Pourquoi parle-t-on d’espace-temps ?

Pourquoi parle-t-on d’espace-temps ?

Tout d’abord, on pourrait croire que nous sommes simplement une matière qui évolue au sein de l’espace au cours du temps. Cela supposerait que le temps s’écoule, l’ancien temps disparaissant au fur et à mesure. Seulement, il s’avère que l’ancien temps continue d’exister au travers des actions du passé sur le présent. Une telle affirmation peut sembler un peu de la mystique mais cela n’en est pas. Si on examine les étoiles dans le ciel, plus elles sont éloignées plus elles nous transmettent des informations sur le passé lointain. Cela signifie que celui-ci n’est pas tout à fait éteint pour nous… La lumière des étoiles, pour nous parvenir, n’a pas seulement traversé l’espace : elle a aussi traversé les temps. En fait, elle a parcouru un espace-temps.

« Il n’existe aucun espace ni aucun temps en dehors de ceux de l’univers. Le monde, en tant qu’espace-temps, ne peut donc être l’objet d’une cosmologie comme science, contrairement à ce que pensait Kant… Le temps appartient intimement au monde sans être un être réel, subsistant. Le monde est temps en ce sens qu’il ne saurait s’appréhender indépendamment de sa dimension évolutive : son être est devenir, un devenir orienté… » écrit Bernard Piettre dans « Philosophie et science du temps ».

Le deuxième point qu’il convient de remarquer, c’est que cet espace-temps n’est pas figé. Il est déformé par la présence des masses de matière. Plus on est près d’une grande masse de matière, plus l’espace-temps est déformé. Il est en fait courbé par la présence des masses. C’est d’ailleurs l’origine des fameux « trous noirs » qui ne sont pas à proprement parler des trous, ni tout à fait noirs ! Ce sont simplement des déformations de grande ampleur de l’espace-temps liées à une grande masse locale.

Qu’est-ce que l’espace-temps ? C’est une structure qui apparaît dans le vide quantique (constitué de matière éphémère dite virtuelle) au passage de la matière durable (encore appelée matière réelle). Cela encore n’a rien d’évident ni d’intuitif : l’espace-temps, structuration du vide, n’existe qu’en présence des masses. « S’il n’y a pas de matière, il n’y a pas de géométrie. » écrit Edgard Gunzig dans un article intitulé « Du vide à l’univers » de l’ouvrage collectif « Le vide ».

Les particules « réelles » sont des structures portées par des particules virtuelles qui reçoivent un boson de Higgs. Lorsque la particule virtuelle devient porteuse de masse, elle construit autour d’elle un champ d’espace-temps, elle structure l’espace-temps désordonné du niveau virtuel.

Si la matière seule peut constituer l’espace-temps permettant aux particules virtuelles d’apparaître pour nous, la matière/lumière est produite par ces éléments virtuels. Le virtuel produit sans cesse du réel et le réel du virtuel suivant les mécanismes absorption/émission de photon et création/annihilation de matière dans le vide, qui sont les deux principaux mécanismes fondamentaux de la physique.

Qu’est-ce qui différencie le vide de la matière/lumière ? C’est que l’espace-temps y est complètement désordonné par une agitation de type thermique. Cela produit des apparitions/disparitions de particules de masse et de lumière.

« 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. » écrivent Banesh Hoffman et Michel Paty dans « L’étrange histoire des quanta ».

Nous croyons, dans notre univers humain vécu et dans notre univers pensé, voir les objets se déplacer dans l’espace (ce qui suppose que l’espace serait une toile de fond qui préexiste et qui n’interagit pas avec la matière, que la matière ne crée pars l’espace ni l’espace ne crée la matière) et nous croyons, séparément de l’espace, voir le temps s’écouler, comme nous croyons que la matière se déplace dans un espace qui préexiste et n’interagit pas avec le mouvement de la matière ni avec son contenu. D’autre part, nous croyons percevoir une continuité dans cet espace-temps. Illusions sur toute la ligne ! Cela provient d’un univers limité de manière bien particulière : vitesses faibles, masses existant dans un intervalle étroit, échelles d’espace et de temps intervenant dans un intervalle assez étroit, méconnaissance des autres échelles dans notre conscience humaine spontanée des phénomènes, conceptions philosophiques spontanées erronées.

En fait, l’illusion de possibilité de raisonner séparément sur l’espace et le temps n’existe qu’à notre échelle dite « macroscopique ». Au niveau quantique, une telle manière de raisonner n’est plus possible, pas plus qu’en astrophysique.

La continuité de l’espace-temps n’est plus une image valable de l’univers. Le meilleur exposé du caractère novateur de cette nouvelle physique vient sans doute de son auteur. « Les postulats primitivement considérés comme la base évidente de toute théorie sérieuse furent remis en question plus tard (...) : le postulat de l’invariabilité des atomes, celui de l’indépendance réciproque du temps et de l’espace et celui de la continuité de toutes les actions dynamiques. » écrit le physicien Max Planck dans « Initiation à la physique ».

A d’autres échelles, il se passe des phénomènes renversants pour notre entendement d’humains !

L’astrophysicien Laurent Nottale expose, dans « La complexité, vertiges et promesses » :

« La nature même de l’espace-temps est changée car elle contient en réalité ces changements d’échelle d’une manière intrinsèque et irréductible à l’espace-temps ordinaire qui est, lui, dans la vision physico-mathématique, un ensemble de points. (...) En réalité, cette vision dans laquelle on représente le monde sous forme de points prétend faire des mesures avec une précision infiniment grande – à chaque petit intervalle spatial correspond un petit intervalle de temps. Or, c’est la mécanique quantique qui nous dit qu’il faudrait une énergie infinie pour pouvoir faire une telle mesure. » On pourrait se dire que ceci n’est une limite que pour l’homme qui observe et mesure, mais cela est faux. Cette limite, notamment l’inégalité d’Heisenberg, est reliée au mécanisme fondamental de la matière et pas seulement à une mesure réalisée par l’homme (ou la machine produite par lui). Cela signifie qu’une précision très petite en espace nécessite un temps très grand et un temps très court nécessite une énergie très grande. Le point, défini avec une précision infinie, nécessite une énergie infinie ! La nature ne peut réaliser ses propres interactions, indépendantes de l’observateur, en dépensant sans cesse une telle énergie infinie. Elle opère nécessairement avec imprécision. C’est le mécanisme le plus économe en énergie. La convergence ne se produit qu’ensuite par émergence d’un ordre global issu du désordre des interactions variables, imprécises et imprédictibles. (…)Un point, cela n’existe pas ! D’ailleurs, cela se voit tout de suite. Si l’on dit qu’il y a un point sur une table, qu’entend-on par un point ? Quelque chose qui n’a aucune dimension. Il suffit de regarder avec une loupe pour découvrir une structure. On continue de grossir à la loupe puis on passe au microscope : à quel moment pourra-t-on voir enfin le point ? Jamais. Donc, physiquement, le point n’existe pas. (...) L’idée intéressante est que, chaque fois que l’on grossit, on voit quelque chose de nouveau. »

C’est dans le vide quantique qu’existe l’espace-temps désordonné qui fonde l’ensemble de ces transformations. Il contient en effet des fluctuations d’énergie sur des temps très courts, des temps pendant lesquelles aucune mesure ne peut être faite par des instruments à notre échelle. On ne « voit » pas les fluctuations du vide mais elles sont cependant prouvées par les altérations des mesures et l’existence des phénomènes quantiques. Et ces fluctuations, comme tous les phénomènes ondulatoires, ont une apparition de type corpusculaire : des électrons, des positons, des photons, des quarks, des gluons, etc, corpuscules qui existent, eux aussi, sur des durées extrêmement brèves. La mise en évidence de l’existence des couples d’électrons et positons virtuels (appelée polarisation du vide) est réalisée par la présence de particules durables (dites particules « réelles », bien qu’elles n’aient pas plus de réalité que celles du virtuel, au contraire).

« Le vide bouillonne d’activité. Il peut même exister sous plusieurs formes et manifester une structure. (...) Le vide bouillonne de particules à très faible échelle de temps. (...) Si le temps d’observation est de 10-21 s, (…) des paires électron-positon peuvent spontanément apparaître. Si le temps d’observation tombe à 10-24 s, (...) le vide peut bouillonner de pions. Sur un temps de 10-26 s, une particule Z (...) peut se manifester. Quand on atteint (...) 10-44 secondes (...) le tissu même de l’espace-temps se trouve soumis à ces fluctuations quantiques. » écrit Maurice Jacob dans « Au cœur de la matière ».

Comment est le vide quantique pour que la présence de particule de masse inerte modifie la disposition de l’espace-temps du vide ? Le vide est une agitation permanente de corpuscules quantiques, des particules et antiparticules couplées. Le mécanisme fondamental au sein du vide est le couplage d’une particule et d’une antiparticule pour donner un photon virtuel, qui, à bien des égards, se comporte comme un photon réel, le corpuscule de lumière en somme ou d’interaction électromagnétique si on veut le dire ainsi.

Le vide est donc dominé par des changements des couplages entre particules et antiparticules. Ce qu’on appelle énergie du vide, c’est ce couplage. C’est le mode de ce couplage qui détermine le niveau d’énergie, que l’on appelle aussi énergie du boson d’interaction électromagnétique.

Sans cesse, au sein du vide quantique, des photons virtuels se retransforment en couples particule-antiparticule, et inversement… Un ballet qui permet au vide d’émettre sans cesse de l’énergie mais de manière désordonnée. Le vide maintient d’abord et avant tout son désordre structurel et il combat toute formation d’énergie structurée durable…

« En vérité, les notions d’espace et de temps tirées de notre expérience quotidienne ne sont valables que pour les phénomènes à grande échelle. » écrivait ainsi De Broglie dans « La physique nouvelle et les quanta ».

N. Campbell écrivait 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. »

Paradoxalement, c’est l’idée d’une vitesse constante de la lumière dans le vide (dans tout repère galiléen) qui va le plus imposer cette notion d’espace-temps. On remarquera en effet que les déformations de l’espace et du temps sont liées entre elles par les relations de Lorentz et que cela reflète une réalité profonde du monde : un lien inséparable entre espace et temps, en même temps qu’une contradiction entre eux deux. Un lien dialectique en somme.

La relativité d’Einstein, fondée sur cette constance de la vitesse de la lumière, a démontré que l’espace-temps est une propriété géométrique de l’espace-temps qui structure le vide et qui est fondée sur un champ.

L’Espace et le Temps sont devenus inséparables. Deux événements simultanés dans un système de référence, ne le sont plus dans un autre système de référence. Le principe de relativité implique l’absence d’observateur privilégié. La description des phénomènes ne doit pas dépendre des différents observateurs. Chacun d’entre eux doit trouver la même loi physique. Chacun peut trouver les coordonnées référentielles des autres observateurs. L’espace n’est pas tridimensionnel et il n’y a pas de temps absolu, chaque individu a sa propre mesure du temps qui dépend du lieu et de la manière dont il se déplace. Chaque objet en mouvement a sa propre horloge. Si des observateurs observent un phénomène tout en se déplaçant à des vitesses différentes, ils vont décrire différemment dans le temps les séquences événementielles et ce qui pour l’un survient dans son futur, apparaît pour l’autre dans son passé. Pour des vitesses proches de celles de la lumière, les séquences temporelles sont différentes selon les observateurs. Non seulement, il n’y a pas de temps absolu, mais il n’y a pas non plus de séparation objective entre le passé et le futur. Le temps est déployé de telle sorte que passé et futur sont figurés à la fois. Ceci semble bien sûr impensable pour notre conscience ordinaire qui fait quotidiennement l’expérience d’une flèche du temps, l’inexorable écoulement d’un passé vers le présent puis le futur. De plus, le temps s’écoule plus lentement si la vitesse se rapproche de celle de la lumière (c’est la dilatation du temps). La vitesse augmente la durée de vie (dans des accélérateurs, une particule à durée de vie très courte voit sa durée de vie augmenter à de très grandes vitesses proches de celle de la lumière). Les horloges mobiles retardent par rapport aux horloges fixes. C’est une illustration de cette existence réelle de l’espace-temps.

« Einstein a pu quelques années plus tard élaborer une nouvelle théorie de la gravitation universelle, la relativité générale, selon laquelle le champ gravitationnel est relié aux propriétés géométriques de l’espace-temps. » explique Gilles Cohen-Tannoudji dans « Le réel, à l’horizon de la dialectique ».

« Selon la théorie générale de la relativité d’Einstein, l’espace et le temps ne constituent plus un fond fixe et absolu. L’espace est aussi dynamique que la matière : il bouge et il change de forme. (…) Quelques siècles avant Einstein, Galilée avait découvert l’unification du repos avec le mouvement uniforme (en ligne droite à vitesse constante). A partir de 1907 environ, Einstein a commencé à s’interroger sur les autres types de mouvement, tel le mouvement accéléré. Dans le mouvement accéléré, la direction ou la vitesse varient. (…) C’est à ce moment qu’Einstein a fait l’avancée la plus extraordinaire. Il a réalisé que l’on ne pouvait pas distinguer les effets de l’accélération des effets de la gravité. (…) Dans une cabine d’ascenseur en chute libre, les passagers de la cabine ne sentiraient plus leur poids. (…) L’accélération de l’ascenseur en chute libre compense totalement l’effet de la gravité. (…) L’unification de l’accélération et de la gravitation a eu des conséquences importantes et, avant même que ses implications conceptuelles ne soient comprises, d’importantes implications expérimentales furent dégagées. Quelques prédictions en découlaient (…) par exemple que les horloges doivent ralentir dans un champ gravitationnel. (…) Ou encore que la lumière se courbe lorsqu’elle circule au travers d’un champ gravitationnel. (…) La théorie d’Einstein a des conséquences très importantes, puisque les rayons de lumière sont courbés par le champ gravitationnel qui, à son tour, réagit à la présence de la matière. La seule conclusion possible est que la présence de matière influence la géométrie de l’espace. (…) Si deux rayons de lumière sont initialement parallèles, ils peuvent se rencontrer, s’ils passent tous les deux près d’une étoile. Ils sont recourbés l’un vers l’autre. Par conséquent, la géométrie euclidienne (où les droites parallèles ne se rencontrent jamais) n’est pas adaptée au monde réel. De plus, la géométrie varie sans cesse, parce que la matière est sans arrêt en mouvement. La géométrie de l’espace n’est pas plate comme un plan infini. Elle est plutôt comme la surface de l’océan : incroyablement dynamique, avec de grandes vagues et de toutes petites rides. Ainsi, la géométrie de l’espace s’est révélée n’être qu’un autre champ. (…) Dans la relativité restreinte, l’espace et le temps forment, ensemble, une entité quadridimensionnelle qu’on appelle espace-temps. (…) L’unification einsteinienne du champ gravitationnel avec la géométrie de l’espace-temps était le signal de la transformation profonde de notre façon de concevoir la nature. Avant Einstein, l’espace et le temps avaient été pensés comme possédant des caractéristiques fixes, données une fois pour toutes : la géométrie de l’espace est, a été et sera toujours celle décrite par Euclide et le temps avance indépendamment de tout le reste. Les choses pouvaient se déplacer dans l’espace et évoluer dans le temps, mais l’espace et le temps eux-mêmes ne changeaient jamais. (…) La théorie générale de la relativité d’Einstein diffère complètement. Il n’y a plus de fond fixe. La géométrie de l’espace et du temps varie et évolue en permanence, ainsi que le reste de la nature. (…) Il n’y a plus un champ qui se déplace sur un fond géométrique fixe. Au contraire, nous avons une collection de champs, qui interagissent tous, les uns avec les autres, qui sont dynamiques, qui tous exercent une influence sur les autres, et la géométrie de l’espace-temps en fait partie. (…) La relativité générale a vite mené aux prédictions de phénomènes nouveaux, tels que l’expansion de l’univers, le Big Bang, les ondes gravitationnelles et les trous noirs, dont il existe, pour tous, de solides preuves expérimentales. (…) La leçon principale de la relativité générale était qu’il n’y avait pas de géométrie fixe du fond spatio-temporel. (…) Cela signifie que les lois de la nature doivent s’exprimer sous une forme qui ne présuppose pas que l’espace ait une géométrie fixe. C’est le cœur de la leçon einsteinienne. Cette forme se traduit en principe, celui d’indépendance par rapport au fond. Ce principe énonce que les lois de la nature peuvent être décrites dans leur totalité sans présupposer la géométrie de l’espace. (…) L’espace et le temps émergent de ces lois plutôt que de faire partie de la scène où se joue le spectacle. Un autre aspect de l’indépendance par rapport au fond est qu’il n’existe pas de temps privilégié. La relativité générale décrit l’histoire du monde au niveau fondamental en termes d’événements et de relations entre eux. Les relations les plus importantes concernent la causalité : un événement peut se trouver dans la chaîne causale qui mène à un autre événement. (…) Ce sont lesdits événements qui constituent l’espace. (…) Toute définition concrète de l’espace dépend du temps. Il existe autant de définitions de l’espace que de temporalités différentes. (…) La question fondamentale pour la théorie quantique de la gravitation est, par conséquent, celle-ci : peut-on étendre à la théorie quantique le principe selon lequel l’espace n’a pas de géométrie fixe ? C’est-à-dire peut-on faire une théorie quantique indépendante du fond, au moins en ce qui concerne la géométrie de l’espace ? »écrit Lee Smolin dans « Rien ne va plus en physique ».

Dans l’espace-temps, tout ce qui pour chacun de nous constitue le passé, le présent, l’avenir, est donné en bloc, et tout l’ensemble des évènements, pour nous successifs, dont est formée l’existence d’une particule de matière, est représenté par une ligne, la ligne d’univers de la particule. Cette nouvelle conception respecte le principe de causalité et n’entame pas le déterminisme des phénomènes.

La physique quantique des champs a également démontré que cet espace-temps est quantifié. Il n’y a donc pas de continuité mais des grains, des quanta.

L’astrophysicien Laurent Nottale expose, dans « La complexité, vertiges et promesses » : « La nature même de l’espace-temps est changée car elle contient en réalité ces changements d’échelle d’une manière intrinsèque et irréductible à l’espace-temps ordinaire qui est, lui, dans la vision physico-mathématique, un ensemble de points. »

L’un des résultats fondamentaux est que l’espace présente une structure discrète (par opposition au continuum espace-temps de la relativité générale) : les aires et les volumes d’espace sont quantifiés. La notion d’espace est en quelque sorte remplacée par la notion de grains primitifs, sortes d’« atomes » d’espace ou, plus exactement, de quanta du champ gravitationnel, reliés entre eux par des liens caractérisés par un spin (spin de lien) d’où le nom de réseau de spin (spin network). Ce champ (l’espace-temps) devrait ainsi présenter une structure granulaire sous la forme d’un nuage de grains d’espace-temps, dont la dynamique devra être probabiliste.

Gilles Cohen-Tannoudji écrit :

« La matière, c’est tout ce qui donne sa flèche au temps. La lumière, c’est ce qui tisse la trame de l’espace-temps. »

I. Prigogine et I. Stengers écrivent dans "Entre le temps et l’éternité" :
« La matière se distingue de l’espace-temps en ce qu’elle est porteuse de l’entropie de l’univers. Son existence n’est plus une donnée, comme le présuppose le modèle standard, mais est le produit d’un processus irréversible de création. A la singularité initiale se substitue ainsi l’instabilité d’un Univers primordial vide, dont l’espace-temps se courberait en rayonnant la matière comme un atome excité rejoint son état fondamental en rayonnant de la lumière. »

Concluons que cette histoire de l’espace-temps n’est pas achevée, nos connaissances restant encore insuffisantes, et qu’elle a encore bien des points à éclaircir, en espérant que les générations suivantes trouveront de nouvelles voies de compréhension…

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

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

Qu’est-ce que le temps ?