LE TEMPS PHYSIQUE

Préambule : Trois aspects du temps nous sont familiers. Ce sont la chronologie la durée et la simultanéité. Le temps de la Physique est basé sur ces trois concepts dont chacun donne un éclairage particulier a cette notion complexe avec à la clé des implications profondes dans les théories physiques.

La durée est l’aspect mesurable du temps. Sa mesure utilise des phénomènes périodiques comme la rotation de la Terre ou les vibrations d’ondes électromagnétiques. Cependant pour des durées géologiques ou cosmologiques on est conduit à s’adresser à des phénomènes évolutifs
.
La chronologie est un ensemble ordonne de repères dans le temps qui permet de décrire la succession des événements. Elle est rendue possible grâce à l’irréversibilité du temps, ou flèche du temps dont, la discussion nous réfère à l’entropie et au principe de causalité.

Enfin la notion de simultanéité, qui parait si naturelle a été révolutionnée par la théorie de la relativité qui distingue le temps propre des temps coordonnés et lie indissolublement le temps et 1’espace. Une des conséquences est le paradoxe des jumeaux de Langevin qui se vérifie quotidiennement dans les accélérateurs de particules.

1. Introduction

Le temps est partout. Nous en avons conscience de façon ininterrompue, vivant dans un présent coincé entre un passé qui se cristallise dans nos souvenirs et un futur plein d’inconnu. Cette conscience du temps est une donnée indissoluble de la vie, mais comment le définir ? Saint Augustin disait
« Si on ne me le demande pas, je crois savoir ce qu’est le temps, mais si on me le demande, je ne le sais plus. »

C’est le rôle du physicien que d’essayer sinon de le définir du moins de le quantifier. Car en effet, le temps n’est pas seulement présent dans la vie, mais est indissolublement lié au mouvement, ce phénomène omniprésent au point qu’on a pu dire que, sans mouvement il n’y a pas de temps. En effet imaginons un domaine fermé sans aucune interaction avec l’extérieur, et contenant un solide à la température du zéro absolu. Rien ne bouge pas même les atomes du solide. Comment pourrait-on repérer le temps qui passe? Ce serait impossible car rien ne change et il n’y a donc aucun repère dépendant du temps.

Mais s’il n’y a pas de temps sans mouvement le temps n’est pas le mouvement: il n’en est qu’une composante avec l’espace dans lequel il s’inscrit par un changement de position. Nous rejoignons ici la relation temps-vie puisque aussi bien la vie est également mouvement.

Nous avons ainsi mis en évidence deux points fondamentaux :
• Le mouvement est un révélateur du temps qui passe
• L’espace est intimement lié au mouvement donc au temps

2. Les trois aspects du temps

Nous appréhendons le temps sous trois aspects différents :
• A - la durée : C’est une notion qui se doit d’être définie de manière, univoque quels que soient le lieu ou l’époque. Un record sportif sera en effet battu dans un autre stade à un autre moment. Ainsi les chronométrages effectués dans les deux cas doivent se rapporter à la même unité de temps pour que sans contestation possible on puisse dire que le second temps est inférieur au premier. L’unité de temps doit pouvoir être diffusée tout en restant intangible dans le temps et l’espace.

• B - L’échelle de temps : C’est la propriété qui permet de dater un événement et de le placer parmi d’autres. Idéalement une échelle de temps pourrait être construite en ajoutant l’une après l’autre des unités de temps. En fait ce n’est pas nécessaire. Il suffit que deux événements A et B s’étant produits successivement dans cet ordre on ait :
date de A <>

• C - La simultanéité : C'est une notion de bon sens qui nous semble immédiate: deux événements sont synchrones ou simultanés s'ils se sont produits à la même date. Or il se trouve que c'est celle qui pose le plus de problèmes au physicien moderne et qui conduit à la relativiser, si ce n'est même â la rejeter.

3. Le temps-durée

C'est par excellence le temps de la physique classique. Pour 1-appréhender on s'est tourné depuis des millénaires vers des phénomènes répétitifs périodiques. Ainsi en est-il de la succession des jours. Pour les durées plus courtes ce fut plus difficile jusqu'à l'invention des horloges à balancier. Mais la longueur du balancier battant la seconde dépend de la latitude. Aussi ce ne fut qu’un instrument d'interpolation des observations de la rotation de la Terre cette dernière étant supposée être régulière. La seconde était alors définie comme la 86 400 eme partie du jour moyen.

Puis l'invention des horloges à quartz basées sur les vibrations régulières d'un cristal de quartz et bien plus précises que les horloges à balancier a permis de montrer que la rotation de la Terre présente de nombreuses irrégularités imprévisibles et que c'était une bien mauvaise unité de temps. Après quelques années vers 1950-60 au cours desquelles on a cru pouvoir remplacer la rotation de la Terre par son mouvement autour du Soleil on est passé à une définition purement physique d'une seconde basée sur la fréquence d'une radiation de l'atome de césium dans des conditions bien définies. C'est toujours elle qui a cours.

La seconde est la durée de D = 9 192 631 770 périodes exactement de l'onde électromagnétique émise ou absorbée par un atome de césium 139 lorsqu'il passe du niveau d'énergie F3 à F4 ou inversement ramené par des corrections à la température 0 kelvin (zéro absolu) en absence de champ magnétique et d'effet Doppler de variation de fréquence due a la vitesse des atomes par rapport au récepteur.

Cette fréquence étalon est fabriquée par des étalons primaires de fréquence. Un four porté à une température d'environ 100° laisse s'échapper un jet de césium gazeux qui traverse des aimants qui dévient différemment les atomes à des états différents et ne laissent entrer dans la cavité que des atomes à l'état F4. Un synthétiseur de fréquence piloté par un oscillateur à quartz produit une fréquence et émet dans la cavité des ondes radio à cette fréquence. Les photons ainsi produits stimulent les atomes et les font passer à l'état F3.

A l'heure actuelle ces étalons atteignent une exactitude relative évaluée pour la meilleure d'entre elles à une erreur d’une seconde en 6 millions d'années. Ces nombres sont cohérents avec la précision requise par les techniques de télécommunications pour synchroniser les stations émettrices et réceptrices sur Terre ou sur des satellites.

4. Les échelles de temps

La base théorique permettant d'établir des échelles de temps réside dans l'irréversibilité du temps qu'on appelle aussi la flèche du temps et qui exprime la dissymétrie fondamentale passé-futur. C'est évidemment conforme à notre expérience quotidienne mais les fondements en théories physiques ne sont pas évidents. En effet, de nombreuses lois physiques sont symétriques par rapport au temps en ce sens que les équations qui les décrivent sont insensibles à une transformation de t en -t. ce qui conduit à rejeter comme physiquement inacceptables la moitié des solutions. C'est le cas par exemple de la Mécanique céleste qui permet dé prévoir les mouvements des planètes et des satellites.

En fait. il s'agit de lois idéales car en pratique même les phénomènes les plus purs ne sont pas exempts d'effets supplémentaires irréversibles. Il s'agit d'effets dissipatifs qui transforment l'énergie de mouvement en chaleur ou rayonnements. Ainsi quand l'automobiliste freine le frein s'échauffe mais ce n'est pas en refroidissant lé frein qu'on va accélérer le véhicule.
Un verre brisé ne se reforme pas tout seul. C'est le fameux deuxième principe de Carnot qui conduit à la notion d'entropie qui ne peut évoluer que dans un seul sens. L'énergie noble (mouvement,. électricité) se dégrade en créant de l'énergie de second type (chaleur,. rayonnement) qui ne peut se transformer en énergie noble qu'avec un rendement réduit :

Ainsi, le temps s'écoulant toujours dans le même sens, on peut établir une chronologie. Nous avons dit que l'idéal est de la former en mettant bout à bout des secondes. Une telle échelle de temps existe depuis 1957 et s'appelle Temps Atomique International (TAI) et c'est d'elle que dérive le temps légal. Sa réalisation s'est améliorée d'un facteur 10 000 depuis cette date si bien qu'on ne peut pas comparer des durées de cette époque et actuelles avec toute la précision des étalons présents c'est-à-dire tout de même à 10-11- près.

Toutefois, on a voulu que le temps usuel soit tel que la rotation de la Terré reste toujours voisine à une seconde près de 86.400 secondes. Or la rotation de le Terre ralentit inexorablement.
Ce ralentissement n'est pas régulier et il faut constamment le mesurer. Pour le rattraper, il faut de temps en temps ajouter une seconde a la journée (un 30 juin ou un 31 décembre) , ce qui fait que les jours ne sont pas tous égaux. Cette échelle de temps est le Temps Universel (TU ou UT). Les temps légaux en diffèrent par un nombre entier d'heures (ou, dans certains pays comme l:'Inde. de demi-heures)

Pour des temps plus longs, pour les besoins de la vie publique ou encore pour les historiens, l'échelle courante de temps est fournie par les calendriers qui permettent de classer les événements dans l'ordre des jours de leur occurrence. Les divers calendriers sont des constructions conventionnelles qui ne recherchent pas l'égalité des durées des composants (mois. années). Notre calendrier dit grégorien depuis la réforme du calendrier julien par le pape Grégoire XIII commence le 1 janvier de l'année 1 et est étendu vers le passé par des années négatives dites avant Jésus Christ à partir de l'année -1. Ceci pour dire que l'an 1 était la première année de notre ère l'an 2000 est la 2000, année de notre ère.

Ces calendriers ne nous mènent pas bien loin dans le passé. Pour dater des événements plus anciens on s'adresse à des phénomènes irréversibles dont on connaît la vitesse d’évolution. Il s’agit de la radioactivité naturelle. Un élément radioactif se désagrège d'une façon exponentielle c'est-à-dire que étant donnée une quantité d'atomes N en un temps t on n’en retrouvera plus que N/2 au bout d'un temps t+D. La durée D est appelée demi-durée de vie de l'atome.

Si pendant ce temps la, l’environnement chimique est resté stable, on doit retrouver N/2 atomes résidus mélangés aux N/ 2 atomes originaux. Au bout du temps 2D il restera N/4 et du temps 3D, N/8 etc.…et il y aura respectivement 3N/ 4 ,7N/ 8. etc. d'atomes résiduels. Le rapport du nombre d'atomes originels et résiduels permet de dater l'échantillon en fonction de D

Les valeurs de D sont très variables selon les éléments.
Les désintégrations les plus utilisées pour dater les roches les objets préhistoriques ou même les cailloux lunaires sont :

• a- Le carbone 14 : les dernières 30 000 années (D= 5730 ans)
• b- Le thorium 230 : jusqu'à un million d'années
• c- L’uranium 235 et 236: jusqu'à plusieurs milliards d'années

On peut également dater des objets auxquels on n'a pas accès: les étoiles et même l'Univers. Par exemple on estime à 4.8 milliards d'années l'âge du Soleil. Pour cela on admet un postulat: les lois de la physique sont les mêmes partout dans l'Univers et l'ont toujours été. Il y a des moyens de le vérifier par l'analyse du rayonnement qui nous provient des galaxies les plus lointaines et qui montre que les atomes se comportent toujours de la même manière et émettent des radiations aux mêmes longueurs d'onde.

On applique ces lois à ces conglomérats de matière chaude que sont les étoiles et on calcule des modèles mathématiques qui décrivent la manière dont évoluent les paramètres physiques observables (température, composition chimique. vitesse de rotation et toute autre information que l'on peut tirer de l'examen de leur spectre). Ces informations sont comparées avec les observations qui valident ou non ces modèles. Ainsi on a pu montrer que les étoiles les plus vielles ont un âge compris entre 11 et 13 milliards d'années ce qui est cohérent avec l’âge que l'on déduit de l'expansion de celui-ci.

Mais alors nous arrivons sur une butée : c'est ce que l'on appelle le Big Bang, au-delà duquel on ne peut plus rien savoir. Ce point singulier serait l'origine du temps comme de l'Univers.

Ce qui a pu se passer au tout début de l'Univers est un domaine dont la théorie touche a la physique des très hautes énergies que même les accélérateurs de particules les plus puissants ne peuvent pas atteindre. C'est dire que la succession des événements primordiaux est loin d'être établie.