Einstein et le temps du sujet : ambiguïtés en physique relativiste (1/2)

Yves Wadier : Ancien Ingénieur Chercheur à EDF R&D et Chercheur Invité au LaMSID

    La vieille question – bien connue – du rapport entre le temps des philosophes et le temps des physiciens a été récemment ravivée par les nombreux débats autour de l’interprétation de la théorie de la relativité et plus particulièrement autour du thème de la gravitation quantique. Mais, si l’idée de la « disparition du temps » s’impose de plus en plus, autant chez les philosophes que chez les physiciens, ces derniers ont encore quelques réticences à prendre en compte « le temps du sujet » (ou temps de la conscience) dans leurs modèles du monde dit « objectif ». Il en résulte des ambiguïtés dans le discours de certains physiciens relativistes, que nous allons tenter de mettre en évidence en traitant quelques exemples reliés aux thèmes de « la distinction temps global / temps local », du « passage du temps » et de « la place du sujet dans l’espace-temps ». Ces exemples ont tous en commun le rejet de ce « temps du sujet », rejet illustré de manière emblématique par certaines déclarations péremptoires d’Albert Einstein qui a lui même reconnu ultérieurement qu’elles ne constituaient pas le dernier mot sur la question du temps.

1   La Crise de la Raison

C’est devenu une banalité de le dire, la théorie de la relativité d’Albert Einstein bouscule nos idées reçues sur le temps, heurte notre intuition et défie même parfois notre sens de la logique. On connaît l’histoire du jumeau voyageur qui rentre sur terre plus jeune que son frère resté à la maison, ou celle de l’horloge atomique qui, après avoir fait 2 ou 3 fois le tour de la terre en avion, présente un décalage horaire par rapport à son homologue restée immobile, ou encore celle du muon[1] qui vit 2 microsecondes en laboratoire, mais plusieurs minutes quand il traverse l’atmosphère à une vitesse proche de celle de la lumière. Tout cela est bien connu, et ces effets dits « relativistes » sont vérifiés quotidiennement des milliers de fois via différents modes de communication comme le GPS. La théorie de la relativité d’Albert Einstein est donc devenue une science très sûre et bien établie, et représente un des progrès les plus spectaculaires de la raison humaine.

Et pourtant cette raison même est en crise, comme l’explique Maurice Merleau-Ponty dans son article « Einstein et la crise de la raison[2] ». C’est la rencontre entre Einstein et Bergson à la Société Française de Philosophie, le 6 Avril 1922, qui a déclenché ce que Elie During appelle « la querelle du temps[3] ». Comme, depuis lors, les choses ne se sont pas arrangées, loin de là, on peut être plus radical et dire carrément que cette rencontre a mis le « feu aux poudres » !

Sur cette question du temps, difficile et passionnante car elle se situe aux confins de la Science et de la Philosophie, les scientifiques, tout d’abord, ne sont pas d’accord entre eux. Carlo Rovelli, qui se dit adepte de la « science subversive », affirme que « le temps n’existe pas », car il est une grandeur non observable qui ne fait qu’exprimer une relation entre  différentes variables observables et représentatives de phénomènes[4]. Marc Lachièze-Rey est sur la même longueur d’onde. Il part du temps Newtonien avec ses différents ingrédients (datation, chronologie, simultanéité, temps propre, causalité, durée) et montre que la plupart de ces ingrédients disparaissent dans le cadre relativiste[5]. Lee Smolin, par contre, qui veut « en finir avec la crise de la physique », annonce « la Renaissance du Temps » en s ‘appuyant sur la notion de « temps global privilégié », selon laquelle il existe un état de repos dans l’univers, et donc un repère privilégié[6].

Sur cette même question, de nombreux philosophes optent pour un temps produit par le sujet, qui ne fait pas partie du monde réel, extérieur au sujet. Le temps, c’est la subjectivité à l’état pur (Saint Augustin), c’est une forme pure de l’intuition sensible (Kant), c’est la durée intérieure associée à nos états de conscience (Bergson), et pour Heidegger, le Dasein temporalise son être en tant que temps. Dans sa préface au livre de Palle Yourgrau intitulé « Einstein / Gödel », Thibaut Damour pose la question en ces termes : « le temps est-il quelque chose de réel qui s’écoule indépendamment des sujets humains qui le perçoivent, ou est-il quelque chose d’idéal qui, comme le professait Kant, n’est rien en lui même en dehors du sujet[7]  ? ». Sur cette question, la plupart des philosophes optent pour la seconde option, autrement dit : « le temps, en lui même, n’est rien ». Les scientifiques, quant à eux, sont beaucoup plus partagés.

Si l’on en vient maintenant aux rapports entre physiciens et philosophes, on peut le dire : le torchon brûle ! Dans son article cité plus haut « Einstein et la crise de la raison », Maurice Merleau-Ponty s’indigne de la réponse d’Einstein faite à Bergson qui se résume ainsi : « Il n’y a pas de temps des philosophes. C’est à la science qu’il faut demander la vérité sur le temps, comme sur tout le reste ». Einstein refuse d’admettre qu’il existe un temps des philosophes différent de celui des scientifiques. Et Merleau-Ponty ajoute :

Soit. Mais ce refus nous remet en face de la crise de la raison. Le savant ne consent pas à reconnaître d’autres raisons que la raison physicienne, et c’est à elle qu’il s’en remet comme du temps de la science classique. Cette raison physicienne ainsi revêtue d’une dignité philosophique abonde en paradoxes et se détruit, par exemple quand elle enseigne que mon présent est simultané avec l’avenir d’un autre observateur assez éloigné de moi[8], et ruine ainsi le sens même de l’avenir.

Plus récemment, on peut citer la déclaration très provocante de Stephen Hawking : « la philosophie est morte faute d’avoir suivi les développements de la science moderne, en particulier de la physique. Ce sont les scientifiques qui ont repris le flambeau de notre quête de savoir[9] ». On peut juger cette déclaration un tant soit peu prétentieuse ! Dans leur introduction à leur ouvrage collectif Le monde quantique, Bernard d’Espagnat et Hervé Zwirn disent ceci : « Les liens entre science et philosophie se sont largement distendus au XX^e siècle et la séparation entre scientifiques et philosophes s’est accentuée au point qu’on peut même dire qu’une certaine méfiance, sinon une hostilité, s’est instaurée entre les deux catégories de penseurs[10] ». Citons également Elie During, qui, lors d’une conférence en 2013[11], décrit les procédés des scientifiques vis à vis des philosophes en termes « d’annexion de territoires » ou même de « balkanisation ». Les tentatives de dialogues tournent court ou aboutissent à des blocages.

Tous ces désaccords ont été récemment ravivés par les nombreux débats autour de l’interprétation de la théorie de la relativité[12] et plus particulièrement autour du thème de la gravitation quantique[13]. Mais, si l’idée de la « disparition du temps » s’impose de plus en plus, autant chez les philosophes que chez les physiciens, ces derniers ont encore certaines réticences à prendre en compte « le temps du sujet » (ou temps de la conscience) dans leurs modèles du monde dit « objectif ». Il en résulte des ambiguïtés dans le discours de certains physiciens relativistes que nous allons tenter de mettre en évidence dans cet article en traitant quelques exemples au paragraphe 4. Avant cela, il nous faut rappeler deux choses : 1/ quelques notions élémentaires de théorie de la relativité afin de bien préciser le vocabulaire utilisé, sans pour autant s’appesantir sur les principes et la démarche de cette théorie qui sont bien connus. 2/ les rapports entre ce que l’on peut appeler le « temps du sujet », temps quelque peu méconnu par la physique, et les différents temps de la théorie de la relativité (temps local, temps en physique ou temps global).

2   Quelques notions élémentaires de Théorie de la Relativité

Le temps en physique selon Albert Einstein

Source : Pixabay – Creative Commons

Einstein se place dans un système particulier de coordonnées d’espace à 3 dimensions (appelé repère Galiléen), puis adopte une définition de la simultanéité[14] . Cette définition lui permet de synchroniser des horloges situées en différents points fixes de son système de coordonnées, à l’aide de signaux lumineux. Dans ce système, le temps d’un événement est défini comme l’indication de l’horloge immédiatement voisine de cet événement. C’est ce que Einstein appelle « le temps en physique », qui est donc un simple paramètre. En faisant l’hypothèse que la vitesse de la lumière est indépendante du repère considéré, on montre alors très simplement que la simultanéité est relative, chaque système possédant son propre temps. Chaque événement est repéré dans le système de coordonnées par ses 3 coordonnées d’espace, plus une valeur du paramètre temps, appelé généralement « t ». On passe d’un système à l’autre par les transformations dites de « Lorentz » qui dépendent autant de l’espace que du temps. Ce n’est qu’avec la formulation de Minkowski que le temps devient une coordonnée à part entière et que l’on parle alors d’espace-temps à 4 dimensions.

Temps local / Temps global

Le temps d’un événement c’est, nous l’avons dit, l’indication de l’horloge située à proximité. C’est donc un temps local vis-à-vis de l’événement considéré. Cependant, une horloge, en tant que telle, n’a ni indication ni temps. Sans le définir de façon explicite, le physicien suppose l’existence d’un « observateur » capable de saisir (localement) l’indication de cette horloge, et plus généralement d’observer tel ou tel événement. Mais le « temps en physique » de Einstein est un « temps global », c’est à dire un temps défini dans tout le repère. C’est, plus précisément, le « temps local de l’horloge » étendu à tout le repère par un procédé de synchronisation des horloges. Selon Claude Romano :

Pour la théorie de la relativité, le temps se réduit à un concept purement opératoire reposant sur une mesure effectuée aux moyens d’horloges localisées spatialement et susceptibles de s’accorder entre elles en échangeant des signaux lumineux : il est un phénomène horloge[15] soumis aux conditions d’observation de n’importe quel phénomène[16].

Ce temps global, désigné également par « t », est un temps relatif puisqu’il dépend du repère considéré, associé à un observateur. Un autre observateur, animé d’une vitesse « V » par rapport au premier (et que l’on situe initialement, par souci de simplicité, au même point O, centre du repère), sera lié à un repère déduit du premier par la transformation de Lorentz, dans lequel le temps global « t’ » sera différent du temps « t ».

L’espace-temps de Minkowski

L’espace-temps à 4 dimensions de Minkowski est constitué d’événements qui sont des points de cet espace-temps et qui suivent des « lignes d’univers ». À un événement donné est associé un « cône de lumière » qui se subdivise en 2 parties : le demi-cône du passé causal dont la frontière est constituée  de  tous  les  rayons lumineux  qui  aboutissent  à l’événement, et le demi-cône du futur causal dont la frontière est constituée de tous les rayons lumineux issus de l’événement. L’événement considéré est donc le point commun aux 2 demi-cônes, c’est à dire leur sommet.

Dans ce contexte, il n’y a plus de datation ni de chronologie, mais simplement des relations causales et des temps propres[17] définis le long de ces lignes d’univers. Les points de l’espace-temps, situés en dehors du cône, appartiennent à une région appelée « l’ailleurs » qui contient tous les points complètement déconnectés du point-événement considéré, c’est à dire sans relation causale avec lui. Comme nous l’explique Marc Lachieze-Rey, dans ce contexte la notion de temps disparaît[18]. Bien sûr, on pourra toujours définir un temps global dans un repère particulier quelconque. Cependant, faute de pouvoir justifier, d’une façon ou d’une autre, le choix de tel ou tel repère particulier, le temps global associé ne pourra qu’être qualifié d’arbitraire[19]. Quant au « temps local (de l’horloge) », il se réduit à un « temps propre » et une « durée propre » qui n’ont de sens que pour l’observateur situé sur la ligne d’univers considérée.

Retour sur le temps selon Newton

Dans ses Principes mathématiques de Philosophie naturelle[20], Newton évite de donner une définition précise du temps, mais dit ceci : « Je viens de faire voir le sens que je donne dans cet ouvrage à des termes qui ne sont pas communément usités. Quant à ceux de temps, d’espace, de lieu et de mouvement, ils sont connus de tout le monde ». Le terme de « temps », connu de tout le monde, c’est le temps « qui passe », qui est cause de tout changement et en particulier de notre vieillissement. On ne sait pas très bien ce qui le fonde, ni de quelle étoffe il est fait. Avec l’espace, il sert de cadre aux événements. C’est un temps « global » qui correspond à ce que l’on peut appeler « le concept courant de temps ».

Newton, s’il ne définit pas le temps, prend soin d’en présenter certaines caractéristiques fondamentales. Il ajoute donc : « afin d’éviter certaines erreurs, il faut distinguer le temps, l’espace, le lieu et le mouvement, en absolus et relatifs, vrais et apparents, mathématiques et vulgaires ». Le temps absolu (ou durée), extérieur à l’homme et aux événements du monde, est donc posé a priori. Le temps relatif, qui est la mesure du temps vrai et le même partout dans l’univers, conduit à la notion de « temps universel ». Mais comme toute hypothèse scientifique, il n’y a nul besoin de croire en ce temps absolu ou en ce temps universel. Il suffit d’admettre que tout se passe comme si, comme si ces temps existaient. Ainsi, le scientifique peut développer ses théories et modèles, ce qu’il a fait avec le succès que l’on connaît pendant près de 2 siècles, jusqu’au jour où un certain Albert Einstein est apparu et a dit : « Non, tout ne se passe pas comme si ! ». Le temps absolu de Newton (et donc le temps universel), descend alors de son piédestal pour être remplacé par le temps d’Einstein, global et relatif, déduit du temps local par extension à tout l’espace. Le concept courant de temps ne peut plus alors être vu autrement que comme une croyance.

Mais que ce soit dans le cadre Newtonien ou dans le cadre de la Théorie de la Relativité, les notions de passé / présent / futur ne sont pas mises en avant, car elles renvoient directement au temps du sujet (ou de la conscience), ce dont le scientifique n’a rien à faire, a priori. Intéressons nous donc, maintenant, à cette notion de « temps du sujet ».

3  Le temps du sujet

Sujet et temps du sujet

Les problématiques du « sujet » et du « temps du sujet » ne peuvent être traitées ici de façon détaillée (comme c’est le cas en phénoménologie), car cela nous emmènerait trop loin et ne serait en rien utile pour aborder notre thème qui est celui de la mise en évidence d’ambiguïtés dans le discours de certains physiciens. Il est cependant possible d’aborder ces problématiques à l’aide d’une présentation simplifiée qui se fonde, pour l’essentiel, sur des notions intuitives et bien comprises par tous, et qui adopte la terminologie d’usage en phénoménologie, en particulier pour les termes : homme, sujet, finitude, monde, existence, etc.

Le sujet n’est donc rien d’autre que l’homme dont la dimension ontologique ne peut être ignorée. L’existence humaine (du sujet), se déploie dans le monde d’un début vers une fin. Le sujet possède la faculté de dire « maintenant » en ayant conscience de ce que cela signifie. A ce niveau, il n’y a pas de temps. Le « maintenant » ne se définit pas, il s’expérimente existentialement dans la conscience du sujet. On peut alors définir le passé, le présent, le futur. Le passé c’est ce qui est avant le maintenant, le présent c’est ce qui est pendant le maintenant, et le futur c’est ce qui est après le maintenant. C’est le déploiement de l’existence entre un début et une fin qui donne sens aux notions d’avant, pendant et après, toujours en dehors de toute notion temporelle. Il est alors possible de définir le « temps du sujet » comme les 3 dimensions passé / présent / futur, articulées autour du « maintenant »[21] . Et ce serait complètement méconnaître le temps du sujet que de le réduire à un simple solipsisme. Car le sujet fait partie intégrante du monde dont il est issu. Il y est relié aux autres sujets avec lesquels il communique, et qui ont, tout comme lui, leur temps à eux. Ainsi, les « maintenant » peuvent être mis en commun. C’est bien le sens de la célébration ou de la fête, que de vivre ensemble le même « maintenant ».

Cette présentation simplifiée, certes non rigoureuse[22], aboutit à une définition du temps. On évite ainsi les inévitables atermoiements d’une non définition du temps, vu comme un principe premier dont la définition n’est pas nécessaire, ce qui nous entraîne alors dans un labyrinthe de difficultés inextricables. Il est cependant clair que la dimension ontologique de l’homme ne peut être prise en compte par le physicien et que les aspects existentiels n’ont pas leur place au sein des théories physiques. Pour autant, le physicien n’est pas habilité à nier complètement cette dimension et ces aspects.

Temps du sujet : du local au global 

Le temps du sujet est un temps purement local[23] qu’il est hors de question d’étendre au delà du sujet, sans lui faire perdre son essence même. En effet, c’est un temps réel, expérimenté par le sujet. Il n’est pas plus envisageable de l’étendre que d’étendre le corps du sujet au-delà de lui même[24]. Par ailleurs, il est toujours possible de définir un « temps local de l’horloge » (cf. §2) comme l’indication de l’horloge située à proximité du sujet. C’est un temps mesuré, repéré par un paramètre appelé « t ». Le sujet peut alors choisir une origine des temps, qualifiée de « présent local »,  correspondant à « t = 0 ». Le « passé local » correspondra alors à « t < 0 » et le « futur local » à « t > 0 ». Ce temps local de l’horloge n’est en rien indispensable au sujet pour exister et vivre, mais, autant pour s’organiser que pour agir, il lui est très utile. Il faut donc distinguer, au niveau local, d’une part le temps du sujet qui est son temps à lui, un temps réel, expérimenté, qui intéresse le philosophe mais pas le physicien, et d’autre part le temps de l’horloge qui est un paramètre et qui, bien sûr, intéresse le physicien. Il est alors possible de définir un « temps global » de l’horloge (cf. §2.2), comme le temps local (de l’horloge) étendu à tout l’espace, et donc un « passé global », un « présent global », un « futur global ». Ce sont des temps mesurés, repérés par le même paramètre « t ». Récapitulons ces notions par un petit schéma :

temps (local) du sujet – – – > temps local de l’horloge – – – > temps global (de l’horloge)

passé (local) du sujet – – – > passé local de l’horloge (t < 0) – – – > passé global (de l’horloge) (t < 0)

présent (local) du sujet – – – > présent local de l’horloge (t = 0) – – – > présent global (de l’horloge) (t = 0)

futur (local) du sujet – – – > futur local de l’horloge (t > 0) – – – > futur global (de l’horloge) (t >0)

Ces temps de l’horloge, local et global, ne sont pas des temps réels (ou vécus) mais des paramètres, ou des temps fictifs, utilisés par le physicien dans le but de modéliser la réalité, et utilisés également par l’homme pour organiser ses activités. En mécanique Newtonienne, le temps global correspond au temps universel, et dans le cadre de la théorie de la relativité, il perd son universalité et devient relatif. Dans les 2 cas, le temps global est un concept opératoire qu’il faut distinguer du temps du sujet, réel et irréductiblement local. Le temps du sujet se présente donc comme une réalité tangible, une certitude absolue et incontournable, alors que le temps global n’est qu’un concept relatif, une hypothèse provisoire. Ces 2 temps, fondamentalement différents quant à leur essence même, ne doivent pas être mélangés.

Mais le sujet peut s’interroger sur une relation possible entre son « maintenant », et ce qui se passe « au même instant » en un point éloigné dans l’espace. Cette relation a-t-elle un sens ? En effet, le sujet a la conviction profonde que son « maintenant », que l’instant « t » où, par exemple, il fait « claquer ses doigts », possède une signification en tout point de l’espace : quelque chose doit se passer dans la galaxie Andromède à cet instant « t » précis. C’est un peu comme si la conscience du sujet voulait sortir de sa finitude et repousser toutes ses limites pour s’étendre à tout l’univers. Rien ne s’oppose à ce que le sujet pense à Andromède à l’instant « t ». Et cette pensée voyage, en quelque sorte, à une vitesse infinie ! C’est bien la démarche suivie par Bergson qui s’efforce de définir un « Temps matériel un et universel[25] ». Mais dans le cadre de la Relativité, le « même instant », qui signifie « simultanément », est relatif au repère considéré et on ne peut donc mettre en œuvre, de façon rigoureuse, ce processus mental qui reste donc au niveau de l’imaginaire. Car, pour savoir ce qui se passe sur Andromède à l’instant « t », on ne peut faire autrement que de partir du temps local de l’horloge pour  définir un temps global relatif donc arbitraire, tout comme, sur Andromède, l’instant « t » correspondant à celui où le sujet a fait « claquer ses doigts » sur la planète terre.

Rappelons également que, selon Marc Lachièze-Rey, la notion de temps disparaît dans l’espace-temps de Minkowski. Il n’y a plus qu’un passé causal et un futur causal. Marc Lachieze-Rey rejoint ainsi, avec Carlo Rovelli, le point de vue des philosophes pour lesquels : le temps, en lui même, n’est rien[26].

Sujet et observateur  

Le physicien ne retient du sujet que sa fonction d’observateur d’événements qui ont lieu dans l’espace-temps. En quoi consiste cette fonction ? Pour Einstein[27], cette fonction réside simplement dans la capacité du sujet à constater une simultanéité d’événements, localement, dans l’espace. Lire l’heure, c’est saisir l’indication d’une horloge, c’est constater la simultanéité d’une position d’aiguille avec un nombre situé sur le cadran. L’observateur peut aussi constater la simultanéité de cette indication avec un événement comme « l’entrée d’un train dans la gare », ou que 2 éclairs sont simultanés, etc

Plus généralement, selon Prigogine et Stengers : « l’observateur n’a pas à être caractérisé nécessairement d’un point de vue biologique, psychologique ou philosophique. La physique se borne à lui attribuer la distinction passé / futur[28] ». Cette capacité serait donc plus générale que celle du constat d’une simple simultanéité. Mais ne devrait-on pas plutôt parler de distinction « avant / après », ou « passé causal / futur causal » ? La différence essentielle entre sujet et observateur est donc philosophique. Le sujet, qui a son temps à lui, est tourné vers lui même (vers l’intérieur) et vers le monde (vers l’extérieur). L’observateur, quant à lui, est uniquement tourné vers le monde (vers l’extérieur). Par ailleurs, le physicien utilise aussi le terme « d’observateur » pour parler de « sujet » (Pierre, Paul, Jacques, vous-même, ou moi-même) le plus souvent à des fins pédagogiques. Mais ce sera toujours pour affirmer que son « maintenant » ou sa conscience de la réalité, ne concerne que lui, et non pas la physique. De plus, l’observateur ne peut se réduire à une simple machine, qui ne peut interpréter elle-même ses propres observations, ni leur donner du sens.