Le temps : mesurable, réversible, insaisissable ?

Michèle Leduc, Michel Le Bellac, Mathias Fink

Description

Depuis l’Antiquité, la nature du temps a fasciné nombre de grands penseurs. Cet ouvrage expose ce que la physique est capable de dire aujourd’hui sur le sujet.
La mesure du temps, ou plus exactement celle d’une durée, se fait grâce à des horloges atomiques dont l’exactitude peut atteindre une seconde sur plusieurs milliards d’années. Nous décrivons la façon dont s’effectue le transfert du temps qui permet la synchronisation d’horloges en différents points de la Terre ou de l’espace au milliardième de seconde près, ou même mieux.
Les relativités, restreinte et générale, ont bouleversé notre conception du temps et ont un impact considérable sur certains problèmes de la vie quotidienne comme l’utilisation du GPS. On abandonne l’idée d’un temps absolu, le temps devient multiple et insaisissable, et peutêtre même une illusion.
Enfin la flèche du temps, ou l’irréversibilité, implique que les phénomènes physiques se déroulent toujours dans un sens déterminé, en relation avec la croissance de l’entropie. Cependant il est possible dans certaines conditions d’échapper à cette contrainte et de construire un temps réversible grâce aux miroirs à retournement temporel, dont nous décrivons les nombreuses applications pratiques.

Sujets

• Sciences expérimentales
• Physique
• Physical attractiveness
• Sciences et techniques
• Physics
• Science

Informations

• Publié par: EDP Sciences
• Date de parution: 03 mai 2016
• Nombre de lectures: 0
• EAN13: 9782759828609
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

Mathias Fink, Michel Le Bellac et Michèle Leduc
Le temps : mesurable, réversible, insaisissable ?
Hommage à  Roger Maynard
Copyright

© EDP Sciences, Les Ulis, 2016
ISBN papier : 9782759819119 ISBN numérique : 9782759828609
Composition numérique : 2023
http://publications.edpsciences.org/
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Présentation

Depuis l’Antiquité, la nature du temps a fasciné nombre de grands penseurs. Cet ouvrage expose ce que la physique est capable de dire aujourd’hui sur le sujet.
La mesure du temps, ou plus exactement celle d’une durée, se fait grâce à des horloges atomiques dont l’exactitude peut atteindre une seconde sur plusieurs milliards d’années. Nous décrivons la façon dont s’effectue le transfert du temps qui permet la synchronisation d’horloges en différents points de la Terre ou de l’espace au milliardième de seconde près, ou même mieux.
Les relativités, restreinte et générale, ont bouleversé notre conception du temps et ont un impact considérable sur certains problèmes de la vie quotidienne comme l’utilisation du GPS. On abandonne l’idée d’un temps absolu, le temps devient multiple et insaisissable, et peut-être même une illusion.
Enfin la flèche du temps, ou l’irréversibilité, implique que les phénomènes physiques se déroulent toujours dans un sens déterminé, en relation avec la croissance de l’entropie. Cependant il est possible dans certaines conditions d’échapper à cette contrainte et de construire un temps réversible grâce aux miroirs à retournement temporel, dont nous décrivons les nombreuses applications pratiques.
Les auteurs

Mathias Fink

Mathias Fink occupe la chaire George Charpak à l’École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris (ESPCI) Paris-Tech, où il a fondé l’Institut Langevin. Il est membre de l’Académie des sciences et de l’Académie des technologies.
Michel Le Bellac

Michel Le Bellac est professeur émérite à l’Université de Nice-Sophia Antipolis. Il est l’auteur de plusieurs manuels de physique à un niveau avancé et de deux livres dans la présente collection, Le monde quantique et Les relativités.
Michèle Leduc

Michèle Leduc est directrice de recherche émérite CNRS au Laboratoire Kastler-Brossel et directrice de l’Institut Francilien de Recherche sur les Atomes Froids (IFRAF).
Table des matières Avant-Propos 1. Le temps newtonien 1.1. Le temps subjectif 1.2. L espace-temps newtonien 1.3. Causalité et simultanéité 2. Les différentes échelles de temps 2.1. Du temps de Planck à la milliseconde 2.2. De la milliseconde à mille années 2.3. De mille années à 10 milliards d années 3. La mesure du temps 3.1. Repérer le temps : depuis la préhistoire 3.2. Mesurer les durées avec un phénomène continu : premières horloges 3.3. Mesurer le temps avec un phénomène périodique 3.4. Les horloges à atomes froids 3.5. Exactitude, stabilité, performances d une horloge 3.6. Définition de l unité du temps : la seconde 4. Le temps de la relativité restreinte 4.1. Vitesse limite 4.2. Temps propre 4.3. Espace-temps de Minkowski 4.4. Synchronisation des horloges et transformation du temps 4.5. Le paradoxe des jumeaux 5. Le temps de la relativité générale 5.1. Décalage vers le rouge gravitationnel 5.2. Application au GPS 5.3. Le temps en gravité forte 5.4. Le temps cosmologique 6. Le standard de temps universel 6.1 Connaître le temps sur la Terre 6.2. Les transferts temps/fréquence (T/F) 6.3. Une horloge sur la plateforme spatiale internationale (ISS) 6.4. Le transfert temps/fréquence par fibre optique 6.5. Le temps universel 6.6. Quelques applications fondamentales de la mesure du temps 6.7. Conclusion 7. La flèche du temps 7.1. Le second principe et l entropie 7.2. L entropie de Boltzmann 7.3. Énergie et entropie 7.4. Réversibilité microscopique et irréversibilité macroscopique 7.5. Entropie et information 8. Renversement du temps et ondes 8.1. Acoustique et renversement du temps 8.2. Principe de Huygens et miroir à retournement temporel (MRT) 8.3. Causalité et limite de diffraction 8.4. Complexité, codage spatio-temporel et degrés de liberté 8.5. Communication sous-marine et objets tactiles 8.6. Super-résolution et résonateurs sub-longueur d onde 8.7. Imagerie ultrarapide et retournement temporel 8.8. Thérapie 8.9. Sonar et radar à retournement temporel 8.10. Conclusion Bibliographie
Avant-Propos

C e livre est issu d une réflexion sur le temps menée par Roger Maynard à partir de ses travaux de physicien sur les ondes, le désordre et la complexité. En nous inspirant des nombreuses conférences grand public qu il avait données sur ce sujet, nous avions le projet d écrire avec lui un livre sur le temps, en additionnant nos compétences sur divers aspects de la question. Malheureusement la disparition prématurée de Roger en juin 2015 nous a conduits à reprendre sans lui ce projet qui lui tenait à c ur et que nous avons écrit en hommage à sa mémoire. Roger aimait commencer ses conférences sur le temps par une citation de Saint-Augustin :
« Si personne ne me le demande, je sais ce qu est le temps. Si je dois l expliquer à quelqu un qui me le demande, je ne le sais plus. »
Depuis l Antiquité, nombreux sont les philosophes et les scientifiques qui ont réfléchi sur la nature du temps. Le présent ouvrage est écrit par des physiciens et repose sur un ensemble de connaissances théoriques et expérimentales dont nous disposons aujourd hui. Faute de compétences sur le sujet, les aspects psychologiques de la perception du temps et le temps en biologie ne seront pas traités dans ce livre.
Nous rappelons brièvement quelques aspects historiques de la vision du temps par les grands scientifiques tels que Newton, Boltzmann, Einstein et d autres. Nous exposons dans un premier temps la théorie du temps absolu conçue par Newton, qui sous-tend encore aujourd hui notre perception intuitive. Nous abordons ensuite les bouleversements apportés par la relativité restreinte et la relativité générale, que l on doit prendre en compte pour la navigation dans l espace, le GPS et la définition d un temps universel sur Terre. Nous discutons les progrès récents obtenus à l aide des horloges atomiques les plus avancées, ainsi que les méthodes à base de satellites et de fibres optiques pour transférer le temps et synchroniser les horloges sur l ensemble de la surface de la Terre.
Un problème fascinait Roger Maynard : celui du sens de l écoulement du temps. Pourquoi l évolution spontanée se déroule-t-elle toujours dans le même sens ? Pourquoi vieillissons-nous inexorablement ? La réponse fait intervenir le concept d entropie, dont la croissance constante fixe la direction de la flèche du temps. Nous examinons la réponse de nature statistique donnée par Boltzmann, qui doit cependant être complétée par des considérations d ordre cosmologique. Enfin un autre problème passionnait Roger Maynard : est-il possible de fabriquer un dispositif permettant de renverser localement la flèche du temps ? Est-il possible, pour un système de particules évoluant de l ordre vers le désordre, d inverser sur commande la dynamique de ces particules pour revenir à l ordre initial ? Cela mène au concept de miroir à retournement temporel, qui est beaucoup plus facile à mettre en uvre pour les ondes que pour les particules et qui sera développé dans le dernier chapitre.
Ce livre, abondamment illustré, se veut accessible à un public non spécialiste mais curieux des développements de la science contemporaine. Quelques passages plus complexes sont isolés dans des encadrés qui peuvent être omis en première lecture. Nous souhaitons que cet ouvrage apporte au lecteur une vision du temps qui intègre l essentiel de ce que savent aujourd hui les physiciens, tout en soulignant les interrogations qui demeurent sur sa nature.
Remerciements . Mathias Fink remercie les membres de l Institut Langevin qui ont participé à la recherche sur les miroirs à retournement temporel. Michel Le Bellac remercie Olivier Darrigol, Jean-Marc Lévy-Leblond et Kirone Mallick pour leurs critiques constructives et leurs commentaires, ainsi que Agnès Mougeot, Vincent Le Bellac et André Sénik pour les références philosophiques. Michèle Leduc remercie tout particulièrement Noël Dimarcq du laboratoire SYRTE pour ses conseils et pour plusieurs figures illustrant les chapitres sur la mesure et le transfert du temps. Elle remercie également Arnaud Landragin, Sébastien Bize, Christophe Salomon et Saïda Guélati.
Mathias Fink, Michel Le Bellac et Michèle Leduc
Roger Maynard (1938-2015)
1. Le temps newtonien

Q u est-ce que le temps ? Cette question a préoccupé les plus grands penseurs, depuis les philosophes de l Antiquité jusqu aux scientifiques et philosophes contemporains. En dépit de discussions remontant à plus de deux mille ans, aucun consensus n émerge aujourd hui sur la nature du temps. Nous n aborderons pas les apects ontologiques, par exemple : le temps est-il un concept permettant de structurer notre pensée, ou possède-t-il une « réalité objective » ? De même nous laisserons de côté les aspects psychiques de la perception du temps et nous nous limiterons plus modestement à ce que l on peut appeler « le temps des physiciens », qui remonte en fait à Galilée, à Newton et à Huygens. Le § 1.1 introduit très brièvement les deux conceptions principales d un tel temps. Dans la première, le temps s écoule du passé vers le futur et l instant présent joue un rôle privilégié. Dans la seconde, souvent appelée celle de « l univers-bloc », le temps est un simple balisage qui p