« La physique depuis vingt ans/Le Temps, l’espace et la causalité dans la physique contemporaine » : différence entre les versions
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Le langage que parlent les physiciens s’écarte quelquefois de celui des philosophes et nous devons nous efforcer, pour notre propre compréhension mutuelle, d’éviter les difficultés tenant à l’emploi des mêmes mots, dans des sens parfois différents. C’est ainsi qu’il semble exister une divergence de ce genre en ce qui concerne la question du temps ; pour beaucoup de philosophes, cette notion se confond avec celle de la succession des états de conscience d’un même individu, des événements qui s’enchaînent dans une même portion de matière ; les physiciens ont à envisager des événements qui se passent en des points différents et en particulier à préciser la notion de simultanéité. Ils se sont demandé ce qu’on entend par simultanéité et par succession de deux événements distants dans l’espace. Nous verrons qu’une grande partie des résultats récents concerne la réponse à cette question. Au point de vue des conceptions habituelles ou de la mécanique, la simultanéité ou l’ordre de succession de deux événements distants dans l’espace a une signification absolue, indépendante des observateurs ; dans les conceptions nouvelles, au contraire, cette signification est purement relative : deux événements simultanés pour certains observateurs ne le sont pas pour d’autres en mouvement par rapport aux premiers ; deux événements qui se succèdent dans un certain ordre pour les premiers observateurs peuvent se succéder dans l’ordre opposé pour les seconds. Le temps du philosophe correspond à la succession d’une série très particulière d’événements, ceux qui s’enchaînent dans une même portion de matière ou dans une même conscience, et se confond, au point de vue de la mesure, avec ce que nous appellerons le « temps propre » de cette portion de matière ; nous aurons à nous poser la question de comparer les temps propres de diverses portions de matière en mouvement les unes par rapport aux autres.
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Les résultats nouveaux dont nous aurons à tenir compte pour répondre aux questions de ce genre, peuvent se résumer dans l’énoncé d’un principe, dont la signification générale n’a été reconnue que tout récemment : le Principe de Relativité.
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D’une manière analogue, les lois des phénomènes physiques s’expriment par des relations entre les diverses grandeurs qui y interviennent simultanément et telles que les mesure un groupe déterminé d’observateurs. Si un autre groupe en mouvement par rapport au premier observe le même phénomène, les grandeurs mesurées changeront en général et le principe de relativité énoncé plus haut affirme que, malgré ce changement, ''la forme des relations qui traduisent les lois des phénomènes restera invariante''. C’est là l’énoncé précis où je voulais aboutir et qui laisse prévoir la possibilité de créer, comme le fait la géométrie d’Euclide, un langage intrinsèque faisant intervenir uniquement des éléments invariants, de mesure indépendante du groupe particulier d’observateurs et de son mouvement particulier de translation. Ce langage correspond à une réalité plus haute que celle de l’espace et que les physiciens commencent à dégager, d’après Minkowski, sous le nom d’Univers. J’indiquerai, tout à l’heure, ce qui, dans l’Univers, synthétise les notions relatives de l’espace et du temps.
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Un aspect particulier du principe général de relativité avait été reconnu par les fondateurs de la mécanique et traduit par les équations du mouvement. C’est le fait que des expériences purement mécaniques effectuées à l’intérieur d’un système en translation uniforme, ne peuvent pas déceler ce mouvement ; autrement dit qu’il n’y a pas de mouvement de translation absolu. Nous appellerons système de référence un système de coordonnées en mouvement par rapport auquel se vérifient les lois de la mécanique classique, ou tout autre système en translation uniforme par rapport au premier. La relativité, en mécanique, correspond à ceci que rien ne différencie les uns des autres ces différents systèmes de référence et que les équations de la mécanique doivent, conserver leur forme quand on y remplace les mesures faites par un groupe d’observateurs en fonction des mesures obtenues pour les mêmes éléments par un autre groupe en mouvement de translation par rapport au premier. Ces éléments sont de diverse nature : la cinématique fait intervenir, à côté de l’espace, la notion de temps ainsi que les notions dérivées de vitesse et d’accélération, la statique et la dynamique y ajoutent les notions de force, masse, travail, etc.
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On peut d’une façon analogue dégager, pour l’ensemble des notions de l’espace et du temps, une réalité indépendante des systèmes de référence en mouvement les uns par rapport aux autres auxquels on peut la rapporter, de même qu’en géométrie nous avons introduit un espace indépendant des systèmes d’axes particuliers. Minkowski a proposé de donner le nom d’''Univers'' à cette réalité, définie comme étant l’ensemble des ''événements'', comme l’espace est l’ensemble des points.
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Dans ce langage, l’espace sera défini comme l’ensemble des événements simultanés ; de manière plus précise cette conception nous conduit à définir la forme d’un corps en mouvement comme l’ensemble des positions occupées simultanément par les différents points matériels qui composent ce corps. Cela revient à dire encore que, pour définir l’espace, on ne peut envisager que l’état du système à un moment donné, on doit faire dans l’ensemble plus complexe de l’Univers ''une coupe à temps donné''. La conception particulièrement simple de l’Univers qui est compatible avec la mécanique et que définit le groupe de Galilée, possède cette propriété que la forme d’un corps est indépendante du système de référence ; ou encore que tous ces systèmes ont le même espace comme ils ont le même temps d’après l’hypothèse du temps absolu. L’univers de la mécanique, invariant dans son ensemble, se décompose ainsi en deux constituants, l’espace et le temps, séparément invariants ; nous verrons qu’il n’en est plus ainsi dans la conception de l’univers compatible avec les théories nouvelles et ceci explique pourquoi la notion générale d’Univers, tacitement contenue dans les raisonnements anciens, ne s’est explicitée d’une façon nécessaire que depuis l’abandon du groupe de Galilée exigé par les découvertes expérimentales récentes.
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On a cru possible, pendant le {{s|XVIII|e|-}} et pendant la plus {{corr|grand|grande}} partie du {{s|XIX}}, de donner de tous les phénomènes physique des explications mécaniques invoquant les lois du mouvement comme phénomènes simples servant de point de départ à toute explication. Les lois de la physique devraient, à ce point de vue, posséder comme celles de la mécanique, la propriété de conserver leur forme pour toutes les transformations du groupe de Galilée compatibles avec la notion du temps absolu.
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Contrairement à cette prévision, l’expérience donne toujours un résultat complètement négatif. On peut donc affirmer que l’association de la théorie des ondulations en optique et d’un univers régi par le groupe de Galilée est en contradiction avec l’expérience. D’autres phénomènes que la propagation de la lumière ont été utilisés pour essayer de mettre en évidence le mouvement d’ensemble d’un système par des expériences intérieures au système. Les phénomènes électromagnétiques autres que ceux de l’optique, qui en constituent une branche particulière, conduisent à des résultats analogues qu’on discuterait comme nous l’avons fait pour l’expérience de Michelson et Morley.
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Pour expliquer le résultat négatif de celle-ci, Lorentz et Fitz-Gérald ont proposé d’admettre, ce qui est en contradiction avec les notions d’espace et de temps qu’exige la mécanique, que la plate-forme en mouvement parait, aux observateurs qui la voient passer avec la vitesse ''v'', se contracter suivant la direction du mouvement dans le rapport <math>\scriptstyle \sqrt{1 - \frac{v^2}{\mathrm{V}^2}}</math>, de sorte qu’elle leur semble changer de forme lorsqu’on la fait tourner de 90° pour passer de la première position à la seconde. Dans le raisonnement qui nous a conduits à prévoir un changement d’aspect des franges par suite de cette rotation, nous avons désigné par ON et OM les distances de la lame aux deux miroirs et ces distances ont été supposées invariables pendant la rotation. Si on suppose qu’elles puissent changer et devenir respectivement ON' et OM' on a, pour la seconde position
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M. REY. — L’intérêt que présente la communication de M. Langevin me paraît considérable, même — et peut-être surtout — pour ceux qui ne voient pas de rapports étroits entre la recherche scientifique et la recherche philosophique. Nous ne saurions trop le remercier d’avoir consacré tant d’efforts et de peine à venir nous instruire.
philosophique. Mais il est assez clair que, si importante qu'elle paraisse de suite à toute réflexion philosophique, la théorie nouvelle présentera néanmoins un intérêt de valeur bien différente selon l'orientation philosophique elle-même.▼
Il faut remarquer en effet qu’il ne s’agit pas d’une conception individuelle surgie brusquement dans une pensée hardie, aventureuse, à propos d’expériences ou très restreintes ou plus ou moins vagues. Il ne s’agit pas d’une de ces inductions, qualitatives si je puis dire, qui d’une base fragile s’efforcent de tirer par un effort imaginatif et un raisonnement analogique, des conclusions dont l’ampleur ne saurait dissimuler les lacunes et les hiatus. Il ne s’agit même pas d’une de ces représentations mathématiques, choisies entre beaucoup et auxquelles on en pourrait substituer une infinité d’autres. Certes une théorie physique se rapportant à un ensemble déterminé d’expériences peut toujours sembler le résultat d’une série de choix entre plusieurs hypothèses possibles, et de fait elle est bien le résultat d’un choix de ce genre. Mais sa valeur n’a rien à voir avec ce fait qu’elle est le résultat d’un choix. C’est ce qui a guidé le choix qui détermine sa valeur. Si l’on veut seulement une traduction mathématique élégante des phénomènes, on choisit la plus simple, la plus commode. Et on a le droit de dire qu’il n’y avait d’autres raisons à ce faire que cette commodité — encore que ce cas soit un cas limité qui ne s’est certainement jamais rencontré sous cette forme brutale et naïve dans l’histoire des sciences. Mais ici il en va tout autrement.
Si l'on tend vers une philosophie qui, maîtresse d'une méthode spécifique, radicalement différente des méthodes scientifiques, peut et doit se développer en dehors du domaine de la science et possède un mode de certitude qui lui est propre, il faudra sans doute interpréter les résultats qui viennent de nous être énoncés. Mais on y arrivera toujours certainement par un biais ou un autre, quelle que soit la métaphysique qu'on professe. Nulle part mieux qu'en métaphysique on n'a le droit de dire : il y a une infinité d'interprétations possibles. Tout ce qu'on peut d'ores et déjà affirmer, c'est que dans toutes ces doctrines l'interprétation des conceptions nouvelles donnera à la théorie des formes de l'espace et du temps, un contenu à la fois plus▼
Nous avons d’abord une théorie, qui par une marche sensiblement différente, pour des raisons qui ne sont pas identiques, a été conçue par des pensées fort diverses, mais réfléchissant un même ensemble de faits expérimentaux. Les grands résultats qui viennent d’être énoncés ici étaient atteints séparément par Lorentz, Einstein et M. Langevin, et énoncés sous une forme assez différente par Minkowski. Il y a plus. On a été conduit à cette théorie par tout un ensemble énorme de travaux sur l’optique, l’électricité et le magnétisme, travaux qui remontent au moins à Fresnel, et à Faraday. C’est une évolution continue, systématique, j’oserais dire logique, qui nous mène, pour ne citer que les grandes étapes et les vedettes, aux conceptions actuelles par les recherches aussi bien expérimentales que théoriques de Maxwell, Hertz, J.-J. Thomson, etc.
scientifique (qui ne fait qu'un avec l'attitude rationnelle) ou une réflexion critique qui accompagne les efforts techniques de la science, la théorie nouvelle de l'électrodynamique doit alors fournir des éléments capitaux à notre conception des choses. Et le travail qui s'impose au philosophe, travail de longue haleine, qu'il est ici impossible même d'esquisser, est de dégager et de préciser ces éléments en vue de cette fin propre. La mise au point des conclusions qu'on peut tirer des théories nouvelles nécessitera vraisemblablement une réflexion de plusieurs années. Combien a-t-il fallu de temps pour effectuer cette mise au point au sujet de Galilée, de Newton, etc. ? Voici toutefois quelques suggestions hâtives : L'expression philosophique de relativité, appelle à l'esprit d'une façon presque nécessaire celle de subjectivité. Au contraire la signification du principe physique de relativité est essentiellement objectif. Il exprime grosso modo que l'espace, le temps, le mouvement▼
sont relatifs en fait, aux repères objectifs d'après lesquels on les détermine. Autrement dit mouvement, espace et temps sont fonctions de certaines relations qui dépendent des choses et non de nous ou de notre manière de les concevoir et de les apprécier, de relations de fait, de relations objectives. Rien, il me semble, ne serait plus opposé à l'esprit de la théorie▼
Au point de vue historique il est difficile de trouver une chaîne plus continue, plus rationnelle, dans l’invention et la formation des idées directrices de la physique. Peut-être faudrait-il remonter encore plus haut, faire l’histoire du principe de l’indépendance des mouvements et des actions des forces dont l’actuel principe de relativité est, somme toute, la généralisation. En tout cas la théorie nouvelle englobant l’ancienne mécanique classique, comme une première approximation, sous des conditions restrictives données, faisant prévoir une approximation encore plus grande, à bref délai (je pense aux travaux de Planck sur l’énergie et aux recherches analogues), s’impose évidemment, comme un fait capital dans l’évolution de la connaissance et de la pensée humaines, à la réflexion philosophique.
physique nouvelle, que de croire qu'il s'agit dans la relativité du temps, ou dans celle des dimensions des solides, d'illusions subjectives relatives à nos façons d'apprécier ou de mesurer, sortes d'erreurs de perspective, analogues aux fameuses erreurs des sens dont la philosophie a déduit la théorie de la relativité de la perception extérieure, et même la relativité de la connaissance en général. C'est tout à fait indépendamment de nous et de nos mesures, bien que cela s'exprime en fin de compte dans nos mesures, que le temps que nous mesurons, que le diamètre solide que nous évaluons, seront en eux-mêmes – et non nous paraîtront – plus grands ou plus courts d'après le mouvement qui entraînera la chose qui dure ou la chose dont nous mesurons le diamètre dans le sens du mouvement. Et cette conclusion ce n'est pas le résultat d'une simple interprétation théorique. C'est, il faut y insister, la solution singulière, unique, à laquelle on est amené logiquement par près d'un siècle de recherches expérimentales. Certes, il y a une interprétation théorique mêlée à ces recherches puisqu'il s'agit d'une théorie physique et de phvsique mathématique. Mais dans la physique mathématique, ce que la théorie traduit en langage mathématique, ce sont des faits. Or les faits connus jusqu'ici ont acheminé comme vers leur interprétation naturelle à la théorie que M. Langevin a exposée. J'oserais presque dire, pour ma part, que cette interprétation est nécessaire, du moins à ce moment de l'évolution scientifique où nous sommes. Il ne me semble guère possible à ce propos d'objecter la multiplicité▼
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Mais que signifient ces remaniements ? L'avènement de la théorie mécaniste a été jadis une nouvelle approxiation des faits. Elle reste valable dans les circonstances générales pour lesquelles et d'après la connaissance desquelles elle a ét émise. Bien plus, nous comprenons du point de vue de la théorie de M. Langevin la nécessité en quelque sorte de la mécanique antérieure par rapport aux faits que cette mécanique a interprétés ; et nous la retrouvons pour ces faits, à des différences infinitésimales près, différences qui tiennent aux faits postérieurement découverts Il en sera de même de la théorie nouvelle.▼
Elle a donc et conservera, je crois, une objectivité certaine, comme la mécanique de Galilée et de Newton a et conserve une objectivité certaine. S'efforcer de déterminer cette objectivité me paraîtrait d'un grand intérêt philosophique, mais aussi particulièrement difficile. Il me semble toutefois qu'on a le droit de dire, à première vue que, bien loin de renforcer la relativité au sens philosophique, là relativité subjective des propositions de la physique qui se rapportent au temps à l'espace, au mouvement, elle en éloigne. Le principe dont il s'agit ne signifie-t-il pas qu'on ne peut déceler de l'intérieur d'un système, un mouvement de translation du système, en entendant par système, tout ce qui est mesuré par rapport à des repères considérés comme fixes. Il suit de là que nos mesures d'espace et de temps rapportées à ces repères, ont une valeur absolue, et ne peuvent être altérées par les mouvements d'ensemble qui se superposent au système de l'extérieur. Le mouvement de translation, indécelable à nos actuels moyens expérimentaux et qui emporte notre système n'affecte en rien pour nous les mesures de l'espace, du temps, des mouvements, intérieures à ce système. Il ne l'affecterait que pour un observateur extérieur au système et qui serait animé d'un mouvement différent. De sorte que le principe de relativité, loin d'affecter nos résultats d'un coefficient inévitable d'erreur de perspective, nous permet de les considérer comme absolus, en les rendant indépendants, pour tout observateur lié au système dans lesquels ces résultats sont obtenus, de ce qui peut affecter ce système de l'extérieur. Il nous permet d'ailleurs d'évaluer rigoureusement pour tous les cas où l'on considère un système de l'extérieur, les variations nécessaires qui doivent résulter des circonstances particulières à chaque cas. C'est ce qu'exprime l'existence du groupe de transformation. Jamais donc, peut-on dire, la physique ne semble toucher l'absolu d'aussi près que lorsqu'elle▼
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▲Si au contraire, suivant en cela d’ailleurs, la grande tradition philosophique rationaliste, celle d’Aristote ou de Descartes, voire du positivisme, on croit en des rapports étroits, une continuité ininterrompue en quelque sorte de la science et de la philosophie, si l’on voit dans l’attitude philosophique une transposition de l’attitude scientifique (qui ne fait
le temps prend par rapport à l'espace. Il semble que les théories nouvelles aient poussé plus loin que jamais elle ne l'avait été la notion du parallélisme entre l'espace et le temps. S'élevant au-dessus du point de vue du sens commun qui conçoit l'espace absolu comme le temps absolu, je crois que la science nous achemine de plus en plus vers la notion d'espaces et de temps, fonctions de relations données et euxmêmes simples relations, entre des réalités qui sont leurs supports réels. Par suite nous pouvons concevoir des déterminations multiples, des espaces et des temps multiples. Et ce qui déterminerait les espaces comme les temps, ce serait les mouvements. Le mouvement, je crois bien, devrait être posé comme une notion logiquement antérieure à celle d'espace et de temps. Et ces dernières résulteraient dans une certaine mesure de l'analyse de la première.▼
Certes M. Bergson a le droit dans son système de ne voir là qu'un nouvel effort de la science pour spatialiser le temps et qu'une formule ne réussissant que dans le monde matériel. Mais en considérant, avec M. Bergson d'ailleurs, la science comme le résultat d'une adaptation nécessaire de la pensée et du réel, on peut répugner à voir dans l'Univers, comme dans la connaissance, des plans irréductibles. Le point de départ de toute méthode de connaissance du réel peut alors▼
Voici toutefois quelques suggestions hâtives :
être cherché, doit même être cherché, dans les résultats scientifiques. Car ceux-ci ont bien l'air d'être, dans leur domaine et sous certaines conditions, comme des approximations successives de la réalité. Ne seraient-ils pas l'épuration continue des notions très grossières, des adaptations primitives très restreintes et fort lointaines, partant pleines d'insuccès, du sens commun et de l'instinct ? La conclusion que je ne puis ici qu'entrevoir c'est que l'espace et le temps sont moins les enveloppes générales des réalités physiques, des cadres dans lesquels celles-ci se situent et s'écoulent, que des déterminations dépendant de ces réalités mêmes, des fonctions de ces réalités. C'est encore que si nous voulons nous figurer aussi objectivement que possible l'espace et le temps il faut éviter de chercher à les calquer sur les notions du sens commun, ou du sens intime, et de considérer toute autre façon de les concevoir comme des artifices subjectifs. Le temps et l'espace du sens commun me semblent analogues au ciel et au mouvement des astres du sens commun. Ce sont eux qui sont des artifices subjectifs très primitifs. Et nous devons à la science de les rectifier sans cesse pour s'approcher à mesure plus près de l'objectivité et du réel, pour proposer à la réflexion philosophique, à l'intuition philosophique, des points d'appui plus▼
solides et des suggestions nouvelles. «L'expérience scientifique » peut être partielle, incomplète ; elle est quand même de l'expérience ; elle doit avoir sa place dans «l'expérience totale ». À un autre point de vue, qui est d'ailleurs intimement lié à celui-ci, la théorie me paraît encore d'un très haut intérêt : ce point de vue c'est celui où l'on se place quand on cherche à approfondir par une étude historique qui devient nécessairement par cela même une étude critique, la façon dont nous entrons en contact avec le réel, la méthode ou les méthodes qui constituent dans sa nature intime la structure et les démarches de notre pensée à la recherche de la vérité. Mais si nous nous plaçons à ces deux points de vue, il n'est que trop évident aussi que ce qui peut et doit nous intéresser aujourd'hui, ce ne sont pas les réflexions que peuvent suggérer aux philosophes après une trop courte étude, les résultats qui viennent d'être exposés. Ce sont au contraire les réflexions qu'ils peuvent suggérer aux hommes de science qui se trouvent ici. La science soumet elle-même ses concepts à une critique interne qui est et doit rester toujours et partout le point de départ de la véritable critique. C'est cette critique constamment en éveil, (car une théorie scientifique est toujours une théorie ouverte), qui nous intéresserait et par la lumière qu'elle jetterait sur certains points, et. par l'appréciation qu'elle permettrait,dans une certaine mesure, de la valeur des efforts dont M. Langevin vient de donner un si remarquable aperçu.▼
▲L’expression ''philosophique'' de relativité, appelle à l’esprit d’une façon presque nécessaire celle de subjectivité. Au contraire la signification du principe ''physique'' de relativité est essentiellement objectif. Il exprime ''grosso modo'' que l’espace, le temps, le mouvement sont relatifs ''en fait'', aux repères objectifs
Rien, il me semble, ne serait plus opposé à l’esprit de la théorie physique nouvelle, que de croire qu’il s’agit dans la relativité du temps, ou dans celle des dimensions des solides, d’illusions subjectives relatives à nos façons d’apprécier ou de mesurer, sortes d’erreurs de perspective, analogues aux fameuses erreurs des sens dont la philosophie a déduit la théorie de la relativité de la perception extérieure, et même la relativité de la connaissance en général.
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▲Il ne me semble guère possible à ce propos d’objecter la multiplicité possible des interprétations. C’est vraiment de mauvais aloi. L’histoire des sciences nous montre qu’à toute époque et pour des faits donnés, une ''famille'' d’interprétations bien définie s’impose. Et les diverses espèces, dans la famille, ne diffèrent que par des détails, fonction de nos ignorances. On pourrait en dire autant de ces diverses familles à des époques successives. Il est certain que la théorie actuelle sera dépassée à mesure que nos connaissances seront étendues. M. Langevin a fait allusion en finissant à la possibilité prochaine d’un remaniement nouveau plus compréhensif à la fois et plus extensif. Mais que signifient ces remaniements ?
S’efforcer de déterminer cette objectivité me paraîtrait d’un grand intérêt philosophique, mais aussi particulièrement difficile.
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▲Une troisième remarque semble encore pouvoir être suggérée. Les théories nouvelles attirent notre attention sur l’espace et le temps. La tradition d’Aristote, de Descartes, de Leibniz et de Kant poussait le parallélisme entre ces deux catégories aussi loin qu’il était possible. Tout le monde connaît la théorie originale que M. Bergson a édifiée sur le renversement de cette conception et la valeur toute nouvelle que le temps prend par rapport à
▲Certes M. Bergson a le droit dans son système de ne voir là
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À un autre point de vue, qui est d’ailleurs intimement lié à celui-ci, la théorie me paraît encore d’un très haut intérêt : ce point de vue c’est celui où l’on se place quand on cherche à approfondir par une étude historique qui devient nécessairement par cela même une étude critique, la façon dont nous entrons en contact avec le réel, la méthode ou les méthodes qui constituent dans sa nature intime la structure et les démarches de notre pensée à la recherche de la vérité.
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M. PERRIN. — Il est remarquable qu'un retour à l'hypothèse de l'émission, en admettant que les particules lumineuses sont émises par chaque source avec une même vitesse par rapport à elle dans toutes les directions expliquerait, dans les conceptions de la Mécanique classique, le résultat négatif de l'expérience de Michelson et Morley quel que soit le mouvement d'ensemble du système. D'autre part les physiciens, en développant la théorie des ondulations au point de vue du principe de relativité, sont amenés à conclure que la lumière est inerte et probablement pesante. N'est-ce pas un retour vers l'ancienne
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