Philosophie de la physique

Le temps, dans de nombreuses philosophies est perçu comme une transformation.

Le temps est considéré comme une unité fondamentale (c'est-à-dire, une unité qui ne peut être définie par rapport à d'autres unités ou quantités), parce qu'au moment présent, rien n'est plus fondamental que le temps. Ainsi le temps est-il défini grâce à une mesure : celle de son intervalle de temps standard. De nos jours, l'intervalle de temps standard (appelé "seconde") est défini par 9,192,631,770 oscillations d'une structure hyperfine dans l'atome de Césium 133. (ISO 31-1). On peut déduire de la définition précédente ce qu'est le temps et comment il fonctionne. Les physiciens se servent de la théorie pour prédire la façon dont le temps est mesuré. Le temps peut alors être associé mathématiquement aux unités fondamentales d'espace et de masse pour décrire et quantifier les mouvements et les déplacements, et pour définir des concepts tel que la vitesse, la quantité de mouvement, l'énergie et les différents champs.

Newton et Galilée, comme la plupart des scientifiques jusqu'au début du XX^e siècle, pensaient que le temps était le même pour tout le monde et partout. Notre conception moderne du temps se fonde sur la théorie de la relativité d'Einstein et sur l'espace-temps de Hermann Minkowski, dans lequel des parts de temps s'écoulent différemment dans divers cadres de référence inertiels, et où l'espace et le temps sont combinés en un espace-temps. Le temps peut être quantifié grâce à la plus petite unité théorique de temps existante sur l'échelle de Planck. La relativité générale d'Einstein ainsi que le décalage vers le rouge dans la lumière provenant des galaxies distantes qui s'éloignent indiquent que l'Univers tout entier et probablement l'espace-temps lui-même ont commencé il y a environ 13,8 milliards d'années lors du big bang. La question de savoir si l'Univers aura une fin ou comment il finira reste ouverte.

Certaines théories, plus particulièrement celles de la relativité restreinte et de la relativité générale, suggèrent que les géométries appropriées à l'espace-temps, ou certains types de mouvement dans l'espace, rendraient possible le voyage dans le passé et le futur. Des concepts tels que celui du "closed timelike curve" appuient cette théorie.

La théorie de la relativité restreinte d'Albert Einstein (et, par extension, celle de la relativité générale) prédit la dilatation du temps qui peut être interprétée comme le voyage dans le temps. Avec cette théorie, Einstein affirme que, d'après un observateur stable, le temps semble passer plus lentement pour des corps bougeant plus vite : par exemple, les aiguilles d'une horloge en mouvement sembleront tourner plus lentement ; lorsqu'une horloge approchera la vitesse de la lumière, ses aiguilles sembleront presque s'arrêter. Les effets de cette espèce de dilatation du temps sont présentés plus en détail dans le célèbre "paradoxe des jumeaux". Ces résultats sont observables par expérience et affectent l'activité des satellites GPS et d'autres systèmes de haute technologie de notre vie quotidienne.

Un second type de voyage dans le temps, similaire au premier, est permis par la relativité générale. Dans ce second système, un observateur distant verra le temps passer plus lentement pour une horloge qui se trouve au fond d'un puits gravitationnel profond, et une horloge qu'on mettrait dans un puits gravitationnel profond et qu'on ressortirait ensuite de ce puits indiquerait que moins de temps a passé en comparaison avec une horloge stable en présence d'un observateur distant.

Ces effets sont en quelque sorte similaires à ceux de l'hibernation ou du refroidissement d'êtres vivants (qui ralentit les processus chimiques chez le sujet) qui mettent en suspens, presque indéfiniment, leur vie, leur permettant ainsi de "voyager dans vers le futur", mais jamais vers le passé. Ils ne violent donc pas le rapport de causalité. On ne parle pas ici du "voyage dans le temps" qu'on trouve dans la science-fiction (où le rapport de causalité n'est quasiment jamais respecté), et il y a peu de doute quant à son existence. "Le voyage dans le temps" fera donc référence au voyage avec un certain degré de liberté dans le passé "ou" dans le futur du temps propre.

De nombreux scientifiques pensent que le voyage dans le temps est très peu probable, justement parce qu'il viole le rapport de causalité, c'est-à-dire la logique de cause à effet. Par exemple, que se passerait-il si vous tentiez de retourner dans le passé et que vous vous tuiez vous-même quand vous étiez plus jeune (ou bien votre grand-père, ce qui nous amène au paradoxe du grand-père) ? Stephen Hawking a un jour suggéré que l'absence de touristes venus du futur constituait un argument fort contre l'existence du voyage dans le temps (une variante du paradoxe de Fermi, avec des voyageurs dans le temps à la place des aliens). Ainsi n'avons-nous aucune preuve expérimentale du voyage dans le temps, ce qui n'en fait qu'une simple hypothèse et non un fait empirique.

L'espace est l'une des quelques unités fondamentales en physique, ce qui veut dire qu'il ne peut être défini en fonction d'autres unités puisqu'il n'y a rien de plus fondamental connu au moment présent. Ainsi, tout comme la définition des autres unités fondamentales (comme le temps et la masse), l'espace est défini par des mesures. De nos jours, la mesure standard de l'espace, appelée le mètre standard ou simplement mètre, est définie comme la distance parcourue par la lumière dans le vide pendant un intervalle de temps de 1/299792458 de seconde exactement.

En physique classique, l'espace est un espace euclidien en trois dimensions, où n'importe quelle position peut être décrite par trois coordonnées. La relativité restreinte et la relativité générale se fondent sur l'espace-temps plutôt que sur l'espace ; l'espace-temps est construit comme un espace à quatre dimensions (l'axe du temps étant imaginaire dans la relativité restreinte et réel dans la relativité générale), et de nos jours, il existe plusieurs théories qui prennent en compte plus de quatre dimensions spatiales.

Au XVIII^e siècle, de nombreux progrès ont été faits dans le domaine de la science. Après Newton, la plupart des scientifiques s'accordèrent sur le postulat que l'Univers est gouverné par des lois naturelles strictes qui peuvent être découvertes et officialisées au moyen d'observations et d'expériences scientifiques. Cette façon de penser est connue sous le nom de déterminisme. Cependant, le déterminisme semble exclure toute possibilité de libre arbitre. Autrement dit, si l'Univers, et donc toute personne qui s'y trouve, est gouverné par des lois strictes et universelles, alors le comportement d'une personne pourrait être prédit à partir d'une connaissance suffisante des circonstances précédant le comportement de cette personne. Cette vision semble contredire la perception du libre arbitre de la personne en question, sauf si l'on considère la façon dont elle est interprétée dans le cadre du compatibilisme. À l'inverse, si nous considérons que les êtres humains ont un libre arbitre libertaire ou incompatibiliste, alors nous devons accepter que le monde ne soit pas entièrement gouverné par la loi de la nature. Certains ont avancé que si le monde n'est pas entièrement gouverné par une loi naturelle, alors la science ne peut pas remplir son objectif. Cependant, le développement de la mécanique quantique a permis aux penseurs d'envisager des alternatives à ces théories strictes et limitées, en proposant un modèle où l'Univers suit des règles générales mais n'a jamais eu de futur prédéterminé.

Face aux partisans du déterminisme comme Einstein et Max Planck, l'indéterminisme – défendu par l'astronome anglais Sir Arthur Eddington – soutient qu'un objet physique a forcément un composant indéterminé qui n'est pas dû aux limites épistémologiques de la capacité de compréhension des physiciens. Ainsi, le principe d'incertitude ne serait pas nécessairement lié à des variables cachées mais à l'indéterminisme présent dans la nature elle-même.

Heisenberg, de Broglie, Dirac, Bohr, Jeans, Weyl, Compton, Thomson, Schrödinger, F. W. Jordan, Millikan, Lemaître, Carl Reichenbach, et alii, étaient tous d'illustres défenseurs de l'indéterminisme.

Le principe d'incertitude est une relation mathématique certifiant l'existence d'une limite supérieure à la précision d'un calcul simultané de n'importe quel couple de variables conjuguées, par exemple, la position et la quantité de mouvement. D'après l'application d'opérateurs en mécanique quantique, cette limite est le calcul du commutateur des opérateurs correspondant aux variables.

Le principe d'incertitude est une réponse possible à la question suivante : Comment mesurer la position d'un électron autour du noyau si l'électron est une onde ? Lorsque la mécanique quantique est apparue, elle était considérée comme un lien entre les descriptions classiques et quantiques d'un système basé sur la mécanique ondulatoire.

En mars 1926, alors qu'il travaillait à l'institut Niels Bohr, Werner Heisenberg découvrit le principe d'incertitude, établissant ainsi les fondements de ce qui devint par la suite l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique. Heisenberg avait alors étudié les recherches effectuées par Paul Dirac et par Pascual Jordan. Il découvrit une anomalie dans le calcul des variables de base de leurs équations. Son analyse démontra qu'il y avait toujours des incertitudes, ou imprécisions, lorsqu'on essayait de calculer la position et la quantité de mouvement d'une particule en même temps. Heisenberg en conclut que ces incertitudes ou imprécisions dans les calculs n'étaient pas la faute du scientifique, mais bien des éléments fondamentaux dans la nature et des propriétés mathématiques inhérentes aux opérateurs en mécanique quantique provenant des définitions de ces opérateurs.

Le terme "interprétation de Copenhague de la mécanique quantique" était fréquemment employé à la place ou comme synonyme du principe d'incertitude de Heisenberg par ses détracteurs (comme Einstein ou le physicien Alfred Landé), qui croyaient au déterminisme et qui voyaient les points communs entre les théories de Bohr et Heisenberg comme une menace. Dans l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique, le principe d'incertitude a été pris en compte pour désigner le fait que, dans le savoir élémentaire, l'univers physique n'existe pas sous une forme déterministe, mais plutôt comme un ensemble de probabilités, ou d'issues possibles. Par exemple, le schéma (loi de probabilité) produit par des millions de photons qui passent à travers un réseau de diffraction peut être mesuré en utilisant la mécanique quantique, mais aucune méthode connue ne permet de prédire le chemin exact de chaque photon. L'interprétation de Copenhague soutient que cette mesure ne peut être prédite par aucune méthode, pas même grâce à des calculs en théorie infiniment précis.

La notion de complémentarité est cruciale en mécanique quantique. Elle stipule que la lumière se comporte à la fois comme une particule et comme une onde. Lorsque l'expérience de la double fente (dans un réseau de diffraction) fut réalisée, la lumière agissait dans certains cas comme une onde, et dans d'autres comme une particule. Les physiciens ne trouvèrent aucune théorie convaincante pour expliquer ce phénomène jusqu'à ce que Bohr et la complémentarité apparaissent.

• Principe anthropique
• Flèche du temps
• Causalité (physique)

• Déterminisme

• Physique numérique (théorique)
• Dualisme (philosophie)
• Énergie
• Champ (physique)

• Interaction élémentaire
• Holisme
• Instrumentalisme
• Principes de la thermodynamique
• Propriété macroscopique
• Matière
• Physique mésoscopique

• Monisme

• Naturalisme (philosophie)

• Opérationnisme
• Phénoménologie (science)

• Philosophie des sciences

• Physique
  • Corps (entité)

• • Loi physique
  • Système physique
• Physicalisme
• Physique
  • Physique (Aristote)

• Théorie quantique:
  • Débats Bohr-Einstein
  • Paradoxe EPR

• • Métaphysique
  • Mysticisme quantique
• Réductionnisme
• Relativité:
  • Générale
  • restreinte
• Espace (notion)

• • Vide (physique)

• • Espace-temps
• Survenance
• Symétrie (physique)

• Temps (physique)

• Stanford Encyclopedia of Philosophy:
  • "Absolute and Relational Theories of Space and Motion" — Nick Huggett and Carl Hoefer
  • "Being and Becoming in Modern Physics" — Steven Savitt
  • "Boltzmann's Work in Statistical Physics" — Jos Uffink
  • "Conventionality of Simultaneity" — Allen Janis
  • "Early Philosophical Interpretations of General Relativity" — Thomas A. Ryckman
  • "Experiments in Physics" — Allan Franklin
  • "Holism and Nonseparability in Physics" — Richard Healey
  • "Intertheory Relations in Physics" — Robert Batterman
  • "Naturalism" — David Papineau
  • "Philosophy of Statistical Mechanics" — Lawrence Sklar
  • "Physicalism" — Daniel Sojkal
  • "Quantum Mechanics" — Jenann Ismael
  • "Reichenbach's Common Cause Principle" — Frank Artzenius
  • "Structural Realism" — James Ladyman
  • "Structuralism in Physics" — Heinz-Juergen Schmidt
  • "Symmetry and Symmetry Breaking" — Katherine Brading and Elena Castellani
  • "Thermodynamic Asymmetry in Time" — Craig Callender
  • "Time" — by Ned Markosian
  • "Uncertainty principle" — Jan Hilgevoord and Jos Uffink
  • "The Unity of Science" — Jordi Cat