Qu'est ce que le temps ?

"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 citation célèbre de Saint-Augustin démontre le paradoxe qui se pose lorsque l'on parle du temps.

Le temps passe-t-il toujours de la même façon ? Le temps est-il subjectif ? Peut-on remonter le temps ? A-t-il un début ? Pouvons-nous le maîtriser ? N'est-il qu'une illusion ? Dans cet article, nous allons nous concentrer sur deux aspects. Le premier concerne l'utilisation du temps par l'homme en termes de durée, le second permettra de rendre compte des découvertes faites sur le temps et les facteurs qui influent sur celui-ci.

Depuis quand mesure-t-on le temps ?

Invention du temps

Il y a de cela plus de 2000 ans, le concept du temps a été lié au concept du mouvement par Aristote (384-322 av. J.-C.) un philosophe grec de l'antiquité. Ainsi, le temps s'est trouvé lié dès cette époque à la notion du changement, de la durée et de la matière en mouvement. On utilisait alors des cadrans solaires.

Fait intéressant, à cette époque Aristote pense que le soleil tourne autour de la terre, ce n'est qu'en 1509 qu'un astronome polonais contredit cette théorie en appuyant ses dires sur un argumentaire. Cette nouvelle théorie sera validée un siècle plus tard par Galileo Galilée, scientifique italien, et Johannes Kepler, scientifique allemand.

L'astronomie est très étroitement liée au concept du temps, en effet parmi les travaux des scientifiques précédemment cités, Galilée observe la régularité du mouvement du pendule simple et le décrit en 1638. Il découvre que la période d'un pendule dépend de sa longueur et non de sa masse. Il est le premier à considérer le temps comme une grandeur physique fondamentale, quantifiable, capable de relier entre elles mathématiquement des expériences.

Comme pour Aristote à l'époque, il existe encore de nombreuses questions auxquelles nous ne pouvons répondre concernant ce terme abstrait qu'est le temps. Certaines expériences ont bouleversé notre connaissance sur le sujet et notre perception de celui-ci.

Le temps physique 

Le temps physique frise

Premiers outils de mesure du temps

Le cadran solaire est considéré aujourd'hui, comme l'outil le plus simple pour mesurer l’écoulement du temps. Ainsi on pense qu'il fut aussi le premier outil à avoir servi à le mesurer. C'est en Égypte que furent retrouvés les plus anciens indicateurs solaires connus, ils indiquaient des instants indéfinis et non des heures comme nous les concevons aujourd'hui. Les premiers véritables cadrans solaires sont probablement le "polo" et le "scaphé" datant du VIe siècle av.J.-C.

Ces modèles de cadrans divisaient le jour, du lever au coucher du soleil, en 12 heures, été comme hiver, cependant les heures d'été étaient longues et les heures d'hiver courtes. Vers le VIIe siècle, les cadrans canoniaux apparurent en Europe à la suite des travaux de Bède le Vénérable. L'objectif de ce cadran solaire n'est pas de donner l'heure, mais d'indiquer à une communauté religieuse les instants de début des actes liturgiques qui les réunissaient. 

Plus tard feront leur apparition les cadrans solaires à style incliné, provenant de la civilisation arabe, apparut vers les XIIIe et XIVe siècles. L'inclinaison du style a permis de tracer un diagramme de lignes horaires, un jour étant divisé en 24h.

L'apparition de l'horloge, à partir de la fin du XIVe siècle, entraîne le développement de ce type de cadran solaire, on pouvait alors comparer les indications du cadran avec celle de l'horloge. Le cadran solaire indique l'heure, l'horloge quand à elle est tenue de la conserver. 

Le cadran de douze heures date du XVe siècle ; il ne comporte qu'une seule aiguille. La présence de la seconde aiguille pour les minutes apparaît plus ou moins à la fin du XVIe siècle.
Suite aux découvertes de Galilée (1564-1642) concernant les lois d’oscillation du pendule, Christian Huygens (1629-1695) crée la première horloge à pendule en 1657. Celle-ci remplace rapidement l’horloge à foliot qui était imprécise, environ 2h de décalage toutes les 24 heures. Ceci explique l'inutilité d'une aiguille parcourant les minutes. 

Nous somme donc capable de mesurer une durée mais le temps est-il le même en toute situation ?

C’est Einstein qui fit cette incroyable découverte au début du 20e siècle ! Sa théorie de la relativité restreinte montre que la lumière dans un espace vide se déplace toujours à la même vitesse (299 792 458 mètres par seconde) et que le temps ne s’écoule pas de la même manière selon la vitesse à laquelle on se déplace. Ainsi, toutes les personnes en mouvement vieillissent plus lentement qu'une personne immobile ! Évidemment la vitesse étant extrêmement faible cette différence de vieillissement est totalement imperceptible.

 

Les expériences de pensée

Expériences de pensée - Einstein

Ce que l'homme mesure c'est en réalité la durée entre deux événements et non le temps lui-même. Voici quelques expériences de pensée permettant de comprendre la complexité du temps.

Le paradoxe du train

Jusques 1905 le temps est considéré comme universel, il est le même partout ! C'est alors que née la théorie de la relativité restreinte décrite par Einstein. Le paradoxe du train d’Einstein réfute cette théorie, le temps n'est plus universel et dépend du référentiel dans lequel on le mesure.

L'expérience est relativement simple, imaginez-vous debout dans un train, pendant qu'une autre personne se tient sur le quai, et vous regarde passer. Si une lumière frappe les deux extrémités du train, la personne sur le quai pourrait voir les deux rayons de lumière en même temps. En étant à l’intérieur du wagon, vous êtes plus proche du rayon de lumière vers lequel le train se dirige, vous verrez donc ce rayon en premier, car la lumière est à une distante plus courte. De cette expérience on conclut alors que le temps prend une dimension différente pour ce qui est en mouvement. Quand bien même elle soit imperceptible la simultanéité n'existe pas.

Je vous laisse méditer !

Les jumeaux et la navette spatiale

Il s'agit là d'une autre expérience de pensée sur l'écoulement du temps. Admettons que vous ayez un jumeau, celui-ci est né au même moment que vous. Votre jumeau est envoyé dés la naissance dans une capsule spatiale et lancée dans l’espace à la vitesse de la lumière pour voyager à travers l’univers. Si l'on se réfère à la théorie de la relativité d’Einstein, votre jumeau dans la capsule et vous allez vieillir différemment. Selon la théorie le temps s’écoule plus lentement à la vitesse de la lumière, ce qui implique que votre jumeau vieillit plus lentement que vous. Lors de son retour sur terre bien des années plus tard, vous prendrez votre retraite, votre jumeau quant à lui sortira à peine de la puberté.


L’expérience de la boîte

Vous flottez à l’intérieur d’une boîte, rien ne vous permet de voir ce qu’il se passe à l’extérieur. D'un coup, vous vous retrouvez écrasé au sol. On peut alors se poser deux questions ! La boîte a-t-elle été tirée vers le bas par la gravité ? Ou est-ce l'inverse elle à été tirée vers le haut par une corde ? La conséquence de ces deux actions produirait le même effet. Einstein en a donc conclu qu’il n’y a pas de différence entre gravité et l’accélération. La gravité peut affecter le temps et l’espace.

« Placez votre main sur un poêle une minute et ça vous semble durer une heure. Asseyez-vous auprès d’une jolie fille une heure et ça vous semble durer une minute. C’est ça, la relativité. » Albert Einstein.

Bien que certaines de ces expériences soient indirectement liées au temps tel que nous le concevons, elles ont joué un rôle important dans l'approche de ce concept par la communauté scientifique.

Incroyable non ? 

Les expériences réelles

Dilatation du temps - Hafele Keating

L'expérience Hafele-Keating (1971)

En octobre 1971, le physicien Joseph C. Hafele et l'astronome Richard E. Keating, utilisent des horloges atomiques extrêmement précises à bord d'avions commerciaux afin de prouver scientifiquement les théories d'Einstein. Ils ont volé deux fois autour du monde, d' abord vers l' est, puis vers l' ouest. En comparant les horloges des deux avions et celle resté au sol à l'United States Naval Observatory, le résultat est le suivant aucune des horloges n'est en accord, celle allant vers l'est retarde de 59 nanosecondes tandis que celle se dirigeant vers l'ouest a gagné 273 nanosecondes. Encore plus fort leurs différences sont compatibles avec les prédictions de la relativité restreinte et générale définies par Einstein.

Il était crucial dans leur expérience de repérer les éventuels sauts de fréquence (aléatoires) subis par les horloges durant le voyage. Impossible évidemment avec une horloge unique. 4 horloges atomiques étaient donc placées dans chaque avion. Cette expérience est l'une des plus importantes de notre histoire permettant de valider de nombreuses théories.


Pour ceux qui doutent encore, ou qui feraient la fine bouche sur la précision des données obtenues (prédictions théoriques vérifiées à 10% près), citons quelques autres expériences similaires conduites depuis (liste non exhaustive).

L’expérience de Carroll Alley (1975)

A l'Université du Maryland fut conduite une expérience se focalisant sur l’effet de désynchronisation gravitationnelle des horloges parfaites (en maîtrisant plus précisément les paramètres du vol). La valeur obtenue fut en accord avec la prédiction théorique à 1% près.

Les 25 ans de l'expérience Hafele et Keating (1996)

En 1996, pour fêter les 25 ans de l’expérience de Hafele et Keating, une horloge atomique fut embarquée par une équipe britannique du National Physical Laboratory (NPL) pour un aller-retour de Londres à Washington. A son retour elle avançait par rapport aux horloges au sol de 39 nanosecondes à 2 nanosecondes près, pour une prédiction théorique de 40 nanosecondes à quelques nanosecondes près.

Tour complet autour de la Terre (2010)

En 2010, un tour complet autour de la Terre a été effectué (toujours sous l’égide du NPL) avec une horloge atomique : Londres – Los Angeles – Auckland – Hong-Kong – Londres. L’écart mesuré fut à l’arrivée de 230 nanosecondes à 20 nanosecondes près pour une valeur théorique de 246 nanosecondes à 3 nanosecondes près. En 2020, il n’y a plus le moindre doute sur la réalité de ces écarts relativistes !

 

En conclusion

Bien que de nombreuses recherches soient faites sur ce sujet passionnant, le temps reste un mystère à bien des égards. Selon Einstein ou Newton notre monde est régi par des lois, le temps n'existe pas, il est une illusion et nous le parcourons. Selon Kant c'est notre cerveau qui produit le passage du temps nous le construisons. Le physicien Etienne Klein nous apporte une autre vision de la chose, le temps existe et nous en sommes les prisonniers, l'avenir serait fabriqué en permanence par la concrétisation du présent.

 

En savoir plus :