Comment fonctionne le temps?

Quand on considère le temps, il est facile de se perdre rapidement dans la complexité du sujet. Le temps est tout autour de nous – il est toujours présent et est la base de la façon dont nous enregistrons la vie sur Terre. C’est la constante qui fait tourner le monde, le système solaire et même l’univers.

Les civilisations se sont levées et sont tombées, des étoiles sont nées et éteintes, et notre seule méthode pour suivre chaque événement dans l’univers et sur Terre a été de les comparer à nos jours avec le passage régulier du temps. Mais est-ce vraiment une constante? Le temps est-il vraiment aussi simple qu’un mouvement d’une seconde à l’autre?

Il y a 13,8 milliards d’années, l’univers est né, et depuis lors, le temps s’est envolé jusqu’à nos jours, supervisant la création des galaxies et le expansion de l’espace. Mais quand il s’agit de comparer le temps, il est intimidant de se rendre compte à quel point nous avons vécu peu de temps.

Terre peut avoir 4,5 milliards d’années, mais moderne humains l’ont habité pendant environ 300 000 ans – ce n’est que 0,002% de l’âge de l’univers. Vous vous sentez encore petit et insignifiant? Ça s’empire. Nous avons vécu si peu de temps sur Terre que, en termes astronomiques, nous sommes entièrement négligeables.

Au 17e siècle, physicien Isaac Newton a vu le temps comme une flèche tirée d’un arc, voyageant en ligne directe et droite et ne s’écartant jamais de sa trajectoire. Pour Newton, une seconde sur Terre était la même durée que cette même seconde sur Mars, Jupiter ou dans l’espace lointain. Il croyait que le mouvement absolu ne pouvait pas être détecté, ce qui signifiait que rien dans l’univers n’avait une vitesse constante, même la lumière. En appliquant cette théorie, il a pu supposer que si la vitesse de la lumière pouvait varier, alors le temps devait être constant. Le temps doit s’écouler d’une seconde à l’autre, sans différence entre la durée de deux secondes. C’est quelque chose qu’il est facile de penser que c’est vrai. Chaque jour compte environ 24 heures; vous n’avez pas un jour avec 26 et un avec 23.

Cependant, en 1905, Albert Einstein a affirmé que la vitesse de la lumière ne varie pas, mais qu’il s’agit plutôt d’une constante, voyageant à environ 186 282 miles par seconde (299 792 kilomètres par seconde). Il a postulé que le temps ressemblait plus à une rivière, qui coulait et coulait en fonction des effets de la gravité et de l’espace-temps. Le temps s’accélérerait et ralentirait autour de corps cosmologiques avec des masses et des vitesses différentes, et donc une seconde sur Terre n’était pas la même durée partout dans l’univers.

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Cela posait un problème. Si la vitesse de la lumière était vraiment une constante, alors il devait y avoir une variable qui se modifiait sur de grandes distances à travers l’univers. Avec l’expansion de l’univers et les planètes et les galaxies se déplaçant à une échelle galactiquement gigantesque, quelque chose devait donner pour permettre ces petites fluctuations. Et cette variable devait être le temps.

C’est finalement la théorie d’Einstein qui a non seulement été considérée comme la vérité, mais qui s’est également avérée tout à fait exacte. En octobre 1971, deux physiciens nommés JC Hafele et Richard Keating entreprirent de prouver sa validité. Pour ce faire, ils ont piloté quatre horloges atomiques au césium dans des avions à travers le monde, vers l’est puis vers l’ouest.

Selon la théorie d’Einstein, par rapport aux horloges atomiques au sol – dans ce cas à l’Observatoire naval américain de Washington, DC – les horloges aéroportées de Hafele et Keating seraient environ 40 nanosecondes plus lentes après leur voyage vers l’est, et environ 275 nanosecondes plus rapides après avoir voyagé. ouest, en raison des effets gravitationnels de la Terre sur la vitesse des avions, selon leur étude de 1972 dans la revue Science. Incroyablement, les horloges ont en effet enregistré une différence lors des voyages est et ouest autour du monde – environ 59 nanosecondes plus lent et 273 nanosecondes plus rapide respectivement par rapport à l’observatoire naval américain. Cela a prouvé qu’Einstein avait raison, en particulier avec sa théorie de la dilatation du temps, et que le temps a effectivement fluctué dans tout l’univers.

Que se passe-t-il pendant la dilatation du temps?

Que signifie la théorie de la relativité restreinte en termes de temps? Nous vous suggérons de lire d’abord notre explication de la relativité restreinte pour vraiment comprendre la dilatation du temps.

Newton et Einstein se sont toutefois mis d’accord sur une chose – que le temps passe. Jusqu’à présent, il n’y a aucune preuve de quoi que ce soit dans l’univers qui soit capable d’esquiver le temps et d’avancer et de reculer à volonté. Tout avance finalement dans le temps, que ce soit à un rythme régulier ou légèrement déformé s’il s’approche de la vitesse de la lumière. Pouvons-nous répondre pourquoi le temps passe, cependant? Pas tout à fait, bien qu’il existe plusieurs théories expliquant pourquoi. L’une d’elles introduit les lois de la thermodynamique, en particulier la deuxième loi. Cela déclare que tout dans l’univers veut passer d’une entropie faible à une entropie élevée, ou de l’uniformité au désordre, en commençant par la simplicité au Big Bang et en passant à l’arrangement presque aléatoire des galaxies et de leurs habitants de nos jours. C’est ce qu’on appelle la «flèche du temps», ou parfois «la flèche du temps», probablement inventée par l’astronome britannique Arthur Eddington en 1928, a déclaré le philosophe analytique Huw Price au Séminaire Poincaré en 2006.

Eddington a suggéré que le temps n’était pas symétrique: «Si, en suivant la flèche, nous trouvons de plus en plus l’élément aléatoire dans l’état du monde, alors la flèche pointe vers le futur; si l’élément aléatoire diminue, la flèche pointe vers le passé », écrit-il dans«La nature du monde physique»En 1928. Par exemple, si vous observiez une étoile presque uniformément, mais que vous la voyiez plus tard exploser en supernova et devenir une nébuleuse dispersée, vous sauriez que le temps est passé de l’égalité au chaos.

Une autre théorie suggère que le passage du temps est dû à l’expansion de l’univers. Au fur et à mesure que l’univers se développe, il entraîne le temps avec lui, car l’espace et le temps sont liés comme un, mais cela signifierait que si l’univers atteignait une limite théorique d’expansion et commençait à se contracter, alors le temps s’inverserait – un léger paradoxe pour les scientifiques. et les astronomes. Le temps reviendrait-il vraiment en arrière, tout revenant à une ère de simplicité et se terminant par un « Grand Crunch»? Il est peu probable que nous soyons là pour le savoir, mais nous pouvons postuler sur ce que nous pensons qu’il pourrait arriver.

C’est incroyable de penser aux progrès que nous avons réalisés dans notre compréhension du temps au cours du siècle dernier. Des cadrans solaires anciens au moderne horloges atomiques, nous pouvons même suivre le passage d’une seconde de plus près que jamais. Le temps reste un sujet complexe, mais grâce à des visionnaires scientifiques, nous nous rapprochons de la découverte des secrets de cette constante universelle pas si constante.

L’importance de la théorie d’Einstein sur la relativité restreinte

Einstein théorie de la relativité restreinte repose sur un fait clé: la vitesse de la lumière est la même, peu importe la façon dont vous la regardez. Pour mettre ça en pratique, imaginez que vous voyagez en voiture à 32 km / h et que vous passez devant un ami immobile. Lorsque vous les passez, vous lancez une balle devant la voiture à 16 km / h.

Pour votre ami, la vitesse de la balle se combine avec celle de la voiture, et semble donc se déplacer à 30 mi / h (48 km / h). Par rapport à vous, cependant, la balle se déplace à seulement 10 mi / h, car vous voyagez déjà à 20 mi / h.

Imaginez maintenant le même scénario, mais cette fois, vous croisez votre ami immobile en voyageant à la moitié de la vitesse de la lumière. Grâce à un engin imaginaire, votre ami peut vous observer pendant que vous voyagez. Cette fois, vous faites briller un faisceau de lumière sur le pare-brise de la voiture.

Dans notre calcul précédent, nous avons ajouté la vitesse de la balle et de la voiture pour savoir ce que votre ami a vu, donc dans ce cas, votre ami voit-il le faisceau de lumière voyager à une fois et demie la vitesse de la lumière ?

Selon Einstein, la réponse est non. La vitesse de la lumière reste toujours constante et rien ne peut voyager plus vite qu’elle. À cette occasion, vous et votre ami observez la vitesse de la lumière voyageant à sa valeur universellement convenue à environ 186 282 miles par seconde. C’est la théorie de la relativité restreinte, et c’est très important quand on parle du temps.

Temps: la quatrième dimension de l’univers

On pensait autrefois que l’espace et le temps étaient séparés et que l’univers n’était qu’un assortiment de corps cosmiques disposés en trois dimensions. Einstein, cependant, a introduit le concept d’une quatrième dimension – le temps – qui signifiait que l’espace et le temps étaient inextricablement liés. La théorie générale de la relativité suggère que espace-temps se dilate et se contracte en fonction de l’élan et de la masse de matière voisine. La théorie était solide, mais il ne fallait qu’une preuve.

Cette preuve est venue grâce à Sonde de gravité B de la NASA, ce qui démontre que l’espace et le temps sont en effet liés. Quatre gyroscopes étaient pointés en direction d’une étoile lointaine, et si la gravité n’avait pas d’effet sur l’espace et le temps, ils resteraient verrouillés dans la même position. Cependant, les scientifiques ont clairement observé un effet de «traînée de trame» en raison de la gravité de la Terre, ce qui signifiait que les gyroscopes étaient très légèrement retirés de leur position. Cela semble prouver que le tissu de l’espace lui-même peut être modifié, et si l’espace et le temps sont liés, alors le temps lui-même peut être étiré et contracté par la gravité.

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Combien de temps dure une seconde?

Il existe deux manières principales de mesurer le temps: le temps dynamique et le temps atomique. Le premier repose sur le mouvement des corps célestes, y compris la Terre, pour suivre le temps, qu’il s’agisse du temps de rotation d’une étoile tournante lointaine comme un pulsar, du mouvement d’une étoile à travers notre ciel nocturne ou de la rotation de la Terre. Cependant, malgré une étoile filante, ce qui peut être difficile à observer, ces méthodes ne sont pas toujours tout à fait exactes.

L’ancienne définition d’une seconde était basée sur la rotation de la Terre. Comme il faut un jour au soleil pour se lever à l’est, se coucher à l’ouest et se lever à nouveau, une journée a été presque arbitrairement divisée en 24 heures, une heure en 60 minutes et une minute en 60 secondes. Cependant, la Terre ne tourne pas uniformément. Sa rotation diminue à un rythme d’environ 30 secondes tous les 10000 ans en raison de facteurs tels que frottement de marée. Les scientifiques ont mis au point des moyens de tenir compte de la vitesse changeante de la rotation de la Terre, en introduisant des secondes intercalaires », mais pour le temps le plus précis, vous devez réduire encore plus.

Le temps atomique repose sur la transition énergétique au sein d’un atome d’un certain élément, généralement le césium. En définissant une seconde en utilisant le nombre de ces transitions, le temps peut être mesuré avec une précision de perdre une infime partie de seconde en un million d’années. La définition d’une seconde est maintenant définie comme 9,192,631,770 transitions au sein d’un atome de césium, Américain scientifique signalé.

Horloges atomiques: la trace du temps la plus précise

L’horloge la plus précise de l’univers serait probablement une étoile rotative comme un pulsar, mais sur Terre horloges atomiques fournir la trace du temps la plus précise. L’ensemble du système GPS en orbite autour de la Terre utilise des horloges atomiques pour suivre avec précision les positions et relayer les données vers la planète, tandis que des centres scientifiques entiers sont configurés pour calculer la mesure de temps la plus précise – généralement en mesurant les transitions dans un atome de césium.

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Alors que la plupart des horloges atomiques reposent sur champs magnétiques, les horloges modernes utilisent des lasers pour suivre et détecter les transitions d’énergie dans les atomes de césium et conserver une mesure du temps plus précise. Bien que les horloges au césium soient actuellement utilisées pour garder l’heure dans le monde, horloges strontium promettent deux fois plus de précision, tandis qu’une conception expérimentale basée sur des atomes de mercure chargés pourrait réduire encore plus les écarts à moins d’une seconde perdue ou gagnée en 400 millions d’années.