monde en a déjà fait l'expérience : le temps ne semble pas se dérouler à la même vitesse selon que l'on s'ennuie ou que l'on soit lancé dans une occupation agréable. Cette impression subjective du temps, ou durée, dépend donc des émotions ressenties par la personne qui l'évalue. Ainsi les secondes peuvent paraître des heures, et inversement.
On parle de temps subjectif. Il dépend de nous et ne s'écoule pas uniformément. D'ailleurs, il a été prouvé que notre estimation des durées varie notablement avec l'âge, et surtout avec la signification et l'intensité des événements qui se produisent. Notre temps psychologique est donc élastique. On peut aussi le définir comme l'altération psychologique du temps objectif. Mais qu'est-ce que le temps objectif ?

Le temps physique
C'est une autre voie de conceptualisation du temps : elle correspond au temps mathématisé étudié par la science physique. Ce temps-là, réputé uniforme, est censé ne pas dépendre de nous et nous savons le chronométrer. Il s'agit d'une mesure abstraite utilisée pour expliquer les lois de la nature. C'est un concept développé pour représenter la variation du monde : l'Univers n'est jamais figé, les éléments qui le composent bougent, se transforment et évoluent.
Cela ne nous avance pas beaucoup pour saisir la nature intime du temps, mais nous savons qu'il y a donc au moins deux sortes de temps : le temps subjectif, celui de la conscience et le temps physique, celui des horloges.

Comment la science représente le Temps
Très tôt, le concept du temps a été lié au concept du mouvement : Aristote l'a défini comme une mesure du mouvement. Ainsi, le temps s'est trouvé lié dès cette époque à la notion du changement, de la durée et de la matière en mouvement.
C'est Galilée le premier qui a considéré le temps comme une grandeur physique fondamentale, quantifiable, capable de relier entre elles mathématiquement des expériences.
Pour Newton le temps, universel et absolu, s'écoule uniformément. C'est un paramètre externe de la dynamique, un temps neutre indifférent aux phénomènes qui se produisent en son sein.

La ligne t
Même si, avec les progrès de la physique, ces notions seront quelque peu nuancées, il reste qu'aujourd'hui, on trouve le paramètre représentant le temps dans toutes les équations de la physique, ce qui paraît d'ailleurs un peu paradoxal puisque cette science tente d'ériger des lois dirigeant l'Univers, sortes d'idéaux immobiles.
A une dimension (t) et une direction, il est considéré comme continu et il n'y en a qu'un à la fois. Les instants du temps ont tous le même statut et le temps n'est pas soumis au devenir.
Représenté comme une ligne orientée et non comme un cercle, il respecte le principe de causalité formulé par Leibniz puis par Kant : une cause ne peut être qu'antérieure à ses effets, autrement dit, on doit toujours pouvoir dire si un point se situe avant ou après un autre et il est impossible de rétroagir dans le passé.

Mesurer la durée
Le temps objectif est affaire de mesure et de grandeur. Les physiciens savent le compter. On mesure le temps à l'aide d'horloges qui sont des systèmes physiques dont on se donne la loi d'évolution en fonction du temps. L'unité légale du temps dans le système international est la seconde, mais sa quantification a varié au cours de l'histoire, suivant l'horloge utilisée.
De l'ombre, de l'écoulement d'un corps (clepsydre à gauche) ou de la combustion d'un objet autrefois, aux systèmes mécaniques (en haut à droite), électriques, électroniques ou atomiques (en bas à droite) aujourd'hui, ces horloges sont toujours plus précises et plus invariables.
Pourtant, si les physiciens sont parvenus à faire du temps un concept opératoire, ils sont incapables de définir précisément ce mot. On sait donc compter le temps mais toujours pas le saisir en soi, car l'action de compter le temps, présuppose du temps. Du temps on ne peut s'extraire, alors quel est donc ce "vrai" temps qui mesurerait le temps ?

Le Temps cet inconnu : pas si objectif
Mais le temps objectif ne l'est pas tant que ça. C'est Einstein qui le dit. Avec la relativité restreinte, il prouve en effet que deux horloges à des vitesses différentes mesurent un temps différent. Ainsi, deux jumeaux, dont l'un serait dans une fusée allant à une vitesse proche de celle de la lumière, ne vieilliraient pas au même rythme.
Il s'agit là d'une rupture forte avec la mécanique classique, qui s'exprimait à travers un temps absolu et immuable. Einstein remplace l'hypothèse de temps absolu par celle de la constance de la vitesse lumière dans les référentiels dits galiléens (en mouvement rectiligne uniforme) et pose ainsi l'équivalence des lois de la physique dans tout ces référentiels. Les lois étant les mêmes malgré le mouvement, le temps devient relatif.
Pour relier ces deux approches, le physicien redéfinit le temps et l'espace (donc les notions de mouvement et de vitesse) : désormais, temps et espace sont inséparables et exprimés comme un couple espace-temps. Cet espace temps est déformé par la présence de matière, ce qui se manifeste par une force, la gravité. Finalement, temps, espace et matière ne peuvent exister l'un sans l'autre.

Le temps hors cadre
Ce n'est pas tout : la relativité (générale) inverse une autre notion. Le temps et l'espace ne sont plus le cadre des phénomènes mettant en jeu la matière, mais au contraire, ce sont les corps qui influent sur le temps et l'espace. L'inverse de ce que l''on pensait jusque là.
De plus, l'ordre des événements, du passé vers le futur, devient inséparable des propriétés de la lumière. Voilà donc un temps qui se dilate (pour un corps se déplaçant à grande vitesse par rapport à un autre) ou se raccourcit (pour un corps qui se déplace à faible vitesse par rapport à un autre), et qui semble tout sauf intuitif. Il est pourtant celui qui permet d'expliquer des phénomènes comme les lentilles gravitationnelles ou les trous noirs. Bref, c'est ce temps relatif qui est compatible avec notre observation quotidienne du monde.
Autre conséquence troublante : la notion de simultanéité perd de son absolu car tout dépend de l'observateur. Ce phénomène n'est toutefois flagrant que si les observateurs se déplacent l'un par rapport à l'autre à des vitesses proches de la vitesse de la lumière.
La mesure du temps est donc différente selon la vitesse du référentiel dans lequel on se place. La théorie de la relativité indique donc que le temps soi disant objectif du physicien n'en est pas moins variable.

Espace-temps
Depuis 1905 et la découverte de la relativité, on sait que le temps est une 4ème dimension de l'espace, indissociable de celui-ci. Il n'est plus le cadre des phénomènes mais au contraire c'est la matière qui influe sur lui.


On peut représenter concrètement ces notions : si l'espace est représenté en 2 dimensions (un drap bleu), la matière (sous forme de boules jaunes) le courbe en une 3e dimension, le temps. Plus la matière est dense, plus le creux formé dans l'espace est grand : plus le temps se dilate.

Une direction, oui mais pourquoi ?
A priori, le temps est irréversible. Une fois passé, pas de retour en arrière possible. Pourtant, la plupart des équations physiques, sont symétriques par rapport à une translation dans le temps, à une inversion temps.
C'est même le cas de toutes les équations qui décrivent les phénomènes à une échelle microscopique. Ainsi, si on passe l'enregistrement d'une interaction physique se produisant à échelle microscopique, il est impossible de dire si l'enregistrement est passé à l'endroit ou à l'envers.

Conflit d'échelles
A l'échelle macroscopique, c'est autre chose : du lait mélangé à du café ne redonnera jamais du lait et du café. Un autre exemple peut-être moins trivial mais quotidien est la transmission d'énergie thermique : c'est toujours le corps le plus chaud qui va donner sa chaleur au corps froid, jamais l'inverse.
La deuxième loi de la thermodynamique, dont l'objet est l'évolution de l'entropie au cours des échanges de 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.

C'est Ludwig Boltzmann qui trouve une explication : il a recours aux lois statistiques. D'après lui, l'agrégation statistique des lois réversibles de la dynamique des particules conduit à une équation macroscopique irréversible. L'irréversibilité surgit au bout des calculs, comme une propriété émergente caractéristique des systèmes complexes. En résumé : au niveau des particules, les équations sont réversibles, mais pas au niveau des systèmes complexes.
Une notion semble liée à l'irréversibilité : celle de la flèche du temps. Mais attention à ne pas confondre irréversibilité et flèche du temps : une loi physique peut être réversible sur le papier, les évènements qui en sont l'illustration, qu'ils se produisent à l'endroit ou à l'envers par rapport au temps intuitif, n'en sont pas moins inscrits dans le cours du temps, dans sa progression.

Flèches du temps
C'est la flèche du temps qui porte le concept moderne de temps. Ou plutôt les flèches du temps. Car la physique n'impose pas une flèche du temps universelle.Pour les thermodynamiciens, elle correspond à une entropie grandissante (le mélange lait/café en haut à gauche). Pour les cosmologistes, c'est l'expansion de l'univers qui donne sa direction au temps (du Big Bang à l'Univers actuel, en haut à droite).Pour les astrophysiciens, la flèche est gravitationnelle, fondée sur l'impossibilité de sortir d'un trou noir une fois entré (matière attirée dans un piège gravitationnel, en bas).Sans compter que la biologie introduit son propre cours immuable des choses (évolution des espèces, vieillissement). La diversité de ces modélisations est-elle un indice de leur imperfection ?

Avant le temps ?
L'écoulement du temps a-t-il des extrémités ? Cette question, qui renvoie aux croyances innombrables sur la genèse et la fin du monde, a été posée par de nombreux chercheurs et penseurs.

Selon la théorie du Big Bang, l'Univers a eu un début, il y a environ 13,7 milliards d'années. C'est là que le temps aurait commencé, et que l'espace et la matière seraient apparus. Plusieurs observations permettent de valider cette théorie. Citons par exemple le décalage vers le rouge du spectre lumineux émis par les étoiles lointaines, ainsi que l'existence d'un rayonnement cosmique provenant de toutes les directions de l'univers, correspondant à un rayonnement du corps noir de température 2,73 kelvin.

Et "avant" ?
Si l'Univers a connu un instant primordial (initial), il ne s'appuie sur aucun phénomène physique, l'Univers n'existant pas encore à cet instant primordial. De plus, outre le point de vue scientifique, comment imaginer 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 ? Difficile…
Tous ces questionnements posent la question de la définition d'un temps cosmique : le temps général prévalant dans l'Univers. Plusieurs modèles liés à la théorie du Big Bang semblent probables, en offrant les meilleures formalisations d'un temps cosmique et en permettant 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 théorie du Big Bang et la définition d'un temps cosmique apportent une énigme supplémentaire : on ne peut remonter le temps que jusqu'à une certaine limite, infranchissable, le mur de Planck, situé 10^-43 s après le Big Bang. Avant ce moment de la vie cosmique, impossible d'avoir accès à une quelconque information : les lois physiques s'écroulent et n'ont plus court car elles ont besoin de temps et d'espace pour exister. La seule solution : inventer un nouveau cadre conceptuel, s'il est possible d'en trouver un.


Big Bang et premiers instants
Notre description de la naissance de l'Univers ne commence pas exactement au temps zéro mais au mur de Planck situé 10^-43 seconde après le Big Bang. Les théories physiques actuelles ne peuvent remonter au-delà sans s’effondrer. Ce qui s'est passé pendant l'ère de Planck, entre l’instant zéro et ces10^-43 secondes, nous est inaccessible.
Cependant quelques modèles existent déjà : lorsque l'on se rapproche du temps zéro, l'Univers devient de plus en plus dense et chaud, jusqu'à atteindre un état dit de singularité où la densité et la température sont infinies. Selon Stephen Hawking, une telle singularité n'est pas nécessaire : lorsque l'on remonte vers l'époque initiale, le temps se transforme en une dimension d'espace. Ainsi, plus nous nous rapprochons du temps zéro, et plus la notion de temps elle-même disparaît.

Est-il continu ?
Le temps pose le même problème que le changement, dont il est indissociable. A savoir : comment une succession de positions figées devient mouvement ? Ce qui pour le temps devient : comment une succession d'instants ponctuels parvient à s'épaissir en durée ?



Si le présent se rapporte à un instant ponctuel, coupure entre un avant et un après, comment expliquer ce qu'est la durée ? Aucune de nos sensations ne permet de percevoir l'alchimie par laquelle cette opération se déroule (nous ne sentons pas les instants).

Un instant minimal
L'analyse théorique, elle, permet d'aller un peu plus loin. Il a été en effet possible de mettre en évidence l'existence d'une durée minimale, dite durée de Planck, en dessous de laquelle aucune durée n'a de signification. Ce temps de Planck vaut 0.54 *10^-43 s. C'est le temps qu'il faudrait à un photon dans le vide pour parcourir une distance égale à la longueur de Planck.
Il s'agit de la plus petite mesure de temps qui ait une signification physique dans les théories actuelles : la longueur de Planck étant la plus petite longueur mesurable et la vitesse de la lumière la plus grande vitesse qui existe, le temps de Planck correspond lui-même à la plus petite mesure de temps qu'il soit possible d'effectuer. Sous cette limite, les lois physiques cessent d'être valides. Impossible donc de savoir ce qui s'y passe.
Quoi qu'il en soit, au niveau quantique, le temps ne s'écoule pas de comme à notre échelle. Il semble même, tout simplement, qu'il ne s'écoule pas.

Photons télépathes : le temps s'est arrêté
La preuve est apportée par l'expérience. Voilà quelques années que les physiciens ont montré l'existence d'une communication "télépathe" (en apparence bien sûr) entre photons, l'intrication. Ce phénomène permet à 2 photons de se "copier" : quand on envoie des couples de photons sur deux miroirs éloignés, semi transparents, les photons ont le choix : soit ils passent, soit ils sont réfléchis. Or, les photons de chaque paire ont le même comportement. Quand l'un passe, l'autre aussi, et inversement, comme s'ils s'étaient concertés.
Comment naît cette intrication ? Pour aller plus loin, en 2003, des chercheurs ont reproduit l'expérience avec des miroirs et détecteurs s'éloignant à grande vitesse. Dans ce cas, la relativité stipule que chaque photon voit sa propre horloge décalée : une fois devant le miroir, il est persuadé que l'autre photon n'est pas encore arrivé. Donc l'intrication devrait avoir disparu. Or ce n'est pas le cas.

Que faut-il en déduire ? La causalité temporelle, si efficace pour appréhender notre monde, ne fonctionne plus à l'échelle quantique. Il semble qu'il n'y ait pas de distance ni de temporalité entre les particules de l'expérience, comme si, à l'échelle quantique, des choses se passaient sans que le temps passe.
Il y aurait deux mondes : l'un, visible, classique et continu ; l'autre quantique, bizarre, quantifié. Alors comment le temps peut-il émerger à notre échelle s'il n'existe pas aux échelles inférieures ? Serait-ce une propriété émergente des systèmes complexes, comme l'irréversibilité ?

Est-il une illusion ?
Finalement, le temps existe-t-il ? Est-ce le temps qui existe ou les phénomènes temporels ? Autrement dit, est-ce que le temps n'est qu'une façon de dire les phénomènes ou bien est-ce que les phénomènes se déroulent dans le temps ? 3 points de vue au moins émergent parmi les physiciens.

Non, il n'existe pas, nous le parcourons. La vraie structure qui permet de comprendre les phénomènes physiques, c'est l'espace temps, un univers-bloc, rigide, non temporalisé, dans lequel le temps n'est pas orienté. Le futur existe déjà, le passé est encore là. Le temps est donc une illusion que nous fabriquons en parcourant des trajectoires. Comme lors d'un voyage en train où nous avons l'impression que le paysage bouge, nous avons l'impression que le temps passe. Comme Einstein ou Newton, les partisans de l'immobilité fondamentale voient le monde comme un système de lois et non comme une histoire.

Non, il n'existe pas, nous le construisons. C'est notre cerveau qui produit le passage du temps. La différenciation entre passé et avenir vient de notre subjectivité, c'est notamment ce que pensait Kant. Pour d'autres comme Marc Lachièze-Rey, directeur de recherche au CNRS, service d'astrophysique, le temps n'apparaît qu'à grande échelle, émergeant d'un monde causal sans temps. L'idée d'un passage du temps est le produit illusoire d'une métaphore trompeuse.

Oui, il existe, nous en sommes prisonniers. Pour le physicien et philosophe Etienne Klein, le temps existe indépendamment des phénomènes (il existe quelque chose dans lequel on ne peut pas voyager, dans lequel on ne peut modifier notre position, on y est prisonnier). C'est ce que pensent les "présentistes" pour qui l'avenir est fabriqué en permanence par la fabrication du présent. Le temps serait donc un flux toujours en mouvement et l'irréversibilité serait présente à toutes les échelles. L'espace temps est alors vu comme un système dynamique, pas d'emblée joué, qui se construit au fur et à mesure. Pour autant, cela ne résout rien car qui pousserait cette prison à roulettes ?

Source: Journal du Net

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