Comment donner une définition du temps ? On connait l'impact du temps, on sait que chaque objet, chaque être possède un temps limité de vie et d'existence sur terre et dans l'univers. Nous vieillissons à cause de lui, ,nous pouvons penser à des souvenirs qui se sont déroulés dans un temps ancien et nous pouvons prévoir, espérer, organiser des choses dans un temps futur; mais comment définir ce temps? Nous ne voyons pas le temps, nous ne pouvons le toucher, le gouter, l'apprécier. Le temps est une notion abstraite et nous nous confrontons inexorablement chaque seconde à la réalité qui s'écoule à travers ce temps que nous ne pouvons voir.

En physique, le temps est un paramètre, une grandeur physique notée t qui rentre en jeu dans la plupart des équations physiques permettant de résoudre des problèmes, d'expliquer des phénomènes. Comme toute grandeur physique, celle-ci possède une unité, la seconde (s), et est mesurable à l'aide d'un instrument de mesure. Nous verrons que différentes unités ainsi que différents instruments de mesure du temps se sont succédés au fil de l'histoire de l'humanité.

Pourquoi mesurer le temps ?

Depuis la préhistoire, l'homme a compris l'intérêt pratique de la mesure du temps. En effet, en ces temps très anciens, les premiers humains remarquent que certains phénomènes sont périodiques, c'est à dire qu'ils se répètent dans le temps. L'alternance du jour et de la nuit, le déplacement des étoiles dans le ciel, les phases de la lune, le rythme des saisons en sont des exemples. L'homme sait alors que la durée d'un jour comme la durée d'une nuit n'est pas éternelle et que même si le jour disparait au profit de la nuit celui-ci réapparaitra bientôt (c'est à dire à peu près 12 heures plus tard ). Il sait aussi que le froid de l'hiver ne durera pas et cédera la place à des jours de plus en plus chauds et ensoleillés, puis que ce froid reviendra l'année d'après. L'homme peut alors délaisser son instinct primitif et arrive peu à peu à se repérer grâce aux observations de ces phénomènes périodiques. Le fait que l'homme puisse se repérer dans le temps permet à celui-ci de prévoir des phénomènes, de s'organiser en conséquent et donc d'évoluer. Lorsque l'homme commencera à pratiquer l'agriculture, la connaissance du cycle saisonnier sera primordial pour que l'homme puisse prévoir et maitriser l'impact des saisons sur ses cultures.

Outre l'aspect pratique de la mesure du temps, les phénomènes périodiques naturels comme les saisons ou le déplacement du soleil ou des étoiles par rapport à la terre, ont été perçus par les hommes comme des phénomènes divins. La religion et le culte de ceux-ci ont donc aussi été un moteur pour l'homme dans sa quête de mesure du temps. Pour organiser les rituels et cérémonies religieuses qui devaient se dérouler à des moments bien particuliers (avant l'été, avant la crue du Nil, ... ), les civilisations polythéistes et monothéistes ont toujours eu besoin de mesures de plus en plus précises pour pour pouvoir honorer leur(s) dieu(x) et les phénomènes naturels associés. Plus tard, les écrits religieux ( bible, coran, kabbale) joueront aussi un rôle important et pousseront l'homme à élaborer et à respecter un certain calendrier pour célébrer des fêtes religieuses ou des rituels (ramadan, noël, etc ...) à un moment de l'année qui se doit d'être précis.

Aujourd'hui, on connait l'impact que possède le temps sur notre société. Nous somme rythmés chaque jour par le temps qui s'écoule. Chaque jour, nous sommes amenés à regarder plusieurs fois notre montre pour respecter certaines règles de vie et d'hygiène (sauf peut être en vacances ou c'est plutôt la position du soleil qui rythme notre journée).

La mesure du temps au fil des siècles.

Pour se repérer dans le temps et satisfaire ses besoins pratiques et/ou religieux, l'homme a su se servir d'outils de plus en plus perfectionnés et de plus en précis. Ces outils ont d'abord été naturels ( étoiles, soleil, lune, saisons, ...), puis ont été fabriqués et améliorés au fil des siècles, du cadran solaire aux montres à quartz, en passant par les sabliers, pendules mécaniques, jusqu'à obtenir l'instrument de mesure le plus précis à ce jour : l'horloge atomique. 

Des outils de mesure naturels

Les phénomènes naturels ont été les premiers repères périodiques observés par les premiers humains.

Les gnomons et cadrans solaires

Horloges à eau, clepsydres

Les sabliers, bougies

Les horloges mécaniques, pendules

Les montres à quartz

Les horloges atomiques

Les calendriers

L'âge de l'univers

Aujourd'hui, la plupart des scientifiques s'accordent à dire que l'univers  a eu une naissance. Cette naissance se serait produite il y a environ treize milliards d'années. Les scientifiques grâce à de nombreuses observations dans le ciel et des calculs très précis on élaboré une théorie qui confirme cette naissance de l'univers, la théorie du big bang. Le big bang aurait été une gigantesque explosion qui aurait engendré la création de tous les composants de l'univers actuel. En fait, tous les astrophysiciens s'accordent à dire qu'il n'y a pas vraiment eu "d'explosion", tout est probablement parti d'un volume minuscule( tellement minuscule qu'il est impossible de se l'imaginer) extrêmement dense et extrêmement chaud. Ce volume d'espace quasiment nul se serait alors dilaté entrainant la naissance d'un espace surchauffé de plus en plus grand.

La naissance de l'univers qui nous entoure entraine bien sûr le questionnement portant sur l'origine du temps, au moment de l'apparition de cette gigantesque fournaise, c'est à dire l'instant t = 0 s. La question que l'on est en droit de se poser est alors " Mais qu'y avait-il AVANT le big bang?" Cette question n'a aucun sens physique puisque si l'on peut parler d'un temps avant le big bang cela signifie que le temps existait déjà avant le big bang. Or, on ne peut parler d'un temps qu'à partir de son origine c'est à dire t = 0 s.

"Comment ce phénomène a pu avoir lieu et pourquoi?", "Y avait-il un avant big bang?", "Y avait-il un espace avant le big bang?". Ces questions dépassent le cadre de la physique et restent sans réponses. Elles sont de l'ordre de la métaphysique, c'est à dire qu'on peut en discuter, en débattre avec une certaine philosophie, une certaine spiritualité ou religion, mais la physique qui doit donner des réponses et des explications claires, précises et rigoureuses ne peut plus être ici d'aucune utilité pour l'instant. De nombreuses théories plausibles ont été établi par plusieurs physiciens mais ces théories restent invalidées car aucune observation ne peut pour l'instant les conforter. Une de ces théories consiste à dire que notre univers provient lui-même d'un autre univers qui se serait contracté au minimum avant de se dilater à nouveau pour former un nouvel univers, le notre. D'autres théories affirment que notre univers comporte de nombreuses dimensions cachées susceptibles  de contenir d'autres "sous-univers". Deux "sous-univers" entrant en collision engendre un nouvel univers; il existerait donc d'après cette théorie non vérifiée, des univers différents formant ainsi un "multi-univers". Enfin, certains physiciens s'accordent à dire que notre univers n'a jamais eu de commencement, tout simplement parce que nos lois physiques sont inadaptées et insuffisantes pour expliquer des phénomènes extrêmes qui se seraient déroulées à cette période. Il est possible que certaines questions que l'on se pose sur les débuts de l'univers soient en partie résolues et certaines théories validées grâce au nouvel accélérateur de particule, le LHC (larger, hadron collisionneur). Le LHC permet en effet, de créer les conditions extrêmes qu'a connu l'univers peu après sa supposée naissance. Ces conditions extrêmes sont obtenus en faisant entrer en collision des protons (constituants du noyau d'un atome) se déplaçant à une vitesse proche de la lumière. L'énorme énergie obtenue grâce à ces collisions produit alors de nouvelles particules qui existaient au début de l'univers; on peut valider certaines théories qui prédisaient l'existence de certaines de ces particules. Il faut savoir que de nombreux collisionneurs, aux Etats Unis ou en Europe ont déjà servi à découvrir certaines particules prédites par une théorie jusqu'ici jamais mise en défaut, la théorie du modèle standard.

L'observation des galaxies et des étoiles nous permet de connaitre l'univers tel qu'il était quelques années, quelques milliers voire quelques millions d'années auparavant. Comment est-ce possible ? Nous savons que la lumière se déplace à une vitesse finie (voir "la vitesse de la lumière" un peu après). Celle-ci se déplace à 300 000 km par seconde ce qui est extrêmement rapide à l'échelle des objets sur terre : lorsqu'un orage se produit à quelques kilomètre de nous, la lumière des éclairs nous parvient quasi-instantanément. Mais à l'échelle des étoiles et de l'univers ce n'est pas si rapide que cela. Par exemple, la lumière du soleil met huit minutes pour nous parvenir sur terre. Cela signifie que si le soleil s'éteignait d'un seul coup (ce qui est évidemment impossible), la terre continuerait d'être éclairée par sa lumière pendant huit minutes. Prenons maintenant une étoile située à des dizaines de milliards de kilomètres de la terre. Si l'on fait un calcul très simple, on se rend compte que la lumière de cette étoile pourra mettre des mois à nous parvenir. La lumière d'autres étoiles extrêmement éloignées mettent des fois des millions d'années à nous parvenir. Cela signifie que nous observons ces étoiles telles qu'elle étaient il y a des millions d'années. Entre-temps certaines étoiles n'existent même plus mais leur lumière met tellement de temps à nous parvenir que nous pouvons les observer. Les astrophysiciens et astronomes peuvent ainsi "remonter le temps" et faire des observations de certaines parties de l'univers tel qu'il existait il y a des millions d'années voire des milliards d'années. Une partie de l'histoire de l'univers nous est ainsi dévoilé grâce à la lumière venant d'étoiles situées ou ayant été situées aux confins de l'espace.

La relativité du temps

Les référentiels

Un référentiel est un lieu où l'on se place, un point de vue. Selon Galilée, physicien du XVIième siècle, le mouvement d'un objet dépend du référentiel où l'on se place. Par exemple, si nous nous trouvons assis dans un train, nous serons alors immobiles par rapport au référentiel lié au train. Par contre, un individu, placé sur la quai de la gare et qui regarde partir le train, nous verra en mouvement par rapport au référentiel lié au quai de la gare. Galilée stipule donc que le mouvement d'un objet est RELATIF. De plus si nous nous trouvons dans un train et que nous ne regardons pas le paysage défiler par la fenêtre, nous percevons pas le mouvement de ce train (sauf si le train freine ou accélère brusquement). A l'époque de Galilée, celui-ci utilisait l'exemple d'un bateau : par mer très calme, un personnage à l'intérieur d'un bateau qui avance ne perçoit pas le mouvement de celui-ci. Autrement dit, on ne peut jamais savoir si l'on est en mouvement ou non. D'où la célèbre phrase de Galilée : "Le mouvement est comme rien". Considérons un exemple qui illustre très bien cette phrase : nous nous trouvons actuellement sur la terre. Or la terre tourne à la fois sur elle-même (un tour en un jour) et autour du soleil (un tour en une année). Pourtant, nous ne pouvons percevoir par nos seuls sens ces mouvements que la terre effectue inexorablement. Nous sommes immobiles sur le référentiel lié à la terre. Par contre, un astronaute qui nous observerait depuis une autre planète nous verrait en mouvement par rapport à son référentiel lié à cette planète.

Considérons deux personnes sur un tapis roulant. Le tapis roulant possède une vitesse de 7 km/h. Sur ce tapis roulant il y a deux personnages A et B. Le personnage A est immobile dans le référentiel du tapis roulant. Le personnage B marche à la vitesse de 8 km/h dans le référentiel du tapis roulant. Donc par rapport au personnage A, le personnage B possède une vitesse de 8 km/h. Un troisième personnage C est en dehors du tapis roulant, immobile par rapport au sol. Cela signifie que le personnage A immobile sur le tapis roulant ne l'est pas par rapport au personnage C puisque le tapis roulant possède une vitesse. La personne A possède donc une vitesse de 7 km/h par rapport au personnage C. En revanche, le personnage B possède par rapport au personnage C à la fois sa vitesse de 8 km/h plus la vitesse du tapis roulant de 7 km/h. Donc, par rapport au personnage C, le personnage B aura une vitesse de 7 + 8 = 15 km / h. Ici nous avons effectué une addition de vitesse, nous avons appliqué la loi d'additivité des vitesses de Galilée nécessaire pour calculer une vitesse lors d'un changement de référentiel

On voit bien par cet exemple très simple, que pour définir un mouvement, une vitesse il faut préciser le référentiel où l'on se place.

La vitesse de la lumière

En 1885, alors que des progrès fulgurants ont été réalisés sur les propriétés de la lumière, deux physiciens Michelson et Morlay décident de mesurer la vitesse de celle-ci. En fait, au départ, ceux-ci ont pour idée de démontrer l'existence d'une substance hypothétique (dont l'existence n'a pas été prouvée) appelée éther, substance présente dans l'espace grâce à laquelle la lumière aurait besoin pour se propager comme les vagues ont besoin de la mer pour se propager ou comme le son a besoin de l'air pour se propager.  Ils utilisent alors un appareil optique, très précis et encore utilisé pour de nombreuses expériences, appelé interféromètre de Michelson.

Michelson et Morlay vont mesurer à l'aide de cet interféromètre, la vitesse de la lumière par rapport à des référentiels différents (ce n'est pas rigoureusement exact, mais le principe est le même). Normalement, la vitesse d'un objet ou d'un système physique mesuré dans différents référentiels ne sera pas la même dans chaque référentiel. Si nous reprenons l'exemple du tapis roulant, la vitesse du personnage B est de 7 km/h par rapport au référentiel du tapis roulant et de 15 km/h par rapport au référentiel du sol. Michelson et Morlay s'attendaient donc à trouver des mesures de vitesses différentes selon les référentiels par rapport auxquels ils se sont placés. OR, il n'en est rien. Les deux scientifiques ont mesuré par rapport à chaque référentiel la même vitesse de la lumière c'est à dire à chaque fois environ 300 000 km/s. Au début, ceux-ci, déconcertés, ont pensé qu'il s'agissait de l'imprécision de leur instrument de mesure qui était à l'origine de leurs résultats semblables. Malgré de nouvelles expériences, la communauté scientifique a du se rendre à l'évidence : la vitesse de la lumière est INVARIANTE PAR CHANGEMENT DE REFERENTIEL. Ceci constitue d'ailleurs une propriété fondamentale à la base de toute la physique d'aujourd'hui. La vitesse de la lumière est donc une constante absolue c'est à dire qu'elle ne varie pas même si l'on change de point de vue ou de référentiel. Celle-ci vaut 300 000 km/s.

Le temps n'est plus absolu.

Reprenant l'hypothèse selon laquelle la vitesse de la lumière est constante, le physicien allemand Hendrik Lorentz (1853-1928) et le mathématicien français Henri Poincaré (1854-1912) établissent des équations physiques très importantes qui expliquent la transformation des vitesses d'un référentiel à un autre tout en tenant compte de la constance de la vitesse de la lumière. En 1907, un jeune physicien Albert Einstein reprend leurs travaux et va plus loin en stipulant deux propriétés jusque là inviolables : pour Einstein, l'éther, substance invisible présente dans l'univers, n'existe tout simplement pas et de plus, le temps n'est plus absolu et dépend du référentiel où l'on se place. Cette deuxième propriété créé une révolution dans la communauté scientifique et dans le monde entier. En effet, jusqu'à présent, les principes physiques énoncés par Isaac Newton, avaient pour fondement le caractère absolu du temps; cela signifiait, pour Newton et pour tous scientifiques jusqu'à Einstein, que le temps était sensé s'écouler de la même façon quelque soit le référentiel où l'on se plaçait.

Dans cette nouvelle vision du temps, la durée séparant deux instants ou deux événements dépend du référentiel où l'on se place. Cette théorie formulée par Einstein s'appelle la relativité restreinte.

Imaginons que l'on puisse voir un voyageur dans une navette spatiale depuis la terre. Si nous définissons Evénement A : la navette décolle de la terre. Evénement B : la navette arrive sur Mars. Imaginons que nous,immobiles sur la terre donc dans le référentiel lié à la terre, nous puissions observer ces deux événements et mesurer depuis la terre la durée les séparant. Supposons maintenant que l'astronaute mesure lui-même dans son référentiel, celui de la navette spatial, la durée entre ces deux événements. Selon Newton et Galilée les durées mesurées auraient été les mêmes. Selon la nouvelle physique d'Einstein et la relativité restreinte, la durée mesurée dans le référentiel lié à la terre sera différente de la durée mesurée dans le référentiel lié la navette spatiale. Autrement dit, la durée entre deux événements précis dépend du référentiel où l'on se place.

Il faut tout de même souligner que l'exemple de la navette spatiale est un exemple totalement irréaliste, il s'agit juste d'une expérience par l'esprit pour bien comprendre la théorie. En fait, la relativité restreinte s'applique à des objets possédant une vitesse proche de la lumière. C'est le cas de nombreuses particules microscopiques qui bombardent la terre en permanence ou bien des particules accélérées dans des accélérateurs de particules ( LHC au CERN à Genêve).  Par exemple, les muons sont des particules qui proviennent de l'interaction entre un rayon cosmique (qui provient d'un astre) et d'un atome constituant la haute atmosphère. Ceux-ci se désintègrent alors très rapidement. En effet, leur durée de vie propre (durée de l'existence du muon avant qu'il ne se désintègre) est de deux millionièmes de seconde c'est à dire que dans leur référentiel où ceux-ci sont immobiles, leur durée de vie est de deux millionièmes de seconde. Or les scientifiques peuvent mesurer la durée de vie de ces muons par rapport au référentiel terrestre et non par rapport au référentiel des muons.Les calculs et mesures des scientifiques montrent que la durée de vie des muons est d'environ une minute. Donc dans le référentiel lié aux muons, ceux-ci ont une durée de vie extrêmement courte (deux millionièmes de seconde) alors que dans le référentiel terrestre par rapport auquel ils sont en mouvement, donc par rapport à nous, ceux-ci ont une durée de vie plus longue (environ une minute).