Matière et Révolution

Le temps négatif, prédit par la théorie quantique est enfin découvert expérimentalement

Robert Paris — 2025-02-13T23:18:00Z

Le temps négatif, prédit par la théorie quantique, est enfin découvert expérimentalement !

Nous sommes tous accoutumés au temps qui s'écoule du passé vers le futur et avons du mal à imaginer l'inverse. Une fois encore notre monde intuitif est mis à mal par les découvertes des fondements quantiques de l'univers matériel. Rappelons que la Physique quantique a déjà démoli l'idée d'un continuum du temps, l'idée d'échelles graduelles du temps, pour les remplacer par un temps discontinu, ayant un minimum, non-différentiable et existant à plusieurs échelles, formant une fractale ! Désormais, il existe un temps négatif qui n'est pas un simple artifice théorique !

Cela ne signifie pas, bien sûr, qu'il s'agisse d'une propriété à notre échelle, macroscopique. Comme la plupart des propriétés quantiques, on ne les retrouve plus à notre niveau, celui d'une très grande quantité de quanta.

C'est au niveau du vide quantique que cette propriété est la plus marquée puisque la moitié des particules éphémères du vide parcourent le temps en sens inverse de celui qui est habituel à notre échelle appelé aussi « flèche du temps ». On trouve dans le vide quantique des particules et antiparticules dites « virtuelles » qu'on ne trouve qu'en couple et dont l'une (l'antiparticule) « remonte » le temps…

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article597

Preuve de l'existence de deux flèches du temps émergeant du monde quantique

https://sciencepost.fr/preuve-existence-deux-fleches-du-temps-monde-quantique/

Qu'est-ce que la flèche du temps

https://www.matierevolution.org/spip.php?article2055

http://www.rzuser.uni-heidelberg.de/~as3/time-direction/

https://www.yumpu.com/en/document/view/39509649/the-physical-basis-of-the-direction-of-time-the-frontiers-

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article598

Le temps n'apparaît pas, dans le vide, comme un écoulement continu positif – celui que l'on appelle « la flèche du temps- mais comme des quanta à la fois positifs et négatifs désordonnés parce qu'ils apparaissent et disparaissent.

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1688

Dans le monde du vide quantique, le temps va donc dans les deux sens. On s'en doutait depuis longtemps mais on vient seulement d'en découvrir la manifestation. La découverte théorique date de bien avant, notamment des diagrammes dits de Feynman et de son « électrodynamique quantique ».

En effet, loin d'être étonnante pour la théorie quantique, cette découverte expérimentale d'un « temps négatif » ne fait que confirmer ce que Feynman avait démontré théoriquement dans ses fameux diagrammes

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4332

https://forums.futura-sciences.com/physique/458099-particules-remontent-temps-de-feynman-fluctuations-quantiques-vide-consequences.html

https://forums.futura-sciences.com/physique/927979-positrons-electrons-viennent-futur.html

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4861

https://www.matierevolution.fr/spip.php?mot311

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5234

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6251

Qu'est-ce que l'électrodynamique quantique ?

https://www.matierevolution.org/spip.php?article5177

Qu'est-ce que le vide quantique ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?mot252

Les diagrammes de Feynman sont un outil mathématique puissant mais également conduisent à une espèce de description de « ce qui se passe quand » et c'est une description qui fait appel au virtuel du vide quantique, milieu dans lequel le temps peut s'écouler dans les deux sens…

Un diagramme de Feynman est un outil inventé pour réaliser les calculs de diffusion en théorie quantique des champs. Les particules sont représentées par des lignes, qui peuvent être dessinées de plusieurs façons en fonction du type de particule représenté. Un point, là où des lignes se connectent, est appelé sommet d'interaction, ou simplement sommet, ou encore vertex. Les lignes peuvent être de trois catégories : les lignes internes (qui connectent deux sommets), les lignes entrantes (qui s'étendent depuis « le passé » vers un sommet et représentent un état initial non interactif) et les lignes sortantes (qui s'étendent depuis un sommet vers « le futur » et représentent un état final non interactif). Habituellement le bas du diagramme représente le passé et le haut du diagramme représente le futur.

Les diagrammes de Feynman sont une représentation graphique d'un terme dans la décomposition perturbative d'une amplitude de diffusion pour l'expérience définie par les lignes entrantes et sortantes. Dans certaines théories quantiques des champs (notamment l'électrodynamique quantique), on peut obtenir une excellente approximation de l'amplitude de diffusion à partir de quelques termes de la décomposition en perturbations, correspondant à quelques diagrammes de Feynman simples avec les mêmes lignes entrantes et sortantes connectées par différents sommet et lignes internes.

« Un premier électron émet un photon, le photon se propage puis se matérialise en une paire électron-positon qui se propagent puis s'annihilent pour se retransformer en un photon qui se propage et est finalement absorbé par un deuxième électron. Ce processus contient huit diagrammes élémentaires : quatre font intervenir le couplage électron-photon, deux le propagateur du photon et deux le propagateur de l'électron. (...) Trois diagrammes suffisent pour décrire tous les processus de l'électromagnétisme : couplage électron-photon (appelé vertex) : un électron peut émettre ou absorber un photon ; ce processus a une probabilité proportionnelle à la charge électrique de l'électron ;
propagateur du photon : un photon peut être émis à un point donné de l'espace-temps et absorbé à un autre ; la probabilité ne dépend que de la distance dans l'espace-temps entre les deux points ; propagateur de l'électron : un électron peut être émis à un point donné de l'espace-temps et absorbé à un autre ; la probabilité est dans ce cas plus compliquée à décrire et elle dépend aussi de la masse de l'électron. Mais le calcul pose des problèmes apparemment insurmontables : il faut additionner les diagrammes de Feynman pris à tous les points de l'espace-temps. Or la somme sur toutes les paires de points de l'espace-temps de la boucle du diagramme représentant la propagation de la paire électron-positon donne un résultat infini. Il existe par ailleurs deux autres diagrammes de Feynman en boucle qui donnent des résultats infinis. (...) Autre exemple du problème des infinis : quelle est la force nécessaire pour mettre en mouvement un électron initialement au repos ? Conformément à la théorie de Maxwell, toute particule chargée accélérée émet des ondes électromagnétiques. Or, ces dernières agissent sur l'électron en le freinant. Le calcul de cette force de freinage selon la théorie de Maxwell donne un résultat infini. Il serait donc impossible de déplacer un électron, ce qui est bien sûr contredit par l'expérience ! Ce n'est qu'en 1949 que Julian Schwinger, Richard Feynman, Sin-Itiro Tomonaga et Freeman Dyson parviennent à résoudre ce problème des quantités infinies des diagrammes en boucle : ils le contournent en inventant une méthode de calcul ingénieuse appelée renormalisation. Elle introduit enfin les concepts quantiques de façon cohérente dans la théorie de Maxwell. Cette nouvelle théorie est appelée électrodynamique quantique. (...) L'électrodynamique quantique est valable jusqu'à une certaine distance minimale qu'on choisit plus ou moins arbitrairement : l'addition des diagrammes de Feynman en boucle sur tous les points de l'espace-temps s'arrête alors à cette distance. On évite ainsi les quantités infinies mais le résultat du calcul de ces diagrammes dépend de cette distance minimale. »

Gilles Cohen-Tannoudji dans "La Matière-espace-temps" :

« En électrodynamique quantique, la force élémentaire entre deux particules de matière est décrite par le diagramme de Feynman d'échange d'un photon virtuel. Mais les transitions virtuelles introduisent des corrections radiatives (purement quantiques) qui peuvent être évaluées grâce à la théorie de la renormalisation. Ces corrections sont interprétées physiquement comme une polarisation du vide : le photon virtuel se matérialise en une paire électron-positron qui s'annihile pour redonner un photon virtuel. Cette polarisation du vide produit un effet d'écran : un électron numéro deux « voit » une charge électrique de l'électron numéro un « écrantée » par la polarisation du vide. C'est d'ailleurs dans cet effet d'écran que réside l'essentiel de la renormalisation : la charge « nue » de l'électron est infinie, c'est la polarisation du vide par les paires électron-positron (qui vivent le temps des transitions virtuelles) qui écrante, renormalise cette charge et en fait une charge physique, finie, effective, dépendant de la résolution. En électrodynamique quantique donc, le vide est assimilé à un milieu diélectrique, polarisable par les fluctuations quantiques, capable d'écranter la charge électrique. La charge renormalisée décroît quand la distance croît. »

En microphysique, les particules échangent des photons lumineux pour interagir. Ce phénomène fondamental de la matière/lumière a été interprété pour la première fois par les diagrammes de Feynman de l'électrodynamique quantique. Il s'agit du seul mode de description connu des interactions entre particules via les photons lumineux. Il a été vérifié par un grand nombre de calculs qui sont les plus précis de toute la physique. Cependant, pour bien des physiciens, la réalité des interactions révélées par Feynman n'est pas encore reconnue unanimement. En effet, elles nécessitent de reconnaître dans le vide un nombre infini de particules, d'antiparticules et de photons éphémères, appelés « virtuels » parce qu'ils sont trop fugitifs pour être mis en évidence par des mesures supérieures au temps de Planck. Les virtuels ne peuvent donc être mesurés par la matière/lumière. Au cours d'une transformation de matière/lumière, elles sont insensibles mais sont nécessaires au calcul et on est amené à supposer qu'elles apparaissent et disparaissent. Nous allons voir qu'au contraire les diagrammes de Feynman ne montrent pas que les corpuscules virtuels apparaissent et disparaissent mais que ce sont les corpuscules matériels dits réels qui apparaissent et disparaissent ! Ceux qui existent réellement sont donc les particules du vide et l'aspect réel, durable, n'est qu'une apparence, effet des interactions.

Ainsi, l'interaction électromagnétique, dite coulombienne, est le produit d'échanges de photons dits virtuels et l'interaction nucléaire suppose également des échanges virtuels. Feynman explique ainsi dans son cours de physique (chapitre Mécanique quantique) que "on a l'habitude de dire qu'il y a échange d'un électron "virtuel" quand l'électron doit sauter à travers une région de l'espace où il y a une énergie négative. Plus précisément, un "échange virtuel" signifie que le phénomène implique une interférence quantique entre un état avec échange et un état sans échange. (...) Yukawa a posé en hypothèse que la force entre deux nucléons est due à un effet d'échange similaire - mais dans ce cas, à l'échange virtuel, non pas d'un électron, mais d'une nouvelle particule qu'il a appelé "méson". Aujourd'hui, nous identifions le méson de Yukawa avec le pion qui se produit dans les collisions à haute énergie de protons ou d'autres particules."

On a remarqué que deux particules qui n'échangent pas de photons ne peuvent pas définir l'espace qui les sépare ni le temps local. Une particule individuelle, que l'on concevrait comme isolée du reste du monde, ne serait pas située dans un espace-temps ! Plus grave encore, on a constaté qu'aucune particule n'avait une existence individuelle. Aucune n'existait de façon séparée des autres et du milieu. N'oublions pas que l'équation d'énergie (ce qui est perdu en énergie potentielle est gagné en énergie cinétique) signifie justement un échange permanent entre particule et milieu. Sans liaison avec le vide qui l'entoure ou avec les autres particules (via les photons lumineux), aucune particule ne peut exister. Il suffit de dissocier une particule de son environnement pour le constater (expérience de diffraction par exemple). La particule perd alors la mémoire de son mouvement précédent et toutes les directions deviennent possibles. Celle-ci a perdu son orientation dans l'espace et son mouvement.

Comment se déroule en effet l'interaction entre deux particules ? Elle est fondée sur l'émission et l'absorption spontanée d'un photon (réel) par une particule (réelle). Remarquons d'abord qu'il s'agit bien d'un phénomène qui est brutal puisqu'il se déroule sur un temps très court, apparemment ponctuel. Montrons maintenant quelles sont les étapes de ce processus d'absorption et d'émission de photon lumineux par les particules matérielles. Le processus d'absorption, par exemple, est le suivant. Première étape, le photon approchant de la particule se décompose en particule et antiparticule, virtuels tous les deux. Deuxième étape : la particule réelle se lie à l'antiparticule virtuelle pour faire apparaître un nouveau photon virtuel. Bilan : il reste une particule. On dit que « la » particule a absorbé le photon. En réalité, la particule qui reste est l'ancienne particule virtuelle. D'autre part, un photon « réel » a été transformé en photon « virtuel ». On peut en conclure que l'état virtuel était tout aussi réel que l'état de la particule matérielle. De même pour le photon. L'une des remarques qui découlent de cette analyse des diagrammes de Feynman est que la révolution est à la base de la dynamique. Ce n'est pas la même particule qui se maintient avant et après l'émission/absorption de photon. Le vide empli de couples particule/antiparticule virtuelles permet de comprendre qu'il n'y a jamais création ex-nihilo mais matérialisation de particules, d'antiparticules ou de photons du vide. L'énergie d'un choc permet par exemple de matérialiser des particules du vide. Par contre, dans le phénomène d'absorption/émission de photons par la matière, il y a changement brutal. Une particule disparaît et une nouvelle particule apparaît qui a les mêmes caractéristiques mais qui n'est pas individuellement la même. Aucune particule matérielle n'est donc appelée à durer aussi longtemps qu'il y paraissait. L'apparence de durée est un effet des multiples rétroactions du vide, de la matière et de la lumière qui se déroulent dans des temps extrêmement courts. On peut également en conclure que l'on comprend pourquoi une particule est partout dans son nuage de polarisation et saute d'une position à une autre dans ce nuage. En effet, la particule peut disparaître à tout moment et réapparaître en tout point proche où se situe un couple particule/antiparticule virtuel. Une autre conclusion est qu'il n'y a pas de différence de nature entre particule virtuelle et particule réelle. Au cours de l'absorption/émission de photon, le virtuel et le réel s'échangent. Si la particule réelle devient virtuelle, c'est le contraire pour le photon. Le nuage de polarisation est justement constitué de ces couples particule/antiparticule virtuels.
Richard Feynman fut en 1940 le premier à tenter un retour partiel à une représentation spatio-temporelle en réhabilitant le concept de trajectoires quantiques. Il se rapprocha ainsi d'une conception plus géométrique de la réalité quantique, sans pour autant abandonner son indéterminisme. Feynman a écrit un livre en 1965, avec A Hibbs ; il décrit ainsi les trajectoires virtuelles d'une particule classique :

Les chemins importants pour une particule quantique ne sont pas ceux qui ont une pente (ou une vitesse) bien définie partout, mais ceux qui sont au contraire très irréguliers à toute petite échelle... Ainsi, bien qu'une vitesse moyenne puisse être définie, la vitesse quadratique moyenne n'existe en aucun point. En d'autres termes, les trajectoires sont non différentiables.
L'espace-temps non différentiable.

En termes actuels, cette description des chemins quantique signifie que, bien que tous différents et en nombre infinis, ce sont des courbes fractales caractérisées par une propriété géométrique commune : leur dimension fractale est deux. Einstein lui aussi avait envisagé d'abandonner les équations différentielles. En 1948, il écrit à Wolfgang Pauli : "Je vous ai dit plus d'une fois que je suis un partisan acharné non pas des équations différentielles, mais bien du principe de relativité dont la force heuristique nous est indispensable".

D'où l'idée de chercher les structures générales d'un espace-temps non différentiable qui satisferait au principe de relativité. L'espoir sous-jacent est de voir émerger le comportement quantique comme une manifestation de la non-différentiabilité.

Le problème semble toutefois d'une difficulté extrême : abandonner la différentiabilité, n'est ce pas abandonner les équations différentielles, l'outil de base de la physique ? Heureusement une autre voie est possible, qui permet de décrire la non-différentiabilité à l'aide d'équations différentielles !

La clef de la solution se trouve dans l'interprétation des travaux de Feynman en terme de fractals. Considérons une fonction continue et presque partout non différentiable, tracée entre deux points du plan. On peut l'approximer par des dissections successives qui en construisent des approximations de plus en plus précises.

https://www.matierevolution.org/spip.php?article6315

https://books.openedition.org/psorbonne/1766?lang=fr

La découverte expérimentale du « temps négatif » qui vient d'être faite

https://www-scientificamerican-com.translate.goog/article/evidence-of-negative-time-found-in-quantum-physics-experiment/?_x_tr_sl=en&_x_tr_tl=fr&_x_tr_hl=fr&_x_tr_pto=sc

https://www-ecoticias-com.translate.goog/en/negative-time-discovered-flowing-future/10035/?_x_tr_sl=en&_x_tr_tl=fr&_x_tr_hl=fr&_x_tr_pto=sc

https://www.nationalgeographic.fr/espace/physique-quantique-etrange-decouverte-du-temps-negatif-phenomene-sciences-recherche-decouverte

https://www.science-et-vie.com/sciences-fondamentales/physique-quantique/le-temps-negatif-quand-la-lumiere-defie-notre-perception-du-temps-187270.html

https://www.linternaute.com/actualite/magazine/7057334-article/

https://leblob.fr/actualites/bizarrerie-quantique-un-temps-negatif-observe-experimentalement

https://hpc.developpez.com/actu/366195/Des-scientifiques-affirment-avoir-mesure-un-temps-negatif-dans-le-cadre-d-une-experience-quantique-portant-sur-la-relation-photon-atome-mais-cette-affirmation-a-suscite-scepticisme-et-controverse/

https://www-londondaily-news.translate.goog/quantum-experiments-reveal-negative-time-phenomenon/?_x_tr_sl=en&_x_tr_tl=fr&_x_tr_hl=fr&_x_tr_pto=sc

Lire encore sur le temps en Physique

https://www.matierevolution.fr/spip.php?mot311

Lire encore sur la Physique quantique

https://www.matierevolution.fr/spip.php?mot283

Le temps marche dans les deux sens (vers le passé comme vers le futur

Robert Paris — 2023-03-15T23:05:00Z

Le temps marche dans les deux sens (vers le passé comme vers le futur)

Disons d'abord que cela ne signifie nullement que « le temps n'existe pas ».

Ce que l'on croyait auparavant

Ce qui le remet en question

Ce que l'on observe maintenant :

Comment résoudre la question de la « catastrophe du vide », c'est-à-dire de la densité de l'énergie du vide quantique bien trop grande pour être compatible avec la relativité (constante cosmologique) ?

Robert Paris — 2022-04-10T22:05:00Z

Les constantes de Planck, des limites naturelles des paramètres qui expliquent et résolvent la « catastrophe du vide », le fossé entre les estimations de l'énergie du vide par la physique quantique et par la relativité

Comment résoudre la question de la « catastrophe du vide », c'est-à-dire de la densité de l'énergie du vide quantique bien trop grande pour être compatible avec la relativité (constante cosmologique) ?

Il y aurait dix puissance cent-vingt fois plus d'énergie dans l'Univers du point de vue de la physique quantique que de celui de la physique relativiste d'Einstein (relativité générale). Mais nous allons voir que ces deux physiques ne s'appliquent en même temps qu'à l'échelle de Planck. or, à cette échelle, il n'y a plus de continuité, il n'y a plus de mesure de longueur et de temps, donc plus de physique quantique ni de physique relativiste. On ne peut pas comparer les énergies mesurées dans les deux physiques puisqu'elles ne s'appliquent pas à cette échelle.

On comprendra aisément que si la distance de Planck est la plus petite dimension possible d'une zone de l'espace, l'argument selon lequel il ya dans le vide une énergie minimale en chaque point de l'espace, qui fonde la notion d'infinitude d'énergie de l'espace vide pusique dans chaque zone il y a une infinité de points, n'a pas lieu d'être puisqu'il n'existe pas de points.

Une autre remarque préliminaire sur les constantes de Planck est la suivante : si les constantes de temps et de longueur sont des minimales qui suppriment les notions de continuum et de point, la constante d'énergie de Planck est un maximum qui empêche les infinis d'énergie du vide.

Et ce n'est que deux premiers arguments montrant que, si les constantes de Planck sont réellement des extrema, alors la question des infinis d'énergie du vide ne se posent plus et la contradiction avec la théorie de la relativité, encore appelée catastrophe du vide ou problème de la constante cosmologique, peut être reposée de manière différente.

Cependant, il ne suffit pas de remettre en question le continuum de l'espace-temps car cela change à la fois la relativité et la physique quantique. Il ne suffit pas non plus de parler de champs quantiques. Il faut remarquer qu'autour de chaque particule dite « réelle », il y a une myriade de particules dites virtuelles. C'est le nuage virtuel de la particule réelle. Et cette myriade est difficilement chiffrable mais peut aisément être représentée si on parvient à estimer la taille du nuage. On peut diviser cette taille par la longueur de Planck pour avoir un tel ordre de grandeur. Or, on peut remarquer que chaque particule virtuelle peut à tout moment devenir réelle, soit en recevant un boson de Higgs, soit en étant approchée par une particule à une vitesse suffisamment grande. Il suffit qu'une particule virtuelle double son énergie pour devenir réelle. On a ainsi une estimation de l'énergie de cette mytiade de particules virtuelles qui entour chaque particule réelle. On divise par deux l'énergie d'une particule réelle et on multiplie par le nombre de particules virtuelles du nuage dit « de polarisation » de la particule réelle.

Ceci n'est pas encore une démonstration de la résolution de la catastrophe du vide, et ne comble pas encore l'écart entre densité d'énergie du vide dans les deux physiques, relativité et quantique, mais cela en donne déjà une piste.

Pour continuer la discussion, il convient de savoir que la gravitation peut sembler un des effets du vide quantique, ce que l'on a pu développer dans ce texte

Il en résulte qu'il est bien moins étonnant que l'énergie mesurée par la gravitation soit bien inférieure à l'énergie totale.

Cependant le fond du problème provient du fait que l'énergie a une inertie tout comme la masse et qu'elle courberait l'espace-temps. La gravité serait donc la seule mesure de la densité d'énergie de l'espace. Du coup, on a estimé que la relativité générale était la plus fondée à nous dire quelle est cette densité. L'erreur, sur ce point, proviendrait du fait que l'espace-temps relativiste est un continuum alors que l'espace et le temps semblent bel et bien discontinus comme on va le montrer dans la discussion qui suit…

Le dernier point, et le plus important, est le suivant : la théorie quantique des champs commet la même erreur que la relativité, raisonner sur des continuum, non seulement celui de l'espace-temps mais celui des champs. Pour éviter les erreurs auxquelles mènent cette vision d'un monde continu, et les infinis qui en découlent, il faut remplacer la théorie quantique des champs par la théorie des grains quantiques, les quantons. Ils sont discontinus dans un monde entièrement discontinu où toutes les particules, virtuelles comme réelles, sautent d'une particule à une autre (virtuelle ou virtuelle de virtuel). Les contradictions de la catastrophe du vide et de la consante cosmologique peuvent ainsi être résolues. Qu'est-ce qui permet de le penser ? Eh bien, si la relativité pose en postulat la continuité du monde espace-temps, elle raisonne cependant sur des objets qui, eux, sont discontinus : des particules aux amas d'amas de galaxies en passant par les étoiles. C'est là que git la plus grande différence, le fossé d'ordre de grandeur, entre l'énergie totale calculée par la relativité et celle calculée par la physique quantique.

Pour lire sur la conception granulaire du vide quantique :

Pour lire sur la conception granulaire du vide quantique

Lisons deux autres textes sur cette question de la « catastrophe du vide ».

Le texte qui suit est extrait de l'article de Ronald J. Adler dans l'ouvrage collectif « Le Vide » dirigé par Edger Gunzig et Simon Diner, article intitulé « La catastrophe du vide : le problème de la constante cosmologique ».

« La relativité générale et la théorie quantique sont deux théories bien distinctes qui ont des bases conceptuelles différentes et sont difficiles à harmoniser, en dépit de nombreux efforts pour les unifier en un ensemble conceptuel cohérent. Quand on les applique toutes deux à l'étude du vide, l'état physique qui présente le plus bas niveau d'énergie, surgit une énorme contradiction. La théorie quantique prédit une très grande densité d'énergie dans le vide… Mais selon la relativité générale, une telle densité d'énergie aurait de grands effets gravitationnels, et de tels effets sont absents de l'univers observé. La différence numérique entre la densité d'énergie prédite par la théorie et la limite supérieure déduite de la relativité et des observations est de quelque 120 ordres de grandeur, un nombre impressionnant. (voir Weinberg, « Le problème de la constante cosmologique », 1989) Aucune explication de cette différence ne fait l'unanimité. On peut en conclure qu'il existe une incohérence profondément enracinée entre les bases de la théorie quantique et celles de la théorie relativiste de la gravitation. De nombreux chercheurs qui travaillent à l'interface de la relativité générale et de la théorie quantique considèrent qu'il s'agit là du problème conceptuel et philosophique le plus profond et le plus irritant de la physique théorique. C'est pourquoi nous l'avons appelé la catastrophe du vide. (Ronald J. Adler, « La catastrophe du vide », 1995) Cette situation rappelle en effet l'épisode historique dit de la catastrophe de l'ultraviolet, qui conduisit à la découverte de la théorie quantique au cours des premières années du XXe siècle…

La solution de notre problème pourrait bien demander… une réévaluation de nos idées touchant le continuum de l'espace-temps aux petites échelles. (voir le chapitre de C. Schiller qui suit)

(…)

Trois constantes physiques de la nature caractérisent le problème. La vitesse de la lumière caractérise des systèmes où les énergies sont grandes par rapport aux énergies au repos ; la constante de Planck caractérise les petits systèmes de la mécanique quantique ; la constante gravitationnelle de Newton caractérise les systèmes gravitationnels. Les valeurs de ces trois constantes dans le système d'unités MKS sont les suivantes :

c = 3 fois dix puissance huit

h barre = 1,05 fois dix puissance moins 34

G = 6,67 fois dix puissance moins onze

Pour la discussio des particules et des champs, il sera commode d'utiliser l'unité d'énergie du GeV (milliard d'électrons volts) ou 1 GeV = 1,6 fois dix puissance moins dix Joules. L'énergie au repos du proton est un peu inférieure à un GeV.

(…)

C'est un trait général de la théorie quantique que, en termes assez approximatifs, les choses ne sont jamais au repos. Ce concept est prodigieusement fertile ; il peut servir à expliquer bien des phénomènes, comme la stabilité des atomes. Pour la théorie classique, l'électron d'un atome d'hydrogène rayonnera de l'énergie pendant( qu'il tourne autour du proton, et donc au bout d'un temps court, il tombera sur le proton et y restera au repos ; les atomes, et toute matière, seraient instables. Mais il n'en va pas ainsi pour la théorie quantique, car le principe d'incertitude ne permet pas de connaître avec une telle précision la position et l'impulsion. Au contraire, l'électron est dans un état quantique (une sorte de nuage d'amplitude de probabilité appelé fonction d'onde) autour du proton, avec une incertitude sur sa position et son impulsion définie par le principe d'incertitude, et avec le niveau d'énergie le plus bas possible.

(…)

Les physiciens sont parvenus à représenter, de manière assez satisfaisante, de nombreux systèmes comme des ensembles des oscillateurs harmoniques. Pour la théorie quantique, l'oscillateur harmonique ne peut reposer paisiblement au fond du puits d'énergie potentielle ; il a en revanche une énergie d'état fondamental donnée par la moitié de la constante de Planck h barre multipliée par la fréquence de résonance exprimée en radians par seconde ; l'énergie minimale est aussi appelée énergie de point zéro. C'est une autre illustration du principe selon lequel la nature quantique n'est jamais au repos.

(…)

De la même manière que le système de l'oscillateur harmonique a une énergie d'état fondamental positive non nulle, un champ quantique a une énergie d'état fondamental positive non nulle en chaque point de l'espace. Puisqu'il y a un nombre infini de points pour chaque portion de volume de l'espace, la densité énergétique de l'espace doit être infinie. Autrement dit, la densité énergétique de l'espace dans son état fondamental, c'est-à-dire l'espace vide ou « le vide », est infinie.

(…)

Le résultat infini est la conséquence directe du fait que l'on attribue un degré de liberté à chaque point de l'espace, de telle sorte que deux points seront traités comme indépendants, si proches soient-ils. L'hypothèse paraît douteuse est elle l'est en effet.

Nombre de scientifiques croient en l'existence d'une échelle fondamentale ou minimale pour laquelle nos idées courantes sur le continuum spatial perdent leur sens, et sous laquelle le continuum qui nous est familier n'est plus un concept applicable.

Cette échelle pour laquelle les effets d'incertitude quantique devraient provoquer de grandes fluctuations dans la géométrie de l'espace-temps est l'échelle de Planck :

Distance de Planck = 1,6 fois dix puissance moins 35 mètre

Temps de Planck = 0,54 fois dix puissance moins 43 seconde

Masse de Planck = 2,2 fois dix puissance moins 8 kilo

Energie de Planck = 2,0 fois dix puissance moins 9 GeV

Avec les constantes fondamentales de la nature (c, h barre et G), il n'existe qu'une seule manière de former des quantités qui auraient des dimensions de longueur, de temps et de masse, et ce comme ce qui suit :

Distance de Planck = racine de (G fois h barre divisé par c puissance 3)

Temps de Planck = racine de (G fois h barre divisé par c puissance 5)

Masse de Planck = racine de (c fois h barre divisé par G)

Energie de Planck = c fois h barre divisé par distance de Planck

Ce qui donne les valeurs numériques précédememnt citées.

De la même manière que la distance de Planck peut assigner une limite inférieure aux distance spatiales (ou le temps de Planck aux intervalles temporels), l'énergie de Planck peut assigner une limite supérieure ou borne sur l'énergie d'un oscillateur associé à des champs quantiques.

Nous pouvons de même modifier la discussion ci-dessus qui menait à une densité d'énergie de champ infinie pour l'espace. Plutôt que d'associer à chaque point de l'espace un degré de liberté pour un champ, nous pouvons diviser l'espace en petits cubes de la taille de la dictance de Planck. Puisque l'on a à présent un nombre fini de ces cubes pour toute portion donnée de l'espace, la densité d'énergie du vide n'est plus infinie.

Nous pouvons d'ailleurs obtenir de plusieurs façons la densité d'énergie du vide pour cette représentation…

La densité d'énergie doit être de l'ordre de 0,49 fois dix puissance 114 joule par mètres-cubes. Ce qui donne la densité d'énergie de Planck = énergie de Planck divisée par longueur de Planck puissance 3.

Un calcul plus précis donne 6,2 fois dix puissance 111 joules par mètres-cubes.

Si l'on considère leur grandeur extraordinaire, ces résultats reviennent au même. Nous avons ainsi évité la densité d'énergie infinie, mais nous avons toujours une densité d'énergie immense.

Pour mettre ceci en perspective, on sait qu'il y a dix puissance 80 protons dans l'univers observable, à plus ou moins dix ordres de grandeur près. Puisqu'un proton a une énergie au repos proche du GeV, cela implique que l'énergie de l'univers observable tout entier est en gros de dix puissance 80 GeV, soit dix puissance 70 Joules.

Cela signifie que dans chaque centimètre cube du vide quantique, il y a vraiment beaucoup plus d'ordres de grandeur d'énergie que celle de la matière dans tout l'Univers visible. Bien que nous nous soyons donné une taille minimum raisonnable pour une région de l'espace, nous trouvons que la densité d'énergie est un nombre d'une taille absurde. C'est la catastrophe du vide.

Notre but principal dans ce texte est d'étudier le vide électromagnétique et sa densité d'énergie. Mais nous devons mentionner brièvement les autres champs, puisqu'ils contribuent eux aussi à la densité d'énergie du vide. (…) Le résultat total n'est finalement pas très différent de celui du champ électromagnétique seul. (…)

La force de Casimir prouve une variation de la densité d'énergie du vide due à la présence des plaques de métal, mais elle ne dit rien sur la valeur de cette énergie. Pour mesurer cette valeur, il semble qu'il faille une sonde gravitationnelle, puisque seule la gravité dépend de la valeur des densités d'énergie et pas des différences.

(…)

La théorie relativiste de la gravitation d'Einstein de 1916 est basée sur l'idée que la matière et l'énergie affectent la géométrie de l'espace-temps à quatre dimensions, c'est-à-dire qu'elles courbent l'espace-temps.

Dans les équations fondamentales de la gravitation, le tenseur d'Einstein (une matrice 4X4), représentant la courbure de l'espace-temps, est rendu égal au tenseur d'énergie-impulsion (une matrice 4X4) représentant la densité de matière et d'énergie.

Einstein inventa la cosmologie moderne quand il chercha poiur ces équations des solutions susceptibles de représenter l'Univers entier. Il rencontra une grave difficulté : il ne pouvait pas trouver de solution statique comme il l'avait espéré ; il trouva que son modèle de l'Univers variait avec le temps par expansion ou contraction. A cette époque, un tel comportement ne paraissait pas sensé puisque l'Univers ne présentait pas de signe de changement à l'échelle cosmologique ; Einstein fut donc forcé de modifier ses équations, en ajoutant un nouveau terme à son tenseur de courbure de l'espace-temps, appelé terme cosmologique. Ce terme est une matrice identité (4X4) multipliée par une constante, que l'on appelle la constante cosmologique. Einstein fut ainsi à même d'obtenir une solution statique, comme il le souhaitait. (…)

Einstein avait donc, dans ses premières recherches, rencontré l'expansion de l'Univers par voie théorique, mais sans prendre cette solution en compte.

(…)

Le point de vue aujourd'hui dominant en cosmologie est que le terme cosmologique ne viole pas la cohérence mathématique, mais n'est pas nécessaire.

(…)

Le terme cosmologique peut être interprété comme le tenseur d'énergie-impulsion de l'espace-vie – le vide. Il donne lieu à un champ gravitationnel comme n'importe quelle densité de matière ou d'énergie…

Mais dans le contexte de la relativité générale, la cosmogie d'observation impose une limite supérieure à la constante cosmologique…

On a vu que la théorie quantique des champs prédit que le vide a une densité d'énergie qui s'avère par de nombreux ordres de grandeur plus grande qu'il n'est raisonnable ou permis par l'observation cosmologique. Les mesures de loa force de Casimir entre des plaques conductrices vérifient que la variation de cette énergie est réelle, mais des considérations sur la cosmogie demandent que l'on assigne des limites supérieures à cette densité d'énergie du vide, lesquelles ne s'accordent pas avec les estimations théoriques, et ce par un écart de quelque 120 ordres de grandeur. Il est manifeste qu'il existe un conflit sérieux entre nos idées touchant le vide quantique et la gravitation ; c'est la catastrophe du vide. (…) »

Quelle physique s'applique à l'échelle de Planck, là où relativité et quantique s'appliquent en même temps ?

Aux dimensions de Planck, limites inférieures des dimensions universelles de temps, d'espace et d'énergie, là où relativité et quantique s'appliquent en même temps, il n'y a pas de différence entre vide quantique et matière : à cette échelle, il faut dire adieu aux instants de temps, adieu aux points de l'espace, adieu à la variété espace-temps, adieu aux observables et aux mesures, adieu à la masse, adieu aux trajectoires, adieu à la permanence de la matière, adieu aux mesures, adieu aux observations, et même adieu à la séparation diamétrale entre matière et vide.

Le texte qui suit est extrait de l'article de Christophe Schiller dans l'ouvrage collectif « Le Vide » dirigé par Edger Gunzig et Simon Diner, article intitulé « Le vide diffère-t-il de la matière ? ». Il raisonne entièrement aux dimensions de Planck et démontre qu'à cette échelle, toute la physique est bouleversée, y compris la physique quantique et la relativité.

« Le face-à-facede la mécanique quantique et de la relativité générale conduit à des conclusions surprenantes concernant l'espace et le temps. Nous montrons que les concepts de continuité de l'espace-temps, de point d'espace, de moment de temps, de particule ponctuelle, de causalité, perdent tout fondement dans le domaine des distances inférieures à la distance de Planck, ou celui des énergies de Planck. Le vide lui-même devient indiscernable de la matière et du rayonnement.

(…)

Pour décrire le mouvement, ces deux théories (relativité générale et mécanique quantique) recourent à des objets constitués de particules et à la notion d'espace-temps. Voyons comment ces concepts sont définis.

Une particule – et en général tout objet – est défini comme une entité permanente, à laquelle une position peut être attribuée et qui peut se déplacer (l'étymologie du terme « objet » se rapporte à ce dernier trait). En d'autres termes, une particule est une petite entité dont la masse, la charge, etc. se conservent. Cette particule peut changer de position avec le temps.

Cependant, dans tous les traités de physique, les temps est déterminé à l'aide d'objets en mouvement, qu'on appelle habituellement « horloges », ou à l'aide de particules en mouvement, comme celles qui sont émises par des sources de lumière. De même, l'unité de longueur se définit également avec des objets, par exemple les règles comme autrefois, ou le mouvement de la lumière qui n'est rien d'autre qu'un ensemble de particules en mouvement.

(…)

Pour éviter les contradictions entre la mécanique quantique et la relativité générale… les changements conceptuels nécessaires sont si spectaculaires qu'ils devraient intéresser tous ceux qui manifestent un certain intérêt pour la physique… La mnière la plus efficace d'approcher ces changements sera de fixer notre regard sur les détails du domaine où la contradiction entre les deux théories standard prend son tour le plus saillant et où elles sont toutes deux nécessaires en même temps…

La relativité générale et la mécanique quantique proposent chacune un critère pour déterminer quand la physique galiléenne n'est plus applicable… La relativité générale montre qu'il est nécessaire de prendre en compte la courbure de l'espace-temps lorsque l'on s'approche d'un objet de masse m à des distances de l'ordre du rayon de Schwarzschild qui vaut deux fois la constante de gravitation universelle de Newton fois la masse et divisé par le carré de la vitesse de la lumière… Un objet plus petit que son propre rayon de Scwarzschild est un « trou noir ». Selon la relativité générale, aucun signal issu de l'intérieur du rayon de Schwarschild ne peut parvenir au monde extérieur d'où le nom « trou noir ».

De même, la mécanique quantique montre que la physique classique galiléenne doit être abandonnée et les effets quantiques pris en compte lorsque l'on approche d'un objet à des distances qui sont de l'ordre de la longeur d'onde de Compton qui est égale à la constante de Planck h barre divisée par le produit de la masse et de la vitesse de la lumière. Naturellement, cette longueur n'a d'importance que si l'objet lui-même est plus petit que sa longueur de Compton. A ces échelles, on observe des effets quantiques relativistes, comme les créations et annihilations de particules-antiparticules (théorie quantique des champs).

(…)

Si nous rassemblons ces deux résultats, les situations qui demandent la combinaison des concepts de la théorie quantique des champs et de la relativité générale sont celles où ces deux conditions sont satisfaites simultanément. La distance d'approche critique admise est un rayon de Schwarschild double de la longueur d'onde de Compton. On constate que c'est le cas lorsque les longueurs sont de l'ordre de la « longueur d'onde de Planck » et les temps de l'ordre du « temps de Planck ».

La longueur d'onde de Planck « lP » vaut 1,6 fois dix puissance moins 35 mètres et le temps de Planck « tP » vaut 5,4 fois dix puissance moins 44 secondes.

lP vaut tP multiplié par la vitesse de la lumière c. Le carré de lP vaut la constante de Planck h barre fois la constante de gravitation universlle G divisé par la puissance trois de la vitesse de la lumière.

Si l'on approche un objet à ces échelles, la relativité générale et la mécanique quantique jouent toutes deux un rôle.

(…)

Est-il possible de construire une horloge qui soit susceptible de mesurer des intervalles de temps plus courts que le temps de Planck ? Il est remarquable que la réponse soit non ; même si dans la relation d'incertitude temps-énergie (produit des incertitudes de temps et d'énergie supérieure ou égale à h barre), il semble que qu'en donnant l'incertitude de d'énergie une valeur arbitrairement grande, l'on peut rendre l'incertitude de temps aussi petite que l'on veut.

Une horloge est un appareillage qui comporte des pièces mobiles qui peuvent être des roues mécaniques, des particules matérielles en mouvement, des champs électromagnétiques variables – des photons -, des particules radioactives en désintégration, etc. Pour chaque composant mobile d'une horloge, par exemple les aiguilles du cadran, le principe d'incertitude s'applique… Or, à propos d'une horloge quelconque, l'on doit connaitre le temps marqué et l'énergie pour chaque aiguille sans quoi ce ne serait pas un système classique, c'est-à-dire que ce ne serait pas un système d'enregistrement… Il est évident que le plus petit intervalle de temps qui peut être mesuré par une horloge est toujours plus grand que la limite quantique, et donc plus grand que la précision temporelle qui résulte de la relation d'incertitude pour ses parties en mouvement. On a donc la relation : plus petit intervalle de temps plus grand ou égal à h barre divisé par l'incertitude sur l'énergie du composant en mouvement.

Cette incertitude sur l'énergie est certainement plus petite que l'énergie totale du composant lui-même qui vaut la masse fois le carré de la vitesse de la lumière…

Qui plus est, toute horloge fournit de l'information ; il faut donc que des signaux puissent en émaner. Pour permettre ceci, l'horloge ne doit pas être un trou noir ; sa masse ne doit donc pas être plus petite que la masse de Schwarschild pour sa taille, soit inférieure ou égale au produit de la taille de l'horloge par le carré de la vitesse de la lumière divisée par la constante de gravitation universelle G. Et finalement, la taille de l'horloge doit être plus petite que le facteur vitesse de la lumière fois le plus petit intervalle de temps lui-même, pour permettre une mesure adéquate de l'intervalle de temps ; sinon les diverses pièces de l'horloge ne pourraient travailler ensemble pour afficher le même temps…

Si l'on réunit toutes ces conditions, on obtient que le plus petit intervalle de temps est plus grand ou égal au temps de Planck.

En résumé, l'on obtient la conclusion générale que les horloges ne peuvent mesurer que des intervalles de temps plus courts que le temps de Planck, et ce à partir des trois propriétés simples de toute horloge, n'avoir qu'une seule horloge (pas d'horloge avec, en paire, son antihorloge), savoir lire son cadran et qu'elle donne des informations adéquates.

On observera que cet argument est indépendant de la nature du mécanisme de l'horloge. Que celle-ci soit mue par des moyens d'ordre gravitationnel, électrique, simplement mécanique, voire nucléaire, les relations ci-dessus s'appliquent.

(…)

L'on est ainsi conduit à conclure qu'il existe dans la nature un intervalle de temps minimum. En d'autres termes, aux échelles de Planck, le terme « instant du temps » ne s'appuie ni sur la théorie ni sur l'expérience. Utiliser ce concept n'a donc aucun sens.

L'on peut de même déduire qu'il n'est pas possible de construire une règle pour mesurer la longueur ou un quelconque autre instrument de mesure qui puisse mesurer des longueurs plus courtes que la longueur de Planck. Cela découle déjà de la relation longueur de Planck égale vitesse de la lumière c fois temps de Planck.

La manière simple de mesurer la distance entre deux points est de mettre un objet au repos en chacun d'eux. En d'autres termes, des mesures conjointes de la position et de l'impulsion sont nécessaires pour toute mesure de longueur. Or, la longueur minimum mesurable est certainement plus grande que l'incertitude qui porte sur la position des deux objets. A partir du principe d'incertitude, l'on sait que la position de chacun ne peut être connue avec une précision meilleure que celle donnée par la relation d'incertitude :

incertitude sur la position fois incertitude sur l'impulsion égale constante dePlanck h barre

Si l'on exige qu'un seul objet figure à chacune des deux extrémités (autrement dit si l'on veut éviter la production quantique de maires d'objets à partir du vide), cela implique que l'incertitude sur l'impulsion soit inférieure au produit de la masse et de l'impulsion.

La longueur minimum mesurable étant supérieure ou égale à l'incertitude sur la longueur qui est supérieure ou égale à la constante de Planck h barre divisée par le produit de la masse et de la vitesse de la lumière.

De plus, la mesure ne peut être effectuée si des signaux ne peuvent quitter l'objet en question : il ne peut pas s'agir de trous noirs. Les masses doivent donc être si petites que leur rayon de Schwarschild est plus petit que la distance qui les sépare. D'où il découle que la longueur minimum mesurable est supérieure ou égale à la longueur de Planck.

Une autre technique pour déduire cette limite renverse le rôle de la relativité générale… L'on retrouve une fois encore que la limite de mesure de longueur est la distance de Planck.

On peut remarquer que la longueur de Planck étant la plus courte possible, il s'ensuit qu'il ne peut exister d'observations ni de conséquences d'effets quantiques pour des situations où la longueur d'onde de Compton correspondante serait plus petite.

(…)

Par conséquent, dans son sens usuel d'entité sans extension, le concept de « point de l'espace » ne peut s'appuyer sur l'expérience. De la même façon, le terme « événement », qui combine les « points de l'espace » et l' « instant de temps » perd également sa signification pour la description de la nature.

Ces résultats sont résumés dans ce que l'on appelle le principe d'incertitude généralisé selon lequel le produit des incertitudes sur la position et sur l'impulsion est supérieur ou égal à sa somme de deux termes dont l'un dérive de la physique quantique (h barre sur deux) et l'autre de la relativité (G fois le carré de l'incertitude d'impulsion divisé par la vitesse de la lumière à la puissance trois).

(…)

La description de l'espace-temps en termes de continuum doit donc être abolie en faveur d'une autreplus appropriée.

la nouvelle relation d'incertitude aux échelles de Plack devient :

incertitude sur la longueur fois incertitude sur le temps supérieure ou égale à temps de Planck fois longueur de Planck
Une manière finale de se convaincre que les points n'ont pas de signification est qu'un point ne peut avoir qu'un volume nul ; mais le volume minimum possible dans la nature est le volume de Planck égale distance de Planck à la puissance trois.

(…)

Mais les conséquences des limites de Planck pour les mesures de l'espace et du temps peuvent être poussées beaucoup plus loin…

C'est un lieu commun que de dire qu'étant donnés deux points quelconques de l'espace ou deux instants du temps, il y en aura toujours un troisième entre eux. Les physiciens se contentent de baptiser continuité cette propriété et les mathématiciens parlent de densité. Mais aux dimensions de Planck, cette propriété ne peut plus tenir, puisque l'on ne peut avoir des intervalles plus courts que le temps de Planck : points et instants ne sont donc pas denses, et entre deux points il n'y en a pas toujours un troisième. Mais ceci signifie que l'espace et le temps ne sont pas continus.

(…)

La relativité restreinte, la mécanique quantique et la relativité générale reposent toutes trois sur l'idée que le temps peut être défini pour tous les points d'un référentiel donné. Or, deux horloges éloignées d'une certaine distance ne peuvent être synchronisées avec une précision arbitraire. Puisque la distance qui les sépare ne peut être mesurée avec une erreur plus petite que la longueur de Planck, et sachant que la transmission des signaux est indispensable à la synchronisation, il n'est donc pas possible de synchroniser deux horloges avec une précision plus fine que celle que nous impose le temps de Planck. En raison de cette impossibilité, l'idée d'une coordonnée temporelle unique pour un référentiel global n'est qu'une approximation elle aussi et ne peut être maintenue dans le cadre d'une description précise de la nature.

De plus, puisque l'écart entre événements ne peut se mesurer avec une précision plus fine que le temps de Planck, il s'ensuit que pour deux événements éloignés dans le temps de cet ordre de grandeur, il n'est pas possible de dire avec une certitude complète lequel précède l'autre. Ceci constitue un résultat important. Si les événements ne peuvent être ordonnés aux échelles de Planck, le concept de temps, que l'on a introduit en physique pour décrire des séquences, ne peut tout simplement pas être défini.

En d'autres termes, une fois abandonnée l'idée de coordonnée temporelle unique pour un référentiel global, on se voit contraint d'abandonner également celle du temps d'un événement considéré comme un « point » unique.

(…)

L'existence même d'une longueur minimum ciontredit la relativité restreinte où l'on montre que, si l'on passe à un système de coordonnées en mouvement, une longueur donnée subit une contraction de Lorentz. Il ne peut exister de longueur minimum en relativité restreinte ; et donc, aux dimensions de Planck, l'espace-temps n'est ni invariant de Lorentz, ni invariant par difféomorphisme, ni invariant par dilatation.

(…)

Mais nous ne sommes pas au bout de nos surprises. Aux échelles de Planck, puisque l'ordre temporel et l'ordre spatial s'effondrent, il n'est pas possible de décider si la distance entre deux régions de l'espace-temps assez proches est de type spatial ou temporel. Les limites de la mesure rendent impossible la distinction entre ces deux cas. Aux échelles de Planck, le temps et l'espace ne peuvent se distinguer.

En résumé, aux échelles de Planck, l'espace-temps n'est ni continu, ni ordonné, ni pourvu d'une métrique, ni quadridimensionnel, ni constitué de points.

(…)

Pour achever cet inventaire, si l'espace et le temps ne sont pas continue, les quantités définies comme des dérivées spatiales ou temporelles n'ont pas de définition précise.

(…)

L'expression courante pour une grandeur observable A(x,t) n'a pas de sens…Aux échelles de Planck, les champs physiques ne peuvent être décrits par des fonctions continues… Il est impossible de définir la multiplication des observables par des nombres continus…

En théorie quantique des champs, la différence entre une particule virtuelle et une particule réelle est qu'une particule réelle est « sur sa couche de masse », c'est-à-dire qu'elle obéit à la relation énergie au carré égale masse au carré fois vitesse de la lumière puissance quatre plus impulsion au carré fois vitesse de la lumière au carré, alors qu'une particule virtuelle n'y obéit pas. Aux échelles de Planck, on ne peut pas déterminer si une particule est réelle ou virtuelle.

Mais ce n'est pas tout. Puisque l'antimatière peut être décrite comme de la matière qui se déplace à contre-courant dans le temps, et puisque la différence entre mouvement et mouvement inverse ne peut être observée aux échelles de Planck, l'on ne peut distinguer la matière et l'antimatière à ces échelles.

(…)

De même, l'imprécision sur la position nous empêche de déterminer des positions distinctes précises pour des expériences d'échange. En bref, aux échelles de Planck, on ne peut définir le spin, on ne peut distinguer les fermions des bosons ou, autrement dit, la matière du rayonnement…

(…)

Pour conclure, le vide, c'est-à-dire l'espace-temps vide ne peut se distinguer de la matière aux échelles de Planck. (…) »

Lire des avis divers sur cette grande discussion scientifique, sans doute la plus controversée en physique actuellement :

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4613

https://fr.wikipedia.org/wiki/Probl%C3%A8me_de_la_constante_cosmologique

https://fr.resonancescience.org/blog/Resolution-de-la-Catastrophe-du-Vide

https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_du_vide

https://forums.futura-sciences.com/physique/852464-catastrophe-vide.html

https://www.youtube.com/watch?v=n6jAOV7bZ3Y

https://www.yvan-claude-raverdy.fr/

https://constantecosmologique.fr/

http://physiquereussite.fr/energie-du-vide/

https://france2.wiki/wiki/Cosmological_constant_problem

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1296214701012707

https://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.17850

https://www.scirp.org/journal/paperinformation.aspx?paperid=91083

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/453/1/012015/meta

https://www.scirp.org/html/16-4500284_43660.htm

https://aapt.scitation.org/doi/10.1119/1.17850

https://arxiv.org/abs/1110.3358

Lire les archives en lecture libre sur relativité générale et cosmologie quantique dans gr-qc :

https://arxiv.org/search/gr-qc

Quelle physique s'applique à l'échelle de Planck ?

Robert Paris — 2022-03-27T22:05:00Z

Quelle physique s'applique à l'échelle de Planck, là où relativité et quantique s'appliquent en même temps ? La réponse n'est pas surprenante mais renversante !

Aux dimensions de Planck, limites inférieures des dimensions universelles de temps, d'espace et d'énergie, là où relativité et quantique s'appliquent en même temps, il n'y a pas de différence entre vide quantique et matière : à cette échelle, il faut dire adieu aux instants de temps, adieu aux points de l'espace, adieu à la variété espace-temps, adieu aux observables et aux mesures, adieu à la masse, adieu aux trajectoires, adieu à la permanence de la matière, adieu aux mesures, adieu aux observations, et même adieu à la séparation diamétrale entre matière et vide.

Le texte qui suit est extrait de l'article de Christophe Schiller dans l'ouvrage collectif « Le Vide » dirigé par Edger Gunzig et Simon Diner, article intitulé « Le vide diffère-t-il de la matière ? ». Il raisonne entièrement aux dimensions de Planck et démontre qu'à cette échelle, toute la physique est bouleversée, y compris la physique quantique et la relativité.

« Le face-à-facede la mécanique quantique et de la relativité générale conduit à des conclusions surprenantes concernant l'espace et le temps. Nous montrons que les concepts de continuité de l'espace-temps, de point d'espace, de moment de temps, de particule ponctuelle, de causalité, perdent tout fondement dans le domaine des distances inférieures à la distance de Planck, ou celui des énergies de Planck. Le vide lui-même devient indiscernable de la matière et du rayonnement.

(…)

Pour décrire le mouvement, ces deux théories (relativité générale et mécanique quantique) recourent à des objets constitués de particules et à la notion d'espace-temps. Voyons comment ces concepts sont définis.

Une particule – et en général tout objet – est défini comme une entité permanente, à laquelle une position peut être attribuée et qui peut se déplacer (l'étymologie du terme « objet » se rapporte à ce dernier trait). En d'autres termes, une particule est une petite entité dont la masse, la charge, etc. se conservent. Cette particule peut changer de position avec le temps.

Cependant, dans tous les traités de physique, les temps est déterminé à l'aide d'objets en mouvement, qu'on appelle habituellement « horloges », ou à l'aide de particules en mouvement, comme celles qui sont émises par des sources de lumière. De même, l'unité de longueur se définit également avec des objets, par exemple les règles comme autrefois, ou le mouvement de la lumière qui n'est rien d'autre qu'un ensemble de particules en mouvement.

(…)

Pour éviter les contradictions entre la mécanique quantique et la relativité générale… les changements conceptuels nécessaires sont si spectaculaires qu'ils devraient intéresser tous ceux qui manifestent un certain intérêt pour la physique… La mnière la plus efficace d'approcher ces changements sera de fixer notre regard sur les détails du domaine où la contradiction entre les deux théories standard prend son tour le plus saillant et où elles sont toutes deux nécessaires en même temps…

La relativité générale et la mécanique quantique proposent chacune un critère pour déterminer quand la physique galiléenne n'est plus applicable… La relativité générale montre qu'il est nécessaire de prendre en compte la courbure de l'espace-temps lorsque l'on s'approche d'un objet de masse m à des distances de l'ordre du rayon de Schwarzschild qui vaut deux fois la constante de gravitation universelle de Newton fois la masse et divisé par le carré de la vitesse de la lumière… Un objet plus petit que son propre rayon de Scwarzschild est un « trou noir ». Selon la relativité générale, aucun signal issu de l'intérieur du rayon de Schwarschild ne peut parvenir au monde extérieur d'où le nom « trou noir ».

De même, la mécanique quantique montre que la physique classique galiléenne doit être abandonnée et les effets quantiques pris en compte lorsque l'on approche d'un objet à des distances qui sont de l'ordre de la longeur d'onde de Compton qui est égale à la constante de Planck h barre divisée par le produit de la masse et de la vitesse de la lumière. Naturellement, cette longueur n'a d'importance que si l'objet lui-même est plus petit que sa longueur de Compton. A ces échelles, on observe des effets quantiques relativistes, comme les créations et annihilations de particules-antiparticules (théorie quantique des champs).

(…)

Si nous rassemblons ces deux résultats, les situations qui demandent la combinaison des concepts de la théorie quantique des champs et de la relativité générale sont celles où ces deux conditions sont satisfaites simultanément. La distance d'approche critique admise est un rayon de Schwarschild double de la longueur d'onde de Compton. On constate que c'est le cas lorsque les longueurs sont de l'ordre de la « longueur d'onde de Planck » et les temps de l'ordre du « temps de Planck ».

La longueur d'onde de Planck « lP » vaut 1,6 fois dix puissance moins 35 mètres et le temps de Planck « tP » vaut 5,4 fois dix puissance moins 44 secondes.

lP vaut tP multiplié par la vitesse de la lumière c. Le carré de lP vaut la constante de Planck h barre fois la constante de gravitation universlle G divisé par la puissance trois de la vitesse de la lumière.

Si l'on approche un objet à ces échelles, la relativité générale et la mécanique quantique jouent toutes deux un rôle.

(…)

Est-il possible de construire une horloge qui soit susceptible de mesurer des intervalles de temps plus courts que le temps de Planck ? Il est remarquable que la réponse soit non ; même si dans la relation d'incertitude temps-énergie (produit des incertitudes de temps et d'énergie supérieure ou égale à h barre), il semble que qu'en donnant l'incertitude de d'énergie une valeur arbitrairement grande, l'on peut rendre l'incertitude de temps aussi petite que l'on veut.

Une horloge est un appareillage qui comporte des pièces mobiles qui peuvent être des roues mécaniques, des particules matérielles en mouvement, des champs électromagnétiques variables – des photons -, des particules radioactives en désintégration, etc. Pour chaque composant mobile d'une horloge, par exemple les aiguilles du cadran, le principe d'incertitude s'applique… Or, à propos d'une horloge quelconque, l'on doit connaitre le temps marqué et l'énergie pour chaque aiguille sans quoi ce ne serait pas un système classique, c'est-à-dire que ce ne serait pas un système d'enregistrement… Il est évident que le plus petit intervalle de temps qui peut être mesuré par une horloge est toujours plus grand que la limite quantique, et donc plus grand que la précision temporelle qui résulte de la relation d'incertitude pour ses parties en mouvement. On a donc la relation : plus petit intervalle de temps plus grand ou égal à h barre divisé par l'incertitude sur l'énergie du composant en mouvement.

Cette incertitude sur l'énergie est certainement plus petite que l'énergie totale du composant lui-même qui vaut la masse fois le carré de la vitesse de la lumière…

Qui plus est, toute horloge fournit de l'information ; il faut donc que des signaux puissent en émaner. Pour permettre ceci, l'horloge ne doit pas être un trou noir ; sa masse ne doit donc pas être plus petite que la masse de Schwarschild pour sa taille, soit inférieure ou égale au produit de la taille de l'horloge par le carré de la vitesse de la lumière divisée par la constante de gravitation universelle G. Et finalement, la taille de l'horloge doit être plus petite que le facteur vitesse de la lumière fois le plus petit intervalle de temps lui-même, pour permettre une mesure adéquate de l'intervalle de temps ; sinon les diverses pièces de l'horloge ne pourraient travailler ensemble pour afficher le même temps…

Si l'on réunit toutes ces conditions, on obtient que le plus petit intervalle de temps est plus grand ou égal au temps de Planck.

En résumé, l'on obtient la conclusion générale que les horloges ne peuvent mesurer que des intervalles de temps plus courts que le temps de Planck, et ce à partir des trois propriétés simples de toute horloge, n'avoir qu'une seule horloge (pas d'horloge avec, en paire, son antihorloge), savoir lire son cadran et qu'elle donne des informations adéquates.

On observera que cet argument est indépendant de la nature du mécanisme de l'horloge. Que celle-ci soit mue par des moyens d'ordre gravitationnel, électrique, simplement mécanique, voire nucléaire, les relations ci-dessus s'appliquent.

(…)

L'on est ainsi conduit à conclure qu'il existe dans la nature un intervalle de temps minimum. En d'autres termes, aux échelles de Planck, le terme « instant du temps » ne s'appuie ni sur la théorie ni sur l'expérience. Utiliser ce concept n'a donc aucun sens.

L'on peut de même déduire qu'il n'est pas possible de construire une règle pour mesurer la longueur ou un quelconque autre instrument de mesure qui puisse mesurer des longueurs plus courtes que la longueur de Planck. Cela découle déjà de la relation longueur de Planck égale vitesse de la lumière c fois temps de Planck.

La manière simple de mesurer la distance entre deux points est de mettre un objet au repos en chacun d'eux. En d'autres termes, des mesures conjointes de la position et de l'impulsion sont nécessaires pour toute mesure de longueur. Or, la longueur minimum mesurable est certainement plus grande que l'incertitude qui porte sur la position des deux objets. A partir du principe d'incertitude, l'on sait que la position de chacun ne peut être connue avec une précision meilleure que celle donnée par la relation d'incertitude :

incertitude sur la position fois incertitude sur l'impulsion égale constante dePlanck h barre

Si l'on exige qu'un seul objet figure à chacune des deux extrémités (autrement dit si l'on veut éviter la production quantique de maires d'objets à partir du vide), cela implique que l'incertitude sur l'impulsion soit inférieure au produit de la masse et de l'impulsion.

La longueur minimum mesurable étant supérieure ou égale à l'incertitude sur la longueur qui est supérieure ou égale à la constante de Planck h barre divisée par le produit de la masse et de la vitesse de la lumière.

De plus, la mesure ne peut être effectuée si des signaux ne peuvent quitter l'objet en question : il ne peut pas s'agir de trous noirs. Les masses doivent donc être si petites que leur rayon de Schwarschild est plus petit que la distance qui les sépare. D'où il découle que la longueur minimum mesurable est supérieure ou égale à la longueur de Planck.

Une autre technique pour déduire cette limite renverse le rôle de la relativité générale… L'on retrouve une fois encore que la limite de mesure de longueur est la distance de Planck.

On peut remarquer que la longueur de Planck étant la plus courte possible, il s'ensuit qu'il ne peut exister d'observations ni de conséquences d'effets quantiques pour des situations où la longueur d'onde de Compton correspondante serait plus petite.

(…)

Par conséquent, dans son sens usuel d'entité sans extension, le concept de « point de l'espace » ne peut s'appuyer sur l'expérience. De la même façon, le terme « événement », qui combine les « points de l'espace » et l' « instant de temps » perd également sa signification pour la description de la nature.

Ces résultats sont résumés dans ce que l'on appelle le principe d'incertitude généralisé selon lequel le produit des incertitudes sur la position et sur l'impulsion est supérieur ou égal à sa somme de deux termes dont l'un dérive de la physique quantique (h barre sur deux) et l'autre de la relativité (G fois le carré de l'incertitude d'impulsion divisé par la vitesse de la lumière à la puissance trois).

(…)

La description de l'espace-temps en termes de continuum doit donc être abolie en faveur d'une autreplus appropriée.

la nouvelle relation d'incertitude aux échelles de Plack devient :

incertitude sur la longueur fois incertitude sur le temps supérieure ou égale à temps de Planck fois longueur de Planck
Une manière finale de se convaincre que les points n'ont pas de signification est qu'un point ne peut avoir qu'un volume nul ; mais le volume minimum possible dans la nature est le volume de Planck égale distance de Planck à la puissance trois.

(…)

Mais les conséquences des limites de Planck pour les mesures de l'espace et du temps peuvent être poussées beaucoup plus loin…

C'est un lieu commun que de dire qu'étant donnés deux points quelconques de l'espace ou deux instants du temps, il y en aura toujours un troisième entre eux. Les physiciens se contentent de baptiser continuité cette propriété et les mathématiciens parlent de densité. Mais aux dimensions de Planck, cette propriété ne peut plus tenir, puisque l'on ne peut avoir des intervalles plus courts que le temps de Planck : points et instants ne sont donc pas denses, et entre deux points il n'y en a pas toujours un troisième. Mais ceci signifie que l'espace et le temps ne sont pas continus.

(…)

La relativité restreinte, la mécanique quantique et la relativité générale reposent toutes trois sur l'idée que le temps peut être défini pour tous les points d'un référentiel donné. Or, deux horloges éloignées d'une certaine distance ne peuvent être synchronisées avec une précision arbitraire. Puisque la distance qui les sépare ne peut être mesurée avec une erreur plus petite que la longueur de Planck, et sachant que la transmission des signaux est indispensable à la synchronisation, il n'est donc pas possible de synchroniser deux horloges avec une précision plus fine que celle que nous impose le temps de Planck. En raison de cette impossibilité, l'idée d'une coordonnée temporelle unique pour un référentiel global n'est qu'une approximation elle aussi et ne peut être maintenue dans le cadre d'une description précise de la nature.

De plus, puisque l'écart entre événements ne peut se mesurer avec une précision plus fine que le temps de Planck, il s'ensuit que pour deux événements éloignés dans le temps de cet ordre de grandeur, il n'est pas possible de dire avec une certitude complète lequel précède l'autre. Ceci constitue un résultat important. Si les événements ne peuvent être ordonnés aux échelles de Planck, le concept de temps, que l'on a introduit en physique pour décrire des séquences, ne peut tout simplement pas être défini.

En d'autres termes, une fois abandonnée l'idée de coordonnée temporelle unique pour un référentiel global, on se voit contraint d'abandonner également celle du temps d'un événement considéré comme un « point » unique.

(…)

L'existence même d'une longueur minimum ciontredit la relativité restreinte où l'on montre que, si l'on passe à un système de coordonnées en mouvement, une longueur donnée subit une contraction de Lorentz. Il ne peut exister de longueur minimum en relativité restreinte ; et donc, aux dimensions de Planck, l'espace-temps n'est ni invariant de Lorentz, ni invariant par difféomorphisme, ni invariant par dilatation.

(…)

Mais nous ne sommes pas au bout de nos surprises. Aux échelles de Planck, puisque l'ordre temporel et l'ordre spatial s'effondrent, il n'est pas possible de décider si la distance entre deux régions de l'espace-temps assez proches est de type spatial ou temporel. Les limites de la mesure rendent impossible la distinction entre ces deux cas. Aux échelles de Planck, le temps et l'espace ne peuvent se distinguer.

En résumé, aux échelles de Planck, l'espace-temps n'est ni continu, ni ordonné, ni pourvu d'une métrique, ni quadridimensionnel, ni constitué de points.

(…)

Pour achever cet inventaire, si l'espace et le temps ne sont pas continue, les quantités définies comme des dérivées spatiales ou temporelles n'ont pas de définition précise.

(…)

L'expression courante pour une grandeur observable A(x,t) n'a pas de sens…Aux échelles de Planck, les champs physiques ne peuvent être décrits par des fonctions continues… Il est impossible de définir la multiplication des observables par des nombres continus…

En théorie quantique des champs, la différence entre une particule virtuelle et une particule réelle est qu'une particule réelle est « sur sa couche de masse », c'est-à-dire qu'elle obéit à la relation énergie au carré égale masse au carré fois vitesse de la lumière puissance quatre plus impulsion au carré fois vitesse de la lumière au carré, alors qu'une particule virtuelle n'y obéit pas. Aux échelles de Planck, on ne peut pas déterminer si une particule est réelle ou virtuelle.

Mais ce n'est pas tout. Puisque l'antimatière peut être décrite comme de la matière qui se déplace à contre-courant dans le temps, et puisque la différence entre mouvement et mouvement inverse ne peut être observée aux échelles de Planck, l'on ne peut distinguer la matière et l'antimatière à ces échelles.

(…)

De même, l'imprécision sur la position nous empêche de déterminer des positions distinctes précises pour des expériences d'échange. En bref, aux échelles de Planck, on ne peut définir le spin, on ne peut distinguer les fermions des bosons ou, autrement dit, la matière du rayonnement…

(…)

Pour conclure, le vide, c'est-à-dire l'espace-temps vide ne peut se distinguer de la matière aux échelles de Planck. (…) »

Articles scientifiques de Christophe Schiller :

https://scholar.google.fr/scholar?hl=fr&as_sdt=0%2C5&as_vis=1&q=article+scientifique+C.+Schiller+planck&btnG=

Christophe Schiller, « L'aventure de la Physique » :

Chute, flux et chaleur

https://www.motionmountain.net/MontagneMouvement-volume1.pdf

La Relativité

https://www.motionmountain.net/MontagneMouvement-volume2.pdf

Lumière, charges et cerveau

https://www.motionmountain.net/MontagneMouvement-volume3.pdf

La quantification du changement

https://www.motionmountain.net/motionmountain-volume4.pdf

Mouvement au sein de la matière

https://www.motionmountain.net/motionmountain-volume5.pdf

Une spéculation sur l'unification

https://www.motionmountain.net/motionmountain-volume6.pdf

https://www.motionmountain.net/motionmountain-volume7.pdf

A lire si vous n'avez pas... le temps

Robert Paris, Tiekoura Levi Hamed — 2021-10-29T22:05:00Z

Max Planck écrit dans "Initiations à la physique : "Le principe de la constance de la vitesse de la lumière rend impossible une mesure absolue du temps, c'est-à-dire une détermination indépendante de l'état de mouvement de l'observateur.

De Broglie dans « La physique nouvelle et les quanta » :

« En vérité, les notions d'espace et de temps tirées de notre expérience quotidienne ne sont valables que pour les phénomènes à grande échelle. »

N. Campbell dans "Philosophical foundation of quantum theory" :

« La notion de temps découle d'une conception statistique ne possédant de signification que pour de grands nombres d'atomes (...) L'intervalle de temps entre des événements atomiques a aussi peu de sens que de parler de la température d'une molécule isolée. »

Qu'est-ce que le temps ?

Existe-t-il ? N'existe-t-il pas ? Est-il préexistant à la matière ? Est-il fondé par la matière ? Est-il émergent ? Est-il continu ou discontinu ? Existe-t-il dans le vide ? Est-ce une simple invention humaine ?

« Le vide physique est plein de matière virtuelle. (...) l'espace vide est constitué par les propriétés des corps en dehors du lieu de leur localisation, qu'il est le lieu matériel de l'influence des corps sans les corps. (...) l'espace (plein ou vide) et le temps sont des formes de la matière, qui se déploient avec elle, et peuvent difficilement être pensées comme préexistant à elle. (...) l'espace est engendré avec le temps par ce qui advient de la matière. (...) la notion de particule virtuelle accompagne une transformation radicale de la notion de particule. (...) Si le vide est physique, il est nécessairement matière. »

Michel Paty dans l'article « Le vide matériel ou la matière crée l'espace »

« Ces électrons, ainsi que les autres particules fondamentales, n'existent pas dans l'espace et le temps. Ce sont l'espace et le temps qui existent en fonction d'eux. (...) Si l'espace et le temps ne sont pas les matériaux de base de l'univers, mais simplement des effets moyens statistiques, d'une multitude d'entités plus fondamentales et plus profondes, il ne paraît plus du tout étrange que ces entités fondamentales, lorsqu'on imagine leur existence dans l'espace et le temps, exhibent des caractéristiques aussi peu appropriées que celle de l'onde ou de la particule. »

Banesh Hoffman et Michel Paty dans « L'étrange histoire des quanta »

Comme l'écrit Michel Paty dans "La flèche du temps", " A partir de Newton, (...) le cours du temps se reconstruit à l'aide de l'équation différentielle et des conditions initiales données ou supposées, mais c'est un temps neutre, sans qualité, sans "odeur", sans accident, sans vécu circonstancié ou subjectif, qui signale l'équivalence de tous les instants du temps, comme de tous les points des trajectoires. (...) Le temps abstrait fonctionne dès lors comme un cadre absolu pour les événements, "absolu et mathématique" (entendons : d'expression mathématique), bien que physique, sans influence sur lui des objets et des phénomènes qui s'inscrivent dans son cours. Les objets et les évéments sont pensés "dans le temps". (...) ce trait de notre connaissance des phénomènes de la nature semblait inexorable, jusqu'à ce que - scandale ! -, la physique physique contemporaine en vienne à retrouver, sinon l'histoire, du moins une certaine "consistance" du temps. (...) Isaac Barrow, qui exerça une certaine influence sur Newton, (...) considère, dans ses "Leçons de géométrie", le flux du temps en analogie à la continuité d'une ligne droite engendrée à partir de points, et laisse entendre que l'on peut concevoir des instants, ou "moments" du temps, bien que ce dernier soit pensé fondamentalement comme une durée en flux continu - conception que l'on trouve également chez Newton -, de même que l'on se représente des points sur une droite. Le temps instantané, dont la définition se cherche ici, pose les mêmes problèmes que la nature du point et la divisibilité de la ligne et de l'espace, objet depuis Zénon d'Elée de controverses classiques. (...) C'est à Isaac Newton que devait revenir la construction du temps instantané à partir du temps conçu comme une durée, en corrélation à l'invention du nouveau calcul, créé en grande partie pour les besoins de la cause, bien que les "Principia" ne fassent pratiquement pas explicitement appel à sa théorie ou méthode des fluxions. (...) La définition du temps de Newton (...) a surtout pour rôle de préparer la condition d'une formulation plus radicale du concept de temps, sous les espèces d'une grandeur mathématisée, singulière et à variation continue, c'est-à-dire différentielle. (...) C'est ainsi qu'il caractérise le temps de la manière que l'on connaît : "Le temps absolu, vrai et mathématique, qui est sans relation à quoi que ce soit d'extérieur, en lui-même et de par sa nature, coule uniformément ; on l'appelle aussi "durée". Remarquons que c'est la durée qui définit d'abord le temps, c'est-à-dire son flux continuel, et non les instants, qui ne sont pas mentionnés. (...) La relation du temps absolu telle que Newton la conçoit a lieu dans un seul sens : le temps détermine les phénomènes, non l'inverse, car il existe par lui-même, et son ordre est immuable. Par ailleurs, sa conceptualisation d'un temps et d'un espace supposés naturels est, en vérité, une construction. Le statut absolu de l'espace et du temps est lié à leur caractère mathématique, qui en fait aussi des grandeurs continues. (...) L'espace-temps de la Relativité restreinte reprend certains caractères de la définition newtonienne de l'espace et du temps. Tout d'abord la continuité. Que ces grandeurs soient continues, cela tient à ce que, même si elles sont étroitement mêlées, elles sont pensées à partir de l'espace et du temps des corps, représentés par des grandeurs différentielles. (...) Abordons maintenant la construction de l'espace-temps de la Relativité générale et sa signification physique. (...) cette fois-ci, l'espace-temps n'est plus considéré comme indépendant des corps matériels qu'il contient. Sa structure n'est plus immuable et elle est donnée par la distribution de la masse-énergie des corps, c'est-à-dire des champs de gravitation dont ces corps sont la source. "

Comment Lee Smolin montre que le temps physique est la clef de la nouvelle révolution indispensable à la Physique moderne

En voici un court extrait :

Thomasina, héroïne de la pièce de Tom Stoppard, « Arcadia », explique à son tuteur : « Si tu pouvais immobiliser chaque atome dans sa position et direction, et si ton esprit pouvait appréhender toutes les actions ainsi suspendues, puis si tu étais vraiment très, très doué en algébre, tu pourrais écrire la formule pour la totalité du futur ; et bien qu'il n'y ait personne d'assez intelligent pour pouvoir réaliser ça, la formule doit exister comme si quelqu'un le pouvait. »

J'avais coutume de penser que mon boulot de physicien théoricien était de trouver cette formule ; je conçois aujourd'hui cette foi en son existence comme du mysticisme plus que comme de la science.

Eut-il écrit pour un personnage moderne, Stoppard aurait fait dire à Thomasina que l'univers est pareil à un ordinateur. Les lois de la physique sont le programme. Quand vous entrez une donnée – les positions à l'instant présent de toutes les particules élémentaires dans l'univers – l'ordinateur mouline pendant une durée appropriée et vous pond le résultat, qui est l'ensemble des positions des particules éléementaires à un instant futur.

Dans cette vision de la nature, rien ne se produit hors du réarrangement des particules selon des lois éternelles. Donc, d'après ces lois, le futur est déjà complètement déterminé par le présent et le présent par le passé.

Cette vision minimise le rôle du temps de plusieurs façons. Il ne peut y avoir aucune surprise, aucun phénomène vraiment nouveau, parce que tout ce qui survient n'est que réarrangement d'atomes. Les propriétés des atomes eux-mêmes sont éternelles, tout comme les lois qui les gouvernent ; elles ne changent pas. Toute propriété du monde à venir est calculable à partir de la configuration du présent. Autrement dit, on peut substituer à l'écoulement du temps un simple calcul, ce qui signifie que le futur est logiquement enfanté par le présent. (…)

Il s'ensuit du grand principe de Leibniz qu'il ne peut pas exister de temps absolu qui fasse tic tac aveuglément quoiqu'il arrive dans le monde. Le temps doit être une conséquence du changement ; sans altération dans le monde, il ne peut y avoir de temps. Les philosophes disent que le temps est relationnel – il est un aspect des relations, par exemple la causalité, qui gouvernent le changement. Similairement, l'espace doit être relationnel ; en effet, chaque propriété d'un objet dans la nature doit être un reflet des relations dynamiques entre lui et d'autres objets dans le monde. (…)

Chercher à unifier la physique et, particulièrement, à rassembler la théorie quantique et la relativité au sein d'un unique cadre revient principalement à achever la révolution relationnelle en physique. Le principal message de ce livre est que cela passe par l'adoption des idées que le temps est réel et que les lois évoluent.

(…)

La réalité du temps permet une nouvelle formulation de la théorie quantique qui peut aussi nous éclairer sur la façon qu'ont les lois d'évoluer avec le temps….

Einstein mit en lumière il y a longtemps que la mécanique quantique est incomplète parce qu'elle échoue à donner une description de ce qui se passe dans une expérience individuelle. Que fait au juste l'électron lorsqu'il saute d'un état d'énergie à un autre ? Comment des particules trop éloignées l'une de l'autre parviennent-elles à communiquer instantanément ? Comment semblent-elles apparaître en deux endroits à la fois ? La mécanique quantique ne fournit pas de réponse…

La mécanique quantique est une théorie problématique pour trois raisons étroitement liées. La première est son échec à donner une image physique de ce qui se passe dans un processus ou une éxpérience individuels : contrairement aux théories physiques précédentes, le formalisme que nous utilisons en mécanique quantique ne peut pas être lu comme nous montrant ce qui se passe à chaque instant. Deuxièmement, dans la plupart des cas elle échoue à prédire le résultat précis d'une expérience ; plutôt que de nous dire ce qui va se passer, elle ne nouus donne que des probabilités pour les différentes choses susceptibles de se produire. La troisième et plus problématique caractéristique de la mécanique quantique est que les notions de mesure, d'observation ou d'information sont nécessaires pour exprimer la théorie. Elles peuvent être vues comme des notions primitives ; elles ne peuvent pas être expliquées en termes de processus quantiques fondamentaux…

Si vous voulez décrire complètement un système en physique classique, vous répondez à toutes les questions, et ceci vous donne toutes les propriétés. Mais en physique quantique, le dispositif dont vous avez besoin pour poser une question peut vous empêcher de répondre aux autres questions. Par exemple, vous pouvez demander ce qu'est la position d'une particule, ou vous pouvez demander ce qu'est le moment, mais vous ne pouvez pas poser ces deux questions à la fois. C'est ce que Niels Bohr a appelé la complémentarité, et c'est aussi ce que les physiciens signifient lorsqu'ils parlent de « variables non-commutatives »…

En embrassant la réalité du temps, nous ouvrons un chemin pour comprendre la théorie quantique qui éclaire ses mystères et pourrait bien les résoudre. Je crois que la réalité du temps rend possible une nouvelle formulation de la mécanique quantique…

Nous sommes habitués à l'idée de lois intemporelles de la nature agissant à l'intérieur du temps, et nous ne trouvons plus cela étrange. Mais prenez suffisamment de recul, et vous verrez que cela repose sur de grandes suppositions métaphysiques qui sont loin d'être évidentes…

Il est une tradition – commençant avec Niels Bohr – d'affirmer que l'échec de la théorie quantique à donner une image de ce qui se passe au cours d'une expérience individuelle est l'une de ses vertus et non pas un défaut. Bohr a argumenté avec talent que le but de la physique n'est pas de fournir une telle image mais plutôt de créer un langage grâce auquel nous pouvons parler entre nous de notre préparation des expériences sur des systèmes atomiques et de ce que les résultats nous ont donné. Je trouve les écrits de Bohr fascinants mais peu convaincants. Je ressens la même chose à propos de certains théoriciens contemporains, qui disent que la mécanique quantique ne porte pas « sur » le monde physique, mais sur l' « information » que nous avons sur le monde physique. Ces théoriciens avancent que l'état quantique ne correspond à aucune réalité physique ; il ne fait que coder l'information que nous, observateurs, avons sur un système… Après tout, quelque chose se passe lors d'une expérience individuelle. Quelque chose, et seulement ce quelque chose, est la réalité que nous dénommons électron ou photon. Ne devrions-nous pas être capables de saisir l'essence de l'électron individuel dans un langage conceptuel et un cadre mathématique ? … Alors je me range aux côtés d'Einstein. Je crois qu'il existe une réalité physique objective et que quelque chose qu'on peut décrire se produit quand un électron saute d'un état d'énergie dans un autre. Et je cherche une théorie qui en donne cette description.

La Renaissance du temps de Lee Smolin

La dialectique de l'instant et de la durée

Le temps, le vide et la matière

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Comment le passé agit sur le présent et le futur…

Robert Paris — 2020-12-17T23:05:00Z

Jean-Claude Ameisen dans "La sculpture du vivant" :

"L'évolution est une succession infinie d'accidents, construisant, déconstruisant, et reconstruisant sans cesse, faisant naître de la nouveauté."

Un château, patchwork de toutes les époques

Comment le passé agit sur le présent et le futur…

La réponse nous semble la suivante : des structures ont une certaine ténacité ou durabilité et se conservent malgré l'écoulement du temps et malgré certains changements des conditions extérieures. Plus ces structures sont durables, plus elles interviennent sur des temps plus éloignés et ainsi, à toute époque, on trouve des structures très anciennes qui côtoient d'autres moins anciennes et d'autres encore très récentes. Une situation ne dépend pas ainsi du seul moment présent mais de toutes les époques passées, y compris les plus anciennes, en fait de toute l'histoire, non seulement celle de cette structure mais aussi celle des structures qui l'ont précédé et sont à son origine. Chacun sait que le présent dépend du passé mais cela ne signifie pas qu'il dépende seulement du passé le plus récent. La situation à un instant donné n'est pas issue de la situation à l'instant juste précédant ou très proche mais parfois directement de situations très lointaines dans le temps. Attention, un état présent ne dépend nullement de tous les états qui l'ont précédé, car la plupart des structures anciennes ont disparu sans laisser de trace et sans avoir d'influence dans le futur !!!

Il en va ainsi des anciennes sociétés humaines dont certaines ont une grande influence sur nous, y compris pour des sociétés très anciennes mais la plupart des sociétés anciennes ont disparu sans laisser de trace ou du moins sans nous influencer nullement… Si on examine ainsi la société, on y trouve des traces importantes de très nombreuses époques, même si, très souvent, on en a peu conscience. Ces traces ont chacune une date d'origine et notre société n'hérite pas seulement ainsi de ses propres origines mais aussi des origines de multiples sociétés plus anciennes.

Cette situation, c'est-à-dire un monde historique marqué par des changements radicaux, à savoir l'émergence de nouveauté structurelle brutale, ne concerne pas seulement les sociétés humaines, loin de là. Elle concerne l'Univers entier, des étoiles, galaxies et autres phénomènes de l'Espace au Vivant, en passant par la société humaine et sa pensée…

Ainsi, une image classique du corps humain, avec des attributs divers, « inventés » à diverses époques par des espèces diverses, est celui d'un château patchwork de toutes époques et tous styles, construit au Moyen-âge ancien puis rénové au Moyen-âge récent, puis à la renaissance, puis dans la période classique, et qui aurait, suivant les façades, des bouts et des morceaux, des structures et des styles de toutes les époques, suivant les rafistolage et adaptations réalisées par leurs divers propriétaires.

Il convient de constater que l'homme est un produit de l'histoire et pas seulement de l'histoire de son cerveau. En effet, tous les éléments qui caractérisent notre physiologie sont nés à des époques diverses (apparus chez divers ancêtres de l'homme). Prenons simplement quelques éléments de son squelette :

a – la formule dentaire de base il y a 3,5 millions d'années

b – le bassin il y a 3,5 millions d'années

c – l'extrémité du scrotum il y a 2,5 millions d'années

d – le genou et le pied il y a 1,8 millions d'années

e – le coude il y a 1,5 millions d'années

f – la position du crâne par rapport à la colonne il y a 250.000 ans

g – le poignet et la forme sphérique du crâne il y a 100.000 ans qui est la dernière évolution importante du squelette.

Citons plus en détails ce patchwork historique qu'est un homme issu d'une succession de révolutions qui n'ont rien d'une progression continue ni linéaire :

15 milliards d'années, les particules qui constituent notre corps

3,5 milliards d'années, la vie, les protéines, l'ARN et l'ADN

2,8 milliards d'années, la vie utilisant l'oxygène

2,2 milliards d'années, notre noyau cellulaire

1 milliard d'années, la sexualité

670 millions, notre fonctionnement pluricellulaire

500 millions d'années, la vie hors de l'eau

450 millions d'années, les débuts de notre système vertébral

400 millions d'années, notre vie terrestre et formation de la mâchoire

200 millions d'années, notre fonctionnement de mammifères avec notamment l'invention de la mamelle

100 millions d'années, le placenta

60 millions d'années, vision trichromatique des primates

environ 10 millions d'années, ancêtre commun des primates et des hominidés

6 millions d'années, notre apparition en Afrique en tant qu'être ressemblant à l'homme (australopithèque)

5 millions d'années, notre bipédie

3,8 millions d'années, notre voûte plantaire

3,5 millions d'années, notre formule dentaire de base et notre bassin

3 millions d'années, notre utilisation des outils

2,5 millions d'années, notre scrotum

2 millions d'années, notre fonctionnement chromosomique et la grande phase de céphalisation

environ 2 millions d'années, notre pharynx notre larynx et nos zones du cerveau permettant le prélangage (lallation) puis le langage

1,8 millions d'années, de nouvelles étapes vers notre configuration actuelle : face plus aplatie, front relevé, incisives et canines plus développées, molaires et prémolaires plus petites, bourrelet au dessus des yeux disparu, agrandissement du cerveau (homo habilis)

plus d'un million d'années, libération du front des muscles qui retenaient le crâne

1,8 millions d'années, nos os du pied et notre genou

1,5 millions d'années, notre coude

400.000 ans, notre os sphénoïde du crâne

338.000 ans, une génétique très proche de celle de l'homme actuel

250.000 ans, notre trou occipital dans le prolongement de la colonne vertébrale

200.000 ans, le premier homo sapiens en Afrique

100.000 ans, la forme sphérique du crâne et le poignet ; c'est-à-dire homo sapiens sapiens (moderne)

10.000 ans, l'homme agriculteur Les datations précédentes sont indiquées à titre tout à fait indicatif et seulement pour montrer combien l'homme est fait de briques de toutes époques….

Cela signifie à la fois que l'Histoire a transformé fondamentalement et brutalement les structures mais aussi qu'elle a conservé en partie par la suite ces transformations radicales.

Ainsi, si on prend le domaine du Vivant, on trouve des restes de très nombreuses espèces nées à des époques très diverses. On trouve des restes de l'apparition des virus, des restes de l'apparition des bactéries et des restes de l'apparition des pluricellulaires. Ce qui en est resté coexiste et interagit. Et chaque reste est né à une époque différente. Notre présent n'est pas héritier d'une seule époque du passé mais de plusieurs et, par contre, certaines périodes du passé ou certaines structures de celui-ci sont complètement effacées.

La pensée humaine est elle aussi fondée sur des idées récentes, un peu anciennes et très anciennes. Certains modes de pensée ont complètement disparu et d'autres nous ont marqué et sont influentes encore aujourd'hui.

Le passé influe sur le présent et sur l'avenir mais de manière inattendue et inégale. Parfois, les restes du passé sont effacés ou sans influence, parfois ils ont une influence immense. Parfois cette dernière est cachée, semble inexistante et elle réémerge brutalement dans des circonstances particulières.

Le temps agit ainsi de manière discontinue, non-linéaire, émergente, dialectique, révolutionnaire, souvent inattendue ou difficile à prédire.

Il en va de même pour la matière dite inerte : on y trouve des effets de temps récents, de temps plus lointains et même très très anciens qui se retrouvent mêlés. Les particules matérielles et lumineuses (dites fermions et bosons) ont des dates d'origines très diverses et, au travers d'elles, le passé parfois très lointain se mêle au présent. Ce n'est pas leur matière qui s'est conservée, c'est seulement leur structure, leurs propriétés, leur fonctionnement. On se souvient de la comparaison de cette conservation avec celle d'une très vieille barque en bois de pêcheur dont toutes les planches auraient dû être remplacées mais qui conserverait intacte la structure d'ensemble de la vieille barque.

Tel est le mode de conservation de la matière, qu'il s'agisse de matière inerte ou vivante. C'est également le mode de conservation de certaines caractéristiques d'anciennes structures sociales. Les membres qui y participent ont changé mais la structure de conserve sur certains plans au moins et agit ainsi sur des époques bien plus éloignées que celle de la fin de ces structures.

Ainsi on remarque que ce qui influence notre cerveau n'est pas seulement la manière dont nous vivons mais aussi la manière dont d'autres hommes d'un passé très lointain ont vécu. Notre cerveau fonctionne aussi parfois comme un organe des chasseurs-cueilleurs et pas seulement des premiers agriculteurs, alors que notre société s'est détournée depuis belle lurette même de l'agriculture !!! Ces différentes sortes d'hommes, radicalement différentes, sont mêlées en nous… Nous trouvons souvent dans l'homme actuel des restes de réactions, d'émotions, de gestes, de sentiments, de pensées qui ont des origines de toutes époques, du présent au passé le plus ancien.

Il en va de même de nos mots, de nos expressions, de nos phrases, de nos moyens de communication qui mêlent toutes sortes d'époques et de situations très diverses…

Dans notre mémoire également, il n'y a pas de séparation hermétique entre passé lointain, passé proche et présent…

On a parlé souvent de « développement inégal et combiné » de la société humaine. Eh bien, en fait cela dépasse largement la société humaine et cela concerne toutes les formes du développement, de celui des espèces à celui de la matière inerte.

Cela signifie que des formes anciennes peuvent subsister, que leur conservation peut durer, pour finalement mener à un saut dans l'évolution, le présent apportant un changement radical, longtemps retardé et que des formes et des structures de toutes époques d'origine coexistent et interagissent.

Ainsi, le ciel est plein de photons issus de mondes datant d'époques diverses (d'autant plus anciennes que les photons viennent de plus loin). Ces photons du passé lointain se mêlent à ceux du passé proche et du présent de la même manière que les traits anciens du corps de l'être vivant se mêlent aux traits plus récents dans l'évolution, ou encore comme les traits sociaux très anciens se mêlent aux traits plus récents ou actuels.

Et il n'y a pas que les photons qui viennent du passé. Tout ensemble de particules est plein de structures issues de multiples époques, comme tout bâtiment, tout langage, toute société, toute espèce vivante, etc.

Le passé ancien, le passé récent, le présent ne représentent pas une succession de faits se suivant de manière linéaire, continue, progressive, sans rupture, sans retour en arrière, sans interaction directe du passé le plus lointain sur le présent. Les temps sont bien plus imbriqués que cela. Le passage du passé au présent et au futur est plein de contradictions dialectiques. L'opposition entre passé et présent est elle-même dialectique. L'écoulement du temps est beaucoup plus discontinu et contradictoire que le paramètre temps mathématique peut le laisser croire.

La matière est historique, comme la société

L'espèce humaine, comme produit du développement inégal et combiné de la vie animale

Un monde historique, qu'est-ce que cela implique ?

L'histoire de la matière

Le fonctionnement révolutionnaire du vivant

L'homme, une espèce révolutionnaire

Comment le Vivant mesure le Temps

Le réel n'est pas la succession temporelle, linéaire, logique et graduelle des états actuels

La dialectique de l'instant et de la durée

Le temps est-il réel (c'est-à-dire physique) ou subjectif ?

Qu'est-ce que le temps ?

Quelques questions sur le temps en Physique

Rythmes et Matière

Robert Paris — 2019-08-19T23:05:00Z

Rythmes et Matière (inerte et vivante)

[De Broglie invente les rythmes ondulatoires de la matière -> https://books.google.fr/books?id=jZWfLMROdxkC&pg=PA28&dq=de+broglie+rythmes+ondulatoires+de+la+mati%C3%A8re&hl=fr&sa=X&ved=0ahUKEwjwpLrExIrkAhUNXxoKHb4dDkIQ6AEIMDAB#v=onepage&q=de%20broglie%20rythmes%20ondulatoires%20de%20la%20mati%C3%A8re&f=false" class="spip_out" rel="external">Les rythmes interactifs des horloges naturelles
[Rythmes biologiques -> https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1925

[Comment le Vivant mesure le Temps -> https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4884" class="spip_out" rel="external">Rythmes du vivant

Résonance et rythmologie de la matière/lumière

Musique et rythmes du cerveau

Chimie : création de rythmes

La modélisation des rythmes du vivant

Les échelles de la matière

Une matière aussi ondulatoire (rythmique) que corpusculaire

De Broglie, fondateur des ondes de matière

Rythmes non-linéaires auto-organisés

Coeur, cerveau et rythmes biologiques

Pourquoi et comment les rythmes biologiques révèlent une discontinuité fondamentale ?

Au cœur des rythmes du Vivant

Relation entre matière et lumière

L'expérience du caractère ondulatoire de la matière

Naissance de la mécanique ondulatoire

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Matière et Lumière sont des phénomènes d'émergence de structure et de rythme

Matière et Lumière

Le Temps en Physique n'est pas mort

Des rythmes au chaos

Sur quelques figures du temps

La fréquence de la matière

Qu'est-ce que la résonance

Ondes de matière

Le chaos du coeur

Bibliographie sur le temps en sciences

Robert Paris — 2018-07-06T22:41:00Z

Bibliographie sur le temps en sciences

Avertissement : même si le fait de les citer ici pourrait le laisser croire, nous ne vous conseillons absolument pas la lecture des ouvrages de Hawking et Penrose…

Le temps est-il réel (c'est-à-dire physique) ou subjectif ?

L'expansion de l'Univers, une preuve de la dialectique matière/espace-temps

Pourquoi parle-t-on d'espace-temps ?

Quelques questions sur le temps en Physique

Qu'est-ce que le temps ?

La flèche du temps

Le temps, marqué par l'apparition de nouveauté

Quel lien entre espace, temps, matière, lumière et vide quantique ?

La construction de l'espace-temps par la matière/lumière

La dialectique de l'instant et de la durée

Henri Poincaré et le temps

Temps et irréversibilité

Les rythmes biologiques

Les rythmes biologiques, un processus dynamique et des structures auto-organisées et émergentes

Les fils du temps de Rémy Lestienne

Le temps existe-t-il de Etienne Klein

Le temps et sa flèche de Klein-Spiro

Voyager dans le temps de Lachèze-Rey

Le temps mesurable, réversible, insaisissable de Fink-Le Bellac-Leduc

Les cycles du temps de Roger Penrose

La découverte du temps de Wolfgang Blum

Les fondements de la mesure du temps de Audoin-Guinot

About Time de Paul Davies

Millenium de Stephen Jay Gould

Les tactiques du chronos de Etienne Klein

Et si le temps n'existait pas de Carlo Rovelli

La géométrie du temps de Johan A. Lussange

Sur la nature du temps de Alain Adde

Combien dure une seconde de Tony Jones

Entre le temps et l'éternité de Prigogine-Stengers

La renaissance du temps de Lee Smolin

Où est passé le temps de Jean Birnbaum

Le temps, instant et durée de Buser-Debru

Le temps qui passe de Etienne Klein

La route du temps de Philippe Guillemant

La nature de l'espace et du temps de Hawking-Penrose

Une brève histoire du temps de Stephen Hawking

Aux racines du temps de Stephen Jay Gould

Les mystères du temps de Pierre Spagnou

Au cœur des rythmes du vivant de Albert Goldbeter

Les rythmes du vivant de Bossin-Canguilhem

Comment construire une machine à explorer le temps de Paul Davies

Le temps, perception et mesure de Vetter-Taïeb

Le livre du temps de Hart-Davis

Du temps de Norbert Elias

L'art et les secrets du temps de Alain Reinberg

Nos horloges biologiques sont-elles à l'heure de Alain Reinberg

Les horloges du vivant de Jean Chaline

Espace et temps de Chérif Zananiri

Les horloges du vivant de André Klarsfeld

La conscience et le temps de Nayla Farouki

Les horloges biologiques de Ladislas Robert

Traité du temps de Aristote

Le temps mesuré par les sciences de Patrick de Wever

La matière-espace-temps de Cohen-Tannoudji

L'ordre du temps de Carlo Rovelli

Trous noirs et distorsions du temps de Kip S. Thorne

Essai sur les données immédiates de la conscience de Henri Bergson

Les rythmes interactifs des horloges naturelles

Robert Paris — 2018-05-31T22:24:00Z

Un exemple d'interaction des phénomènes lents et rapides : la désintégration du muon

Des rythmes interactifs :

Les rythmes interactifs des horloges naturelles

On entend souvent dire que le temps n'existe pas en Physique de la matière et que ce serait la conscience humaine qui imposerait sa vision parfaitement subjective d'un écoulement du temps à la nature. Ce qui est vrai, c'est plutôt que le temps est inséparable de la matière et en particulier le sens de l'écoulement et le rythme du temps. Mais cela ne veut pas dire que le temps n'existe pas réellement, objectivement et physiquement. Cela signifie qu'il n'existe pas une horloge unique qui batte le temps et qui soit externe au fonctionnement du monde. C'est au contraire ce fonctionnement qui produit des horloges qui se règlent mutuellement les unes les autres. Ce sont donc des phénomènes qui n'ont pas une périodicité fixe mais interactive et qui, par leurs interactions, produisent des périodicités et règlent leurs interactions.

En réalité, de multiples horloges naturelles, de la matière inerte et vivante jusqu'à l'homme, marquent le temps, et sont fondées sur des phénomènes périodiques, de périodes très diverses, phénomènes imbriqués les uns dans les autres et interagissant sans cesse.

Cependant, une particule, un noyau atomique, un atome n'ont pas à proprement parler d'âge. Même un atome radioactif n'a individuellement pas d'âge exact. C'est seulement une vaste population d'atomes radioactifs qui se désintègre à un certain rythme.

« La notion de temps découle d'une conception statistique ne possédant de signification que pour de grands nombres d'atomes (...) L'intervalle de temps entre des événements atomiques a aussi peu de sens que de parler de la température d'une molécule isolée. »

N. Campbell dans "Philosophical foundation of quantum theory"

« Si l'espace et le temps ne sont pas les matériaux de base de l'univers, mais simplement des effets moyens statistiques, d'une multitude d'entités plus fondamentales et plus profondes… »

Banesh Hoffman et Michel Paty dans « L'étrange histoire des quanta »

« Aujourd'hui, la physique a retrouvé une nouvelle cohérence axée non sur la négation du temps, mais sur la découverte du temps à tous les niveaux de la réalité physique. »

Ilya Prigogine pour la conférence Marc-Bloch.

Bien des phénomènes physiques ou physiologiques se produisent ou sont apparemment stables ou invariants, du fait que la nature « n'a pas le temps » de produire un autre état, sans quoi cet autre état serait tout à fait possible. Le manque de temps le rend improbable. La stabilité de la matière qui n'est pas fondée sur la fixité en tant qu'objets individuels mais sur des phénomènes dynamiques qui permettent la conservation de certaines propriétés grâce à des changements à grande vitesse appelés virtuels du fait que le monde à notre échelle ne les voit pas directement. Ils apparaissent et disparaissent dans un temps plus court que les temps caractéristiques des interactions de la matière et de la lumière. Le « temps qu'il faut » pour qu'un phénomène puisse se réaliser peut être long mais qu'il faille, pour se finaliser, qu'il reçoive une quantité d'énergie dans un temps court, ce qui nécessite qu'il se couple à un phénomène rapide. C'est le cas dans les transitions de phase où le changement de phase n'a pas lieu si l'apport d'énergie est petit, très lent et quasi continu (état métastable, par exemple la surfusion de l'eau). C'est le cas de tous les phénomènes dans lesquels il y a un saut à franchir, de tous les phénomènes dans lesquels il y a une brisure de symétrie. Ainsi, tous les rythmes de la nature deviennent interactifs. On trouve des résonances, des catalyses, des interactions de toutes sortes entre phénomène lent et phénomène plus rapide. Cela se produit dans le vivant mais aussi dans la matière dite inerte. Sans la catalyse, l'essentiel des phénomènes biologiques seraient quasi impossibles car nécessitant trop de temps ou donnant des résultats trop faibles en quantité ou trop rares. La synchronisation des phénomènes peut se faire aussi par accrochage de fréquence (résonance), aussi bien pour la matière inerte que vivante.

Rythmes biologiques :

Les horloges sont un point central du fonctionnement du vivant. Piggins H. D. dans « Les gènes horloges de l'homme » (2002) : « Notre corps est en fait composé de millions d'horloges cellulaires, dont l'activité coordonnée donne lieu aux rythmes prononcés journaliers, mensuels et saisonniers de notre activité physiologique interne et de notre comportement. »

Les divisions de nos cellules suivent le rythme de notre horloge biologique : les tissus qui se renouvellent régulièrement comme la moelle osseuse, la muqueuse intestinale ou les cellules de la peau, le font donc de façon orchestrée, sur 24 heures.

De nouveaux rythmes cellulaires continuent à être découverts. Ainsi, au cours des années récentes, l'horloge de segmentation qui contrôle la formation des somites au cours de l'embryogenèse a été caractérisée. Ces oscillations d'une période de 30 à 90 minutes selon l'organisme considéré impliquent plusieurs voies de transduction de signaux cellulaires. Des oscillations d'une période de quelques heures dans la dynamique du facteur de transcription NF-κB et du facteur p53 ont été observées. Chez la levure, la réponse au stress implique des oscillations d'une période de quelques minutes dans la navette nucléocytoplasmique du facteur Mns2.
Rythmes neuronaux : période de 0,01 à 10 secondes

Rythme cardiaque : période d'une seconde

Rythmes d'oscillations du calcium : de 1 seconde à dix minutes

Rythmes des oscillations biochimiques : de une à vingt minutes

Rythmes hormonaux : soit dix minutes, soit trois-cinq heures, soit vingt-quatre heures

Rythmes du cycle cellulaire : dix minutes à vingt-quatre heures

Rythme du cycle ovarien : vingt-huit jours

Rythme des cigales périodiques : treize et dix-sept ans

Rythme de floraison du bambou : cent-vingt ans

Durée d'un flux d'ions sodium et potassium par la membrane de la cellule : moins d'une milliseconde

Fabrication par le neurone des protéines de la membrane : plusieurs dizaines de minutes

Rythme circadien au rythme de l'alternance jour-nuit, rythme de l'activité photosynthétique des plantes par exemple, ou entre 20 heures et 28 heures (horloge centrale dans l'hypothalamus et un très grand nombre d'autres rythmes biologiques de l'homme)

Rythme ultradien : inférieur à 24 heures

Rythme infradien : supérieur à 24 heures

Rythme cellulaire :

Environ 300 milliards de nos cellules (sur plus de 75.000 milliards de cellules qui forment l'organisme) sont remplacées chaque jour. Toutefois, toutes les cellules ne se renouvellent pas au même rythme : selon leur fonction, il faut de quelques jours à quelques années pour qu'elles soient remplacées. Elles affichent donc des âges différents. Les cellules du squelette vivent une dizaine d'années, celles des muscles respiratoires 15 ans, et presque tous les neurones ont l'âge de leur propriétaire. Quant aux cellules cardiaques, 1% d'entre elles sont remplacées chaque année chez une personne de 20 ans...

Fixations d'un ligand sur une protéine : ordre de grandeur la milliseconde (autant que les réactions d'oxydo-réduction dans les mitochondries au cours du métabolisme oxydatif)

Durée de vie d'une cellule (entre deux divisions cellulaires) : dix à vingt minutes chez les procaryotes et plusieurs heures ou jours chez les cellules des vertébrés

Durée de vie d'un globule rouge de l'homme : environ trente jours

Oscillations métaboliques : de quelques secondes à quelques minutes

Temps de relaxation des réactions métaboliques : deux minutes

Temps de relaxation des réactions épigénétiques : de cent à dix mille secondes, c'est-à-dire d'une minute et demi à trois heures

Resynthèse de l'ADN des chromosomes : cinq heures à vingt heures

Temps de base du rythme cellulaire : 3,5 heures

Rythme de mitose des cellules : 24 à 25 heures

Sécrétion de l'hormone Gonadrotopine du cycle de l'ovulation de la femme par l'hypothalamus : une pulsation par heure chez l'homme et le singe rhésus

Rafale électrique du neurone : environ un millième de seconde

Battement cardiaque :

Ce rythme moyen dépend de l'âge : 120 à 140 battements par minute chez le nouveau-né, 100 battements par minute chez le jeune enfant, 65 à 80 battements par minute en moyenne chez l'adulte, 80 à 90 battements par minute chez une personne âgée. Et le rythme est environ de dix battements par minute de plus chez la femme que chez l'homme. Ce qui est essentiel est que ce rythme change suivant les conditions extérieures par exemple la température et suivant les mouvements du corps comme un effort. Cela sous-entend une très grande adaptabilité du rythme cardiaque.

On a dans le mécanisme du cœur l'intervention de trois oscillateurs. Le premier sinus pulse à 120 par minute mais il transmet de manière beaucoup plus réduite soit une onde de contraction de 60 à 80 par minute chez l'adulte au repos, le deuxième sinus a un rythme naturel de 50 contractions par minute, le troisième point rythmique, le faisceau de His, émet de 30 à 40 contractions par minute. En fait il y a donc trois horloges qui ont non seulement des rythmes internes différents mais en plus sont des émetteurs récepteurs qui propagent les signaux à des vitesses différentes : le premier sinus diffuse à la vitesse de un mètre par seconde, le deuxième à 5 centimètre par seconde, le faisceau de His a une vitesse qui va de 2 à 4 mètres par seconde et il propage ses contractions à un réseau qui diffuse aux ventricules à la vitesse de 0,4 mètre par seconde.

Périodes des rythmes cérébraux :

Rythme alpha de l'état d'éveil calme : 10 Herz soit dix oscillations par seconde ce qui signifie une oscillation tous les dixièmes de seconde

Ondes lentes du sommeil (hypersynchronisation de l'activité neuronale) : six à sept cycles par seconde

Fuseaux rapides d'origine sous-corticale interrompant les ondes lentes : cinq cycles par seconde

Ondes bêta (activités cérébrales supérieures du lobe frontal) : treize à quinze cycles par seconde

Ondes delta : quatre cycles par seconde

Ondes thêta (activités émotives provenant du lobe temporal) : cinq à sept cycles par seconde

Ondes alpha (des cellules pyramidales du cortex cérébral) : dix cycles par seconde

Oscillations gamma (synchronisation des décharges de populations neuronales dans l'état cognitif) : trente à quatre-vingt cycles par seconde

Démence : cycles dominants inférieurs à huit cycles par seconde et fréquences béta supérieure à treize cycles par seconde

Sensibilité de l'oreille : deux signaux séparés de 2,5 millisecondes

Sensibilité de l'œil : deux signaux séparés de 0,1 milliseconde

Sensibilité tactile : stimulis de dix-huit cycles par seconde

Temps entre deux décharges successives de neurones : un centième de seconde

Temps de passage d'informations visuelles dans le cortex des primates : vingt-huit millisecondes

Temps de passage d'informations de forme et de couleur dans le cortex des primates : trente-neuf millisecondes

Temps de latence pour le passage d'informations entre les aires cérébrales : dix à quinze millisecondes

Temps de reconnaissance de visage chez l'homme : deux cent millisecondes

Durée d'une phase de sommeil paradoxal : vingt minutes

Le temps dans la matière

Notation : ces temps sont très courts, des fractions de seconde souvent, et on notera un dixième par dix puissance moins un ou un centième par dix puissance moins deux et ainsi de suite. Un millionième est dix puissance moins six, milliardième est dix puissance moins neuf, etc. Dix puissance moins N vaut donc un divisé par dix puissance N. Par exemple, dix moins huit de seconde vaut 0,00000001 seconde

Certains auteurs croient reconnaître un écoulement du temps dans le domaine du Vivant, en étant persuadés qu'un tel écoulement l'existerait pas dans la matière « inerte ». Comme nous allons le voir, toutes sortes d'échelles du temps existent dans les phénomènes physiques. Elles sont objectives, ne dépendant nullement de l'existence ou pas d'un observateur humain.

On le remarque à l'existence de durées de vie des particules (de matière comme d'interaction).

Pour le proton et l'électron, on ignore s'ils ont ou non une durée de vie limitée. Si elle existe, elle est très importante. Rappelons cependant que, même si cette durée de vie était infinie, cela proviendrait des sauts quantiques d'état du proton et de l'électron et du saut de la propriété de « particule réelle » d'une particule virtuelle à une autre via le boson de Higgs, processus quantiques se réalisant dans des temps inférieurs à ceux que nos appareils peuvent capter.

Durée de vie des particules :

L'instabilité d'une particule se caractérise par son nombre d'étrangeté. La vie moyenne des hadrons (mésons et baryons) est courte. Une durée de 10 puissance moins 23 seconde est normale. (10 puissance moins 23 seconde, c'est environ le temps que met la lumière pour traverser un proton). Dans ce cas, l'étrangeté vaut 0 (le nombre quantique S = 0). Si cette durée est « plus longue », 10 dix puissance moins dix seconde par exemple pour le lambda zéro, la particule est étrange et on lui attribue une valeur d'étrangeté S = –1. D'autres particules sont « super-étranges » ; leur étrangeté devient S = –2.

On a, par exemple, pour le Sigma– la valeur S = –2 car Sigma– se désintègre d'abord en Lamda zéro + un pion -, avec une vie moyenne de 10 puissance moins 10 seconde et le Lambda se désintègre ensuite en proton + pion– avec une vie moyenne de 10 puissance moins 10 seconde.

On constate que lorsqu'une particule possède l'étrangeté S = ±1 sa désintégration est lente (vie moyenne de ≈10 puissance moins 10 seconde), S = ±2 sa désintégration est deux fois plus lente, et S = ±3 sa désintégration est trois fois plus lente. D'autre part :

la désintégration est très lente lorsque l'on passe d'une famille à une autre ;

par contre, au sein d'une même famille ou lorsqu'on passe simplement d'un spin 3/2 vers un spin 1/2, la désintégration est rapide.
Ils sont formés d'un quark et d'un antiquark. L'exemple le plus connu est le triplet de pions : π+ ; π - (tous deux de139.6 MeV, de vie moyenne ≈10 puissance moins 8 seconde et pion zéro (135.0 MeV, de vie moyenne ≈10 puissance moins 16 seconde, se désintègre en 2 photons gamma).

Neutron : de 878,5 à 880 secondes

Baryons Delta :

Baryon Delta++ : 0,6 fois dix puissance moins 23 seconde

Baryon Delta+ : 0,6 fois dix puissance moins 23 seconde

Baryon Delta zéro : 0,6 fois dix puissance moins 23 seconde

Baryon Delta - : 0,6 fois dix puissance moins 23 seconde

Lepton Muon : 2,2 microsecondes (c'est-à-dire 2,2 millionièmes de seconde)

Mésons Pi (ou Pions) :

Pion à l'état libre : 0,03 microseconde

Pion chargé : 2,6 centième de microseconde seconde

Pion neutre : 8,4 fois dix puissance moins dix-sept seconde

Pions Pi+ et PI- : 2,6 fois dix puissance moins huit seconde

Pion zéro : 0,83 fois dix puissance moins seize seconde

Lepton Tau ou Tauon : 3,4 fois dix puissance moins treize seconde

Mésons K ou Kaons :

• K+ : 1,24 fois dix puissance moins 8 seconde

• K− : 1,24 fois dix puissance moins 8 seconde

• Kos : 0,89 fois dix puissance moins 10 seconde

• Kol : 5,2 fois dix puissance moins 8 seconde

Baryons Lambda :

Lambda zéro : 2,63 fois dix puissance moins dix seconde

Lambda + : 2 fois dix puissance moins treize seconde

Lambda zéro b : 1,2 fois dix puissance moins douze seconde

Baryons Oméga :

Oméga- : 0,82 fois dix puissance moins 10 seconde

Oméga zéro c : 6,9 fois dix puissance moins 14 seconde

Baryons Xi :

Xi+ c : 4,4 fois dix puissance moins 13 seconde

Xi- : 1,6 fois dix puissance moins 10 seconde

Xi zéro : 2,9 fois dix puissance moins seconde

Xi zéro c : 1,1 fois dix puissance moins 13 seconde

Baryons Sigma :

Sigma+ : 0,8 fois dix puissance moins 10 seconde

Sigma zéro : 7,4 fois dix puissance moins 20 seconde

Sigma - : 1,5 fois dix puissance moins 10 seconde

Mésons Eta :

Eta+ : 5 fois fois dix puissance moins dix-neuf seconde

Eta prime : 3,39 fois dix puissance moins 21 seconde

Eta c : 2,30 fois dix puissance moins 23 seconde

Mésons Rho :

Rho+ : 0,4 fois dix puissance moins 23 seconde

Rho- : 0,4 fois dix puissance moins 23 seconde

Rho zéro : 0,4 fois dix puissance moins 23 seconde

Méson Phi : 20 fois dix puissance moins 23 seconde

Mésons D :

D+ : 10,6 fois dix puissance moins 13 seconde

D- : 10,6 fois dix puissance moins 13 seconde

D zero : 4,2 fois dix puissance moins 13 seconde

Ds+ : 4,7 fois dix puissance moins 13 seconde

Ds- : 4,7 fois dix puissance moins 13 seconde

Méson Ji/Phi : 7,2 fois dix puissance moins 21 seconde

Mésons B :

B+ : 1,5 fois dix puissance moins 12 seconde

B- : 1,5 fois dix puissance moins 12 seconde

B zéro : 1,5 fois dix puissance moins 12 seconde

Méson Upsilon : 1,3 fois dix puissance moins 20 seconde

Boson W : 3 fois dix puissance moins 25 seconde

Boson Z : 3 fois dix puissance moins 25 seconde

Boson de Higgs : 1,56 fois dix puissance moins 22 seconde

Restent les durées d'oscillations des neutrinos, les durées des transitions des particules excitées, etc.

Temps de désintégration (temps de demi-vie) des noyaux radioactifs :

Béryllium 8 : 6,7 fois dix puissance moins 17 seconde

Molybdène 99 : 65,94 heures

Iode 131 : 8,0207 jours

Cobalt 60 : 5,2714 années

Krypton 85 : 10,76 années

Strontium 90 : 28,78 années

Césium 137 : 30,07 années

Américium 241 : 432,2 années

Radium 226 : 1 602 années

Carbone 14 : 5 730 années

Plutonium 239 : 24 110 années

Neptunium 237 : 2,144 millions d'années

Iode 129 : 15,7 millions d'années

Plutonium 244 : 80,8 millions d'années

Uranium 235 : 703,8 millions d'années

Potassium 40 : 1,248 milliards d'années

Uranium 238 : 4,4688 milliards d'années

Thorium 232 : 14,05 milliards d'années

Lire ici les énergies de toutes les sortes de particules

Transition du neutrino

Temps du vide quantique :

Apparition (et disparition) de paires virtuelles électron-positron : dix puissance moins vingt et une seconde

Apparition (et disparition) de paires pions virtuels et antipions : dix puissance moins vingt quatre seconde

Apparition (et disparition) de paires virtuelles proton-antiproton : dix puissance moins vingt-cinq seconde

Apparition (et disparition) de paires de W et Z : dix puissance moins vingt-six seconde

Temps de Planck : 5,4 fois dix puissance moins quarante quatre seconde

En guise de conclusion :

« Je n'ai pas bien compris ce que vous pensez finalement de ce que serait ce temps réel, physique ? » nous dit un lecteur…

Eh bien, il apparaît que le temps ne préexiste pas aux interactions mais est produit par elles. Ce qui signifie qu'il n'y a pas un temps de la particule individuelle qui s'écoulerait graduellement, de manière fixée, figée, liée à un seul objet mais un temps qui émerge d'un grand nombre d'interactions, par exemple pour un grand nombre de noyaux radioactifs ou un grand nombre de cellules cardiaques interactives, ou un grand nombre de particules virtuelles du vide, un grand nombre de molécules, etc.

Le temps est-il réel (c'est-à-dire physique) ou subjectif ?

Les rythmes biologiques

Faut-il opposer diamétralement la matière vivante et la matière inerte ?

Inerte, la matière non vivante ?!!!

Qu'est-ce que le temps ?

Comment le Vivant mesure le Temps

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Comment le Vivant mesure le Temps

Robert Paris — 2018-05-11T23:44:00Z

Comment le Vivant mesure le Temps

Avertissement : En soulignant l'existence d'horloges biologiques, nous ne voulons pas dire que la vie « crée » le temps mais seulement qu'elle le mesure ou le bat. Pas plus qu'il n'était exact que ce serait la conscience humaine qui produirait le temps comme le croyait Bergson, ce n'est pas le vivant qui fabrique le rythme et l'écoulement (la flèche) du temps. Le temps est marqué par toutes les rétroactions emboîtées, depuis celles de groupes de molécules. Et même un simple noyau atomique « bat » le temps puisqu'il existe une probabilité pour que le noyau fissionne de manière radioactive en produisant deux noyaux moins lourds et des radiations. Car un noyau atomique est déjà le siège de multiples rétroactions entre nucléons (protons et neutrons, quarks ainsi que leurs particules d'interaction, les gluons). Si la flèche du temps n'existe pas dans le vide quantique, elle se produit dès qu'il y a un nombre conséquent d'interactions de particules. Cela ne veut pas dire qu'il n'y ait aucun temps dans le vide mais un temps désordonné et sans flèche. Quant au Vivant, le développement précis de l'embryon avec la construction successive des différentes parties et organes du corps montre déjà l'existence d'une horloge produite par la rétroaction des gènes homéotiques. On a même montré qu'il existe des gènes qui, individuellement, sont des marqueurs de temps. Un simple groupe de cellules, comme les cellules de noyau suprachiasmatique de l'hypothalamus dans le cerveau qui comprend dix mille cellules pilotant vingt mille neurones, ou une protéine comme « Clock », pour le rythme circadien, peut produire, en rétroaction avec le matériel génétique comme facteur d'expression des gènes, un battement de temps. Comme le dit Rémy Lestienne dans « Les fils du temps », « La vie est un faisceau de cycles entrelacés »…

Boissin et Canguilhem dans « Les rythmes du vivant » :

« Un des grands problèmes commun aux animaux et aux végétaux est l'anticipation c'est-à-dire l'adaptation des êtres vivants à leur environnement par l'utilisation des horloges biologiques. »

Christian Vidal dans son article « Le chaos déterministe en chimie » :

« Lors de l'étude de cette réaction on s'est aperçu qu'une réaction chimique n'était susceptible d'osciller que si son mécanisme comporte une boucle de rétroaction. (...) L'effet renforce donc la cause qui lui donne naissance, c'est une auto-amplification Cette circonstance est rare, semble-t-il en chimie. Elle est beaucoup plus répandue dans le monde du vivant. (...) Les réactions biochimiques oscillantes sont peut-être la clé de la mystérieuse horloge interne qui réglerait les rythmes biologiques. On connaît depuis 1950, le caractère oscillant de certaines réactions du métabolisme. Parmi celles-ci la glycolyse est peut-être la plus importante (...) Elle constitue un mode essentiel et universel d'approvisionnement en énergie des cellules. Cette réaction oscille avec une période de l'ordre de la minute. (...) Il reste à comprendre comment les cellules d'un organisme parviendraient à coordonner leur activité pour former cette horloge biologique. »

Ilya Prigogine dans « La complexité, vertiges et promesses » :

« Le temps s'explique avec les bifurcations : le passé correspond à une trajectoire au travers de points de bifurcation et le futur comprend des bifurcations dont nous ne savons pas quelle sera la direction. »

Marc Bloch dans « Apologie pour l'histoire ou Métier d'historien » :

« Réalité concrète et vivante, rendue à l'irréversibilité de son élan, le temps de l'histoire, au contraire, est le plasma même où baignent les phénomènes et comme le lieu de leur intelligibilité. »

Jean-Pierre Changeux dans « L'homme neuronal » :

« Les organes des sens se comportent comme un « commutateur » d'horloges biomoléculaires. »

Stephen Jay Gould dans « Le pouce du panda » :

« L'histoire de la vie, telle que je la conçois, est une série d'états stables, marqués à de rares intervalles par des événements importants qui se produisent à grande vitesse et contribuent à mettre en place la prochaine ère de stabilité. Les organisme procaryotes (bactéries ou algues bleues) ont régné sur terre pendant 3 milliards d'années jusqu'à l'explosion cambrienne où la plupart des principales formes de vie pluricellulaires apparurent en l'espace de dix millions d'années. L'histoire de la terre peut être schématiquement perçue comme une série de pulsations occasionnelles forçant les systèmes récalcitrants à passer d'un état stable au suivant. »

Ilya Prigogine dans « Temps à devenir » :

« On a découvert que quand vous allez loin de l'équilibre, par exemple, en considérant une réaction chimique, que vous empêchez d'arriver à l'équilibre, se produisent des phénomènes extraordinaires que personne n'aurait cru possibles ; par exemple, des horloges chimiques. Une horloge chimique, qu'est-ce que c'est ? Prenons un exemple : vous avez des molécules qui de rouges peuvent devenir bleues. Comment imaginez-vous voir ce phénomène ? Si vous pensez que les molécules vont au hasard, vous allez voir des flashes de bleu, puis de flashes de rouge. Mais il se produit, loin de l'équilibre, dans d'importantes classes de réactions chimiques, des phénomènes rythmiques. Tout devient bleu, puis tout devient rouge, puis tout devient bleu, c'est-à-dire qu'une cohérence naît, qui n'existe que loin de l'équilibre. (…) Donc, loin de l'équilibre, se produisent des phénomènes ordonnés qui n'existent pas près de l'équilibre. Si vous chauffez un liquide par en-dessous, il se produit des tourbillons dans lesquels des milliards de milliards de molécules se suivent l'une l'autre. De même, un être vivant, vous le savez bien, est un ensemble de rythmes, tels le rythme cardiaque, le rythme hormonal, le rythme des ondes cérébrales, de division cellulaire, etc. Tous ces rythmes ne sont possibles que parce que l'être vivant est loin de l'équilibre. Le non-équilibre, ce n'est pas du tout les tasses qui se cassent ; le non-équilibre, c'est la voie la plus extraordinaire que la nature ait inventée pour coordonner les phénomènes, pour rendre possibles des phénomènes complexes. »

Ladislas Robert dans « Le temps et sa flèche » :

« Pratiquement toutes les manifestations biologiques suivent des rythmes. Certains rapides, d'autres lents. mais pratiquement aucun phénomène biologique ne se déroule selon une cinétique continue et linéaire… Les enzymes consommant de l'énergie (ATP) seraient activées à des valeurs élevées en charge d'adeylique, par l'ATP et inhibées par un excès d'ADP et AMP. (...) Ces oscillations métaboliques pourraient représenter une des horloges élémentaires de la cellule. Il apparaît que ces oscillations sont à leur tour "entraînées" par d'autres rythmes, plus lents caractérisant le domaine épigénétique de la cellule - biosynthèse des macro-molécules, leurs interactions - comme le suggère les travaux sur les amibes de Lloyd et Edwards. (...) Le couplage étroit des réactions rapides et lentes, médié par des cofacteurs et métabolites intermédiaires permet ainsi à la cellule d'ajuster ses oscillations métaboliques à la demande énergétique au lieu de suivre sa capacité maximale de génération d'énergie. (...) Certaines horloges peuvent être synchronisées, "entraînées" sur un rythme compatible avec la survie optimale de la cellule ou de l'organisme, d'autres phénomènes suivent un rythme fortement dépendant de facteurs intrinsèques comme par exemple l'utilisation du glucose pour générer l'énergie indispensable à la vie ainsi que son action délétère sur les protéines de structure. »

Jean Chaline dans « Les horloges du Vivant » :

« Le nouveau stade de la théorie de l'évolution prend donc en compte le fait que le vivant porte en lui les potentialités de son évolution grâce au jeu de plusieurs mécaniques, celles des mutations et du développement qu'elles conditionnent ; un véritable bricolage biologique contrôlé par la sélection naturelle. Mais ces contraintes internes interfèrent avec les contraintes externes de l'histoire de la Terre et des modifications de l'environnement qui introduisent la contingence dans l'évolution ; c'est le poids de l'histoire qui imprime fortement sa marque à l'évolution. Les qualificatifs hiérarchique, saltatoire, événementiel, contingent et chaotique expriment la nouvelle dimension globale de la théorie de l'évolution et la rapprochent des théories des sciences physiques expliquant la constitution et l'évolution générale de l'univers… On peut dire que les hétérochronies du développement, qui expriment la dynamique de l'évolution spatio-temporelle des structures, opèrent à la façon de véritables horloges internes contrôlant le développement de chaque caractère. Les mutations dérèglent le fonctionnement des horloges ancestrales en le ralentissant, l'accélérant, le retardant ou l'avançant. (…) Cette nouvelle conception s'oppose complètement à celle du stade synthétique de la théorie où l'on donnait à l'environnement et à la sélection naturelle le rôle primordial. (…)Les résultats actuels des recherches entreprises sur le rôle des gènes architectes moléculaires universels de la famille des gènes à homéobox ou « homéogènes », bien que partiels et préliminaires, constituent une véritable révolution de fond dans la compréhension du phénomène évolutif… Précisons tout d'abord la signification du mot « homéogène » qui traduit le fait que leur mutation transforme un segment du corps d'un insecte en un autre segment ; « homéo » signifiant semblable. Ces gènes, désignés tout d'abord sous le nom de gènes HOM chez les invertébrés et Hox chez les vertébrés, sont maintenant réunis sous le seul vocable de gènes Hox. On s'est en effet aperçu que ces gènes étaient très semblables pour la bonne raison que les gènes Hox des vertébrés proviennent de duplications des gènes HOM des invertébrés. En effet, le remplacement de gènes HOM de la drosophile par des gènes Hox de souris ne perturbe pas leur développement… On sait maintenant que les homéodomaines de la drosophile et de la souris sont presque identiques. Par exemple, l'homéodomaine Antennapedia de la drosophile ne diffère de celui du gène HoxB6 de la souris que par quatre acides aminés sur soixante et un… Les homéogènes constituent les ressorts des horloges internes du vivant. »

Ladislas Robert dans « Les temps de la vie » :

« Une famille de gènes, les homéogènes, comportent des messages plus compliqués concernant le plan d'organisation de l'animal. Apparus chez les invertébrés, bien étudiés chez les insectes (la mouche de vinaigre ou drosophile) et les vers plats (caenorhabditis elegans), on les retrouve chez les vertébrés jusqu'à l'homme et l'on perce progressivement le secret de leur fonctionnement. Un aspect majeur de leur action reste cependant obscur : leur capacité à assurer un chronométrage précis de la mise en place des parties du corps… Les recherches très actives devraient nous permettre d'approfondir l'horlogerie des gènes du développement dans un avenir proche… L'équipe de Mme Le Douarin a identifié un gène, appelé « c-hairy 1 » qui correspond au gène de même fonction appelé « hairy » chez la mouche drosophile et dont l'expression rythmée dans le temps semble régler la vitesse d'apparition des somites (segments du corps de l'embryon). Ce gène code un facteur de transcription (des protéines agissant sur des gènes qui activent ou au contraire répriment leur expression)… L'identification de cette horloge cellulaire concernant une partie importante de l'embryon incite à penser que la découverte d'autres horloges cellulaires dictant le rythme du développement des autres parties de l'embryon est possible. La connaissance de ces horloges cellulaires est complétée par celle des gènes réglant la construction spatiale de l'embryon. Le fonctionnement de ces homéogènes, identifiés il y a à peine quelques décennies, a révélé le plan de construction de l'embryon, l'espacement des segments et des organes de l'embryon, selon les axes symétriques antéro-postérieur et dorso-ventral. (…)

Britton Chance, biologiste américain travaillant à Philadelphie, a pu réaliser des observations importantes confirmant la rythmicité des phénomènes métaboliques, c'est-à-dire leurs variations d'intensité dans le temps… En utilisant une suspension de cellules de levure, il montre que les oscillations de la glycose peuvent se maintenir pendant des périodes longues. Observation surprenante, ces oscillations persistent quand on enregistre le phénomène non plus avec des cellules intactes, mais en utilisant un extrait de cellules, donc en l'absence de cellules vivantes. La nature discontinue, oscillante, de la glycose n'est donc pas la propriété de la seule cellule vivante, mais est conservée dans un extrait qui contient l'ensemble des biocatalyseurs qui en sont responsables… Pour observer les oscillations dans un extrait cellulaire, il fallait attendre la découverte du rôle clef de certaines enzymes dans ces chaînes de réactions qui, grâce à leurs propriétés « allostériques » (modifications de conformations qui modifie leurs activités catalytiques) régulent le débit de la chaîne de réactions. Concept développé par Jacob, Monod et Changeux à Paris et par Arthur Pardee aux Etats-Unis, il s'agit de la régulation d'une chaîne de production biochimique par la rétroaction d'un des produits de cette réaction sur un catalyseur situé au début de la chaîne. Ce concept s'est avéré critique pour la compréhension des réactions métaboliques ; il permet d'expliquer certains de ces phénomènes oscillatoires observés au cours du métabolisme cellulaire. En l'occurrence, c'est l'enzyme appelée phosphofructokinase (PFK) qui possède cette propriété allostérique… En court-circuitant PFK, on supprime les oscillations… (...) Le plus souvent, les produits d'une réaction inhibent l'enzyme allostérique qui régule le débit de la chaîne métabolique (...) Dès que la quantité du produit final baisse, la chaîne de production peut redémarrer (...). Ce type de coopérativité entre site catalytique et site régulateur joue un rôle important dans la coordination de nombreuses réactions métaboliques dans la cellule. (...) Le modèle permettant de décrire quantitativement le comportement de cette enzyme a été proposé par Goldbeter… Les calculs théoriques de Goldbeter permettent de représenter les oscillations entretenues du système… En variant la concentration du substrat, le système évolue vers un cycle limite (conformément aux théorèmes de Poincaré, Bendixson, Nicolis et Prigogine). La représentation de cette évolution vers un cycle limite dans l'espace de phase correspond à un « attracteur étrange ». Ce formalisme, dit du « chaos déterministe », est en effet applicable à de nombreuses réactions biologiques… Ce même type de comportement oscillant a aussi été observé dans les cellules musculaires. La périodes oscillations varie avec la température, elle augmente si la température baisse. Britton Chance suggère que ces oscillations pourraient être à l'origine des rythmes circadiens… Le cas évoqué plus haut de la glycose nécessite des intervalles de temps qui se comptent en secondes ou en minutes… D'autres réactions beaucoup plus rapides comme la fixation d'un ligand sur une protéine ou les modifications de l'acidité du milieu se jouent en millisecondes. C'est le cas aussi des réactions d'oxydoréduction qui se déroulent dans les mitochondries au cours du métabolisme oxydatif…

Le réglage des horloges circadiennes

Les observations précoces des botanistes ont vite été suivies par celles du règne animal, puis par celles de l'homme. Karl von Frisch fut l'un des premiers à observer le fonctionnement d'une horloge chez les invertébrés… Entre l'observation qui permet de conclure à l'existence d'horloges internes et la reconnaissance explicite du fait, il s'est écoulé presque un demi-siècle. On attribue à Gustav Kramer et Klaus Hoffmann la démonstration des horloges internes… Au cours de la deuxième moitié du XXe siècle, plusieurs équipes ont cherché à identifier le codage génétique des horloges biologiques… Chez l'homme et, peut-être, chez des vertébrés, le centre nerveux appelé « noyau supraschiasmatique », localisé juste au-dessus du croisement des nerfs optiques ou rétiniens, semble jouer un rôle important sans pour autant représenter le seul et unique contre chronologique de l'organisme… Si l'on transplante le noyau supraschiasmatique d'animaux jeunes à des animaux âgés… on « rajeunit » le comportement rythmique de l'animal…. Michael W. Young, à l'Institut Rockfeller de New York, a pu reconstituer avec des mouches à vinaigre le phénomène du décalage horaire… L'arrivée de la lumière sur la rétine de ces mouches provoque la dégradation d'un complexe macromoléculaire composé de deux protéines, appelées PER et TIM, codées par deux gènes (per et tim). Ces protéines font partie d'un circuit de rétrocontrôle inactivant les deux gènes qui codent leur séquence. Vers le milieu de la journée, le complexe protéique PER-TIM est dégradé et c'est un autre complexe, composé de deux protéines, CYCLE et CLOCK, qui se fixe sur les gènes per et tim pour les inciter à se réexprimer et produire l'ARN messager permettant la resynthèse des protéines PER et TIM. Leur complexe se reconstitue au coucher du soleil et commence à freiner le fonctionnement des gènes cycle et clock qui code les deux protéines éponymes, dont le complexe active l'expression des gènes per et tim. Le complexe protéique PER-TIM supprime ainsi, dès le coucher du soleil et pendant la nuit, sa propre production par la répression des gènes qui codent ces protéines… Ce mécanisme de tic-tac moléculaire a pu être confirmé, avec quelques variantes et selon une complexité accrue, de la mouche à l'homme… On constate alors l'expression oscillante de ce gène-horloge, conformément au schéma proposé pour la drosophile… Ces gènes de l'horlogerie – per, tim, cycle et clock, notamment -, impliqués dans le réglage de l'horloge « centrale », sont présents dans toutes les cellules de l'organisme, en plus des neurones et de cellules gliales du noyau supraschiasmatique. Ces gènes sont-ils réprimés dans les très nombreuses autres cellules de l'organisme ou bien peuvent-ils s'exprimer et jouer un rôle d'horloge secondaire ? (…) L'équipe américaine de Stevens Kay à la Scripps Clinique en Californie a mis en évidence ce type d'horlogerie au niveau d'autres organes de la mouche, dans les ailes, les pattes, autour de la bouche ainsi que dans les antennes… Ce type de fonctionnement extracérébral des gènes mentionnés se retrouve chez les vertébrés : dans les fibroblastes, les cellules ubiquitaires des tissus conjonctifs, le système d'horloge fonctionne aussi d'une façon cyclique. »

Arthur Winfree dans « Les horloges de la vie » :

« Rien ne nous semble plus ordinaire que l'alternance du sommeil et de la veille, qui rythme inlassablement notre vie. Tandis que tourne la Terre, notre conscience poursuit ses propres révolutions, passant du rêve, mystérieux et solitaire, à l'éveil, avec ses activités sociales et professionnelles. A l'occasion, nous avons tous modifié le rythme quotidien de nos activités et nous savons que notre rythme interne n'est pas strictement synchronisé sur l'alternance du jour et de la nuit. Nous savons également que nous ne pouvons échapper au sommeil bien longtemps. Le rythme de l'horloge géophysique est inscrit en nous ; ce n'est pas seulement le fruit d'une longue habitude, contractée dès la naissance, mais un héritage physiologique. (…) La température interne varie imperturbablement, avec une période de 25 heures (appelé rythme circadien par opposition au rythme diurne de 24 heures – circadien veut dire proche du rythme des jours). En découvrant la régularité du cycle des températures internes, Jurgen Aschoff, directeur de l'Institut Max Planck d'Andechs, a ainsi démontré l'existence d'une horloge circadienne interne. La période de l'alternance sommeil-veille d'un homme est de 24 heures mais elle se poursuit selon sa période naturelle, égale à 25 heures, quand l'homme a été isolé, soustrait à l'influence de la lumière. (….) On ne connaît le rythme interne de la période que depuis 20 ans. D'autres primates possèdent également ce rythme. (…)Tout notre environnement varie selon un rythme « civil » de 24 heures et nos fonctions physiologiques accélèrent ou ralentissent ainsi de concert avec le cycle du sommeil. Les conséquences médicales de cet asservissement sont aujourd'hui connues. (…) On supporte mieux la douleur l'après-midi que le matin. Les anesthésies sont particulièrement efficaces en début d'après-midi et les doses nécessaires le matin peuvent être excessives en fin de journée. Les sujets allergiques sont beaucoup plus sensibles juste après minuit que dans l'après-midi. Le foie métabolise bien plus vite l'alcool en début de soirée que le matin. Les médecins doivent tenir compte des rythmes biologiques pour l'interprétation des examens biologiques et l'établissement des diagnostics. Une température égale à 37 degrés pendant la nuit est anormale ;l à trois heures du matin, cette valeur indique que le patient est fiévreux, alors qu'en fin d'après-midi, elle n'est pas inquiétante. (…) En fait, c'est non seulement pour le diagnostic, mais aussi pour le traitement que le médecin doit tenir compte des rythmes circadiens. Comme la réplication de l'ADN, dans de nombreux types de cellules, s'effectue de préférence à certaines heures de la journée, les radiothérapies ou les chimiothérapies sont beaucoup plus efficaces à des moments précis de la journée. On observe parfois que 80% des cellules d'une population résistent au traitement à un moment de la journée alors que la même dose est fatale à 80% de la population quelques heures plus tard. (…) Les endocrinologues et les vétérinaires connaissent depuis longtemps l'importance de l'heure d'administration des hormones. On traite les insuffisances surrénaliennes humaines, par exemple, en administrant plutôt la cortisone le matin lorsque l'activité de la glande cortico-surrénale est maximale. (…) On a également observé que les troubles du sommeil et diverses maladies psychiatriques plus graves, notamment des dépressions, sont synchronisées avec la libération d'hormones dans le cerveau : ces maladies, jusqu'ici incurables, pourraient être des effets secondaires de troubles des rythmes circadiens ; des expositions convenablement programmées à la lumière (celle du soleil ou celle de lampes intenses) permettent de traiter certaines formes de dépression). On suppose que l'exposition à la lumière modifie la sécrétion de mélatonine, une neuro-hormone associée au cycle circadien. (…) Bien que le rythme naturel de notre horloge soit plus lent d'une heure par jour environ que le rythme de rotation de la Terre, notre horloge est entraînée par les variations lumineuses et sa période est ainsi réglée sur 24 heures. Un enfant possède d'abord un rythme naturel de période égale à 25 heures, puis il s'adapte au rythme de son entourage. (…) Une horloge ne sert à rien si on ne peut la remettre à l'heure ; de même une horloge biologique qui ne se resynchroniserait pas serait inutile, sauf si sa période était exactement celle de la Terre. Elle devrait en outre être insensible au froid, au chaud, aux émotions et aux variations hormonales. La moindre différence entre sa période interne et la période externe la mettrait hors d'usage : même si le décalage était seulement d'une minute par jour les animaux diurnes que nous sommes seraient, en deux ans, des animaux nocturnes s'éveillant au crépuscule, se couchant à l'aube : deux ans plus tard, nous serions à nouveau en phase avec le Soleil et, deux ans plus tard encore, nous serions à nouveau plongés dans la nuit. (….) Pour demeurer accordés à l'environnement, il nous faudrait vivre en nomades, et faire le tour de la Terre. (…)Pour rester synchronisée, notre horloge interne doit battre à un rythme peu différent de celui de la Terre et se recaler quotidiennement. Cette possibilité de resynchronisation est essentielle au fonctionnement de toute horloge biologique : l'animal qui la possède demeure ainsi dans sa zone horaire d'origine sans devoir voyager pour compenser l'inévitable décalage. La resynchronisation résulte d'un entraînement. Un cycle est ainsi entraîné par un autre cycle, grâce à des signaux réguliers, à la façon des danseurs qui suivent le rythme d'une musique. Le cycle des saisons, par exemple, entraîne celui de la floraison et de la fructification de nombreux arbres ; la pousse des bois du cerf est soumise à la même régulation. Dans le cas des rythmes circadiens, le signal de commande est généralement la durée quotidienne du jour. Selon les cas, la lumière retarde ou avance légèrement l'horloge interne. Il existe bien d'autres systèmes de resynchronisation des horloges biologiques, mais la grande majorité des espèces vivantes se fondent sur l'événement quotidien qui se répète le plus régulièrement : l'alternance du jour et de la nuit ; c'est à ce signal que leurs horloges circadiennes sont devenues les plus sensibles. (…) Comment s'effectue cette resynchronisation ? (…) Les stimuli (une exposition à la lumière blanche pendant 14 heures, par exemple) agissent différemment selon la phase du cycle interne à partir duquel on les applique. En première approximation, ces stimuli n'engendrent qu'un décalage : une période après le début de la stimulation, l'horloge n'est plus à la phase qu'elle aurait eu sans la stimulation, mais à une nouvelle phase. (...) On rencontre souvent en physiologie le déclenchement d'un événement discontinu, par exemple le passage du sommeil à l'état de veille, qui résulte d'un processus comportant un phénomène de seuil et que ce seuil soit lui-même le produit d'un rythme. Le fonctionnement passe par une phase critique. En termes de rythmes, le passage d'une resynchronisation paire à impaire et inversement est une discontinuité fondamentale. (…) Tous les organismes subissent une resynchronisation impaire lorsque les stimuli sont très faibles ; à la limite (stimuli nul), la nouvelle phase est égale à l'ancienne. Ces mêmes organismes ont-ils une resynchronisation impaire quand on les stimule davantage ? (…) Quand la durée d'exposition périodique à la lumière passe de 7,5 minutes à 2 heures, (…) la resynchronisation d'impaire devient paire. Ce changement n'a pas seulement lieu quand on multiplie par 16 la durée de stimulation : on pourrait le cerner bien plus précisément en augmentant progressivement la durée des stimulations dans diverses expériences. Cette simple remarque suffit à réfuter l'idée selon laquelle les différents types topologiques de resynchronisation résulteraient de mécanismes d'horloge différents ou de types de stimuli particuliers. Au contraire, les différentes resynchronisations semblent dues à un mécanisme universel ! Cette observation fait surgir un nouveau problème : quel que soit l'organisme considéré et quelle que soit la phase à laquelle on le stimule, (…) le passage d'une resynchronisation impaire à une resynchronisation paire, c'est-à-dire le passage d'une boucle autour du trou central du tore (représentation de l'espace des états sur un équivalent topologique de la chambre à air) à une boucle ne traversant pas ce trou, ne peut pas s'effectuer de manière continue. (...) Pour les moustiques Culex, par exemple, le renforcement de la stimulation finit par modifier brusquement la courbe de resynchronisation : tandis qu'elle décrivait toutes les valeurs de la nouvelle phase, un intervalle complet de valeurs est maintenant épargné. A partir d'une valeur critique de la phase, lorsque le stimulus est assez intense, la nouvelle phase décroche. Le mot "décroche" peut sembler abusif car il faut imaginer une discontinuité et, hormis les événements moléculaires ou relevant de la mécanique quantique, les changements temporels (en biologie) semblent continus, bien que parfois très rapides. Les véritables discontinuités (en biologie) sont des phénomènes rares et inobservables. Comment prouver que la cause est réellement inférieure à n'importe quelle valeur finie (c'est-à-dire prouver la continuité) ? Pourtant dans le cas présent, la nouvelle phase semble bien changer d'une quantité finie, alors que l'ancienne phase ne change que d'une façon infinitésimale. Serions-nous dans le cas exceptionnel d'une véritable discontinuité ? Oui, car, dans le phénomène considéré, la discontinuité est un impératif topologique. Pour transformer une boucle entourant le trou d'un tore en une boucle ne l'entourant pas, il faut nécessairement déformer la boucle de façon discontinue. Lorsque le stimulus atteint la valeur critique, la boucle doit être coupée, déplacée, puis recollée. La topologie ne décrit pas la discontinuité, mais elle prévoit un phénomène à découvrir : il doit exister une singularité physiologique. Il y a 20 ans seulement, on ne soupçonnait même pas l'existence de cette singularité, mais les expériences où l'on observait un déphasage variant continûment en fonction des conditions expérimentales auraient dû nous mettre sur la voie de la singularité inobservée. La topologie a indiqué la méthode à suivre pour trouver expérimentalement le point singulier et, rapidement, le protocole de piégeage de singularité a été mis en œuvre pour la recherche de la phase singulière d'une horloge biologique. (…) L'examen raisonné des resynchronisations observées suffit à déduire les propriétés essentielles des horloges biologiques. Cet examen est favorisé par une présentation géométrique, intuitive, fondée sur des diagrammes de phase colorés. Sur ces diagrammes apparaissent directement les surprenantes conséquences de la découverte des resynchronisations paires. (…) A la limite de la resynchronisation impaire, la nouvelle phase est strictement égale à l'ancienne ; à la limite de la resynchronisation impaire, la nouvelle phase est constante, quelle que soit l'ancienne phase. (…) Construisons alors un graphique rectangulaire où apparaissent tous les types de stimulations possibles : en abscisses, nous portons les anciennes phases, à partir desquelles les horloges sont stimulées, en ordonnée, nous portons les intensités de stimulation. En chaque point de ce rectangle, nous indiquons le résultat de l'expérience (la nouvelle phase) par un code de couleur. (…) Représentons la phase nulle par la couleur rouge et convenons que les phases croissantes soient successivement représentées par le violet, le pourpre, le bleu, le vert, le jaune, l'orange et de nouveau le rouge. (…) Selon l'hypothèse de continuité, la couleur en chaque point doit être voisine de la couleur des points voisins. Une zone jaune, par exemple, ne peut être voisine d'une zone bleue : entre les deux doit apparaître soit une zone verte, soit une succession de zones orange, rouge, pourpre, violette. (…) Faites l'expérience, vous n'éviterez pas une zone où toutes les couleurs se mélangent. Cette conclusion est biologiquement importante : pour un point correspondant à un couple précis d'ancienne phase et d'intensité du stimulus, la nouvelle phase est indéterminée, bien que les points très voisins soient de toutes les couleurs. Ce point est une singularité de phase. »

Références :

1. Arthur Winfree Les horloges de la vie : les mathématiques des rythmes biologiques Pour la science (BELIN) 1997

2. Arthur Winfree The geometry of biological time. Springer-Verlag 1980

3. Steven Strogatz SYNC : the emergeous science of spontaneous order. Hyperion 2003

4. Michèle Teboul et Franck Delaunay Ni maître ni esclave chez les horloges biologiques Médecine-Sciences Juillet-Aout 2004

5. Hugues Dardente. Redondance génétique et synchronisation cellulaire dans les horloges circadiennes. Medecine-Sciences. Mars 2008.

6- Albert Goldbeter. La vie oscillatoire.

7- Gilbert Simondon – Les rythmes comme cycles de l'ontogenèse ?

Albert Goldbeter écrit dans « La vie oscillatoire » :

« Battements du cœur, respiration, alternance des phases d'éveil et du sommeil, cycle ovarien, migrations animales, floraison des plantes : la vie est rythmes. (…) De nombreux processus périodiques sont à l'œuvre, de manière imperceptible au sein de nos cellules. Ainsi, une horloge biologique contrôle le cycle de division cellulaire, des premiers stades de l'embryon jusqu'à la formation de l'organisme adulte au sein duquel elle poursuit son action tout au long de la vie. L'action des neurones est sous-tendue par des rythmes. D'autres exemples nous sont donnés par l'alternance périodique des différentes phases du sommeil, les nombreux rythmes hormonaux et les oscillations dans les communications intercellulaires. (…) Parmi les multiples rythmes qui scandent la physiologie des organismes, certains sont liés à la périodicité de l'environnement. Ainsi des rythmes circadiens, d'une période proche de 24 heures, permettent aux êtres vivants de s'adapter à l'alternance du jour et de la nuit, résultent de la rotation de la Terre sur son axe. D'autres rythmes sont liés au cycle annuel des saisons, comme la floraison, l'hibernation, les migrations ou la reproduction chez de nombreuses espèces animales. (…) Les rythmes biologiques les plus rapides caractérisent l'activité électrique des cellules nerveuses ou musculaires. Leur période peut varier du centième de seconde à une dizaine de seconde ou plus. (…) Le cerveau est un organe rythmique par excellence, tout comme le cœur. (…) Les mécanismes qui sous-tendent la périodicité cyclique au niveau cellulaire sont similaires aux mécanismes des rythmes neuronaux. A côté des oscillations d'origine électrique qui forment une classe majeure parmi les rythmes biologiques, il en existe de nombreux autres de nature non électrique. Ainsi, des oscillations sont observées dans les voies de communication entre cellules, par exemple de nature hormonale, et dans le cycle de division cellulaire dont la période varie d'une dizaine de minutes pour certaines cellules embryonnaires à 24 heures ou plus pour les cellules de l'organisme adulte. D'autres rythmes sont observés au sein de la cellule. Ainsi, des oscillations de calcium surviennent avec une période de quelques secondes ou de quelques minutes dans des cellules stimulées par une hormone ou un neurotransmetteur. (…) Un bel exemple de rythme dans les communications intercellulaires est fourni par des amibes dites « sociales », qui communiquent entre elles par des signaux pulsatiles dont la fréquence est de l'ordre d'une pulsation toutes les 5 ou 10 minutes. De même, la plupart des hormones sont sécrétées de manière pulsatile avec une périodicité allant d'une dizaine de minutes pour l'insuline à une heure pour l'hormone qui induit la sécrétion des hormones gonadotropes impliquées dans le contrôle de la reproduction et de trois à cinq heures pour l'hormone de la croissance. (…) D'autres rythmes procèdent d'un mécanisme supracellulaire faisant intervenir des interactions régulatrices entre les différents organes. Ainsi, cycle ovarien, chez la femme, prend la forme du cycle menstruel d'une période proche de 28 jours et fait intervenir les sécrétions hormonales de l'hypothalamus, de l'hypophyse et des ovaires. A un niveau écologique dépassant celui des organismes, les interactions entre populations animales donnent lieu à des oscillations de période encore plus longue. (…) Les oscillations dans les populations de prédateurs et de proies représentent un exemple classique de rythme en écologie, avec une période pouvant atteindre plusieurs années. (…) Parmi les rythmes multiannuels remarquables, ceux dont la période est la plus longue dans le règne animal caractérisent le cycle de la vie de certaines cigales qui émergent du sol, dans l'Est des Etats-Unis, tous les 13 ou 17 ans. Enfin, dans le règne végétal, certaines espèces de bambou fleurissent avec une périodicité qui peut atteindre la centaine d'années. Dans la plupart des exemples connus expérimentalement la non-linéarité responsable de l'existence d'oscillations est associée à la présence d'une étape de nature auto-catalytique, c'est-à-dire auto-amplifiée, en raison d'une rétroaction positive. Souvent des rétroactions positives et négatives entremêlées sont à la base du comportement oscillant. Ces conditions d'ouverture et de non-linéarité sont précisément celles qui caractérisent la chimie des êtres vivants. (…) Une observation parmi les plus énigmatiques au sujet des rythmes circadiens est la possibilité de les supprimer de manière permanente par une brève impulsion lumineuse. Tout aussi mystérieuse est la restauration du rythme par une seconde impulsion identique à la première. Ce phénomène, observé chez la drosophile et chez certains mammifères comme le cochon d'Inde, (…) a reçu une interprétation par Arthur Winfree. (…) Winfree suppose que les rythmes circadiens se produisent sous forme d'oscillations de type cycle limite autour d'un état stationnaire instable. L'effet de la perturbation lumineuse est de ramener chaque cellule oscillante à son état stationnaire. Il est nécessaire pour cela que la perturbation possède une amplitude précise et soit appliquée à une phase particulière des oscillations. Comme l'état stationnaire est instable, les cellules finissent par le quitter et retournent chacune au cycle limite. Toutefois, la phase des oscillations est indéfinie, et chaque cellule rejoint le cycle à une phase aléatoire. La désynchronisation qui en résulte abolit l'émergence d'un rythme circadien global, au moins pendant un certain temps. L'effet de la perturbation lumineuse pendant ce laps de temps est de supprimer le rythme circadien. (…) Le but premier de ce livre a été de rechercher le mécanisme à l'origine des principaux rythmes du vivant. La plupart du temps, ce mécanisme est de nature cellulaire et repose sur des processus de contrôle impliquant la régulation de gènes, de récepteurs, de canaux ioniques ou d'enzymes. (…) Pour que le rythme s'établisse de manière robuste au niveau d'un tissu, d'un organisme ou d'une population, il faut encore que les oscillateurs se synchronisent entre eux. (…) Nous avons rencontré de multiples exemples de synchronisation des rythmes : oscillations glycolytique dans une population de levures, agrégation périodique des amibes sociales, mise en phase d'oscillateurs neuronaux sous-tendant l'activité rythmique du cerveau, sécrétion coordonnée des pulsations d'insuline par les cellules béta du pancréas, émergence du rythme cardiaque au sein des cellules du nœud sinusal et des rythmes circadiens dans des cultures des cellules des noyaux supraschiasmatiques. Dans chacun de ces exemples, des cellules oscillantes se synchronisent entre elles. (…) Le couplage et la synchronisation jouent un rôle clé dans la dynamique des systèmes du vivant. »

Jean-Didier Vincent, dans la préface de « Les fils du temps » de Rémy Lestienne :

« Il existe une horloge formée d'une centaine de neurones dans l'œil de l'escargot : elle indique les jours avec une précision digne d'un horloger helvète. On dit qu'il s'agit d'un « pacemaker » circadien parce qu'elle a la propriété de produire des rythmes à la façon d'un métronome battant la mesure selon une période d'environ un jour. Ce rythme est une propriété intrinsèque des cellules oculaires ; isolées de l'œil et du reste du corps, celles-ci continuent de présenter une alternance d'activité et de repos selon une périodicité de vingt-quatre heures. Comme toute horloge, la montre vivante doit être remise à l'heure en fonction des saisons et des fuseaux horaires. C'est le cerveau qui réalise ce réglage par l'intermédiaire des voies nerveuses qui changent la phase de l'horloge sans en modifier la période. Pour transmettre ses ordres, il utilise un messager chimique, la sérotonine, véritable horloger du vivant présent chez toutes les espèces d'animaux supérieurs. Fabriquer du temps semble donc être une propriété fondamentale du vivant. Le rythme circadien constitue une formidable possibilité d'adaptation aux conditions de vie à la surface de la Terre. Tous les êtres vivants plus évolués que les bactéries présentent des rythmes biologiques (alternance d'activité-repos, cycle des températures, etc.) qui se produisent avec une périodicité de vingt-quatre heures. Ces rythmes circadiens sont endogènes et font partie intégrante de la cellule. Chez les êtres pluricellulaires, seules quelques cellules conservent cette propriété de produire un rythme circadien. Ce sont les horloges internes, constituées de neurones spécialisés, que possèdent non seulement l'escargot mais aussi des animaux plus évolués : le rat, le lapin… et l'homme. Personne ne peut échapper à ces cadences imposées par le cerveau… Nombre de nos activités, de nos sécrétions hormonales, de mouvements de nos viscères ne pourraient pas se passer de ce temps quotidien. De multiples « montres » logées dans notre cerveau règlent l'emploi du temps de chacune de nos fonctions. Il semble qu'une seule horloge, dite « maîtresse », coiffe et gouverne cet amoncellement de pendules, un peu comme à la gare Saint-Lazare. Elle est enfouie au plus profond du cerveau, dans le « noyau suprachiasmatique » de l'hypothalamus. Le rythme circadien existe déjà chez le fœtus : il est alors entravé par celui de la mère, dont il peut toutefois être facilement dissocié. Les plans de l'horloge font partie du patrimoine génétique de l'individu. Des biologistes ont récemment isolé, sur le chromosome X de la mouche drosophile, le gène responsable de cette périodicité. »

Lire aussi :

Les rythmes biologiques

Rythmes du vivant

Gènes architectes et horloges du développement

Les horloges du Vivant, Jean Chaline

Les horloges du vivant, André Klarsfeld

Les rythmes biologiques, un processus dynamique et des structures auto-organisées et émergentes

Albert Goldbeter, La vie oscilatoire. Au cœur des rythmes du Vivant

Ouvrage collectif, Le temps du Vivant

Jean-Nicolas Tournier dans Le temps et sa flèche

Hugues Dardente dans Redondance génétique et synchronisation cellulaire dans les horloges circadiennes

Hugues Dardente et Nicolas Cermakian, Les noyaux suprachiasmatiques : une horloge circadienne composée

Exposition « Les horloges du Vivant »

Cité des Sciences, Horloge biologique : au rythme de l'ADN

Clock : les Horloges du Vivant

Les rouages de l'horloge biologique

Les mécanismes moléculaires de l'horloge circadienne

Comment la protéine Clock rythme notre biologie

Conférence :

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