maatkai a écrit :
Vaste question... qui peut difficilement appeller une réponse simple.
Il faut d'abord bien séparer le temps psychologique (ou temps des philosophes) et le temps physique, celui qui nous interesse ici.
Le temps psychologique est celui que l'on "ressent". Typiquement, celui qui fait que le temps semble passer plus vite lorsque l'on est plus âgé. Ce n'est evidemment qu'un ressenti qui n'a pas vraiment de réalité physique.
Le temps physique lui, a été défini de plusieurs façon suivant les époques. Avant le XXème siècle, le temps physique était celui de Newton. Un temps absolu, qui n'a aucune raison d'être différent quel que soit le référentiel considéré (en mouvement ou non). Une seconde, c'est une seconde après tout.
Au début du XXème siècle, Einstein remet ce postulat en cause par le biais d'un autre postulat : la vitesse de la lumière est invariante. C'est à dire que quelle que soit la vitesse d'un référentiel, la mesure de la vitesse de la lumière dans un autre référentiel donnera toujours le même résultat. C'est un constat très troublant du point de vue de l'intuition. Ce constat avait été fait depuis longtemps par plusieurs experiences (Römer dès 1676) et de nombreuses expériences pendant le XIXème siècle tentaient de montrer une différence de vitesse de la lumière, expériences qui ont toutes échoués malgrés des mesures extrèmement précises grâçe à l'interféromètrie. Ce constat posait un énorme problème en relativité galiléénne, puisque la composition des vitesses donnée par cette relativité ne peut alors plus être juste. Pour être un peu plus clair et avec un exemple simple, une personne courant à 10 km/h dans un train qui roule à 100 km/h aura comme vitesse relative pour un observateur sur le quai une vitesse de 110 km/h. Cette relativité de bon sens semble bien valable, c'est ce qu'on observe. Maintenant, si on imagine un train qui roule à une vitesse proche de la vitesse de la lumière et une personne qui coure dans ce même wagon à une vitesse un peu moindre, sa vitesse relative vue par un observateur au sol ne pourra pas être supérieure à la vitesse de la lumière puisque c'est ce qu'on constate par les expériences. La formule de composition des vitesse ne peut dès lors plus être simplement v'=v-V . Il faut prendre en compte le fait que la vitesse de la lumière est une limite indépassable. C'est ce que fera Einstein en écrivant la relativité restreinte.
Quel est le rapport avec le temps qui est la question initiale ? Et bien Einstein, dans le cadre de la relativité restreinte, définit la simultanéité, que l'on peut décrire comme le fait qu'un flash lumineux soit reçu au même moment par deux personnes éloignées de la même distance par rapport à une source dans un référentiel donné. En partant du postulat que la vitesse de la lumière est la même quelque soit le référentiel, la relativité restreinte nous dit alors que pour un observateur en mouvement par rapport à ce référentiel, cette simultanéité des événements dans ce référentiel n'est plus simultanée dans le référentiel en mouvement! Le temps est alors quelque chose de relatif, suivant les référentiels considérés. Sans développer plus que ça, la relativité restreinte nous montre en fait que l'écoulement du temps n'est pas vu de la même façon suivant les observateurs. Pour un observateur donné, le temps dans un référentiel en mouvement par rapport à cet observateur semblera ralenti (et les longueurs contractées). Tout ceci n'est qu'une conséquence du fait que la vitesse de la lumière est invariante.
Par contre attention, le temps propre, lui, reste inchangé. Une seconde pour l'observateur sur son quai sera aussi une seconde pour ceux dans le train.
Dans ce cas, la relativité galillééne ne peut alors plus se contenter d'être décrite dans un espace à 3 dimensions spatiales (x,y,z) avec un temps absolu puisque ce temps n'est justement pas absolu. Einstein défini donc un espace-temps à 4 dimensions (c.t,x,y,z) avec le temps multiplié par c pour lui donner une dimension spatiale (des m/s par des s donne des m), temps qui change donc suivant les référentiels et les observateurs.
Se pose alors un autre gros problème en physique, c'est la gravitation universelle de Newton, qui nous dit que la force d'attraction entre deux corps de masses Ma et Mb se défini par F=G*Ma*Mb/d² . Ce qui est en totale contradiction avec la relativité restreinte puisque cette force s'exercerait alors de façon instananée! Chose impossible en considérant la vitesse de la lumière finie. Aucune information ne peur aller plus vite. Einstein inclu alors cette donnée et établi la relativité générale qui défini alors la gravitation non plus vraiment comme une "force", mais comme une déformation de l'espace-temps lui même. Le temps se trouve alors également relatif suivant les potentiels des champs gravitationnels et les observateurs considérés.
C'est à partir de cette théorie (validée par l'expérience par l'explication de l'anomalie de l'avance du périhélie de Mercure, ou encore par la déviation importante des rayons lumineux aux abords d'un champ gravitationnel intense, phénomènes prédits par la RG) que va découler toute la cosmologie moderne. Cette théorie impose en effet des solutions dynamiques, solutions confirmées par les observations de Hubble notamment. C'est à dire que les équations de la relativité générale n'ont pas de solutions statiques. L'Univers évolue! A partir de là, si on décrit l'Univers par la relativité générale en remontant à rebours du temps, on se rend compte qu'il était alors de plus en plus dense et de plus en plus chaud. C'est le modèle du Big Bang chaud imaginé par Lemaitre. Et si on pousse un peu le raisonnement, on se retrouve alors avec une singularité gravitationnelle à un hypothétique temps 0 où l'Univers est infiniment chaud dans un volume infiniment petit. C'est le Big Bang. Ce volume infiniment petit, c'est l'espace-temps lui-même. A partir de là, dire "avant le Big Bang" n'a pas de sens, l'espace-temps étant justement créé par ce Big Bang.
Cependant, attention! Ce modèle du Big Bang décrit par la relativité générale n'est qu'un modèle comme son nom l'indique. C'est une extrapolation de la relativité générale qui ne décrit QUE la gravitation. La RG ne défini absolument pas les autres forces fondamentales que sont les forces nucléaires forte et faible et l'éléctromagnétisme. Décrire l'histoire de l'Univers par la RG fonctionne donc relativement bien (le fond diffus cosmologique en est la meilleure preuve) tant que la force dominante dans l'Univers pris comme un système physique individuel est la gravitation. Seulement, lorsque l'on pousse un peu le modèle du Big Bang, on se rend compte que l'intensité de la gravitation est rejointe à partir d'un moment par les autres forces, et alors la RG seule ne suffit pas à décrire l'Univers sans prendre en compte les autres forces. C'est LE graal de la physique auquel s'attaque les physiciens théoriciens. Tout ça pour dire que l'instant t=0 hypothétique n'est qu'une vue mathématique, ça n'a pas vraiment de réalité physique, surtout que la physique peut difficilement se contenter d'infinis dans ses équations.
La réalité physique au moment du Big Bang est pour le moment parfaitement inconnue. Des théories existent cependant mais tant que nous n'aurons pas de moyens pour les vérifier expérimentalement, on ne pourra rien conclure. Ces théories, ce sont la théorie des cordes par exemple ou la théorie de la gravitation quantique à boucle. Le point commun de ces théories, et pas le moindre, c'est que justement elles ne décrivent pas le Big Bang comme un instant t=0 où la température et le volume sont des infinis. Plusieurs modèles relativement exotiques sont alors décris comme le Multivers ou encore l'Univers cyclique (une sorte de "rebond" de l'Univers au moment du Big Bang).
Donc pour conlure et répondre finalement aux trois questions :
a) Le temps en physique est décrit par la relativité restreinte et générale. Il dépend des référentiels, des champs gravitationnels et des observateurs.
b) "avant" le Big Bang n'a pas de sens puisque c'est à ce moment là que l'espace-temps de notre Univers est créé.
c) Finalement, pour l'instant, on ne sait pas ce qu'il pouvait avoir "avant" le Big Bang. (Univers miroir ? cyclique ? Multivers dont l'Univers ne serait qu'une composante?). On ne sait pas non plus d'ailleurs encore si l'Univers est fini ou infini. La physique ne se contentant pas d'infini, ça pose un gros problème.
Une dernière remarque, nos modèles obtenus grâçe à la relativité générale et la mécanique quantique sont vérifiés expérimentalement jusqu'à environ 10^-12 s après l'hypothétique t=0 d'une façon magistrale dans les accélérateurs de particules. On arrive à recréér les conditions de l'Univers à partir de ce moment là qui correspond à la brisure de symétrie de la force electro-faible. Cette confirmation expérimentale s'est traduit pas l'observation du boson de Higgs (enfin, ses conséquences), boson prédit par la mécanique quantique. Tout le problème se situe avant, mais on a une bonne confiance envers ces théories jusqu'au temps de Planck (10^-43 s après t=0) . Le gros du problème se situe donc dans cet intervalle de temps minuscule de 10^-43 s.
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