Grand Angle - Conférence des Grandes Ecoles

Grand Angle

La lettre d'information de la Conférence des Grandes Écoles

n°37
Fevrier 2013

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Mesurer l’espace d’un instant, par Bernard Guy, enseignant-chercheur à l’École des Mines de Saint-Étienne

Bernard Guy, né en 1952, est ingénieur diplômé de l'Ecole des Mines de Paris, docteur ès sciences naturelles (Université Paris VI) et ancien directeur du département Géologie de l'Ecole des mines de Saint-Etienne. Actuellement directeur de recherche, il assure des activités de recherches et d'enseignement en sciences de la terre, physique et philosophie des sciences.

A dirigé ou co-dirigé plusieurs dizaines de thèses, et écrit de nombreux articles scientifiques dans des revues à comité de lecture et participé de nombreux congrès. A écrit ou coordonné plusieurs livres.

A organisé des congrès en thermodynamique (Joint European Thermodynamics Conference, 2007) et en philosophie des sciences au sens large (Ateliers sur la contradiction, 2009, 2011, 2013). Les Actes sont édiés aux Presses des Mines.

A quoi correspond ce jumelage de l’espace et du temps dans nos pratiques, et est-ce une simple coïncidence que cette association constante de l’espace et du temps ? Bernard Guy, fait le pari d’une identité de substance de l’espace et du temps et essaie de rendre compte d’une pensée qui chercherait à comprendre ensemble ces deux concepts.

Le temps reste un mystère. Heureusement, dira-t-on, il y a les horloges. A défaut de sa compréhension, elles nous fournissent une mesure du temps. Fabriquons donc de bonnes horloges, les meilleures possibles. Mais comment fonctionnent-elles ? Regardons-les de plus près : pour toutes, des plus anciennes aux plus modernes, le procédé de fabrication du temps revient en fin de compte à associer un intervalle d’espace à un intervalle de temps, via un « phénomène »: le battement du pendule, la dilatation d’un cristal de quartz, le déplacement d’un photon… Plus généralement, nos pratiques vont toutes dans le même sens : celui d’une association intime de l’espace et du temps. Ainsi, la vitesse de la lumière est aujourd’hui fixée par décret, sa valeur donnée sans incertitude : le mètre et la seconde apparaissent comme deux visages d’une même réalité. Les mesures de distances sont faites de nos jours par les géomètres avec l’aide de lasers, et le temps de propagation du signal est transformé en longueur. Les recherches en sciences cognitives montrent que l’appréhension de l’espace ne fait pas l’économie de divers déplacements ou mouvements, réels ou simulés par le cerveau, associés au temps qui les permet. Et c’est jusqu’en cognition des mathématiques que l’on voit que la droite réelle est comprise dans le cerveau par un paramétrage temporel qui nous fait nous déplacer le long d’elle. Nous pourrions multiplier les exemples. Une question ne manque pas alors de se poser. Est-ce une simple coïncidence que cette association constante de l’espace et du temps ? Ou cela révèle-t-il quelque chose de plus profond ? Est-on en présence de deux substances, certes en tandem, mais distinctes du réel ? Ou y a-t-il, d’une façon à élucider, une identité de substance ? Quel sens donner à un temps sans espace, à un espace sans temps ? La théorie de la relativité, qui relie pour deux repères en mouvement relatif les indications des règles et des horloges, et envisage à l’avance quatre paramètres (trois d’espace et un de temps), se place encore d’emblée dans le cadre de deux substances distinctes.

Bernard Guy fait le pari d’une identité de substance de l’espace et du temps. Dans un article paru en 2011 dans la revue à comité de lecture Philosophia Scientiae, il essaie de rendre compte d’une pensée qui chercherait à comprendre ensemble ces deux concepts. On peut appeler « mouvement » le substrat fondamental les reliant, et voir les deux concepts d’espace et de temps comme les deux faces inséparables d’une même pièce (l’espace est l’amplitude du mouvement, le temps son procès). Les relations spatiales et les relations temporelles entre les éléments du monde sont les même relations : la distinction apparaît, non du fait d’une différence de substance, mais du fait de la multiplicité des éléments du monde permettant de faire des partages : d’un côté ceux dont les relations sont invariantes, sur lesquelles on construit l’espace ; de l’autre ceux dont les relations sont variables, sur lesquelles on construit le temps. La mobilité des unes et l’immobilité des autres sont pensées ensemble. Leur frontière est sujette à arbitraire, elle est décidée telle, en fonction des échelles d’espace et de temps qui intéressent l’observateur.

La compréhension de cette structure intellectuelle demande de s’appuyer sur une pensée de la relation : nous sommes à l’intérieur du monde, nous ne pouvons le regarder de l’extérieur, nous n’avons pas d’outils indépendants de lui qui nous permettraient de le mesurer et de déclarer de façon indépendante la situation de mobilité ou d’immobilité des points matériels étudiés. On ne peut que comparer des phénomènes à d’autres phénomènes. Dans le cadre de cette rationalité, on doit à un moment donné s’appuyer sur une pratique, sans être complètement sûr du sens des mots (c'est-à-dire sans pouvoir leur donner un sens absolu avant l’étude même du monde). La constance de la vitesse de la lumière a un tel statut. Dans cette approche, le mystère du temps n’est pas résolu ; il est déplacé vers le mystère d’une association intime de l’espace et du temps dans le « mouvement ». Il faut donner à ce dernier un sens « primaire », qualitatif, avant même de définir une vitesse (associé aussi à un espace et un temps qualitatifs, sans mesure). La comparaison de tels mouvements (dont la réalité ultime nous échappe) les uns aux autres permet de tout construire, et une vitesse est le ratio du mouvement qui nous intéresse au mouvement de référence choisi (celui de la lumière aujourd’hui) ; cela est déjà conforme à nos pratiques.

Est-il plus fou de penser le temps tout seul, ou de penser une association du temps et de l’espace ? Ce qui a changé par rapport au mystère du temps tel qu’il pouvait se poser dans les siècles passés, c’est que l’on pensait qu’il allait se dissiper par la progression de la recherche, alors que le mystère de l’association du temps et de l’espace, évoqué à l’instant, renvoie aujourd’hui explicitement à l’incomplétude de notre connaissance (à laquelle sont associées toutes sortes d’incertitudes), comme on le met en évidence dans de nombreux domaines, en particulier dans la physique quantique. C’est cette situation qui nous conduit à nous appuyer sur une pratique que l’on veut la plus organisée possible, sans atteindre une compréhension ultime des concepts que nous manipulons.

Une des conséquences concrètes de cette approche est de proposer que, pour mesurer le temps, l’on s’appuie sur le déplacement d’un point dans l’espace géométrique lui-même. C’est conforme à ce que l’on fait depuis toujours : pensons au mouvement du soleil dans le ciel pour classer les événements de nos journées ; pensons aujourd’hui à la position du photon dans l’horloge atomique. Cette approche apporte des éclairages nouveaux sur les problèmes conceptuels posés par le temps dans le domaine de la culture, des sciences humaines et sociales, et discutés dans l’article cité plus haut. Elle entraîne aussi la proposition de nouvelles règles d’écriture des équations de la physique, par l’utilisation d’un paramètre temporel ayant le sens d’une position dans l’espace, et ayant donc trois coordonnées. Le temps scalaire (il ne faut utiliser véritablement le nom de temps que pour un scalaire) est construit à partir des trois coordonnées spatiales.

Dans une série d’articles déposés sur les archives ouvertes HAL et Internet Archive, des propositions préliminaires dans ce sens sont données. Il est trop tôt pour dire si elles vont permettre d’avancer en physique, mais peut-on dire qu’elles méritent d’être discutées ?

 

 Bernard Guy
Enseignant-chercheur à l'Ecole des  Mines de Saint-Etienne

Département Sciences des processus industriels et naturels (SPIN)


Frédéric Gruy
Enseignant-chercheur à l'Ecole des Mines de Saint-Etienne
Département Sciences des processus industriels et naturels (SPIN)

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B. Guy_Bibliographie succincte

Ces questions, ainsi que plus généralement celles concernant notre compréhension de l’espace et du temps, seront débattues lors d’une journée organisée le 5 février 2013 par la Chaire de physique de l’École nationale supérieure des Mines de Saint-Étienne (responsable Frédéric Gruy) et intitulée "L’espace et le temps entre les philosophes et les physiciens" (avec la participation d’Etienne Klein, Alexis de Saint-Ours, Thomas Buchert et Bernard Guy).

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