Il faut méfier de l’algèbre. En physique, sa redoutable efficacité peut faire oublier les phénomènes réels qui sont en œuvre, occultant ainsi comment le résultat est matériellement obtenu. La géométrie est plus explicite

La distorsion des signaux reçus

L’observateur B, en mouvement à vitesse v = 0,4 c, reçoit les signaux S₁ et S₂ au même instant, mais se considérant comme immobile, car mesurant la vitesse de la lumière invariante, les distances le séparant des lieux d’émission n’ont pas varié dans le temps.

.

Considérant que ces distances ont dû être parcourues à la vitesse c par la lumière, il situe les moments d’émission à :

Pour B, les signaux S₁ et S₂ ont été émis à des distances et des moments différents.

La relativité de la simultanéité

A quelles coordonnées de temps et d’espace l’observateur immobile A doit-il situer l’émission d’un signal S₃ pour que l’émission de celui-ci soit considérée par B comme simultanée à l’émission de S₁ ?

Pour que les émissions reçues au même instant aient été émises simultanément, elles doivent l’avoir été à égale distance du récepteur au repos. L’observateur B se considérant comme immobile, S₃ doit avoir été émis, par rapport à la trajectoire de B, à une distance égale à la distance d’émission de S₁, soit d₁ = 9.

Dans le référentiel A, calculer le moment de l’émission de S3 revient à calculer le temps (t₃) que mettra ce signal pour atteindre la trajectoire de B, à la vitesse relative de w = c+v, en parcourant une distance équivalente à d₁.

Pour B, le calcul donne les résultats suivants :

Du point de vue de B, les signaux S₁et S₃ ont été émis simultanément. Pour lui, tous les événements situés sur l’axe S₁-S₂ sont simultanés, c’est un axe de simultanéité propre à B, différent de celui de A.

Bien entendu, du point de vue de B qui se considère comme immobile, la situation est inversée pour A.

Le diagramme de Minkowski

Remarquons que pour A le trajet de la lumière (en rouge) est situé à égale distance des axes t et d. Il en est de même pour B (schéma de gauche).

Pour obtenir les coordonnées de B à partir de A, il suffit d’opérer mathématiquement une rotation de B sur l’axe représentant le trajet de la lumière. C’est le diagramme de Minkowski, bien pratique pour le calcul, mais qui cache les processus physiques en action.

grâce à quoi la vitesse de la lumière est invariante, ce qui a pour conséquence d’accentuer les effets observationnels dus à la relativité de la simultanéité.

A propos de la transformation de Lorentz

En physique, les équations ne sont pas des formules abstraites : elles décrivent de choses concrètes. Ainsi en est-il de la transformation de Lorentz permettant des passer des coordonnées d’espace et de temps d’un observateur à celles d’un autre se mouvant relativement au premier.

Dans les deux fractions, le dénominateur représente la dilatation temporelle (γ) et le numérateur représente les effets de la relativité de la simultanéité. Laissons γ de côté pour nous occuper des effets de la relativité de la simultanéité.

 J’ai préféré désigner l’axe des abscisses par d (comme distance) plutôt que par x comme il est de coutume. Remarquons que d peut être remplacé par sa valeur exprimée en temps, soit
d = c x t, ce qui donne :

t’= t – ((v /c²) x d)

t’= t – ((v /c²) x (c t))

t’= t – (v t / c).

Ce résultat est celui des démonstrations qui précèdent.

Le modèle mathématique de la Relativité générale est d’une grande fiabilité. Il a reçu de nombreuses confirmations et n’a jamais été mis en défaut, il a donc de bonnes raisons de prendre ses prédictions au sérieux (Thibault Damour).

La fusion mathématique de l’espace et du temps : l’espace-temps de Minkowski

Selon la théorie de la Relativité restreinte, la vitesse des corps a pour effet d’y ralentir l’écoulement du temps. L’espace étant mesuré en fonction du temps que met la lumière à le parcourir, l’appréciation des distances dépend du rythme auquel le temps s’écoule pour chaque observateur en fonction de sa vitesse. La mesure des distances, et donc de l’espace, est ainsi différente selon la vitesse de chacun, c’est à dire de son temps. Le rythme temporel est propre à chaque corps, alors que l’espace est commun. Si le ralentissement du temps correspond à une réalité physique (ainsi que la contraction des corps en mouvement), la contraction des distances et donc de l’espace est seulement un phénomène d’observation, mais les deux sont liés.

Les effets de la vitesse sur l’écoulement du temps et la mesure des distances ont été géométrisés avec l’espace-temps de Minkowski.

L’espace-temps temps de Minkowski est un moyen commode pour décrire les observations et les comparer entre elles, en faisant pivoter mathématiquement la tranche d’espace-temps d’un observateur pour l’ajuster à celle d’un autre. On transforme l’espace en temps (lorsque les minutes sont plus longues, les kilomètres paraissent plus courts), mais ce n’est qu’une astuce de calcul[1], il n’y a pas distorsion physique de l’espace-temps[2]. Seul le temps propre à chaque corps est discordant, mais cela donne à chacun une appréciation personnelle des distances. Cet espace-temps correspond à l’observation, ce dont rendent compte les équations, mais ce n’est pas la réalité. Le sort de l’espace et du temps sont intimement liés, mais ils restent résolument distincts. On peut attribuer à l’espace-temps des propriétés mathématiques sans que cela en fasse pour autant une entité physique.

[1] Si vous aviez de la peine à comprendre comment l’espace peut bien se transformer en temps, voilà qui doit vous rassurer.

[2] C’est aussi l’opinion de Georges LOCHAK.

L’espace-temps dans la réalité en Relativité restreinte

Avec un certain enthousiasme, Minkowski a écrit que « l’espace, considéré séparément, et le temps considéré séparément, sont destinés à disparaître comme des ombres », concluant que « seule une sorte d’union des deux gardera une réalité indépendante ». De quelle réalité s’agit-il ? Minkowski n’aurait-il pas pris ses diagrammes pour la réalité ? Dans la littérature actuelle, l’espace-temps n’est guère contesté, pourtant il ne semble pas avoir de réalité physique en Relativité restreinte, mais seulement observationnelle.

Si nous admettons que les effets relativistes ne sont pas une illusion, le ralentissement des horloges et la contraction des longueurs sont réels. Pour mesurer une distance extérieure à son référentiel, tout observateur utilise un signal lumineux. S’il émet lui-même le signal, il mesure le temps de trajet aller-retour et divise par deux. Le résultat de sa mesure est directement fonction du rythme de fonctionnement de son horloge. Deux observateurs se mouvant à des vitesses différentes seront donc en désaccord sur la mesure des distances, leurs horloges respectives battant à des cadences différentes. L’écart de mesure des distances est la conséquence directe de l’écart d’écoulement temporel et dans les mêmes proportions (facteur de Lorentz).

L’observateur immobile et celui qui se meut mesurent le même espace, qui leur est commun, mais avec des instruments fonctionnant à des rythmes différents. Le ralentissement réel des horloges à pour conséquence une réduction apparente des distances mesurées. Espace et temps sont distincts, mais pour les observateurs, ils sont intimement liés car tout écart temporel conduit à un écart de mesure des distances dans les mêmes proportions. Les théories et méthodes scientifiques devant être conformes à l’observation, il est normal que cette union observée du temps et de l’espace soit prise en compte par le physicien dans ses calculs. L’espace-temps est donc une vérité scientifique puisque c’est une réalité observationnelle, mais cela n’en fait pas pour autant la réalité physique : la contraction mesurée des distances est seulement la conséquence du ralentissement temporel qui lui est réel.

Ce ne sont pas l’espace et le temps qui sont liés, mais leur mesure. L’espace-temps de Minkowski est le résultat de cette union, due aux particularités de la lumière par laquelle nous parvient l’information. Ce n’est pas une description de la réalité, mais de ce que nous observons. Si nous admettons cela, la théorie de la Relativité relève du sens commun, à la seule condition d’admettre l’invariance de la vitesse de la lumière et l’impossibilité de la  dépasser. La mesure des distances étant faite à l’aide d’une horloge qui bat au rythme de chacun en fonction de sa vitesse, il en résulte que chacun voit le monde à sa manière, ce qui explique pourquoi il y a autant d’espace-temps que d’observateurs se mouvant à des vitesses différentes. Dans le réel, il y à l’espace commun et des observateurs qui le mesurent avec des horloges battant à des rythmes différents et obtiennent des résultats discordants. L’observateur immobile peut appliquer le facteur de Lorentz directement à ses propres mesures de distances pour passer à celles du mobile observé, mais c’est une facilité qui fait oublier qu’en réalité c’est le temps seul qui est concerné. Le résultat est exact, mais si l’on pense que l’espace est contracté comme l’est la longueur du mobile, l’explication est fausse et tout devient incompréhensible. Il n’y a en effet rien à comprendre lorsque nous acceptons un résultat conforme à l’observation comme étant l’expression de la réalité, sans chercher à comprendre comment il est obtenu.

L’espace-temps en Relativité générale

L’espace-temps est assurément un phénomène d’observation lorsque nous contemplons le ciel, mais qu’en est-il de ce concept en Relativité ? Dans la version restreinte de la théorie, l’espace-temps est déformé par la vitesse du corps en mouvement, mais dans la réalité, seul l’écoulement du temps est modifié, ainsi que la longueur des corps en mouvement. La contraction de l’espace est un phénomène d’observation dû à la dilatation temporelle du mobile. Il n’y a pas contraction de l’espace-temps, sauf pour la facilité des calculs. Le temps et l’espace sont radicalement différents. L’espace est universel, commun à tous les corps, et le temps une donnée locale, celle du rythme de vibration des corps. Il n’y a pas d’espace-temps, seulement l’espace et le temps dont les mesures sont intimement liées.

En relativité générale, l’espace-temps se déforme au voisinage des corps massifs. On en revient ainsi à l’espace et au temps distincts de la matière. Admettons tout cela, mais en ce cas, que faire de la déformation de l’espace-temps due à la vitesse ?
La vitesse déformerait elle l’espace-temps très localement, autour du corps en mouvement ? En fait, cette déformation concerne l’atome lui-même, donc intervient au plus profond des corps.

Pourquoi ne pas admettre que la déformation est celle des corps eux-mêmes, y compris dans un champ gravitationnel ? Dans cette hypothèse, l’espace-temps serait plat et la gravitation causerait une déformation interne aux corps dans des proportions identiques pour chacun à raison de la distance. Dans ces conditions c’est la même chose de dire que l’espace-temps est plat ou courbe. Dans un espace courbe, on va calculer l’ampleur de la dilatation temporelle dans une zone donnée de l’espace et l’appliquer aux corps s’y trouvant, alors que dans le cas d’un espace-temps plat, on va calculer l’ampleur de la dilatation temporelle d’un corps et considérer qu’il est identique pour tous les corps situés à égale distance du corps massif commun.

Pour Kip Stephen Thorne, il est indifférent, en pratique, de considérer l’espace-temps comme plat ou comme courbe. Selon les calculs à effectuer, il peut être plus aisé de considérer l’espace-temps plat ou de le considérer courbe. Thorne est pour sa part partisan d’un espace-temps plat. Il écrit : « Les personnes comme vous et moi, qui comprennent que les règles sont élastiques, savent qu’elles se sont contractées et que l’espace est en réalité plat » [1] . Il est de même équivalent pour le passager d’un TGV de supposer que ce train va plus vite ou que ce sont les distances qui se sont contractées (voir l’exemple ci-dessus), sauf que dans la réalité il ne doutera pas de la permanence des distances, car il ne se contentera pas de ce que lui indiquent sa montre et sa calculette, mais regardera dehors.

[1] Kip Stephen THORNE : Tous noirs et distorsions du temps, Chapitre 11, Champs sciences.

Au début du XXe siècle, l’idée que l’univers puisse avoir une histoire et une origine avait un relent de légende biblique qui rebutait les scientifiques. Pour la plupart d’entre eux, l’univers était éternel, infini et globalement statique. Constatant que ses équations de la Relativité générale aboutissaient à une instabilité de l’univers, Einstein y ajouta une constante cosmologique Ʌ ayant pour effet de le stabiliser. Il reconnut par la suite que ce fut la plus grande erreur de sa vie.

Le Big-Bang

La gravitation ayant pour effet de rapprocher les corps matériels, il serait logique que l’univers s’effondre sur lui-même. Comme il n’en est rien, Newton imagina l’intervention de Dieu, l’invention du Big-Bang apporta une réponse plus scientifique en montrant que l’univers est en expansion depuis cet évènement initial.

Plusieurs scientifiques ont contribué à mettre en évidence l’expansion de l’univers. Dès 1922, le mathématicien russe Alexandre Friedmann émis l’hypothèse d’un univers en expansion.  En 1927, l’astrophysicien et prêtre Georges Lemaître proposa une expansion à partir d’une sorte d’atome primitif extrêmement condensé, c’est cet évènement primordial qui est aujourd’hui désigné sous le nom de Big-Bang. Cependant, le Big-Bang n’est pas une explosion. C’est Fred Hoyle, qui n’y croyait pas, qui lui a donné ce nom par dérision. On dirait plutôt quelque chose qui mousse, l’expansion ayant lieu simultanément en tous points de l’univers. La réalité de l’expansion a été confirmée en 1929 par les observations d’Edwin Hubble, lequel constatant que les galaxies lointaines ont une lumière d’autant plus rouge qu’elles sont éloignées dans l’espace (effet Doppler), en a conclu qu’elles s’éloignent les unes des autres par dilatation de l’espace

.L’expansion de l’espace éloigne des galaxies immobiles

Les galaxies lointaines semblent nous fuir, mais en réalité il n’en est rien, c’est l’espace intergalactique qui s’étend. On peut figurer cela par un ballon que l’on gonfle et sur lequel sont collées des pastilles de papier figurant les galaxies. A mesure que le ballon enfle, les pastilles s’écartent. Mieux encore, l’expansion de l’univers peut être comparée à des raisins de Corinthe dans un gâteau qui enfle à la cuisson, faisant ainsi croître la distance séparant les raisins.

Il est généralement affirmé que les galaxies nous fuient à une vitesse d’autant plus élevée qu’elles sont lointaines, mais il n’en est rien. Sauf mouvement local, les galaxies sont immobiles, c’est l’espace les séparant qui s’étend, ce qui a pour effet de les éloigner de nous à une vitesse qui s’accroît avec la distance.

L’éloignement des galaxies entre elles étant dû à la dilatation de l’espace et non à leur mouvement propre, chacune peut donc se considérer comme immobile, les autres s’éloignant d’elle d’autant plus vite qu’elles sont lointaines. La vitesse d’éloignement est dite vitesse de récession. Figure 1.

Chaque observateur, depuis sa galaxie, peut se considérer comme immobile et les autres en mouvement, mais en réalité tous sont immobiles. C’est la dilatation de l’espace entre les galaxies qui les écartent, si bien que leur éloignement peut être considéré comme la conséquence de deux mouvements de même ampleur, mais dans des directions opposées, à partir d’un point équidistant. Figure 2.

Lorsqu’un photon est émis par une étoile lointaine, le « mouvement » de celle-ci importe peu. Le photon est émis d’un point fixe et à mesure qu’il avance vers un observateur c’est ce dernier qui « s’éloigne ». Le point de vue du photon est respectable, car c’est lui qui fait le voyage. C’est la distance parcourue pour atteindre l’observateur (d2) qui est à l’origine de l’affaiblissement de l’éclat de l’étoile émettrice. Figure 3.

La distance mesurée (d2), ne correspond ni à celle séparant l’observateur de la source observée au moment de l’émission du signal (d1), ni à celle les séparant au moment de la réception (d3). Il n’est donc pas pertinent de dire qu’un corps est situé à la distance mis par sa lumière à nous parvenir, ce qui est cependant la pratique courante.

Lorsque l’on parle de dilatation de l’espace, cela ne signifie pas que celui-ci soit un cadre externe à la matière, comme le concevait Newton, mais c’est ce que contient le vide interstellaire qui augmente et éloigne les galaxies les unes des autres, sauf mouvement local dû à la gravitation pour les plus proches.

La constante de Hubble

La lumière émise par un corps qui s’éloigne vire au rouge (effet Doppler), d’autant plus que sa vitesse est rapide.  Si les corps se rapprochaient leur lumière virerait au bleu. Constatant que la lumière des galaxies vire d’autant plus au rouge qu’elles sont lointaines, Edwin Hubble en a conclu que l’éloignement des galaxies n’est pas dû à leur mouvement propre, mais à l’augmentation du volume de l’univers du fait de l’expansion En faisant le rapport vitesse/distance, Hubble établit une constante H₀ qui porte son nom, laquelle exprime le taux d’expansion de l’univers.

                                H₀ = vitesse en km par seconde / distance en mégaparsecs

L’accroissement de l’espace entre les galaxies est le même entre chacune d’entre elles, qu’elles soient proches ou éloignées, mais par effet cumulatif, les galaxies les plus lointaines s’éloignent de nous d’autant plus rapidement qu’elles sont distantes. Imaginons une bande de caoutchouc graduée à espaces réguliers depuis A à une extrémité jusqu’ à E à l’autre extrémité. A est la position de l’observateur et E la galaxie la plus lointaine. Si nous tirons sur la bande pendant un temps t pour en doubler la longueur, le point B s’éloigne d’une unité de longueur alors que le point E s’éloigne de quatre pour l’observateur A et seulement de 1 pour l’observateur D.

Il importe de ne pas confondre la vitesse de l’expansion de l’univers avec la vitesse à laquelle les galaxies s’éloignent de nous, laquelle résulte d’un effet cumulatif dû à la distance.

Si, relativement à un observateur situé à 1 mégaparsec (1 mpc = 3 261 000 années-lumière) d’une galaxie, celle-ci s’éloigne de 74 km par seconde, une autre située à 1 mégaparsec de la première s’en éloigne également de 74 km/sec, si bien que relativement à l’observateur situé à 2 mpc, elle s’éloigne de 74 + 74 km/ sec, etc.

Il est parfois affirmé que, lorsque la fuite des galaxies les plus lointaines atteindra la vitesse de la lumière, elles disparaîtront à notre vue. En réalité, si la vitesse de récession des galaxies était due à leur fuite, celui-ci n’aurait aucune incidence sur la réception par un observateur distant de la lumière qui en émane, car un signal lumineux émis depuis un corps en mouvement se propage toujours à la vitesse c à partir d’un point fixe, celui du moment de l’émission. Cependant, la vitesse de récession des galaxies n’est pas le fait de l’émetteur, mais de l’allongement de la distance à parcourir au cours du trajet, ce qui revient à un mouvement de fuite de l’observateur devant le signal lumineux. Lorsque ce mouvement atteindra la vitesse de la lumière, celle-ci ne pourra plus rattraper l’observateur et l’étoile émettrice deviendra invisible. Il faudra cependant quelque temps (en dizaines de milliards d’années), et donc de distance, pour que ce phénomène se manifeste.

Le fait que la vitesse de récession puisse dépasser la vitesse de la lumière n’est pas en contradiction avec l’impossibilité pour les corps matériels de la dépasser. Selon la théorie de la Relativité, pour qu’un corps atteigne cette vitesse limite, il faudrait lui impulser une énergie infinie. Dans le cas de la vitesse de récession due à l’expansion de l’univers, aucune énergie n’est impulsée aux corps matériels, car c’est l’espace les séparant qui s’accroît, un espace vide qui n’est pas le néant, loin de là.

Dans la relativité du mouvement inertiel, certains voudraient voir l’inexistence du mouvement propre des corps. Ainsi, non seulement tout observateur est fondé à se considérer comme immobile, mais de plus, l’immobilité ou le mouvement n’aurait aucune réalité autre que relativement à un autre corps.

Qui se meut ?

Nous avons aussi vu que le mouvement est toujours relatif, c’est-à-dire qu’il ne peut être mesuré que relativement à un autre corps supposé immobile. Ne confond-t-on pas cependant la chose et sa mesure ? Une mesure est toujours relative, puisque c’est la comparaison entre la chose mesurée et l’instrument de mesure. Supposons une règle isolée seule dans l’espace : quelle est sa dimension ? Tout au plus peut-on dire que sa longueur est tant de fois sa largeur ou son épaisseur. De deux corps qui se rapprochent ou s’éloignent, on en conclut que l’un au moins est en mouvement, sans pouvoir déterminer lequel, mais que mesure-t-on au juste ? Nous ne mesurons pas la vitesse des corps, mais seulement la vitesse d’accroissement ou de réduction de la distance entre les corps, ce qui ne dit rien de la vitesse propre des corps concernés.

La science ne peut étudier que ce qui est observable et mesurable, or mesurer une chose consiste à la comparer à une autre chose qui sert d’instrument de mesure (mètre, horloge, etc.). Une mesure est toujours relative. Est-ce pour autant que la chose mesurée n’existe pas indépendamment des mesures ? Affirmer que le mouvement est toujours relatif, c’est seulement constater que, faute d’un repère fixe, les déplacements ne peuvent être mesurés que relativement à d’autres corps également mobiles, rien de plus. Cela ne dit pas qui se meut réellement, mais il faut bien que quelque chose se meuve pour que la distance relative mesurée varie. A défaut de donner une valeur absolue au mouvement, au moins faut-il admettre que le mouvement relatif mesuré résulte de la composition des mouvements propres inconnus de chacun des corps.  Le mouvement n’est pas seulement un changement de coordonnées spatiales, c’est aussi ce qui fait que ces coordonnées changent avec le temps, c’est ce qui rend le déplacement possible.

Mouvement inertiel et mouvement accéléré

Il est souvent affirmé que si le mouvement inertiel ne peut être que relatif, il en serait autrement pour les mouvements accélérés ou les changements de direction, au motif que le passager peut s’en rendre compte. En vérité, on sort ici du cadre purement spatial, en prenant en considération des effets ressentis à l’intérieur du corps en mouvement. D’un point de vue strictement spatial, rien ne permet de dire, de deux corps en mouvement relatif, lequel est en mouvement accéléré. D’ailleurs, si les deux sont en mouvement accéléré, aucun ne pourra constater l’accélération de l’autre et aura sans doute la tentation de se l’attribuer parce qu’il la ressent. A ne considérer que le déplacement, le mouvement accéléré ne diffère pas du mouvement inertiel.

La différence n’est pas entre mouvement inertiel et mouvement accéléré, il est entre mouvement uniforme à vitesse constante et mouvement non uniforme. Il y a mouvement inertiel lorsqu’un corps reçoit une impulsion initiale lui donnant une certaine vitesse qu’il conserve indéfiniment dans le vide après que l’impulsion ai cessé. Le passager d’un train en vitesse de croisière a reçu une impulsion initiale par entraînement qui le meut à la vitesse du train, il poursuit sa route par inertie lorsque le train freine brutalement et tombe en avant, car le plancher ne le suit plus et lui retient les pieds en arrière. Le mouvement accéléré, décéléré ou de changement de direction est perçu par le passager lorsqu’il y a une différence significative entre le mouvement inertiel acquis par le passager et le mouvement de l’engin qui le transporte. Lorsqu’une personne chute d’une grande hauteur, sa descente va en s’accélérant du fait de la gravitation, et pourtant elle ne ressent rien tant qu’elle n’a pas atteint le sol. L’accélération en soit ne produit aucun effet sensible, c’est le choc final qui est ressenti.

Mouvement accéléré et gravitation

Einstein compare la situation d’un passager d’une cabine en chute libre vers le sol de la terre à celle du passager d’une cabine en mouvement inertiel dans l’espace : ils se sentent tous les deux en apesanteur alors que seul le second n’est pas soumis à la gravitation. Ils ne ressentent plus leur poids, flottent dans l’espace et un objet lâché flotte à leur côté. Einstein compare également un passager dont la cabine est posée sur le sol terrestre et un autre dont la cabine en apesanteur dans l’espace serait tirée vers le haut en accélération douce et continue : dans les deux cas ils ressentiraient des effets qu’ils pourraient attribuer à la gravitation. Ils seraient debout sur le plancher et un objet qu’ils lâcheraient tomberait vers le plancher. Cette similitude est nommé principe d’équivalence par Einstein.

Quelle que soit la situation, il est impossible, depuis l’intérieur de la cabine, de savoir si celle-ci est en mouvement ou non. C’est la généralisation de la théorie de la relativité. Pour le cas du mouvement inertiel, on parle de relativité restreinte, et en cas de gravitation on parle de relativité générale. Le ressenti de la gravitation (le poids) est la conséquence de la résistance du sol au mouvement de chute libre vers le centre de l’objet massif sur lequel on est posé.

Lorsqu’un corps est en chute libre, l’accélération s’exerce indépendamment et librement sur chacun des atomes qui le compose, à la différence de la poussée qui s’exerce sur la totalité du corps et l’écrase. C’est la raison pour laquelle tous les corps tombent à la même vitesse (abstraction faite de la résistance de l’air). Lorsque le corps est posé au sol, l’attraction s’exerçant sur les atomes les font se presser les uns contre les autres et font masse.

Mouvement relatif et mouvement réel

Galilée disait que le mouvement est comme rien. Serait-il une illusion ? Remarquons que Galilée ne disait pas « le mouvement n’est rien », mais « est comme rien », constatant simplement qu’il ne produit aucun effet mesurable en dehors d’un déplacement relatif des corps entre eux.

Lorsqu’une fusée s’éloigne de la terre sur sa lancée, pouvons-nous dire que la terre s’éloigne de la fusée ? Cette affirmation est vraie si, par éloignement, nous voulons dire que la distance entre la fusée et la terre s’accroît. Cela n’est plus vrai si nous désignons ce qui fait que la distance s’accroît. Lorsqu’un véhicule accélère, cela est ressenti physiquement à l’intérieur : le passager se sent plaqué contre son siège. Celui-ci sait alors qu’il se meut, mais ce n’est pas une manifestation topographique du mouvement, de l’extérieur un observateur constatera seulement que la vitesse relative va en s’accélérant, sans déceler ce qui en est la cause. Cependant, la symétrie est rompue, puisque l’un des observateurs sait qu’il est en mouvement.

En vérité, la seule différence entre le mouvement accéléré et celui à vitesse constante est que le second ne semble se manifester par aucun phénomène mesurable. Si un vaisseau spatial s’arrache à l’attraction terrestre, poursuit sa trajectoire sur sa lancée avant de freiner pour se poser sur mars, qu’est-ce qui vous prouve que c’est le vaisseau qui était en mouvement pendant la phase inertielle de son trajet et qu’il ne s’agit pas d’un mouvement concerté de la terre et de mars, pour en donner l’illusion ? Pendant son trajet de la terre à mars, la fusée accélère, puis coupe ses moteurs et poursuit son trajet sur sa lancée, enfin ralentit pour se poser sur la planète rouge. Pendant tout le voyage, la fusée s’éloigne de la terre et se rapproche de mars. A bord, les conditions d’observation changent selon que la poussée des moteurs est ressentie ou non, mais cela n’affecte en rien l’univers dans lequel la fusée se déplace. Si la fusée avait accéléré jusqu’à mi-chemin pour ralentir ensuite, elle n’aurait jamais connu de mouvement uniforme, sans que cela change grand-chose, sauf à son bord. Vu de l’extérieur, pour celui qui n’en subit pas les effets, le mouvement accéléré n’est pas moins relatif que le mouvement à vitesse constante.

Mouvement, vitesse et masse

Alors, qui se déplace réellement ? Si l’un des vaisseaux est en accélération grâce à la poussée d’un moteur, le passager peut le constater par le ressenti qu’il en a et peut même en effectuer la mesure. Sachant que la vitesse acquise se conserve par inertie, il sait qu’il est toujours en mouvement lorsque la poussée du moteur cesse, à condition de se souvenir qu’elle a eu lieu. Observons que la symétrie relevée plus haut est spatiale alors que la mesure de l’accélération est celle de la poussée du moteur, laquelle n’est pas une mesure spatiale. Le déplacement n’est que la conséquence du mouvement dans un système de coordonnées spatiales, ce n’est pas le mouvement lui-même. Cependant, pourrait-il y avoir un changement des coordonnées s’il n’y avait pas de mouvement ? On ne peut dire sérieusement que seules existent les conséquences mesurables du mouvement, mais pas le mouvement lui-même. Il est en effet assez courant de prouver l’existence d’une chose par la constatation de ses effets.

Le passager qui est plaqué sur son siège sait qu’il est en mouvement. Lorsqu’il a atteint sa vitesse de croisière, il ne ressent plus les effets de son mouvement qu’il poursuit cependant. En réalité, il est toujours en mouvement inertiel, même lorsqu’il ressent un coup de pied au derrière. C’est parce que sa vitesse inertielle a toujours un temps de retard sur l’impulsion reçue qu’il en ressent les effets. Serait-ce cette pression qui aurait pour effet de ralentir le temps des corps qui y sont soumis. ?

Il est souvent affirmé que le mouvement inertiel ne produit aucun effet, mais est-ce bien vrai ? Einstein nous dit que la vitesse acquise par l’accélération augmente la masse d’un corps et que cela a pour effet de ralentir son rythme temporel. Ce n’est pas la pression exercée sur un corps par l’accélération qui ralentit son rythme temporel, mais la vitesse, même lorsque la pression a cessé. Ces effets sont réels, même lorsqu’on ne peut les observer. C’est seulement en se retrouvant sur le même référentiel Terre que les jumeaux de Langevin peuvent constater leur différence d’âge.

Il n’existe pas de mesure absolue

Selon la théorie de la relativité, l’écoulement du temps est ralenti par la vitesse de déplacement dans l’espace. Lorsque deux corps se retrouvent après s’être déplacés à des vitesses différentes, ils peuvent constater que leurs horloges ont mesuré des temps différents. Leurs occupants peuvent en conclure que celui dont le temps mesuré est le plus bref est celui qui s’est déplacé le plus rapidement. La différence avec la mesure par la variation de la distance, c’est que la variation de la vitesse d’écoulement du temps permet de désigner le plus rapide, ce que ne permet pas la mesure de la vitesse relative des corps entre eux.

En vérité, nous ne mesurons jamais le mouvement, mais seulement la vitesse de déplacement dans l’espace (variation de la distance entre deux repères) ou celle de déplacement dans le temps (nombre de battement d’une horloge). Avant Einstein, on ne pouvant mesurer que la vitesse de déplacement dans l’espace, le temps étant un absolu s’écoulant à la même vitesse pour tout le monde. Depuis, nous savons que la vitesse d’écoulement du temps dépend de la vitesse de déplacement dans l’espace, le cumul des deux ne pouvant excéder la vitesse atteinte par la lumière .

Il n’existe pas de mesure absolue, car toute mesure est relative, mais ce qui est mesuré existe cependant, car on ne peut mesurer une chose inexistante. Le mouvement a pour effet de ralentir le rythme temporel de la chose qui se meut et de faire varier la distance séparant cette chose de ce qui l’entoure, or il est assez habituel de constater l’existence d’une chose par les effets qu’elle produit.

Einstein ayant affirmé que « nous n’avons pas le droit d’accorder une signification absolue au terme de simultanéité », la plupart des commentateurs affirment que la simultanéité ne peut être que relative : ce serait une propriété de l’univers que nous observons. Est-ce à dire qu’aucun évènement ne pourrait être absolument simultané dans l’univers en soi et que ce serait la raison pour laquelle nous le voyons ainsi ? Pour ma part, je ne le pense pas.

Relativité de la réception des informations distantes

Sont simultanés des évènements qui se produisent au même instant. Nous en avons connaissance par la lumière qui en émane et nous en donne l’image, or la vitesse de la lumière étant limitée à 300 000 km par seconde, nous ne sommes pas immédiatement informés des évènements survenant à distance, il faut du temps pour que l’information nous parvienne.

Dans l’exemple donné par Einstein, l’observateur de la voie reçoit simultanément les signaux émis à égale distance de sa place.  Le passager du train, en mouvement relativement à l’observateur de la voie, occupait la même place au moment de l’émission des signaux, mais s’est déplacé lorsqu’il les reçoit. Se dirigeant vers le signal émis devant lui, il le reçoit avant celui émis derrière, car il parcoure une partie de la distance le séparant du premier, alors qu’i fuit devant le signal arrière qui doit parcourir une plus grande distance pour le rattraper. Ce qui est simultané pour l’observateur de la voie est successif pour le passager du train.

Il faut bien observer que la simultanéité dont il s’agit est celle de la réception de l’information émanant des évènements et non celle de la survenance desdits évènements, or lorsque nous contemplons le ciel étoilé, nous savons bien que toutes le images que nous recevons de l’univers ne sont pas contemporaines, elles sont d’autant plus éloignées dans le temps qu’elles sont éloignées dans l’espace.

Mesure de la distance des émissions

Sauf si deux évènements se produisent au même instant et au même endroit, il est impossible de constater directement la simultanéité d’évènements distants, il faut faire un calcul tenant compte de la vitesse de la lumière et de la distance. Seuls des évènements survenus à égale distance de l’observateur peuvent être perçus directement dans le bon ordre chronologique, lorsque les distances diffèrent, il faut calculer le moment des émissions.

Pour comprendre, il faut rappeler comment la simultanéité des évènements est établie dans un corps donné. L’observateur se place à égale distance d’horloges placées aux extrémités et se met en mesure de les synchroniser en leur envoyant un signal de mise à l’heure, majorant l’heure indiquée par l’horloge centrale, au moment de l’envoi du signal, du temps nécessaire pour effectuer le trajet. Grâce à cette procédure l’observateur central a la certitude que les trois horloges indiquent simultanément la même heure. Tous les évènements survenant à la même heure des horloges synchronisées sont donc simultanés du point de vue de l’observateur du corps concerné.

Dans l’exemple du train, l’observateur de la voie a procédé comme ci-dessus et reçoit simultanément les signaux émis à la même heure par ses horloges synchronisées. L’observateur du train, qui était situé au même niveau que l’observateur de la voie au moment de l’émission des signaux, s’est déplacé ensuite et reçoit d’abord le signal émis devant lui et ensuite celui émis derrière lui. Pour le passager du train, les signaux ne sont pas simultanés, mais il peut choisir de considérer que la voie est immobile et mesurer sa vitesse relativement à elle. Tenant compte de sa vitesse, il lui est possible de corriger les effets de son déplacement pour déterminer le moment de l’émission de chaque signal. Ce faisant, il se place dans le système de référence de la voie.

Tous les corps de l’univers sont en mouvement, y compris la terre sur laquelle est placée la voie, et le trajet du signal s’en trouve abrégé pour les signaux émis du centre vers l’arrière du corps en mouvement et allongé pour ceux émis vers l’avant. Il en résulte que l’heure indiqué par l’horloge arrière avance relativement à celle de l’avant. Bien entendu l’écart temporel entre l’arrière et l’avant dépend de la vitesse de déplacement de chaque corps. La synchronisation de ses horloges est propre à chaque corps ou système de référence.

Ce qui est simultané pour un observateur ne l’est pas pour un autre se mouvant différemment. Tous contemplent cependant le même univers et les mêmes évènements. N’y a-t-il donc pas une réalité unique ?

Les causes de la relativité de la simultanéité

Si tous les observateurs étaient instantanément informés de ce qui se passe dans l’univers, l’émission et la réception des informations seraient confondues et tous seraient d’accord sur la chronologie des évènements y survenant. Même en considérant la vitesse limitée de la lumière, si tous les observateurs étaient immobiles, il leur serait possible de calculer le moment d’émission de l’information sur les évènements en tenant compte de la distance les en séparant. Si tous les observateurs étaient affectés d’un mouvement identique, leurs mesures seraient faussées dans les mêmes proportion et tous seraient d’accord sur la simultanéité, même si celle-ci ne correspondaient pas à la réalité objective.

La relativité de la simultanéité est la conséquence de la vitesse limitée de la lumière et des mouvement différenciés des observateurs. Tous ces phénomènes affectent la réception de l’information, mais pas son émission, c’est-à-dire la survenance des évènements dans l’univers en soi. Ce que nous observons ne peut pas être la réalité objective.

Chaque corps de référence a sa propre simultanéité

Tous les observateurs sont équivalents et aucun ne peut être regardé comme connaissant la chronologie réelle des évènements distants : il n’y a pas d’observateur privilégié relativement à l’univers observé. Les observateurs sont multiples, théoriquement en nombre infini, mais l’univers qu’ils observent est unique et indépendant des observations. Une simultanéité peut être observée dans tous les systèmes de référence, mais, si ces simultanéités sont variables entre observateurs, elle est unique chez chacun d’entre eux. L’univers en soi, extérieur aux observateurs, étant unique, la simultanéité des évènements en son sein doit l’être également.

Tous les observateurs regardent le même univers, mais selon des plans de simultanéité différents selon leur vitesse et leur direction. Il n’y a donc pas de simultanéité absolue entre observateurs, c’est bien ce que nous dit la théorie de la relativité, laquelle n’a pas d’autre prétention que de décrire et prédire les observations. Le diagramme de Minkowski ne représente pas une distorsion de l’espace-temps, mais simplement une distorsion des perceptions d’un observateur relativement à un autre dans un univers plat, due à la contraction des longueurs et à la dilatation temporelle du corps en mouvement. L’univers en soi n’y est pas affecté par le mouvement des corps matériels, ce sera le domaine de la relativité générale avec la gravitation.

C’est une théorie scientifique, elle ne se prononce pas sur la chose en soi, mais on ne peut affirmer en son nom qu’il ne peut y avoir de simultanéité objective entre évènements survenant dans l’univers, considéré comme un système de référence unique et non propre à chaque observateur.

Nul ne conteste que les observateurs perçoivent les mêmes évènements, ceux-ci sont donc uniques, alors que les observateurs sont théoriquement en nombre infini. Einstein explique que la réception des flux lumineux provenant d’évènements lointains est affectée par le mouvement des observateurs du fait de la vitesse limitée de la lumière. La relativité des observations n’est donc pas due à la relativité de la survenance des évènements eux-mêmes, mais aux conditions de leur réception par différents observateurs. Il en résulte que la chronologie de survenance des évènements est absolue et que seule sa connaissance est relative.

Au-delà des observations 

Selon l’interprétation de Copenhague, la seule réalité pouvant être scientifiquement prise en compte est celle des observations. Ou bien nous nous en tenons à l’interprétation de Copenhague en nous contentant de décrire le monde que nous observons comme étant la seule réalité scientifique, ou bien nous cherchons à comprendre à quoi ressemble l’univers en soi, indépendamment des observations. Affirmer que la simultanéité ne peut exister dans l’univers en soi au prétexte que nous ne pouvons l’observer, revient à faire de nos observations une réalité objective, ce qu’elle ne peut évidemment pas être. La plupart des explications visant à nier toute réalité objective à la simultanéité absolue procèdent pourtant d’un glissement de la réalité des observations à la réalité de la chose en soi. Imaginons dix photographes autour de l’arc de triomphe et le photographiant. Leurs clichés seront tous différents, doit-on en conclure que l’arc de triomphe n’a pas de forme absolue, mais seulement une géométrie variable, indéfinie ?

Pour faire des prévisions sur ce que nous pouvons observer, la relativité de la simultanéité peut être considérée comme la seule réalité scientifique, mais en ce cas, il faut s’abstenir d’en tirer des conclusions comme si cette réalité scientifique était celle de l’univers en soi, alors qu’elle n’est que celle des observations. Constatant que la chronologie des évènements varie selon les observateurs alors que la chose observée est unique, il est possible d’imaginer deux solutions. Soit il existe une chronologie unique, interprétée différemment selon les observateurs en mouvement (solution ici proposée), soit il n’y a aucune chronologie et celle qui est constatée est le fait du mouvement des observateurs dans un bloc atemporel unique où tous les évènements existent de tout temps (univers bloc) et il n’y a plus de simultanéité du tout, mais des trajectoires qui recoupent divers endroits du bloc. Dans les deux cas, il s’agit d’une spéculation allant au-delà des observations, mais personnellement, maniant le rasoir d’Ockham, je préfère la solution la plus simple, celle qui peut s’expliquer par les lois connues de la physique.

Nous avons vu que notre propre mouvement (que nous ne pouvons connaître dans l’absolu) nous empêche de voir le monde tel qu’il est réellement (relativité de la simultanéité), mais le monde lui-même n’est pas seulement en mouvement, il est mouvement.

Mouvement et matière

Il est préférable de parler d’évènements plutôt que de choses, car la vision que nous en recevons n’est qu’un moment de leur existence. A bord d’un navire, la surface houleuse de la mer nous paraît agitée d’un mouvement incessant, alors que la montagne, à l’horizon, nous semble immuable. Cependant, si nous accélérions le temps, cette même montagne nous semblerait aussi agitée que la mer, se soulevant et s’érodant, changeant sans cesse de forme, alors qu’en ralentissant le temps, une vague semblerait avoir la consistance d’une falaise. Tout n’est que mouvement, apprécié à la mesure de notre propre rythme temporel.

Si nous abandonnons notre point de vue macroscopique pour entrer au cœur de la matière inerte, les électrons des atomes sont agités d’un mouvement incessant autour du noyau : la matière elle-même est mouvement.

Dans le premier cas, la perception du mouvement est seulement fonction du rythme du temps de l’observateur, dans le second c’est aussi une question d’échelle.

Mouvement, espace et temps

A lire les commentaires habituels sur la relativité, restreinte ou générale, le temps apparaît comme une chose qui se déforme, s’étire et se dilate, se distord. Le temps y ressemble à une substance dans laquelle baignerait l’univers. Cette conception s’oppose à celle habituellement admise dans l’antiquité, selon laquelle le temps serait la succession des événements qui se produisent. Newton était partisan d’un temps comme substance, sauf qu’il l’imaginait comme un cadre immuable et universel, tout comme l’espace. Depuis Einstein, l’espace et le temps sont fusionnés en une entité unique, déformée par la présence de la matière. La conception substantialiste est également celle implicitement évoquée par la représentation graphique des trois théories sur le temps : présentisme, possibilisme et éternalisme. La cause serait-elle entendue ?

Pour définir ce qu’est le temps, il faut d’abord le séparer de l’espace. La notion d’espace-temps a beau être unanimement admise, elle ne correspond qu’aux apparences dues à la limitation de la vitesse de tout mouvement. L’espace et le temps sont indissociables de la façon dont nous parvient l’image de l’univers, car en reculant dans l’espace nous reculons dans le temps, ce phénomène observationnel étant dû à la vitesse limitée de la lumière. Les mesures de l’espace et du temps sont étroitement liées, mais cela est dû uniquement à la dilatation temporelle, l’espace étant mesuré avec une horloge, comme le temps. Ce sont la limitation de la vitesse de la lumière et l’impossibilité de la dépasser qui créent l’espace-temps. Celui-ci n’est que le reflet de nos observations.

L’espace est ce qui sépare les choses et le temps est le rythme interne des choses. Ils ne peuvent se confondrent en une entité unique, sauf en apparence, même si les deux sont nés du mouvement. L’espace est né du mouvement impulsé à la matière par le big-bang et l’expansion de l’univers qui l’a suivi, alors que le temps (plus exactement la durée) est la résultante du mouvement interne de la matière. Il faut en effet distinguer entre deux aspects du temps : la durée et l’irréversibilité. La durée est le rythme interne de la matière et l’irréversibilité le changement affectant les choses. La durée naît au cœur de la matière, alors que le changement s’exerce dans l’espace par l’interaction entre les choses. Durée et irréversibilité sont deux aspects du mouvement.

Mouvement et cours du temps

Certains phénomènes physiques sont réversibles et contredisent le cours irréversible du temps. On a donc voulu distinguer un cours du temps, mouvement irréversible de l’instant présent, externe aux choses, et la flèche du temps, changement réversible ou non de ce qui est dans le présent[1]. Mais que serait un cours du temps externe, à géométrie variable en fonction de la vitesse ? Seul son caractère irréversible demeurerait, mais non le rythme de son mouvement qui appartiendrait aux corps matériels. Ne serait-il pas plus simple de dire que le temps est le mouvement de la matière et que si certains phénomènes sont réversibles, d’autres sont irréversibles et que cela suffit à donner une flèche du temps au monde macroscopique. Est-il vraiment nécessaire d’imaginer un temps contenant l’univers, dont la seule fonction serait de durer de façon irréversible, sans influence sur la matière, laquelle serait libre d’en faire autant ou de s’en dispenser ? Comment concilier un temps local, interne aux choses, avec un temps contenant les choses ?

S’il est une distinction à faire, c’est entre le rythme temporel interne des corps matériels et l’irréversibilité des phénomènes physiques résultant des interactions entre les choses composant l’univers. Dans le détail, certains phénomènes sont réversibles et d’autres ne le sont pas, mais il suffirait d’un seul évènement irréversible pour que l’univers d’après ne soit plus le même que celui d’avant. L’irréversibilité n’est pas le fait du temps, mais celui des mouvements qui agitent l’univers. Le temps, finalement, n’est que la durée, dont la mesure varie selon la vitesse impulsée aux observateurs et la gravitation qui s’exerce sur eux. C’est parce que le monde se transforme dans la durée que le temps paraît irréversible, mais le temps n’y est pour rien. Il s’accommoderait tout aussi bien du mouvement perpétuel.

L’irréversibilité du temps est celle des phénomènes eux-mêmes. Prenez un sac de haricots et versez le contenu dans un grand récipient. A l’aide d’un scanner, vous réalisez une image de la position de chaque haricot, puis vous brassez le contenu du récipient. Même en brassant longtemps, il est peu probable que les haricots retrouvent tous ensemble leur position initiale dans le récipient, mais théoriquement ce n’est pas impossible. Maintenant, ajoutez de l’eau et faites cuire. Après cuisson, le contenu du récipient ne retrouvera jamais son aspect initial, car il n’y a pas seulement eu des changements de positions, mais une transformation irréversible.

Le mouvement propre de la matière produit le rythme du temps, c’est-à-dire la durée. Ce sont les interactions des corps entre eux qui produisent des transformations et de la complexité, c’est-à-dire le cours du temps. La succession des évènements qui transforment la matière ne détermine pas le rythme auquel ils se succèdent, lequel dépend de la vitesse et de la gravitation du référentiel au sein duquel ils se produisent. La durée n’est qu’un fragment d’éternité, alors que les arrangements et transformations successives des corps matériels forment une histoire.

[1] Voir Etienne Klein : Le facteur temps ne sonne jamais deux fois, Flammarion, 2009.

Dans un univers strictement immobile, rien ne changerait, le moment présent serait éternel. A l’inverse, à la vitesse de la lumière, le temps serait figé. Ces deux situations sont très semblables mais impossibles, car notre univers est en expansion, tout y est en mouvement et aucun corps doté d’une masse ne peut atteindre la vitesse de la lumière, car il faudrait pour cela une énergie infinie. L’univers s’agite donc entre les deux.

Il y a deux sortes de mouvements : le mouvement interne des corps et celui qui leur est impulsé. Le mouvement interne, c’est la vibration de la matière, laquelle détermine le rythme temporel des corps. Le mouvement impulsé est celui qui cause le déplacement des corps dans l’espace. Le cumul des deux ne peut excéder la vitesse de la lumière, si bien que l’accroissement de la vitesse impulsée a pour effet de ralentir le rythme temporel des corps en mouvement et inversement. Cela rejoint l’idée de Brian Greene, qu’il formule comme suit : « Pour n’importe quel objet, la vitesse combinée de son mouvement dans l’espace et de son mouvement dans le temps est toujours précisément égale à la vitesse de la lumière »[1]. Un corps qui se déplace consomme à la fois du temps et de l’espace. S’il est immobile, le temps se meut à la vitesse de la lumière, mais s’il se déplace, sa vitesse dans l’espace vient en déduction de celle de son temps.

[1] Brian Greene : La magie du Cosmos, chapitre 3

Mouvement et rythme du temps

Dans un univers strictement immobile, rien ne changerait, le moment présent serait éternel. A l’inverse, à la vitesse de la lumière, le temps serait figé. Ces deux situations sont très semblables mais impossibles, car notre univers est en expansion, tout y est en mouvement et aucun corps doté d’une masse ne peut atteindre la vitesse de la lumière, car il faudrait pour cela une énergie infinie. L’univers s’agite donc entre les deux.

Il y a deux sortes de mouvements : le mouvement interne des corps et celui qui leur est impulsé. Le mouvement interne, c’est la vibration de la matière, laquelle détermine le rythme temporel des corps. Le mouvement impulsé est celui qui cause le déplacement des corps dans l’espace. Le cumul des deux ne peut excéder la vitesse de la lumière, si bien que l’accroissement de la vitesse impulsée a pour effet de ralentir le rythme temporel des corps en mouvement et inversement. Cela rejoint l’idée de Brian Greene, qu’il formule comme suit : « Pour n’importe quel objet, la vitesse combinée de son mouvement dans l’espace et de son mouvement dans le temps est toujours précisément égale à la vitesse de la lumière »[1]. Un corps qui se déplace consomme à la fois du temps et de l’espace. S’il est immobile, le temps se meut à la vitesse de la lumière, mais s’il se déplace, sa vitesse dans l’espace vient en déduction de celle de son temps.

Si le temps ne peut avoir une vitesse supérieure à celle de la lumière, c’est qu’il s’agit d’un mouvement. Finalement, le temps et le déplacement dans l’espace sont de même nature : il s’agit d’un mouvement dans les deux cas.

[1] Brian Greene : La magie du Cosmos, chapitre 3

En somme, l’attitude prise ici est de prendre au sérieux ce que dit la science, c’est à dire à considérer que c’est la science qui définit ce qui est réel.( Thibault Damour :  Si Einstein m’était conté.)

La réalité scientifique selon l’interprétation de Copenhague

Dans le grand collisionneur du CERN, à Genève, les particules élémentaires laissent des traces qui permettent de les étudier, mais personne n’en a jamais vu une directement. C’est un peu comme si on ne connaissait les animaux sauvages que par leurs traces laissées sur le sol. Ce sont les propriétés du sol, la forme de la patte, le poids et la rapidité de marche de l’animal qui créent la trace, celle-ci n’est pas l’animal en soi. La situation est la même pour l’observation des particules élémentaires, elles laissent des traces et c’est tout ce que nous en connaissons.

Contraints de n’étudier que des traces, les physiciens de l’institut de Copenhague les considérèrent comme la seule réalité scientifique, tout en admettant que cette réalité est créée par les conditions d’observation. Une particule n’est ni une trace, ni un point, ni une onde, ni une bille, mais nous ignorons quoi au juste. Ce que nous en voyons est créé par les conditions des expériences. Finalement, pourquoi s’en soucier, puisque notre connaissance des traces nous permet de faire des prévisions fiables et de développer toute une technologie qui fonctionne parfaitement.

L’interprétation de Copenhague présente l’avantage de ne pas avoir à se préoccuper de l’absurdité apparente des phénomènes observés. La réalité est ainsi et les équations n’ont jamais été prises en défaut, alors acceptons-la telle que nous l’observons. Après tout, la théorie de la relativité montre que le temps est un phénomène local, contrairement à ce que le bon sens nous dit, alors jetons le bon sens aux orties et acceptons ce que nous observons comme étant la réalité, dès lors que cela est reproductible en suivant un protocole établi.

La réalité serait-elle mathématique ?

L’idée d’une réalité limitée aux effets de l’interaction des nos instruments avec la chose en soi est assez frustrante, aussi certains physiciens en vinrent à considérer que les effets observés étant mathématiquement modélisables, c’est dans les équations qu’il convient de rechercher la réalité objective. Les mathématiques sont en effet sensées être objectives, en ce sens que l’esprit de celui qui les pratique ne peut avoir d’influence sur le résultat : 2 + 2 = 4 n’est pas une opinion.

Pour Max Tegmarck[1], les structures mathématiques seraient l’ultime réalité. L’essence du monde serait ainsi mathématique et tout ce qui est mathématiquement possible existerait dans la nature. Cependant, ce n’est pas parce que tout peut être décrit mathématiquement que le monde n’est que mathématique.

L’univers obéit à des lois mathématiques, il nous surprend parfois mais, en y regardant de plus près, il n’est jamais illogique. Cependant, en conclure que la réalité est dans les équations est assurément abusif. Croire que toutes les combinaisons mathématiquement démontrées existent réellement n’est pas une affirmation scientifique, mais un acte de foi. Cette confiance absolue résulte largement du fait que les conséquences inattendues de la relativité générale ou de la mécanique quantique ont été confirmées ultérieurement par des expérimentations, comme le phénomène EPR, par exemple. Alors les physiciens se sont mis à expérimenter au tableau noir, sans que leurs théories reçoivent la moindre confirmation expérimentale.

L’algèbre, c’est comme les usines à saucisses dans Tintin en Amérique, on y fait entrer des cochons à un bout et il en sort des saucisses à l’autre bout, sans que l’on sache exactement ce qui se passe à l’intérieur de l’usine. En algèbre, on pose une égalité comprenant l’inconnue dont la valeur est recherchée et celle-ci sort à l’autre bout du calcul algébrique, or, en physique, les équations décrivent des réalités concrètes et on ignore ce qui leur arrive pendant la résolution de l’équation. Lorsque le résultat obtenu est conforme aux observations, l’équation est exacte, mais on ignore parfois comment le résultat est physiquement obtenu. Alors, le physicien mathématicien laisse libre cours à son imagination. L’équation peut être exacte sans que l’explication donnée soit vraie. L’algèbre est d’une redoutable efficacité, mais il peut parfois faire perdre le fil des réalités.

Les mathématiques comme représentation et modélisation

Les équations ne sont que des astuces permettant de modéliser ce qui se passe… en première approximation. Ainsi la loi d’addition des vitesses de Newton est-elle vraie à faible allure, mais insuffisante aux très grandes vitesses. Les équations d’Einstein aboutissent à des valeurs infinies lorsqu’on atteint la vitesse de la lumière, ce qui est le signe de leur incomplétude à ce niveau (au-delà du mur de Planck). Les lois physiques ne sont pas les mathématiques, même si les mathématiques sont le meilleur outil pour les décrire, de même les mots sont-ils le meilleur moyen pour décrire les sentiments, mais ne sont pas les sentiments.

Les équations ont pour seule vocation de prédire les évènements de façon fiable, non d’expliquer la réalité et encore moins de s’y substituer. Si d’aventure, les équations permettent d’expliquer un phénomène, c’est tant mieux, mais lorsque cette explication n’a de justification que mathématique et heurte le bon sens, il convient de se méfier. Une équation peut parfaitement donner un résultat fiable, sans correspondre à la réalité et ainsi conduire à une explication erronée. Le technicien qui utilise les lois physiques n’a pas à se demander pourquoi cela fonctionne, dès lors que les résultats sont fiables et conformes aux observations, mais ni le philosophe ni le théoricien ne doivent renoncer à comprendre. Une théorie n’est scientifique que si elle peut être vérifiée par l’expérimentation, mais nous la vérifions avec nos sens et nos instruments. Tout cela reste du domaine de l’observation, donc de la représentation, et ne relève pas directement de la réalité. Nous ne pouvons adhérer à la position consistant à assimiler sans réserve les équations et la réalité.

L’illusion mathématique

Certains calculs peuvent donner un résultat exact sans correspondre à la réalité. En pratique, il suffit d’appliquer le facteur de Lorentz à la distance que je mesure pour obtenir celle obtenue par un observateur en mouvement dont je connais la vitesse relative. Le résultat est exact, mais ce mode de calcul peut laisser penser que c’est l’espace qui est directement contracté dans l’univers du référentiel mobile, ce d’autant plus que cela correspond très exactement à la contraction réelle des longueurs à bord du référentiel mobile. En réalité, la contraction des longueurs n’a rien à voir dans cette affaire, seul le ralentissement temporel est en cause. Il suffit que les horloges soient plus lentes pour que les distances paraissent plus courtes, sans contraction physique réelle de l’espace. Les équations efficaces peuvent utiliser des raccourcis qui donnent une idée fausse de la réalité.

Les équations sont exactes mais ce sont les scientifiques qui nous expliquent ce que signifient les résultats. Cette interprétation des résultats n’est pas une donnée scientifique, mais une opinion, nécessairement influencée par la conception que son auteur se fait du monde. Lorsqu’on nous présente ces opinions comme des vérités scientifiques, c’est une tromperie qui décrédibilise les acquis de la science. Comment le citoyen lambda pourrait-il faire le tri ? De ce fait, les mythes des scientifiques et ceux de la religion sont de même nature, c’est-à-dire des créations de l’imaginaire humain, avec une part de vérité et une part de fantasmagorique. Si une même particule peut passer simultanément par deux fentes distinctes, pourquoi Jésus n’aurait-il pas pu marcher sur l’eau ?

L’usage abusif des principes, où le raisonnement creux

On ne peut décrire un phénomène physique par la seule application d’un principe, car les principes sont des créations humaines obtenu par la généralisation d’un ou plusieurs phénomènes observés. La nature n’obéit pas à des principes, mais à des phénomènes physiques réels. Dire que les observations d’observateurs en mouvement inertiel sont symétriques en application du principe de relativité n’explique rien quant aux phénomènes qui aboutissent à ce résultat. Le principe de relativité n’est pas la cause de la symétrie des observations, cela est dû à la combinaison du ralentissement temporel à bord du référentiel le plu rapide et de l’effet Doppler. Le raisonnement fondé sur des principes est bien souvent creux.

Ce que nous observons ne prend sens que par comparaison avec ce que nous savons du monde. Aucun observateur ne peut prétendre avoir une interprétation objective des choses observées, même si nous nous en approchons parfois, dans certaines conditions. Ce n’est pas seulement parce que nous n’avons connaissance que des interactions entre les évènements observés et nos moyens d’observation, mais également parce que cette interaction n’a aucun sens en soi, ce ne sont que des images, des sons, etc.

Imaginons que je circule en ville à bord de ma voiture. J’entend le signal sonore d’une ambulance. Cette information me signifie que je dois céder le passage, je m’écarte et je m’arrête. L’ambulance me dépasse à grande vitesse et je reconnais qu’elle se dirige vers l’hôpital. Rentré chez moi, je raconte à mon épouse qu’il y avait une urgence pour l’hôpital et j’imagine la scène de l’arrivée de l’ambulance au service des urgences, telle que je l’ai vécue parfois. Supposons maintenant qu’il y ait eu sur le trottoir un homme ignorant tout de notre civilisation. Que peut-il avoir compris de la scène ? Peut-être que le véhicule pressé transportait un puissant personnage et que je lui ai cédé le passage par déférence ou par crainte. Si cet observateur est un extra terrestre, il aura seulement observé (si toutefois il entend et voit comme nous) qu’une chose en mouvement rapide, émettait des signaux sonores et lumineux qui ont fait s’écarter et s’arrêter une autre chose sur son passage.

L’œil (par exemple), ne transmet au cerveau que des images colorées que celui-ci doit interpréter. Une information brute complémentaire, le mouvement, nous est donnée grâce à la mémoire immédiate. La perception de la réalité relève uniquement de sa représentation, sans laquelle les sensations n’auraient aucun sens. Une image n’est qu’un assemblage de taches de couleurs, qui ne prend sens que par l’interprétation que nous en faisons. L’analyse de l’image se fait par comparaison de ses éléments avec d’autre images stockées dans notre mémoire. C’est la notion de causalité qui va intervenir très tôt chez l’enfant en associant des images à des sensations agréables ou désagréable ou à la satisfaction d’un besoin. Ce rapport de causalité est assez fruste (chat échaudé craint l’eau froide), l’image reçue étant instantanément comparée à une autre, stockée en mémoire et associée à une émotion, sans intervention d’un raisonnement. Ceci vaut, bien évidemment, pour les stimuli fournis par les autres sens. C’est ce même mécanisme qui explique l’intuition : sans pouvoir l’expliquer, nous avons l’intuition de quelque chose parce que des indices, que nous ne remarquons pas consciemment, renvoient à des situations connues antérieurement.

Après quelque temps, un bébé apprend à classer les choses et les êtres, en associant ceux ayant des caractéristiques communes et les distinguant de ceux ne les ayant pas. L’inerte et le mobile, le connu et la nouveauté, etc. Ainsi apparaissent les catégories, lesquelles ne sont plus une connaissance instinctive, mais raisonnée. Nos premières connaissances nous viennent de nos expériences personnelles, puis s’y ajoutent celles transmises par d’autres, d’abord sous la forme d’expérimentations crées artificiellement, puis par la mémorisation de concepts abstraits. Telle scène peut alors nous renvoyer à tel concept connu par transmission de savoir. Il ne faut pas croire, cependant, que les connaissances gérées par notre conscience, c’est à dire par le raisonnement, soient indépendantes des réactions réflexes inconscientes. Parfois, le raisonnement n’est que l’habillage rationalisant d’une intuition, par exemple une relation de causalité inconsciente. L’acceptation d’un concept peut également être bloquée si celui-ci est en contradiction avec une conviction profondément enracinée, non exprimée. Notre représentation du monde résulte ainsi de la sédimentation des connaissances acquises par l’expérience et la transmission. Cette représentation nous permet d’interpréter ce que nos sens nous transmettent. Ce que nous percevons de la réalité n’est jamais que notre interprétation mentale de la réalité ressentie, laquelle est une interprétation sensorielle de la réalité extérieure, par interaction avec celle-ci.

Il y a encore l’ensemble des habitudes propres à une collectivité, sa culture au sens large, sans construction réfléchie pouvant être qualifiée de doctrine. Sauf cas pathologiques, tout individu a besoin d’être considéré et reconnu et doit pour cela adhérer aux usages de son groupe (par exemple, pour faire carrière, il est préférable de se conformer aux règles non écrites de sa profession). Nul n’est totalement libéré de toutes les représentations décrites ci-dessus, à telle enseigne que la réalité a pu être considéré comme une pure construction mentale. Ce que nous appelons réalité est une création de notre esprit. Si nous poussons le raisonnement à l’extrême, le monde étant pure imagination de celui qui l’observe, et celui-ci faisant partie du monde, nous serions le fruit de notre propre imagination. Ridicule. Comme toujours, c’est une assimilation abusive qui fausse les prémisses du raisonnement. La réalité est présentée comme ce qui est considéré comme vrai, mais cette réalité là n’est que celle de la représentation. La réalité objective est extérieure à l’observateur, elle ne dépend pas de l’idée que celui-ci s’en fait. Le monde tel que nous le connaissons est notre monde, ou plus exactement il est une représentation qui nous est propre et dépend de nos sens, de notre cerveau et de notre culture, y compris scientifique.

Pour l’homme, la réalité est évidemment ce qu’il croit être vrai et cette croyance résulte de la représentation qu’il se fait du monde. Tout individu a besoin de comprendre ce qui l’entoure, de le rendre prévisible. On ne pourrait vivre dans un environnement totalement incompréhensible et imprévisible. Toutes les sociétés humaines ont créé des mythes ayant vocation d’expliquer le monde, pour pouvoir agir et atténuer les angoisses (par rapport à la mort, notamment). Tel est le rôle des religions et plus généralement de toutes les idéologies totalisantes. L’incompréhensible trouve ainsi une explication toute faite, rassurante en ce qu’elle donne sens. L’adhésion à une doctrine n’épargne pas la science, si l’on désigne par ce mot un corpus de connaissances acquises et considérées comme vraies. Bien entendu, la véritable science n’est pas cela, c’est tout au contraire une méthode permettant de s’affranchir des croyances infondées. Les exemples, cependant, ne manquent pas d’affirmations présentées comme scientifiques alors qu’elles ne sont que l’opinion de spécialistes reconnus. L’autorité de leurs auteurs semble les dispenser de prouver ce qu’ils affirment, parfois motivé par des préjugés issus de leur propre représentation du monde (idéologie religieuse ou politique, racisme, sexisme, etc.) ou parce que cela les arrange.

Les évidences, ces choses dont il ne vient même pas à l’esprit de douter, sont souvent le produit de notre représentation implicite du monde. Newton ne doutait pas que le temps s’écoulât de la même façon pour tout le monde, car dans notre expérience quotidienne il en est bien approximativement ainsi. De cette uniformité temporelle, il concluait naturellement que le temps, tout comme l’espace, était une donnée externe au monde matériel, dans laquelle celui-ci évoluait. Les lois de l’électromagnétisme disant le contraire, Einstein pensa que ce sont elles qui disent la vérité et trouva, avec la formule de Lorentz le moyen d’unifier mécanique et électromagnétisme. Il en tira la conclusion que le temps doit varier en fonction de la vitesse et que celle-ci ne peut dépasser celle de la lumière. Les équations permettant d’unifier la physique, imposent que les horloges ralentissent et que les règles se contractent en fonction de la vitesse, alors c’est bien ce qui doit se passer dans la réalité. Cela peut paraître étrange, mais existe-il une loi physique interdisant qu’il en soit ainsi ?

Pour échapper aux interprétations, peut-être faut-il se contenter de ce que l’on observe, sans essayer de lui donner sens, la science trouvant alors sa justification dans sa capacité à prévoir les évènements, même si nous sommes incapables de dire pourquoi. Pour autant, ce que nous observons est-il la réalité des choses ?  Pour certains physiciens, c’est l’observation qui crée les choses observées. Cette position est celle de l’interprétation de Copenhague. Il y a une part de vérité dans cette affirmation, si l’on veut dire par là que nous n’observons pas la réalité, mais seulement l’interaction de celle-ci avec nos sens et nos instruments. Cependant, il faut bien qu’il y ait quelque chose à observer pour qu’il y ait interaction. Il est certain que la présence de l’ethnologue influe sur le comportement d’une population qu’il observe. Pour approcher la réalité, il faut tenir compte des effets induits par cette présence. Pour autant, la culture de cette population existe bien, indépendamment de l’éthologue. L’observation ne crée pas la réalité, mais elle crée assurément une partie de ce que nous observons.

La réalité est comme les poupées russes : la plus cachée est la réalité objective, au-dessus est la réalité perçue par nos sens (interaction avec la réalité objective) et enfin vient la réalité telle que nous la comprenons (interprétation des messages transmis par nos sens). Nous ne pouvons avoir une perception neutre, objective, du monde, c’est seulement (et ce sera toujours seulement) l’interprétation de notre interaction avec lui. La réalité en soi est inaccessible, car pour la connaître, il faut la percevoir et notre perception dépend de nos sens. Nous n’avons connaissance du réel qu’au travers de nos sens et des instruments que nous créons. Seule la réalité perçue est accessible et elle diffère selon les espèces vivantes. Qu’est la réalité d’une grotte, pour une chauve-souris qui y navigue grâce à l’écholocation ? Notre perception du réel dépend de la représentation que nous en faisons. Le monde tel que nous le connaissons est notre monde, ou, plus exactement, il est une représentation qui nous est propre et dépend de nos sens, de notre cerveau et de notre culture. Ce que nous savons du monde ne peut correspondre à sa réalité profonde.

De quelle réalité les physiciens parlent-ils ?  Les plus téméraires prétendent décrire la réalité objective par leurs équations, les plus prudents se contentent d’affirmer qu’ils décrivent ce qui est observable et mesurable. En réalité, cependant, les lois scientifiques ne sont que notre représentation de ce que nous prétendons décrire, avec une part de préjugés liés à notre culture, voire à notre ressenti intuitif du monde. Il faut bien garder cela à l’esprit, même s’il ne faut pas renoncer à s’approcher de la réalité.

Existe-t-il un monde extérieur à notre esprit ?

Les hommes ont longtemps cru que leurs sens leur donnaient directement accès à la réalité du monde et la plupart le croient encore. Bien sûr, nous connaissons tous quelques cas où nos sens nous trompent, comme les illusions d’optiques, mais cela reste anecdotique. D’ailleurs, en réalité, ces illusions ne sont pas imputables à nos sens mais à notre cerveau qui interprète mal les images transmises par nos sens. La variabilité des sensations et la diversité des opinions firent douter les anciens philosophes grecs de la réalité d’un monde extérieur.  Aujourd’hui encore, la question fait débat en philosophie de savoir si le monde extérieur a une réalité en dehors de notre esprit, puisque c’est celui-ci qui crée la réalité de ce qui parvient à notre conscience.

Soit le monde extérieur existe, soit il n’existe pas, il n’y a pas de solution intermédiaire. Si le monde extérieur existe, il se peut qu’il n’interagisse pas avec mon esprit et que la représentation que j’en ai soit purement imaginaire. En ce cas, il existe, mais je n’en connais rien, ce qui renvoie à l’hypothèse selon laquelle mon monde est pure création de mon esprit. Si mon monde n’a pas de réalité en dehors de ma conscience, c’est donc que tout ce que je ressens n’a pas de réalité objective. Lorsque je lis le Discours de la méthode de Descartes, Descartes n’a jamais existé, le Discours n’a jamais été écrit, je pense, donc je suis… mais tout seul. Rien ne prouve en effet l’existence d’autres esprits, je débats donc avec moi-même.

Dans l’allégorie de la caverne de Platon, les prisonniers qui y sont enchaînés n’ont de connaissance du monde extérieur, auquel ils tournent le dos, que par les ombres qui en sont projetées sur la paroi leur faisant face. C’est leur vision de la réalité. Ils ont soigneusement étudié ces ombres et y ont décelé des régularités qui leurs permettent de faire des prévisions. Evidemment, ce n’est pas la réalité, mais les ombres sont cependant le reflet de ce qui se passe à l’extérieur de la caverne, ce n’est pas une création de leur esprit, sauf l’interprétation qu’ils en font. Admettre que le monde extérieur existe ne nous oblige pas à croire qu’il est tel que nos sens le perçoivent et que notre esprit se le représente. L’allégorie de la caverne illustre bien cela : le monde extérieur peut n’être pas tel qu’on le perçoit. Cependant, pour Platon, ce que voient les prisonniers de la caverne sont les ombres de simulacres, de marionnettes agitées par des individus et non la réalité qui est autre. Platon est considéré comme le premier des idéalistes, car pensant que seul existe le monde des idées et que le reste est pure illusion. A cette opinion s’opposent les réalistes croyant à l’existence d’un monde réel qui nous est extérieur et interagit avec nous.

Erwin Schrödinger souligne avec raison que rien ne prouve l’existence d’un monde en dehors de l’esprit, c’est donc que l’hypothèse d’un monde extérieur n’est pas falsifiable (réfutable) au sens de Karl Popper : ce n’est pas une hypothèse scientifique. La science physique consistant précisément à étudier ce monde extérieur, on comprend que Max Planck préfère y croire. Si le monde n’existe pas, s’il n’est qu’illusion, à quoi bon l’étudier ? Supposer son irréalité est une vue de l’esprit et ne conduit à rien. Nous supposerons donc qu’il existe un monde qui nous est extérieur, perçu par nos sens et interprété par notre cerveau.

L’interaction du monde avec nos sens

A quoi ressemble la réalité ? Cela dépend bien entendu de l’observateur. Il fait beau, le ciel est bleu. C’est quoi bleu ? Le ciel est-il vraiment bleu pour tout le monde ? Qu’en pense cette abeille ? Et mon chat ? Et ma petite fille qui ne voit plus les couleurs ? C’est quoi bleu ? Tous les animaux qui perçoivent les couleurs voient ils le même bleu ? Finalement, le ciel est-il vraiment bleu ? Non bien sûr, il est noir. C’est la couche d’air qui nous sépare de l’infini qui nous parait bleue. Cet air n’a d’ailleurs pas de couleur, pas plus que cette fleur jaune dans l’herbe verte. Ce ne sont que ma perception de longueurs d’ondes qui me sont renvoyées. Je crois pouvoir décrire le monde réel, mais cet insecte, s’il pouvait parler serait d’un avis totalement différent, et pourtant, c’est le même monde ! Nous ne le percevons pas tel qu’il est, mais selon la façon dont nous interagissons avec lui et dont nous interprétons l’information reçue.

C’est notre cerveau qui nous dit que le ciel est bleu, car la couleur n’est pas dans la nature. La couleur résulte d’un signal que reçoit notre œil et que le cerveau interprète comme une couleur. Nous croyons que la couleur est une caractéristique des choses que nous voyons, alors qu’elle n’existe que dans notre esprit. Si Newton avait reçu la pomme sur la tête, en aurait-il conclu que la douleur est une caractéristique de la pomme ? Non, c’est la résistance des os du crâne à la masse inertielle de la pomme qui est ressentie et transmise au cerveau par un influx nerveux. Les caractéristiques de la pomme sont sa masse, sa vitesse de chute, sa dureté, mais la douleur est due à l’interaction du crâne et de la pomme. De même la couleur de celle-ci est-elle l’interaction entre l’œil et la lumière réfléchie par sa surface. La couleur n’est pas plus une caractéristique de la pomme que la douleur perçue par le crâne.

La pomme n’est pas rouge, mais nous la voyons rouge. Elle reçoit la lumière du soleil qu’elle nous renvoie partiellement. La lumière émise par notre étoile est la somme de différentes longueurs d’ondes dont la dissociation constitue le spectre, révélé par la diffraction dans un cristal ou par la pluie dans un arc en ciel. La surface de la pomme reçoit la totalité du spectre (si elle est en plein soleil) et en absorbe une partie, sauf l’onde que nous voyons rouge qui nous est renvoyé. La pomme est donc tout sauf rouge ! Une surface blanche nous renvoie la totalité du spectre visible, alors qu’une surface noire ne nous renvoie rien.

Même si la couleur n’est qu’une longueur d’onde, ce n’est pas rien. Notre esprit perçoit une couleur au lieu d’une onde électromagnétique, mais ce n’est pas une illusion, c’est une traduction. Le monde réel n’est pas tel que nous le voyons, mais il existe puisque nous interagissons avec lui. Il y a autant de perceptions que d’observateurs, mais tous observent le même monde et sans doute le trouvent ils tous très beau. La diversité des observations ne doit pas faire douter de l’existence d’une réalité objective qui nous est extérieure, mais seulement devons nous considérer comme vraies toutes les observations en tant qu’interactions des observateurs avec la chose observée. Ce que nous percevons n’est pas la réalité objective, mais seulement l’interaction de nos sens et instruments de mesure avec les signaux électromagnétiques émis ou réfléchis par les choses observées. Le lointain observé, c’est de la lumière qui nous en parvient et rien d’autre.

L’interprétation de Copenhague

Einstein n’est pas seulement l’auteur de la théorie de la Relativité, il est aussi l’un des pères de la mécanique quantique. Alors que tout laissait penser à croire que la lumière était une onde, Einstein affirma que la lumière était émise en paquets d’énergie appelés quanta (quantum au singulier). Alors que des expériences avaient démontré le caractère ondulatoire de la lumière, d’autres expériences démontrèrent son caractère corpusculaire. La lumière prenait ainsi l’apparence d’une onde ou celle d’un corpuscule selon les moyens mis en œuvre. Tous les corpuscules élémentaires de la physique se comportent d’ailleurs ainsi et pas seulement les photons de la lumière. 

Les physiciens de l’école de Copenhague (Bohr, Heisenberg, Pauli et Jordan) en titrèrent la conclusion que c’est l’observation qui créé la chose observée et que la science doit se contenter de décrire ce qu’on observe. Il faut dire que la physique quantique échappe encore à toute interprétation rationnelle et que chercher à comprendre peut paraître bien vain. L’interprétation de Copenhague n’est pas fausse en ce sens que nous n’avons et n’aurons jamais accès à autre chose qu’aux effets de l’interaction de la chose observée avec nos sens ou nos instruments et non à la chose elle-même. Le bruit de l’arbre qui tombe dans la forêt existe-t-il s’il n’y a personne pour l’entendre ? Evidemment non, ce qui existe c’est une vibration de l’air provoquée par la chute, laquelle ne devient son que si elle frappe un tympan d’oreille et est interprétée comme son par un cerveau. La réalité nous échappant, les physiciens de l’école de Copenhague ont appelé réalité ce que les scientifiques peuvent observer, indépendamment de l’interprétation qu’ils peuvent en faire. Cette réalité est distincte de la chose en soi qui nous échappe. Il y a là deux aspects de la réalité, la chose en soi est la réalité objective et la réalité de l’école de Copenhague est une réalité observationnelle (ou pragmatique). Le problème est que lorsque les vulgarisateurs parlent de réalité observée, les lecteurs comprennent réalité objective.

La relativité de la chronologie des évènements lointains (simultanéité)

La relativité de la simultanéité n’a pas été découverte par l’observation, c’est la conséquence logique, démontrée par Einstein, de la limitation de la vitesse de la lumière. La propagation de la lumière n’étant pas instantanée, mais à vitesse limitée, deux observateurs en mouvement relatif ne peuvent être d’accord sur la chronologie d’évènements distants. Cette conséquence a été confirmée par l’observation. Nous pouvons en conclure que, si la vitesse de la lumière était illimitée, tous les observateurs seraient instantanément et simultanément informés de ce qui se passe aux confins de l’univers. La relativité de la simultanéité est donc un pur phénomène d’observation et, dans ce cas précis, nous savons à quoi doit ressembler la réalité objective, même si elle est inconnaissable. Il existe une simultanéité objective unique.

L’impossibilité de connaître la simultanéité objective ne prouve pas son inexistence. Tout devient beaucoup plus clair et conforme au bon sens si l’on veut bien admettre qu’il existe une simultanéité objective unique, mais qu’elle est inconnaissable en raison de la vitesse limitée de la lumière et du mouvement des observateurs. Que cette simultanéité objective soit inexistante ou seulement inobservable ne change rien à la théorie de la relativité, laquelle a pour seule ambition de décrire ce qui est observable et le physicien n’en a que faire puisque la distinction est hors du champ scientifique. Le vulgarisateur, lui, doit aller au-delà, car le profane ne s’intéresse pas à la théorie pour faire des calculs et des prévisions, il veut simplement connaître et comprendre. Planck a dit, a juste titre qu’on peut utiliser sa théorie sans la comprendre, mais il est tout de même plus confortable de savoir pourquoi les choses sont ainsi, surtout si cela heurte le bon sens.

Critique de l’explication commune du paradoxe des jumeaux

L’explication généralement admise de la résolution du paradoxe des jumeaux se présente comme suit :

1 – La relativité explique fort bien la différence d’âge des jumeaux au retour du voyageur sur terre et cela a été confirmé par l’expérience.

2 – Le ralentissement des horloges étant un phénomène réciproque, chaque jumeau doit observer que la montre de l’autre est plus lente que la sienne, mais en ce cas, il ne peut y avoir de différence d’âge entre eux lorsqu’ils se retrouvent. C’est là le paradoxe : la théorie de la relativité ne peut contredire le principe de relativité, lequel implique la symétrie des phénomènes.

3 – En réalité, le trajet du voyageur n’est pas totalement inertiel puisqu’il lui faut faire demi-tour (décélération puis accélération ne sont pas des vitesses constantes), il n’y a donc pas de paradoxe. Ouf ! Tout s’explique.

Puisque le ralentissement temporel est incompatible avec la symétrie résultant du principe de relativité en mouvement inertiel, il suffit de démontrer que le trajet n’est pas inertiel pour échapper au paradoxe. Ainsi, la théorie de la relativité et son ralentissement temporel ne s’appliquerait pas au mouvement inertiel, le seul où s’applique le principe de relativité. Paradoxal, non ? Nous croyions avoir compris et n’avons rien compris du tout. Cela a l’air d’un tour de passe-passe. Il faut reprendre pas à pas l’argumentation :

1 – Les équations de la relativité n’expliquent en rien la différence des âges, mais le ralentissement temporel est indispensable pour résoudre la contradiction entre la mécanique classique et l’électromagnétisme. Einstein a vu juste car ce ralentissement est confirmé par l’expérience. Reste à interpréter ces résultats. On nous explique que, dans l’espace-temps, le trajet aller retour est plus court que le trajet exclusivement temporel du jumeau sédentaire. N’est-ce point paradoxal ? Est-ce là le modèle de cohérence attendu de la théorie de la relativité restreinte ? Il serait tout de même plus simple et plus logique d’admettre que la vitesse ralentit la marche des horloges, plutôt que de croire qu’elle raccourcit les distances. D’ailleurs, cette explication ne convient pas à notre histoire de jumeaux car, si la distance est plus courte, alors le jumeau voyageur reviendra plus tôt, sans écart d’âge avec le sédentaire. Bien sûr, la distance paraîtra plus courte pour le voyageur de Langevin, mais c’est une conséquence du ralentissement de son rythme temporel et non la cause de celui-ci. L’explication est fausse, mais cela ne change rien à notre paradoxe.

2 – Revenons au principe de relativité. Galilée a constaté que les expériences physiques effectuées à bord d’un navire donnent toutes les mêmes résultats, que le navire soit immobile à quai ou navigue sur une mer calme. Il en conclut qu’il est impossible de savoir si le navire est immobile ou se meut sans se référer à un repère externe supposé fixe. Cette symétrie des résultats donnée par les expériences physiques s’explique aisément : la vitesse du contenant est communiquée à tout ce qu’il contient et les expériences ne peuvent mettre en évidence que la différence entre le mouvement du navire et le mouvement propre des corps qu’il transporte. Si symétrie il y a, c’est celle des mesures en interne. N’ajoute-t-on pas au principe de relativité en affirmant que cette symétrie s’applique également aux phénomènes observés à bord d’un autre référentiel en mouvement uniforme ? En vérité, la symétrie des observations n’implique pas la réalité de la symétrie des phénomènes, car la transmission de l’image du rythme temporel de chacun est affectée par l’effet Doppler, ce qui a pour effet de ralentir en apparence le rythme temporel de l’observateur immobile (ou le plus lent) et d’accélérer en apparence celui de l’observateur en mouvement, pour finalement leur donner la même fréquence. Il y a bien symétrie des observations, mais seul l’observateur en mouvement a son rythme temporel réellement ralenti. Il n’y a pas de paradoxe, car on fait dire au principe de relativité ce qu’il ne dit pas.

3 – Einstein a raison de dire que le principe de relativité ne peut s’appliquer à la totalité du trajet du jumeau voyageur, mais s’applique à l’aller et au retour, séparément. A l’aller, les rythmes temporels semblent ralentir et au retour ils semblent s’accélérer. C’est curieux, la théorie ne prévoyant pas d’accélération temporelle, il doit donc y avoir autre chose. A cela on pourra bien sûr objecter que chacun observe la même accélération temporelle chez l’autre et que l’on retrouve la symétrie. Certes, mais il s’agit d’une observation obtenue grâce à la réception de signaux lumineux, lesquels sont affectés par l’effet Doppler. Aucun des jumeaux ne voit directement ce qui se passe chez l’autre, il n’en reçoit qu’une image déformée. Si les observateurs galiléens observent un ralentissement ou une accélération symétrique entre eux, c’est que la réalité est autre, car s’ils étaient affectés par un ralentissement symétrique, à vitesse différente, la réception serait différente du fait de l’effet Doppler.

L’impossible illusion symétrique

Pour les illusionnistes, l’invariance de la vitesse de la lumière (effet réel) est cause de la relativité de la simultanéité (effet d’observation), laquelle est elle-même cause du ralentissement temporel apparent à bord du référentiel en mouvement (effet d’observation). Il ne se passe rien de particulier à bord du référentiel en mouvement, son horloge battant au même rythme que celle de l’observateur immobile. Le ralentissement temporel observé par ce dernier étant une illusion, cela signifie qu’en réalité il n’en est rien, que le signal lumineux invariant semble ralenti relativement au mobile et que son passager peut s’en rendre compte, ce qui est contraire au principe de relativité !

Il est encore possible de prétendre qu’une illusion donne à l’observateur immobile l’impression que la vitesse de la lumière est inchangée alors qu’en réalité elle plus élevée, conformément aux lois de la mécanique classique newtonienne. Sachant que l’illusion est sensée provenir de l’invariance de la vitesse de la lumière, cela revient à dire que l’invariance de la vitesse de la lumière est une illusion due à son invariance ! Nous voilà bien avancés.

Le véritable paradoxe

Il est beaucoup plus simple d’admettre que le rythme temporel d’un corps en mouvement est ralenti, que son mouvement soit inertiel ou non. Bien sûr, ce n’est pas la relativité de la simultanéité qui peut réellement ralentir l’horloge du mobile, mais l’impossibilité de dépasser la vitesse de la lumière. Lorsque la vitesse impulsée à un corps augmente, la vitesse de son rythme temporel ralentit. La Relativité de la simultanéité (en réalité celle de la chronologie des évènements distants) et la Relativité temporelle sont deux phénomènes distincts, mais également dus à la vitesse, et dont les effets sont cumulatifs en cas de mouvement. La Relativité de la simultanéité, qui est un effet d’observation, ne peut expliquer pourquoi le jumeau voyageur revient plus jeune que son frère resté à terre, d’où le paradoxe. Un effet seulement apparent ne peut être la cause d’un phénomène réel.

Finalement, le véritable paradoxe dans cette histoire de jumeaux n’est pas que le voyageur soit plus jeune que le sédentaire au moment de leurs retrouvailles, mais plutôt que certains, et non des moindres, refusent d’admettre que cela soit une conséquence du mouvement, même inertiel. La façon la plus simple et la plus logique de résoudre le paradoxe des jumeaux est d’admettre la réalité physique du ralentissement temporel à bord du référentiel en mouvement inertiel. Certains s’y refusent, car sans doute y voient-ils une contradiction avec le principe de relativité. Ce principe serait-il incompatible avec la théorie de la relativité ? La dilatation temporelle et la contraction des longueurs permettent de concilier le second postulat de le relativité restreinte avec le premier, alors pourquoi les rejeter et n’y voir que des illusions, sans effet réel ?

Pour Einstein, les effets relativistes sont la solution au problème résultant de l’invariance de la vitesse de la lumière, alors que pour les illusionnistes les effets relativistes sont un problème qui est résolu par l’invariance de la vitesse de la lumière et la désynchronisation de la simultanéité qui en résulte. Pour Einstein, c’est parce que le voyageur vieillit moins vite du fait de sa vitesse que la contradiction entre les deux postulats de la Relativité restreinte est résolue, alors que pour les illusionnistes, l’écart des âges entre le voyageur et le sédentaire est un paradoxe inexplicable dans le cadre de la Relativité restreinte.

Einstein propose une nouvelle physique pour unifier la mécanique et l’électromagnétisme, alors que les illusionnistes tentent de concilier les avancées de la relativité restreinte avec la conception newtonienne de la mécanique et la relativité galiléenne. Ils n’ont pas compris que l’existence d’une vitesse limite donne un repère absolu qui manquait dans l’ancienne conception de la relativité, pas plus qu’ils n’ont compris que cette dernière posait seulement l’impossibilité de décider qui est en mouvement et non que les situations étaient réellement interchangeables.

La mesure des phénomènes physiques donne des résultats identiques dans tous les référentiels quelle que soit leur vitesse. La vitesse de la lumière est constante et l’observateur mobile ne peut déceler son propre mouvement. Ceci est conforme au principe de relativité.

L’observateur immobile constate que les longueurs sont contractées et le temps dilaté à bord du référentiel en mouvement. Pour l’observateur en mouvement, la combinaison des effets de la relativité de la simultanéité avec les effets relativistes lui donne l’illusion que ce sont les règles et le temps de l’autre référentiel qui sont affectés. Les effets relativistes sont réels à bord du référentiel en mouvement et, conséquence surprenante (mais vérifiée par le calcul), cela lui donne l’illusion que les mêmes effets relativistes s’appliquent au référentiel immobile. Ainsi s’explique la réciprocité des observations, réalité constatée pour l’observateur immobile et illusion pour l’observateur en mouvement. L’invariance de la vitesse de la lumière est la cause des effets relativistes qui affectent les corps en mouvement et la cause de l’illusion qui leur donne l’impression de la réciprocité.

Le ralentissement des horloges étant un phénomène réel à bord des référentiels en mouvement, le jumeau voyageur est naturellement plus jeune que le jumeau sédentaire lors de leurs retrouvailles. Il n’y a donc pas de paradoxe. En vérité, si le temps n’était pas réellement ralenti par le mouvement inertiel, le postulat de l’invariance de la vitesse de la lumière serait incompatible avec celui de l’invariance des phénomènes physiques entre les référentiels se mouvant par inertie. Refuser le ralentissement temporel dû au mouvement inertiel revient donc à refuser la théorie élaborée par Einstein.

Ce n’est pas en application d’un supposé principe de relativité que le ralentissement temporel apparait symétrique pendant la phase inertielle du mouvement, mais en application des mécanismes combinés de la relativité restreinte et de l’effet Doppler. Le principe de relativité n’existe pas dans le nature, c’est une construction humaine visant à justifier les phénomènes observés, mais dans la nature, ces phénomènes sont des mécanismes physiques et non la conséquence d’un principe. On ne peut invoquer l’application d’un principe en faisant l’économie de la recherche des mécanismes physiques mis en cause.