ESPACE-TEMPS

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Espace et temps absolus

Dans l'Antiquité, la notion d'espace absolu est liée à la conception hiérarchique d'un Cosmos. La plupart des cosmologies des Anciens supposent l'existence d'un Univers tridimensionnel fini, avec la Terre pour centre. L'espace est alors formé par un ensemble de sphères homocentriques correspondant à chacun des astres errants ; il est fermé par la sphère des fixes. Le mouvement circulaire des astres est naturel et n'a point à être expliqué. Tous les mouvements apparents peuvent être décrits en multipliant le nombre des rouages circulaires constitués par les épicycles et par les déférents. Dans ce cosmos de Ptolémée on associe implicitement un temps absolu à l'espace fini, c'est-à-dire un temps identique en tous les points du cosmos.

L'écroulement du Cosmos antique sous influence des idées coperniciennes (De revolutionibus orbium coelestium, 1543) marque une régression de la notion d'espace absolu, plus dans l'esprit que dans la lettre : le centre du monde devient le Soleil et le géocentrisme perd de l'importance. Néanmoins, l'Univers reste fini (sauf pour Giordano Bruno) ; mais on devine que ce premier pas permettra d'arracher à l'observateur terrestre ses prérogatives.

Effectivement, la révolution copernicienne conduit à la relativité de Galilée : pour celui-ci, les lois physiques régissant un phénomène ne sont pas troublées par le mouvement du système considéré. Les lois du mouvement d'un mobile donné sont les mêmes pour tous les observateurs, qu'ils soient ou non eux-mêmes en mouvement. Ces observateurs ne sont plus privilégiés : ils deviennent équivalents.

Néanmoins, on peut penser à cette époque que toute équivalence des observateurs requiert encore la notion d'espace absolu pour en garantir la validité et en préciser l'extension.

En effet, des observateurs équivalents sont des observateurs libres, pour lesquels le principe d'inertie et la loi fondamentale de la dynamique sont rigoureusement valables. Or, s'il est aisé de définir les uns par rapport aux autres des mouvements libres (un mouvement relatif rectiligne et uniforme), il est plus difficile de définir un premier observateur libre. Si l'on constaste, par exemple, qu'une bille roulant sur une table ne décrit pas une droite d'un mouvement uniforme (c'est-à-dire qu'elle ne satisfait pas au principe d'inertie), on peut penser indifféremment ou bien qu'elle est soumise à des forces inconnues, ou bien que son mouvement est rapporté à un système de référence mal choisi.

C'est une telle difficulté que Newton pense éviter en droit, sinon en fait, en faisant intervenir les notions de temps, d'espace et de mouvement absolus :

« Le temps absolu vrai et mathématique, sans relation à rien d'extérieur, coule uniformément et s'appelle durée ;

« l'espace absolu, sans relation aux choses extérieures, demeure toujours similaire et immobile ;

« le mouvement absolu est défini par le déplacement d'un corps d'un lieu absolu à un autre lieu absolu. »

Pour Newton, l'absolu se distingue ici du relatif comme le mathématique du vulgaire. En pratique, l'expérience ne conduit qu'à des notions approchées, mais une rigueur de plus en plus grande permet d'acquérir une idée de plus en plus exacte du mouvement absolu. Finalement, temps et espace absolus se présentent comme des notions asymptotiques : l'espace absolu est celui où le principe d'inertie est rigoureusement valable, la loi fondamentale de la dynamique strictement vérifiée. Il est, selon Euler, « le garant de la validité du principe d'inertie ».

Dès lors, cet absolu permet de fonder une véritable relativité restreinte : tous les systèmes en mouvement rectiligne et uniforme par rapport à l'espace absolu sont équivalents. On peut donc définir en droit une infinité de systèmes équivalents.

Théoriquement, le mouvement absolu se révèle, suivant Newton, par ses causes et par ses effets physiques, c'est-à-dire par les « forces vraies » qui le manifestent. Seuls des critères dynamiques, non cinématiques, peuvent donc distinguer le mouvement absolu et le mouvement relatif.

Néanmoins, après la dynamique newtonnienne et l'intervention de l'espace absolu, la garantie apportée à l'énoncé d'une équivalence entre des observateurs reste assez illusoire.

Dans l'expérience, il n'est de système d'inertie (c'est-à-dire de système équivalent à l'espace absolu) qu'approché. Par exemple, les murs d'un laboratoire constituent un système d'inertie pour les phénomènes qui se déroulent dans le laboratoire, mais non pour ceux qui ont lieu à l'échelle du système solaire. Dans ce cas, on peut faire appel au système centré sur le Soleil, système dont les axes seraient orientés vers trois étoiles fixes. Un tel système ne peut, à son tour, jouer le rôle de référentiel absolu pour les phénomènes à l'échelle des galaxies. La notion d'espace absolu, celle du système d'inertie qui, au sens newtonien, lui est corrélative est donc, selon la dynamique classique, liée à la notion d'échelle d'expérience.

En revanche, avec les premiers développements de la théorie électromagnétique de la lumière, la nature semble offrir spontanément un référentiel absolu à la portée de l'expérience : l'éther interstellaire immobile. On peut et on doit, en principe, mettre en évidence un mouvement par rapport à ce milieu universel immobile : mouvement, en ce sens, absolu.

Malheureusement, les expériences multiples destinées à mettre un tel mouvement en évidence demeurent entièrement négatives. Il faut donc penser que la présence d'un espace absolu, matérialisé par l'éther, échappe aussi bien à la physique qu'à la mécanique.

Einstein montre alors que ces échecs découlent du principe même de l'observation à partir du moment où l'on admet qu'une simultanéité universelle n'est plus valable et que sa définition dépend du mouvement relatif. Dès lors, la notion de temps absolu, qui jusque-là est restée intacte, disparaît elle aussi.

Albert Einstein

Photographie : Albert Einstein

Albert Einstein en 1921, année où il reçut le prix Nobel de physique pour ses travaux sur l'effet photo-électrique et en physique théorique. 

Crédits : Encyclopedia Britannica

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Tous les observateurs étant équivalents, aucun privilège cinématique ne caractérise l'éther. Un espace physique absolu, défini par l'éther lui-même, n'a donc aucune raison d'être. Par ailleurs, si la simultanéité diffère avec le mouvement relatif des observateurs, aucune chronologie absolue ne peut subsister : espace et temps subissent donc l'un et l'autre et l'un par l'autre une mutation profonde (1905).

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Pour citer l’article

Jean-Pierre PROVOST, Marie-Antoinette TONNELAT, « ESPACE-TEMPS », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/espace-temps/