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Voyages temporels et mesure du temps Note obtenue: 20/20

Peut-on voyager dans le temps ? Voici le fil directeur de ce TPE de 1ère Scientifique. Nous interessons par ailleurs à la mesure et la nature du temps pour avoir une vision globale.
by

Antoine B...

on 22 November 2014

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Transcript of Voyages temporels et mesure du temps Note obtenue: 20/20

Le Temps
Peut-on y voyager ?
I- Mesure du temps

1) Premiers textes et première invention


2) Outils pour mesurer le temps (visite
au musée dauphinois)
Qu'est-ce que le temps ? Comme disait Saint Augustin (un pionnier en la matière) il y a plusieurs siècles déjà, si on ne vous le demande pas, vous croyez le savoir, mais en y réfléchissant, vous vous apercevez que répondre est une tâche bien plus ardue qu'elle n'y paraît. Le temps est indétectable, et pourtant il est là, il règle de nos vie et figure au coeur même de notre civilisation, qui cherche à le mesurer de plus en plus précisément. Cette question sur ce qu'est le temps en entraîne tout naturellement une autre: peut-on, ou pourra-t-on voyager dans le temps ? C'est sur ce sujet que nous avons décidé d'orienter nos TPE afin d'éclaircir ce mystère. Nous nous sommes tout d'abord penchés sur deux points indispensable à notre compréhension: la mesure et la nature du temps. Et ce sont grâce à ces informations que nous pourrons évoquer l'éventuelle possibilité d'un voyage temporel.
II/ La nature du temps

1) Notre opinion, à partir de notre ressenti personnel
a) Le passé
b) Le futur
c) Le présent

2) Le temps newtonien et les espace-temps de


Minkowski et Einstein
a) Le vision de Newton
b) La relativité, restreinte et générale
II/ La nature du temps
1) Notre opinion, à partir de notre ressenti personnel
Voici ce que nous pensons à propos de l'existence du temps. Nous avons élaboré cet avis à partir de nos impressions personnelles d'humains terriens, et il représente donc notre vision intuitive (pas forcément exacte !) de la nature du temps.

Nous avons défini trois "modalités", trois parties: le passé, le présent et le futur. Ainsi, nous allons chercher à savoir si chacune de ces "modalités" existe.
A-Le passé
Pour savoir si le temps existe intéressons-nous successivement à chacune de ses phases, en commençant par le passé. Nous sommes tous d'accord, le passé n'existe plus. « Donc il n'existe pas », avait immédiatement répliqué Aristote. Mais cela est certainement bien plus complexe. En effet, le passé est indispensable et détermine le présent (principe de causalité, que nous détaillerons un peu plus tard). Tout ce que nous voyons, touchons, sentons, vient du passé. Si votre voiture n'avait pas subit un accrochage il y a 10 ans (dans le passé), elle n'aurait aujourd'hui pas cette éraflure ; les atomes constituant votre lampe ont été formés il y a des milliards d'années et ne sont pas subitement sortis du néant à l'instant. Donc quoiqu'on en dise, le passé existe « d'une certaine manière ». Mais c'est cette manière qui fait débat. Ainsi, le passé ne peut pas être une réalité évidente, puisque que le réel ne s'offre qu'au présent. Mais il ne peut pas être dénigré totalement non plus, car Aristote, Louis XVI ou bien encore votre arrière-grand-mère ont bel et bien vécus, dans une relative réalité « passé ». Tout cela est très compliqué, cependant il ne faut pas mélanger le fait que le passé survit tant bien que mal dans le présent grâce à notre mémoire, à des traces qu'il a laissé ; et la question de savoir si le passé peut exister réellement alors même que la réalité ne peut être clairement définie qu'au présent.

D'une part, nous pouvons affirmer que le passé n'excite pas nos sens directement, qu'il ne peut pas être représenté par quelque chose de palpable ou de visible, et que seule la réalité présente peut être reconnue par la vue, l'ouïe ou le toucher. En ce sens, le passé n'existerait donc pas.
D'autre part, le passé est immuable. Une fois apparu, rien ne peut le modifier, et les aléas du futur n'y peuvent rien. Même s'il n'a laissé aucune trace, impossible de nier qu'il a été réel et a eu lieu. Cette fixité du passé est donc à même de lui donner une certaine réalité. D'ailleurs, nous pouvons remarquer que toutes les religions de part le monde ont admis l'immobilité du passé, au point que même les forces divines ne peuvent le modifier.
Il nous est certainement impossible de savoir laquelle de ces hypothèses antinomiques est la bonne, mais c'est peut-être parce que les deux sont vraies à la fois. Comme le dit Étienne Klein « Le passé est en partie irréel dans la mesure où il est déconnecté du présent, qui occupe le seul site où réside la réalité. Mais il est également réel dans la mesure où il a été présent et donc occupé une fois ce site, ce qui le rend à jamais réel […] En ce sens, il suffit d'avoir été réel une fois pour l'être à jamais ».
B-L'avenir
Penchons nous maintenant sur l'avenir. L'avenir n'existe pas encore. « Donc il n'existe pas » répondait de nouveau Aristote, sûr de lui. Il n'a d'ailleurs pas tout à fait tort. Comment l'avenir pourrait-il exister, puisque s'il existait, il serait du présent ? Seulement, nous, humains, pensons à l'avenir car notre mémoire a repéré des phénomènes cycliques, certes un peu modifiés, mais qui reviennent (nous savons, par exemple, qu'après l'hiver succédera le printemps). L'avenir est donc composé à la fois de l'attente (une certaine durée nous sépare de lui) et de l'imagination (nous ne pouvons que l'anticiper fictivement). En conclusion, l'avenir n'existe pas dans notre monde en tant que tel, seule notre capacité de mémorisation et d'anticipation nous permet de savoir que quelque chose arrivera après l'instant présent que nous vivons.
C-Le présent
Terminons par la question de l'existence du présent, question qui pose le plus de problèmes. En effet, Nous pouvons à coup sûr dire qu'il existe puisque chaque instant que nous vivons est du présent, car ni passé ni avenir. Malgré cela, le présent porte à réfléchir. Impossible à saisir, il disparaît sans cesse en devenant passé et réapparaît immédiatement légèrement modifié afin de rester un présent, un présent qui dure. Il est donc un paradoxe à lui tout seul, en même temps persistant et éphémère, il comporte l'idée d'existence immuable à l'infini, et d'acteur du changement indispensable.

I/ Mesurer le temps
Les différentes couches d'espace , qui évoluent au fur et à mesure de l'écoulement du temps universel
Espace Aujourd'hui
Espace Hier
Espace demain
Ligne temporelle qui représente un temps universel
T1
T2
T3
Ligne d'univers de l'objet O
Mode d'emploi: Après avoir mis le plein écran (rectangle en bas à droite de la fenêtre), utilisez les flèches de droite/gauche pour avancer/reculer dans la présentation. Les vidéos se lancent théoriquement toutes seules, mais si ce n'est pas le cas, placez votre souris sur l'image indiquée puis cliquez sur le triangle qui apparaît en bas à droite.
Ma ligne d'univers propre
Ligne d'univers de mon stylo
Ma ligne d'univers et celle de mon stylo sont très proches: nous occupons un point très proche l'un de l'autre dans l'espace-temps. Cela peut, par exemple, correspondre à un moment où je touche mon stylo
instant (t).
l'absence de temps universel accepte donc l'idée que mon instant (t) n'est pas simultané à l'instant (t) de mon stylo
NB: Dans cette partie nous avons décidé de faire abstraction de la plupart des formules évoquées par les différents théoriciens. En effet, nous cherchons à comprendre ce qu'est le temps de manière conceptuelle et non mathématiquement, ce qui est bien plus intéressant et parlant pour qui n'a pas un niveau très avancé en mathématiques (exemples: calculs de quadrivecteurs, de la métrique, des notions importantes pour démontrer mais qui le sont moins pour comprendre).
La conception présentiste, celle qui est la plus proche de notre vision intuitive du temps mais qui s'est révélée fausse.
L'éternalisme, théorie admise et qu'aucune expérience n'a (pour l'instant) contredit.
L'avis des Physiciens :
Les différents avis de philosophes ont en physique un nom : le présentisme (ce que défendait Aristote) et l'éternalisme. Le présentisme affirme que n'existe que ce qui est présent. Un objet O à un instant (t) (que nous appellerons O(t) ) existe, et plus tard, l'objet O (t') existera aussi alors que l'objet O (t) aura disparu. Passé et futur sont donc supprimés. Cependant, la vitesse finie de la lumière (3x10^8 m/s) nous indique que tous ce que nous voyons est déjà terminé. La lumière émise par un objet O(t) met du temps à arriver à nos yeux, et l'objet a donc changé d'instant quand nous le voyons. Donc selon cette théorie nous vivrions dans un un monde "transparent", dans lequel nous ne pourrions rien connaître étant donné que tout disparaît avant que nous en ayons eu conscience. Le monde serait un « monde en couches » , constitué uniquement d'un espace présent qui évoluerait et dont les différents niveaux successifs suivraient une ligne temporelle, représentant un temps universel.
La conception éternaliste, elle, est celle qui aujourd'hui est retenue par la majorité des penseurs, des physiciens et que nous retiendrons dans nos TPE. Chaque objet* existe dans la totalité de sa vie, de sa création à sa disparition, et suit ce que nous appelons une
ligne d'univers
. Par exemple, ma ligne d'univers est celle que je suis de ma naissance à ma mort. Elle sera modifiée par mes choix (la question du libre arbitre se pose : mon destin n'est-il pas déjà tout tracé dès ma naissance ? Mais cela est une tout autre histoire, que nous n'aborderons car elle nous éloignerait trop de notre sujet principal). Je la suivrai au fur et à mesure de mon évolution et j'occuperai successivement tous ses points
dans l'espace-temps
. Cette ligne d'univers est donc une réalité non pas qui apparaît petit à petit mais une réalité éternelle, que nous découvrons peu à peu. Toutes les couches dont parle de présentisme existent à la fois et forment un « 
univers-bloc
 » constitué d'espace et de temps qui porte le nom d'espace-temps. Enfin, et cela est important, cette ligne d'univers est
propre et unique
pour tous les objets...

*objet: définir un objet est dépendant de la précision voulue. Un atome est un objet, mais une voiture peut aussi en être un, dans la mesure où les lignes d'univers de ses constituants sont très proches.
Exemple: ceci est un objet de 3 cm de largeur
Précision faible
Ceci est aussi trois objets différents de 10 mm de largeur chacun.
Précision élevée
En résumé...
Vidéo
Point O
Futur causal de mon point O
Passé causal de mon point O
Ces cônes existent à cause de la vitesse finie de la lumière, et du fait qu'un objet d'une vitesse inférieure à celle de la lumière ne peut aller plus vite que cette dernière. Je ne peux donc pas recevoir n'importe quel signale à n'importe quel moment.
A) La vision de Newton
Newton, au XVIIIème siècle, définissait le temps de la manière la plus simple qu'il soit, tel qu'il le voyait tous les jours. Il est en effet le précurseur du présentisme. Selon lui, le temps s'écoule partout dans l'univers de la même manière et à la même vitesse, et chaque point de l'espace peut être repéré sur un "flèche du temps". Ainsi, pour dater un événement, il suffit de regarder à quelle "couche" d'espace il a appartenu et à quelle date elle correspond sur la "flèche du temps" (voir schéma sur le présentisme) ; pour connaître la durée de l’événement il faut faire la différence entre sa date de fin et de début ; pour savoir si deux événements ont eu lieu simultanément, il est juste nécessaire de vérifier qu'ils appartenaient à la même couche d'espace, autrement dit qu'ils avaient la même date. C'est certainement, aujourd'hui, ce que pensent ceux qui ne s’intéressent pas particulièrement au temps, soit une grande partie de la population. Cela s'avère faux sitôt que nous nous éloignons un peu de la Terre, que nous acquérons une vitesse élevée, ou que nous mesurons avec une extrême précision. Newton ne pouvait pas le faire, donc il a quelques excuses de s'être trompé. Il ne pouvait comparer que des systèmes (ensemble d'objets) très proches les uns des autres et par conséquent les résultats n'étaient pas très probants.


2) Le temps newtonien et les espace-temps de Minkowski et Einstein
En 1908, la théorie de la relativité restreinte de Minkowski met à mal celle de Newton en introduisant le fait que le temps ne s'écoule uniformément pour deux observateurs (objets capable d'enregistrer des données tel un corps humain ou une horloge) placés à deux points distincts de l'univers. De plus, il est le premier à avancer l'idée d'un univers non plus en 3 dimensions (que l'on nomme 3-variété) qui évoluent mais en 4 dimensions (4-variété) qui pourraient être la hauteur, la largeur, la longueur (bien que ces appellations n'existent pas en dehors du référentiel terrestre) et le temps. Minkowski définit aussi la notion de ligne d'univers (comme indiqué dans le paragraphe consacré à l'éternalisme) qui est appelée droite lorsque l'objet est inertiel ou immobile (par rapport à un autre objet).
Enfin, il démontre l'existence de la causalité. Ainsi mon passé causal comprend tous les évènements et points de l'espace-temps qui ont envoyé un signal dans ma direction (exemple : de la lumière) et que je reçois à mon point O, tandis que mon futur causal correspond à tous les points et événement qui recevront un signal que j'aurai envoyé à mon instant O.
Point O
Futur causal de mon point O
Passé causal de mon Point O
Selon Einstein...
Selon Minkowski...
Géodésique
Déformation de l'espace-temps
La causalité en relativité
La théorie de la relativité général d'Einstein, quant à elle, reprend les idées de Minkowski à une différence près : l'introduction de la gravitation. En effet, Minkowski y faisait abstraction, ce qui était en partie une erreur. Par conséquent, d'après Einstein, les objets massifs (planètes, étoiles...) modifient l'espace-temps autour d'eux et toute ligne d'univers en tient compte. Imaginez l'espace-temps comme un drap tendu horizontalement. Vous y posez dessus des boules de pétanque, objets sphériques et lourds. Vous constaterez alors que ces objets s'enfonceront dans le drap qui ne sera alors plus tout à fait plat : c'est l'effet que font les objets massifs sur l'espace temps. Maintenant décidez de faire rouler, à proximité d'une boule de pétanque, une bille. Cette dernière représentera le trajet d'un rayon lumineux ou d'un objet dans l'espace-temps, autrement dit sa ligne d'univers. Vous verrez que la bille ne traverse pas en ligne droite le drap d'un bout à l'autre, mais suit une trajectoire qui s'incurve près des boules. C'est à peu près ce qu'il se passe dans l'univers avec la gravitation, et cela résume assez bien l'apport de la relativité générale sur la relativité restreinte. Le ligne d'univers d'un objet immobile, qui dès lors qu'elle est influencée par ce qui l'entoure ne peut plus être une droite, porte le nom de géodésique. De plus, la causalité est modifiée car les représentations des passés et futurs causaux ne sont plus des cônes mais des figures irrégulières.
Espace-temps d'Einstein
Vidéo
B/ Relativité, restreinte et générale
2) Outils pour mesurer le temps (visite au musée dauphinois)
a) gnomon, cadran solaire et scaphé
III/ Conjectures sur le voyage dans le temps


Voyager dans le passé
Si l'on voyageait dans le passé, cela voudrait dire que le temps s'écoulerait à l'envers pour deux observateurs. En effet, si vous retourniez dans le passé, vous continueriez à vivre votre temps à vous, à avancer dans le futur en ayant conscience du passé, tandis que le reste de l'univers irait dans l'autre sens. Si ce n'est pas le cas, tout devient absurde ! Imaginons que vous reculiez d'une heure. Si tout l'univers le fait en même temps que vous, votre conscience le fera aussi, vous serez donc dans le même état d'esprit qu'avant votre départ, et vous ne vous souviendrez pas, comme tout le reste de l'univers, d'être revenu une heure en arrière. Donc deux cas sont possibles: soit votre temps va en sens inverse du reste de l'univers, ce que les théories actuelles n'autorisent pas, soit tout l'univers "recule" avec vous et cela n'a aucun intérêt, c'est comme si rien ne s'était passé.
ait passé.
A/ Se voir dans le passé
Il est depuis assez longtemps déjà admis que plus on regarde loin, plus ce que l'on aperçoit est ancien. La vitesse finie de la lumière engendre ce phénomène. En effet, si l'objet est très loin, la lumière met du temps à nous arriver, d'où une impossibilité de voir évènement pendant qu'il se déroule, mais seulement avec un décalage plus ou moins important, qui dépend de la distance qui nous sépare de l'évènenement. En outre, avec l'arrivée de la théorie de la relativité, , il est désormais possible de se voir soi-même dans le passé.

Trou Noir
ou
planète hyper
massif
Observateur
1. Un photon est émis le 1er janvier 2013
2.Objet hyper massif dont la gravité est extrêmement élevée à ses abords (flêches noires).
Il est appelé lentille gravitationnelle.
3.Le photon s'approche avec un angle parfait, qui lui permet de ne pas "tomber" dans le trou noir, mais de subir tout de même sa force gravitationnel.
4. Grâce à sa grande vitesse, le photon se libère de l'attraction du trou noir.
5. Le photon, qui a voyagé dans l'espace pendant un an, atteint en 2014 l'observateur qui l'a émis. Ce dernier se voit alors tel qu'il était au 1er Janvier 2013.
Voyager dans le futur
Lorsqu'on parle de voyager dans le futur, on imagine une machine qui nous envoie en quelques seconde cent ans plus tard, par exemple. Cela revient donc à dire que lorsque nous vivons 5 secondes, le reste de l'univers, ou plus précisément la terre dans notre cas vit 100 ans. Par conséquent, notre temps, celui que nous vivons, doit passer plus lentement que celui de la Terre, ou bien celui de la Terre doit passer plus rapidement que le nôtre.
III/ Conjectures sur le voyage dans le temps
1) Se rendre dans le passé
a) Definition du voyage dans le passé
b) Voir et se voir dans le passé
c) Voyager dans le passé
2) Se rendre dans le futur
a) Définition du voyage dans le futur
b) Voyager dans le passé


Selon la relativité générale, si un observateur A se déplaçait à la vitesse de la lumière (ce qui est impossible) il aurait l'impression, dans son référentiel, de voyager d'un point à un autre instantanément, alors qu'un observateur externe B n'aurait pas cette impression, car la lumière a une vitesse finie pour lui. La ligne d'univers de l'observateur A serait alors de "type lumière". En outre, si ce dernier fait un voyage de 7 ans à une vitesse proche de celle de la lumière, l'observateur B attendra son retour plus de 57 ans, comme si son temps s'était écoulé plus rapidement ! Cependant, il est important de remarquer que l'observateur A n'aura pas l'impression d'avoir vécu au ralenti. Enfin, en choisissant bien sa vitesse, il est possible d'obtenir n'importe quel facteur de "ralentissement du temps". Il est possible de vivre 1 seconde quand la terre vit un milliard de siècles, comme il est possible de vivre 10 ans quand la terre en vit 11.
Pendant son aller-retour, le vaisseau voyage toujours à une vitesse très proche de celle de la lumière.
Ce phénomène est appelé
Dilatation du temps
Problème: il faut aller extrêment vite. Or aujourd'hui nous ne savons pas comment faire, à cause d'une l'imite technique:

Le vaisseau est lourd
Le vaisseau devient plus lourd
Il lui faut beaucoup de carburant pour gagner de la vitesse.
Davantage de carburant est nécessaire pour le propulser
Ainsi, il faudrait une quantité infinie de carburant pour que le vaisseau aille à la vitesse de la lumière, ou du moins s'en rapproche.
B/ Voyager dans le passé
La relativité générale apportée par Einstein, de prime abord, n'autorise pas les voyages dans le passé. Cependant, certains physiciens se sont aperçus que des modèles mathématiques pourraient permettre ce genre de voyages. Il s'agit des trous de vers. Cette hypothèse très spéculative consisterait en une sorte de "pont" qui relierai deux trous noirs.
Remerciements:
- M. Etienne Klein, directeur de recherches au CEA et professeur en philosophie des sciences à Paris
- M. Marc Lachièze-Rey,astrophysicien, directeur de recherches au CNRS et écrivain prolifique.
- Mme Catherine Nozière, enseignante-chercheur et physicienne à l'IPAG
- M. Gilles Henri, enseignant-chercheur et astrophysicien à l'IPAG
- M. Jean-Marie Peyrin, horloger à Grenoble, qui aurait aimé nous aider mais qui malheureusement était débordé de travail.
- M. Aurélien Barrau, enseignant-chercheur et astrophysicien au LPSC de Grenoble.
- M. Thissen Roland, astrophysicien à l'IPAG
- Mme Christiane Guichard, fresquiste à l'Atelier Tournesol
- L'atelier Tournesol, association ayant pour but le recensement et la restauration des cadrans solaires en Isère.
- Le Musée Dauphinois et son exposition "Voir Midi à sa porte", disponible jusqu'au 15 Septembre 2014.

Sortie vers le passé
Entrée du trou de vers
Deux trous noirs très massifs qui perturbent tant l'espace-temps qu'ils finissent pas se rejoindre.
Espace temps qui se comporte en "couches"
Schéma simplifié d'un trou de ver
s
Trajet qu'emprunte la lumière dans l'espace-temps.
Problèmes des

trous de vers
Il a été prouvé qu'un objet de matière passant à travers ce trou de vers serait immédiatement désintégré, à cause de la pression gigantesque, presque infinie, qui régnerait. Et même la lumière ne pourrait jamais passer, car dès que quelquechose franchit ou bien s'approche du trou de vers, celui-ci se referme sans jamais se rouvrir, bloquant alors le passage.
Trajet qu'emprunterait un voyageur temporel, "aspiré" par le trou de vers.
1) Premiers textes et première invention
Objet massif qui perturbe l'espace-temps
En conclusion, le temps est quelquechose d'abstrait, et dont la définition que nous nous en faisons et bien différente de celle de la théorie de la relativité générale. En outre, cette dernières auorise les voyages temporels dans le futur, mais ils restent pour l'instant impossible dans le passé. Enfin, les Hommes ont inventé au fil des siècles des dizaines d'instruments pour mesurer le temps, qui sont devenus de plus en plus précis au fur et à mesure de l'évolution, et qui ont fait de l'heure un élément centrale de notre organisation...
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