Site de vulgarisation scientifique d'Etienne Klein
"Il me plaît de penser que la physique est une sorte d’alpinisme intellectuel consistant à grimper jusqu’à des hauteurs himalayennes où le logos est rare et la vérité mutique."
Chose déroutante, décidément, que le temps. Nous en parlons comme d’une notion familière, évidente, voire domestique, « gérable ». Nous parlons même d’un « temps réel » pour évoquer l’instantanéité, c’est-à-dire le temps sur lequel nous n’avons aucune prise. Les physiciens, eux, l’ont couplé à l’espace, en ont fait une variable mathématique, abstraite, qu’ils intègrent dans des théories audacieuses, spectaculaires, mais si complexes qu’elles sont difficiles à traduire en langage courant. Certains disent même avoir identifié le moteur du temps. Quant aux philosophes, ils ne cessent depuis plus de deux millénaires de soumettre le temps au questionnement : est-il une sorte d’entité primitive, originaire, qui ne dériverait que d’elle-même ? Ou procéderait-il au contraire d’une ou plusieurs autres entités, plus fondamentales : la relation (de cause à effet, par exemple) ? Le temps s’écoule-t-il de lui-même ou a-t-il besoin des événements qui s’y déroulent pour passer ? S’apparente-t-il au devenir, au changement, au mouvement ? Et au fait, le temps a-t-il eu un commencement ? Aucune discipline ne parvient à épuiser, à elle seule, la question du temps. C’est pourquoi nous avons croisé les regards des philosophes avec ceux des physiciens. Et que se passe-t-il ? Sans aucun doute de belles et troublantes choses…
Introduction
Questions fondamentales : nature et moteur du temps ; présentation générale
Le Temps et ses problèmes de ligne
Temps : « aigle agile dans un temple » (Desnos)
Limites du langage, ligne du temps
1) Le doux empire des analogies
Analogie du fleuve : question du hors-temps, « vitesse » du temps (exemple des jumeaux de Langevin), moteur du temps
2) Quand la causalité coule de source
Kant : principe de causalité, distinction successions objective / subjective
3) Le temps se suffit-il à lui-même ?
Théorie quantique de la gravitation
Débat sur l’espace, absolu (Clarke, Newton) ou relatif aux objets (Leibniz, Mach en note)
Statut de l’espace ambivalent en Physique
Relativité générale, tenseur métrique
Temps absolu (Newton) ou de nature relationnelle (Leibniz, Mach, Lucrèce) ?
4) Une équation dira-t-elle d’où provient le temps ?
Démarche d’unification des forces : force électrofaible, modèle standard et ses limites
Découverte des quanta (discontinuité)
Temps discontinu : géométries non commutatives (Connes)
Temps émergeant de la causalité : espace des twisters (Penrose)
Théorie des supercordes : graviton, types de cordes, vérification expérimentale
Dimensions supplémentaires (Kaluza, Klein)
5) Quel est le moteur du temps ?
Moteur du temps
Problèmes liés à notre représentation du temps dans l’espace (Smolin)
Notre conscience comme moteur du temps (Weyl, Damour) ; univers bloc
Présentisme (Wittgenstein)
Espace-temps dynamique
6) Le Temps a-t-il connu un premier instant ?
Origine du temps et de l’univers : arguments des physiciens, distinction genèse / généalogies, apories
Théorie de pré-big bang (Veneziano), pré-temps
7) Quel temps nous a précédés dans le temps ?
L’humanité dans l’histoire de l’univers
Problème du moteur du temps avant apparition de la conscience humaine dans l’hypothèse de l’univers bloc (idéalisme)
Etude de la thèse de Kant sur le temps
8) D’où vient notre présence à l’instant présent ?
Continuité du temps : capacité intégrative de la conscience
Singularité du présent ; citations de Gassendi
Façons d’exprimer le temps dans le langage, comme ordre de succession ou comme passage d’un instant particulier (article de McTaggart)
Notion de « maintenant » ; anecdote de Carnap sur Einstein
Le Temps, entre permanence et devenir
Thèses antagonistes de Parménide et Héraclite
Réversibilité des équations et oubli du devenir (Prigogine)
Distinction cours du temps / flèche du temps
9) Ce qui change change-t-il vraiment ?
Paradoxe du changement, principe d’identité, citation de Popper illustrative
Parménide : l’Être, l’immobilité
Héraclite : le devenir, l’illusion de l’identité, le feu (citation d’Heisenberg), la vérité, le logos
10) Temps et phénomènes temporels : l’habit fait-il le moine ?
Amalgame entre temps et phénomènes temporels (Serres, Prigogine)
Entropie d’un système ; temps entropique de Prigogine (influencé par Bergson)
11) Temps et devenir : la physique voit double
Cours et axe du temps
Indéfectibilité du passé (Sénèque)
Principe de causalité (Leibniz, Schopenhauer), formulation dans différents formalismes
Distinction entre irréversibilité du cours du temps et flèche du temps
Œuvre de Roman Opalka ; en note, expériences de l’attente et de l’ennui
12) D’où provient la flèche du temps ?
Enigme de l’irréversibilité de certains phénomènes physiques
Arguments : croissance de l’entropie, mesure en physique quantique, violation de la symétrie CP (kaons neutres), expansion de l’univers
Remarques ; importance des termes employés, écueils (Prigogine, Thom, Wittgenstein)
13) La physique ou le protocole du devenir
Cours du temps et lois physiques (Meyerson), mouvement et changement
Théorème de Noether : invariance par translation du temps, conservation de l’énergie, exemple
Conditions et lois physiques
Hypothèses d’évolution des lois physiques (Smolin)
La Physique du XIXe siècle à l’épreuve de l’irréversibilité
La thermodynamique face à la mécanique classique : la Physique en crise, atomistes contre énergétistes
Contexte intellectuel : Mach, Ostwald, Boltzmann
14) La mécanique et le paradoxe de la réversibilité
La mécanique classique à l’épreuve de l’irréversibilité, paradoxe de la réversibilité (H. G. Wells, Kelvin)
Boltzmann : hypothèse de l’atome, entropie
Théorème de Poincaré
Controverse Boltzmann – Ostwald
15) La lente genèse de la thermodynamique
Naissance de la thermodynamique (Carnot), machine thermique, nécessité d’avoir au moins deux sources à des températures différentes
Expérience de Joule, travaux de Clausius, Thomson et Helmoltz
Apparition des concepts d’énergie (Kelvin = Thomson) et d’entropie (Clausius)
16) De l’énergie à l’énergétisme
L’énergétisme (Ostwald, dans la lignée de Mach)
17) La mécanique et l’idée d’atome deviennent partenaires
Courants de pensée dans la 2e moitié du XIXe siècle : Duhem et la primauté de l’expérience, Maxwell et les méthodes mathématiques (utilisation des statistiques en Physique)
18) Ludwig Boltzmann, un physicien qui pense la physique
Boltzmann : éléments biographiques, méthode hypothético-déductive (aussi défendue par Duhem), sa vision de la science
Théorie mécanique de la chaleur et atomisme
Théorème H, étude de collisions entre molécules, lien entre fonction H et entropie
Paradoxe de la récurrence (théorème de Poincaré)
19) La flèche du temps est-elle de nature statistique ?
Solitude de Boltzmann incompris ; expérience de pensée de Maxwell et arguments pour expliquer l’irréversibilité macroscopique à partir d’équations réversibles
Objections de Loschmidt, néanmoins défenseur de l’atomisme ; mort thermique
Expérience de pensée de Boltzmann pour résoudre le paradoxe de la réversibilité ; non-contradiction entre mécanique classique et second principe, remarque de Borel sur l’aspect mathématique du raisonnement
Variation de la fonction H dans le temps
Relation de Boltzmann S = k log W, évolution de l’entropie, invocation de l’univers tout entier
20) Energétisme et temps : la confusion s’installe
Ostwald et ses convictions énergétistes, correspondance avec Boltzmann
Débats énergétistes – atomistes sous tension (Ostwald, Helmoltz / Boltzmann, Klein)
Critiques d’Ostwald du matérialisme physique et de la cinétique des gaz, réponses de Boltzmann (exemple de billes dans un tambour)
21) Boltzmann et Ostwald : deux chemins de pensée s’affrontent
Chemins de pensée (Wittgenstein)
Méthode hypothético-déductive, de l’hypothèse à l’expérimentation (citation de Boltzmann), images mentales
Méthode inductive, l’expérience première (citation d’Ostwald) ; remise en cause par Boltzmann : nécessité de formuler des hypothèses, utilité des images mentales
Image des atomes, victoire épistémologique de Boltzmann
Différentes appréhensions du réel
22) Du paradoxe de la réversibilité à la découverte des quanta
Naissance de la physique quantique (Planck) : corps noir, catastrophe ultraviolette, quanta
Position de Planck dans le débat énergétistes – atomistes, interprétation de l’entropie
Spectre du corps noir, recherche infructueuse de l’irréversibilité dans l’électromagnétisme (Planck)
Loi de Wien (empirique), formule de Planck, loi de Rayleigh
E = hf ; arguments de Boltzmann repris par Planck
Einstein et les photons : nature corpusculaire de la lumière et effet photoélectrique
Mouvement brownien
Critique d’Einstein du positivisme
Impossibilité des images en physique quantique, débats persistants : représentation spatio-temporelle de l’atome de Schrödinger, onde pilote de de Broglie