En physique, le temps est défini par une mesure : le temps est ce que mesure une horloge. Une horloge, dans le sens physique du terme, est un instrument de mesure fondé sur un phénomène périodique. Les horloges mesurent des durées, et non un temps absolu, ce concept suffit pour tous les calculs physiques. Le temps est une quantité physique fondamentale dénotée par le symbole . En physique classique, non relativiste, c'est une quantité scalaire.
En étudiant la chute des corps, Galilée fut le premier à considérer le temps comme une grandeur quantifiable qui permettait de relier mathématiquement les expériences. C'est ainsi qu'ayant choisi le temps comme paramètre fondamental, il en déduisit que la vitesse acquise par un corps en chute libre est simplement proportionnelle à la durée de sa chute. La première figuration du temps fut une ligne (puis une ligne orientée dans un seul sens, ou flèche du temps) composée d'une suite d'instants infinitésimaux.
Les interactions de la matière dans l'espace (définis comme phénomènes physiques) nécessitent un degré de liberté (une dimension) : le temps. Ce degré de liberté peut être représenté ou figuré par une dimension d'espace, suivant une correspondance donnée par un déplacement à vitesse constante, tandis que les autres dimensions de la représentation peuvent toujours servir à représenter des dimensions spatiales. Ainsi peut-on figurer dans un plan ce qui a lieu sur une droite au cours du temps par un déplacement de cette droite à vitesse constante, et figurer dans l'espace usuel ce qui a lieu dans un plan au cours du temps.
Ce mode de représentation du temps sous forme spatiale permet de saisir sous certains aspects la manière dont le temps est relié à l'espace en théorie de la relativité, laquelle décrit un continuum de l'espace-temps, suivant les termes d'Einstein. Il est possible d'envisager des longueurs ou des durées aussi petites que l'on veut.
Le temps en physique et le temps humain On distingue traditionnellement deux dimensions conceptuelles vis-à-vis du temps. La première peut être qualifiée d'idéaliste : mathématisée, elle correspond au paramètre temps étudié par la science physique. Une autre voie de conceptualisation scientifique est l'exploration de sa perception par l'être humain.
La première de ces deux dimensions, le temps objectif, est affaire de mesure et de grandeur, lesquelles peuvent être définies, soit par rapport à un phénomène périodique, comme le retour du jour et de la nuit, ou la vibration caractéristique d'un atome, soit par une évolution à un taux suffisamment invariable, comme le refroidissement d'un solide dans des conditions bien déterminées, ou la décroissance d'un matériau radioactif. Le repérage par rapport à un phénomène périodique étant plus accessible, il sert de base en général à la mesure du temps. L'unité légale du temps dans le Système international est la seconde (et ses multiples), mais le mouvement périodique servant de base à la définition de cette unité a varié au cours de son histoire.
Le temps subjectif peut, dans une approche introspective, être défini comme l'altération psychologique du temps objectif. En « temps subjectif » les secondes peuvent paraître des heures et les heures, des secondes. La durée (c’est-à-dire l'impression subjective du temps) dépend principalement de l'activité de l'organisme, qui se manifeste à la conscience par des émotions ressenties. Dans les comptes rendus littéraires, le sujet très pris par son activité « ne voit pas le temps passer » ; dans une situation d'attente ou d'ennui on « trouve le temps long ».
La psychologie expérimentale s'est donné pour tâche de préciser la notion humaine du temps. Ses études montrent que l'être humain possède au moins deux sens du temps. À très court terme, des systèmes physiologiques probablement basés sur les différences de temps de propagation des flux nerveux à travers un nombre différent de synapses, lui permettent, par exemple, d'identifier les fréquences précises des notes de musique. Ces systèmes ne produisent pas une perception consciente du temps. La deuxième, sur une durée de l'ordre de la seconde, permet d'identifier les durées brèves, et notamment les rythmes, ou les motifs comme ceux du code Morse. Les durées plus longues que quelques secondes sont liées à l'articulation des évènements entre eux, y compris les évènements purement psychologiques, et ce sont celles qui, identifiées par la littérature, sont le plus variables, à moins qu'elles ne soient structurées par un media qui peut être une chronique, ou une horloge} ;
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L'opposition entre temps objectif et temps subjectif ne suffit pas à donner une vue complète de la complexité posée par la conceptualisation du temps. Premièrement, ce qui semblait objectif pour les premiers astronomes – pionniers de l'estimation du temps – s'est révélé bien subjectif, les premières mesures venues. Par la suite, plusieurs révolutions conceptuelles ont pris le contrepied d'un modèle du temps objectif absolu et indépendant des phénomènes physiques. Ainsi, la relativité de la mesure du temps n'est pas l'apanage de la condition humaine.
Deux domaines des sciences ont des implications profondes avec le temps : la physique et la biologie. Pour les physiciens, le temps a une importance cruciale dans la formalisation des systèmes et des lois de la Nature. D'abord considéré comme un paramètre, le temps a acquis une stature nouvelle avec la théorie de la relativité. Les biologistes ne peuvent pas non plus ignorer le temps, puisque l'essentiel de l'étude du vivant a affaire avec les interactions dynamiques et les ajustements au cours du temps, quelle que soit l'échelle considérée : de la théorie de l'évolution à la multiplication des microbes, le temps impose son cours. L'étude des différentes conceptualisations du temps en physique est cependant riche d'enseignements généraux et sera abordée en premier.
Le temps de la mécanique classique La révolution de la mécanique en Europe, au début du transforme les idées aristotéliciennes pour aboutir au temps « scientifique ». La mécanique dite « classique » issue de la formalisation mathématique du système galiléo-newtonien définit le temps et l'espace comme les éléments indépendants d'un repère inaltérable. Dans ce référentiel, les phénomènes physiques trouvent leur place en tant que produits de lois, qui ont pour cadre le couple d'absolus formé par l'espace et le temps – ce qui constitue une formalisation intuitive de la causalité.
Cette vision du monde physique a constitué un grand changement dans la conceptualisation du temps qui n'est plus considéré comme une qualité mais comme une quantité. Cela est notamment lié au développement considérable de l'horlogerie à partir du Moyen Âge, qui constitue en pratique l'idée de mesure du temps.
C'est la naissance du temps physique construit, grâce au calcul différentiel. Exprimé sous la forme d'un rapport entre deux moments successifs, d'une « transformation invariante », le flux continu qu'est le temps en mécanique classique perd dès lors de sa substance : les lois absolues ne considèrent en effet que les conditions initiales et leur devenir au cours du temps désormais mathématisé.
Le temps de la relativité générale À l'époque du modèle newtonien, tous les physiciens ne sont pas en accord avec la signification du temps et d'espace absolus qui prévalait alors. Ainsi, Ernst Mach considérait-il le temps comme un moyen d'exprimer facilement certaines relations entre les phénomènes, à l'instar de Leibniz. Cette façon de voir les choses peut sembler surprenante à la lumière de la physique classique. Pourtant, les développements théoriques de Lorentz jusqu'à nos jours lui donneront, en partie tout du moins, raison.
Un temps malléable Divers problèmes et contradictions amenèrent les physiciens du à réexaminer la mécanique classique. Poincaré en propose une vue historique d'intérêt dans son ouvrage La Valeur de la Science. En ce qui concerne le temps, l'essentiel du changement intervient avec Albert Einstein, et tout premièrement avec la relativité restreinte. Dans cette théorie,
Pour comprendre le bouleversement conceptuel relatif au temps, il suffit de savoir qu'Einstein entreprend de relier deux théories alors incompatibles, ou tout du moins contradictoires : la mécanique et l'électromagnétisme. La première exprime le principe de relativité, qui est déjà connu (Galilée l'exprimait déjà) ; la seconde stipule notamment que la vitesse de la lumière est constante, indépendamment du mouvement de la source qui l'émet (donc, fondamentalement, non relative). Afin d'unifier ces deux approches, le physicien va non seulement construire mais redéfinir le temps et l'espace (donc les notions de mouvement et de vitesse). Temps et espace, exprimés comme un couple par l'espace de Minkowski, deviennent liés aux propriétés physiques des phénomènes, i.e. des principes explicités ci-avant. Il s'agit là d'une rupture forte avec la mécanique classique, qui faisait prévaloir un temps absolu et immuable. La relativité générale va encore plus loin, tenant compte des phénomènes liés à tous les types de mouvements, et non plus seulement au mouvement inertiel.
Elle montre en effet, via des équations complexes, que l'espace-temps est déformé par la présence de matière, et que cela se manifeste par une force que nous appelons la gravité. Selon Albert Einstein, temps, espace et matière sont intimement liés. Plus encore, elle inverse le point de vue habituel : ce ne sont plus le temps et l'espace qui sont le cadre des phénomènes mettant en jeu la matière, mais les corps qui influent principalement sur le temps et l'espace. Le temps regagne ici une certaine matérialité, ce qu'il avait perdu chez Newton. L'ordre des événements, la succession, est inséparable de la causalité, et plus spécifiquement, des propriétés de la lumière. Kant l'avait déjà vu en partie, mais il croyait que la simultanéité était déterminée par une relation de causalité réciproque. C'est qu'il pensait en termes de choses, comme le soleil et la terre, non en termes d'événements. De plus, si pour Kant les propriétés du temps étaient liées à une expérience, si elles n'avaient aucune nécessité logique apodictique, il ne s'agissait pas de l'expérience physique, mais de celle de notre propre sens intime, ou plutôt de sa forme a priori.
La théorie d'Einstein est certainement non intuitive pour le commun des mortels : un temps qui se dilate ou se raccourcit semble bien irréel. Il est pourtant celui qui permet d'expliquer des phénomènes comme l'avance du périhélie de la planète Mercure ou les lentilles gravitationnelles, tout en étant compatible avec notre observation quotidienne du monde. Le trou noir constitue un exemple spectaculaire des propriétés théoriques du temps relativiste lorsque considéré à des vitesses proches de celle de la lumière.
Le lien entre espace et temps a également pour conséquence que la notion de simultanéité n'est plus absolue : tout dépend de l'observateur. Ce phénomène ne fait pas non plus partie du sens commun, car il n'est visible que si les observateurs se déplacent l'un par rapport à l'autre à des vitesses relativement élevées par rapport à la vitesse de la lumière. De façon générale, la théorie de la relativité nous indique que le temps objectif du physicien n'en est pas moins variable (ce qui se traduit par local en termes d'espace-temps). La mesure du temps est différente d'un référentiel à un autre, quand leurs vitesses respectives sont différentes l'une par rapport à l'autre.
L'écoulement du temps relativiste