Temps,Matière,énergie, trois grands mystères

Voici un titre composé seulement de six mots. Mais certes pas n’importe lesquels. Ce dont nous sommes certains, c’est qu’en les découvrant, nous saurons que ces éléments de langage doivent avoir un sens, une signification bien précise. Mais laquelle ?

D’habitude, pareille interrogation conduit à consulter un ouvrage spécialement conçu pour apporter une réponse. Cet ouvrage s’appelle un dictionnaire. C’est donc ce que nous allons faire, en ouvrant Le Petit Larousse, œuvre universellement connue dont la préface commence ainsi : «  On entre au Petit Larousse comme on accède à l’Académie ».

Commençons par le dernier de ces six mots, puisqu’il semble être le qualificatif attribué aux trois premiers. Voici ce que l’on peut lire dans le Petit Larousse :

Mystère, au choix :

Ce qui est inexplicable, caché, inconnu

Chose incompréhensible, énigme

Chose obscure, ou accessible aux seuls initiés

Vérité de foi inaccessible à la seule raison humaine

Je doute, à ce stade, que vous soyez très convaincus de la pertinence de l’attribution de ce qualificatif au temps, à la matière et à l’énergie. Voyons si notre dictionnaire peut nous instruire un peu mieux sur le ou les sens à donner à ces trois mots, pour lesquels nous lisons :

Temps :

Notion fondamentale conçue comme un milieu infini dans lequel se succèdent les évènements.

Matière :

Substance, réalité constitutive des corps, douée de propriétés physiques.

Énergie :

Grandeur mesurant la capacité d’un système à modifier l’état d’autres systèmes avec lesquels il entre en interaction (unité SI : le joule)

Très franchement, je dois dire que ces trois définitions me semblent très pertinentes dans leur généralité. Mais alors, en quoi le temps, la matière et l’énergie sont-elles une notion (pour le temps), une réalité (pour la matière), une grandeur (pour l’énergie) qui mériteraient le qualificatif de mystérieux  ? C’est ce que je vais tenter de vous faire comprendre.

Considérons pour commencer la grandeur énergie . C’est une grandeur familière pour tous les physiciens, mais à peu près inconnue de l’immense population des non-physiciens, qui n’ont une connaissance réelle que de l’existence des sources d’énergie, le bois, le charbon, le gaz naturel, le pétrole, l’uranium, le vent, le soleil, toutes sources dont les quantités utilisées ne se chiffrent en aucun cas en joules.

Comme l’explique assez bien la citation du dictionnaire ci-dessus, cette grandeur énergie peut en réalité être vue comme une certaine forme de comptabilité permettant d’évaluer l’amplitude des résultats obtenus lors d’opérations mises en œuvre au sein de systèmes fort divers ( mécaniques, thermiques, chimiques, électriques, etc). L’unité de compte dans cette comptabilité particulière est le joule . (1 joule est la quantité d’énergie dépensée pour hisser verticalement de 1 mètre une masse de 1 kilogramme).

Une propriété fondamentale et spécifique à l’énergie est sa conservation. À l’intérieur d’un système donné, on ne peut ni créer ni détruire d’énergie. On peut simplement en échanger avec l’extérieur du système, dans un sens ou dans l’autre.

Ce sont ces spécificités de l’énergie qui peuvent faire considérer cette grandeur comme quelque peu mystérieuse.

Pour ce qui concerne la matière, il n’en va pas de même. On nage alors en plein mystère. Essayez seulement de comprendre réellement comment nous pouvons être constitués littéralement de vide ! Et pourtant, l’espace qui entoure le noyau de chaque atome constituant la matière, sur une distance de dix mille fois le diamètre de cet atome, n’est occupé que par une poignée d’électrons, six par exemple pour l’atome de carbone. Votre corps est ainsi essentiellement vide, bien que vous paraissiez substantiel. Au sens propre, vous êtes vide, vous pensez avec un cerveau presque entièrement vide, vous êtes vêtu de vide, vous mangez du vide, vous êtes assis sur du vide ! Ce vide autour du noyau atomique est pourtant le siège de la personnalité d’un élément. C’est la poussière d’électrons qui occupe ce quasi-vide qui est le seul acteur de toutes les réactions chimiques. On peut donc comprendre pourquoi la manière dont les électrons sont arrangés autour du noyau de chaque atome resta longtemps une énigme, mais demeure toujours mystérieuse.

Et nous arrivons enfin à la première notion formant le trio de notre titre, le temps. Si on est obligé de reconnaître que la définition qu’en propose le Petit Larousse n’évoque en rien le mystère, on ne pourra certes pas en dire autant si l’on se réfère à l’article révolutionnaire publié par Albert Einstein en 1905 sous le sobre et innocent titre « Sur l’électrodynamique des corps en mouvement » [1] . Le jeune et inconnu physicien de 26 ans y démontre tout simplement que le temps est une grandeur relative. Expliquons nous :

Dans un repère R, intéressons nous à une horloge R’ animée d’un mouvement de vitesse v. Observée dans le repère R, par suite de son mouvement dans l’espace à la vitesse v, on découvre que cette horloge va sembler battre ses secondes moins vite que si elle était immobile. Le temps s’est dilaté, et cela d’autant plus que la vitesse v se rapproche de la limite infranchissable constituée par la vitesse C de la lumière.

Même si cela vous semble tout-à-fait mystérieux, il vous faut accepter cette idée que le temps est une grandeur relative , qui se dilate lorsque l’horloge R’ utilisée pour compter ce temps se déplace par rapport au repère R dans lequel l’observateur de l’horloge R’ est lui immobile.

C’est ainsi qu’un temps t = 1 seconde deviendra pour l’observateur fixe le temps plus long

1 / [ 1 – v²/C² ]

Cette théorie révolutionnaire de la relativité du temps (et nous pouvons ajouter de l’espace), principe de réalisation du positionnement par satellites G.P.S, a été confirmée expérimentalement en décembre 2005, lorsqu’une horloge atomique a été placée sur l’orbite prévue à 23 000 km d’altitude, à bord du premier des satellites destinés au système de navigation par satellites Galiléo .

Mais ce n’est pas fini ! Le mystère peut encore devenir plus impénétrable si l’on se met en tête de penser astrophysique. Le problème avec la mécanique newtonienne et son temps absolu, est que, comme Newton, nous serons dans la totale impossibilité de proposer la moindre explication plausible à l’action instantanée à distance entre deux masses .

L’idée directrice d’Einstein est de postuler l’existence, non pas d’un espace géométrique à 3 dimensions, mais d’un espace-temps à 4 dimensions, 3 dimensions spatiales, et 1 dimension temporelle. À partir de ce postulat, Einstein ambitionne de substituer une approche toute nouvelle à la relation fondamentale de la dynamique selon Newton F = G (M . m) / r² exprimant la force d’attraction F exercée par une accélération gravitationnelle – GM / r² sur toute masse de matière m située à une distance r d’une masse M .

Dans le cadre de cette approche nouvelle, on se focalise sur la géométrie à 4 dimensions de l’espace-temps, et sur les déformations de cette géométrie – notamment sa courbure – du fait de la présence de masses matérielles, en certains points de cet espace-temps. Le résultat – spectaculaire – sera une équation tensorielle regroupant les équations aux dérivées partielles décrivant le champ gravitationnel créé dans l’espace-temps par une distribution de masses et de quantités de mouvement donnée par un tenseur énergie–impulsion T_ij [2] .

L’ensemble des équations d’Einstein évoquées ci-dessus constitue une théorie de la gravitation décrivant l’effet induit sur la courbure de l’espace-temps par la présence de masses de matière. Le cadre théorique de cet effet a été magistralement résumé par le célèbre astrophysicien John Wheeler dans sa formule lapidaire suivante :

« La masse dit à l’espace-temps comment se courber, l’espace-temps dit à la masse comment se mouvoir »

Les conséquences de la théorie de la relativité générale d’Einstein sont colossales. On peut désormais imaginer, décrire et prédire ce qu’on ne peut pas voir. Dans les équations d’Einstein se trouvent les trous noirs, les ondes gravitationnelles, l’expansion de l’Univers, prédictions qui ont toutes reçu, depuis, une confirmation expérimentale [3].

Mais ces conquêtes du savoir semblent bien épaissir le caractère mystérieux de la matière, en dépit des éclaircissements indéniables et même gigantesques qui nous ont été apportés par le modèle cosmologique de l’Univers. Nous savons désormais que cet Univers a eu un commencement, et nous pouvons même dire qu’il existe seulement depuis un peu moins de 14 milliards d’années.

Mais aussi nous avons découvert que dans cet Univers, la matière visible dont nous sommes faits, mais également toute la structure qui va des galaxies aux étoiles, toute cette matière que l’on appelle baryonique (les protons et les neutrons) ne pèse pas lourd dans la dynamique de l’Univers. La matière physique qui fait tout le travail (matière noire, énergie sombre, etc. n’est pas identifiée, et donc encore moins comprise [4] .

Et de fait, même si cela est paradoxal, le mystère du temps, de la matière, de l’énergie est tellement profond, que c’est finalement un des grands écrivains de la littérature française, passé progressivement de la légèreté insouciante à la pensée philosophique, qui tente, en véritable détective métaphysique, à travers un magnifique petit livre-testament [5], de débusquer la clé de ce mystère, en nous invitant à rêver, à espérer, à croire.

Mais je ne vous dévoilerai pas la conclusion ultime de son livre, mais plutôt comment il perçoit l’instant initial de l’Univers, ce big-bang mal nommé, dont il emprunte néanmoins le qualificatif injustifié d’explosion :

« D’abord, l’explosion primitive avec sa formidable énergie qui crée l’espace et le temps. Un point minuscule, invisible à l’œil nu, bien plus petit qu’un grain de sable, une poussière, un atome. L’alpha. Le début de tout. Enfin…le début de tout…Peut-être y avait-il autre chose, de radicalement inconnu – une équation mathématique ? D’autres univers ? La nécessité ? Un Dieu ? Peut-être tout cela mêlé ou peut-être encore autre chose d’effrayant et d’indicible –, « avant » notre vieux Big Bang, « avant » notre temps, derrière le mur de Planck [6] ?

Nous voilà donc, avec la plus grande interrogation qu’un être humain peut se poser. On peut la formuler en trois observations :

1 – D’une part, notre vie se déroule quelque part sur une infime planète d’un Univers immense, en expansion constante. Ce que nous savons de l’énergie contenue dans cet Univers – la conservation de celle-ci, c’est-à-dire la constance de sa valeur, sans possibilité de création ou de disparition – nous amène à conclure que le dit Univers est en train de se refroidir. Jusqu’à quelle limite ? Le zéro absolu ? Et dans combien de temps ?

2 – D’autre part, nous avons appris que cet Univers n’a pas toujours existé. Il est apparu soudainement il y a un peu moins de 14 milliards d’années, presque infiniment petit, et presque infiniment dense et chaud.

3 – D’où pouvait venir cette énergie quasi infinie, alors qu’avant cette naissance de l’Univers, par définition peut-on dire, il n’y avait rien ?

Je vous laisserai avec vous-même et avec la réponse de Jean d’Ormesson :

 » Je ne prétends pas que Dieu existe : je n’en sais rien. Je prétends qu’il peut exister. Je prétends que rien ne s’oppose à son existence. Je prétends qu’il a le droit d’exister. C’est comme un coin de ciel bleu au terme d’une journée plutôt sombre.

Les chrétiens n’ont pas le droit de se plaindre – d’ailleurs ils ne se plaignent pas. Non seulement il ne peut pas leur être interdit de croire en un Dieu créateur du ciel et de la terre, mais ils ont la chance d’avoir pour modèle, sous leurs yeux, un personnage à qui l’existence et la place dans notre histoire ne peuvent pas être contestées : Jésus.

Lui au moins, il est permis de l’admirer et de l’aimer sans se poser trop de questions sur sa réalité. Si quelqu’un a laissé une place éclatante dans l’esprit des hommes, c’est bien le Christ Jésus « .

Pierre Cormault

20 décembre 2022

Notes explicatives

[1] Pour plus de détails, on pourra se reporter à mon livre « Comprendre la physique avec Richard Feynman (et quelques autres), au chapitre 7 « Un peu de relativité restreinte », Lulu.com Éditions, 2011

[2] Ce qui vient d’être exposé en quelques lignes, c’est en fait un brutal condensé de l’immense théorie de la relativité générale d’Einstein. Je ne peux pas faire mieux que vous conseiller de vous reporter au livre de 490 pages que j’ai consacré à un exposé complet et intelligible de cette théorie :

«  Comprendre la relativité générale et la cosmologie », Lulu Press.com, octobre 2018

[3] Citation tirée de la revue « Sciences et Avenir », numéro spécial 212 de janvier-mars 2023, texte de Carlo Rovelli, Physicien et historien des Sciences, page 8.

[4] Alain Aspect et all, Demain la physique, page 85, Éditions Odile Jacob, avril 2004.

[5] Jean d’Ormesson, Un hosanna sans fin, Éditions Héloïse d’Ormesson, 2018 .

[6] Entre le temps origine 0 et le temps t = 10 ^–43 secondes, dit temps de Planck, se situe une durée de temps dite ère de Planck, dans laquelle la physique actuelle est impuissante à formuler quoi que ce soit. C’est cette limite à nos connaissances scientifiques que l’on appelle « mur de Planck ».