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Histoire des notions de '' Force '', '' Inertie '' et '' Mouvement '', avant Einstein.
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Pour préparer la lecture de l'article : Physique – Un 'espace-temps' contre-intuitif ...
A mon avis, pour aborder et comprendre le concept d' Espace-Temps, et la Relativité ; il est nécessaire de se rappeler les notions - et leur histoire - de '' Force '', '' Inertie '' et '' Mouvement '', avant Einstein.
Antiquité : Les premières visions du mouvement et de la force
Aristote (~IVe siècle av. J.-C.) pensait que pour qu'un objet continue à se déplacer, une force devait être appliquée en permanence. Selon lui, tout objet tendait vers son "lieu naturel" et un mouvement stable nécessitait une poussée constante.
Le début de la Révolution scientifique : Galilée et l'inertie
Galilée (1564-1642) a remis en question la vision d'Aristote. Galilée a jeté les bases du concept d'inertie : bien avant Newton. Il a été un des premiers à comprendre que l'absence de force ne fait pas nécessairement s'arrêter un objet : c’est la présence de forces externes (comme le frottement ou la gravité) qui modifie ce mouvement. Il a imaginé un monde sans friction où un objet en mouvement continuerait indéfiniment.
Il a distingué la force nécessaire pour changer l'état de mouvement (accélération) de la résistance extérieure. Galilée a également formulé un principe de relativité pour les référentiels en mouvement uniforme, illustré par l'expérience de la cabine du navire : Une personne à l’intérieur d’un bateau en mouvement uniforme ne peut pas, par des expériences internes (ex. laisser tomber un objet : il ne tombe pas de biais...), déterminer si le bateau est en mouvement ou au repos.
Galilée démontre aussi que la vitesse d’un objet en chute ne dépend pas de sa masse mais de la force appliquée. Cette intuition du modèle aristotélicien est contredite ! Elle est contredite par une expérience de pensée... Cette idée anticipe déjà la relativité : il existe une loi unique et invariante pour tous les objets, et non des règles différentes selon leur nature.
La mécanique classique : Newton et les lois du mouvement
Isaac Newton (1643-1727) a formalisé la loi de l'inertie (1687), cela signifie qu'en l'absence de forces, un objet continuera de se déplacer indéfiniment avec une vitesse constante et dans une direction constante. Une force est nécessaire uniquement pour changer l'état de mouvement de l'objet. L'inertie est donc une propriété universelle, indépendante de la nature spécifique de l’objet, qui s'applique à tout ce qui a une masse. La masse est la mesure de l’inertie d’un objet.
Newton a défini la force comme ce qui provoque l'accélération d'un objet (F=ma). Il a également formulé la loi de la gravitation universelle, une force invisible agissant à distance entre les masses. Cependant, Newton croyait en un espace et un temps absolus et indépendants l’un de l’autre, un cadre de référence fixe pour décrire le mouvement.
Je vais répéter ceci pour bien envisager ce que cela signifie :
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Espace Absolu : L'espace, selon Newton, est un contenant immuable dans lequel tous les objets se déplacent. Il n'est pas affecté par la présence de la matière ou des objets en mouvement. C'est un cadre de référence universel, qui existe indépendamment de tout observateur, et indépendamment de la matière et des événements physiques.
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Temps Absolu : Le temps, pour Newton, est aussi une quantité universelle et continue, qui s'écoule uniformément pour tous les observateurs, indépendamment de leurs états de mouvement. Ce temps absolu était considéré comme un fil conducteur qui sert de mesure pour tous les événements, et il est le même pour tous. Il n'est pas affecté par les événements, et il s'écoule à un rythme constant, indépendamment de ce qui se passe dans le monde physique.
Le XIXe siècle : Les champs de force et la question de l'éther
Michael Faraday (1791-1867) a introduit l'idée de champs de force dans l'électromagnétisme, où des forces invisibles agissent à distance à travers des champs. James Clerk Maxwell (1831-1879) a unifié les lois de l'électricité et du magnétisme, montrant que les forces électromagnétiques sont liées à des champs électriques et magnétiques. Cela introduit une nouvelle perspective sur les forces, non pas comme des actions ponctuelles, mais comme des phénomènes continus dans l’espace.
La lumière étant considérée comme une onde, on supposait qu'elle se propageait dans un milieu appelé éther luminifère, ce qui impliquait l'existence d'un référentiel absolu.
L'expérience de Michelson-Morley (1887) n'a détecté - aucun mouvement de la Terre par rapport à cet éther, et - aucune différence de vitesse de la lumière selon la direction du mouvement terrestre. Remettant en cause l'existence et la notion de référentiel absolu, et qui signifiait que la vitesse de la lumière était la même dans toutes les directions, en contradiction avec la mécanique classique.
Lorentz et Poincaré : Vers les transformations relativistes
Hendrik Lorentz (1853-1928) a développé les transformations de Lorentz pour expliquer l'absence de mouvement par rapport à l'éther, en introduisant les idées de contraction des longueurs et de dilatation du temps. Elles fournissent un cadre mathématique cohérent.
Henri Poincaré (1854-1912) a introduit le principe de relativité généralisée et a suggéré que la vitesse de la lumière était une constante fondamentale.
* La notion de force a été particulièrement remise en question. Même pour Newton, la force constituait une difficulté majeure. La question se posait de savoir si la notion de force était réellement essentielle pour l'élaboration des théories physiques. Certains physiciens, même partisans d'une physique mécaniste, en étaient venus à définir la force comme un concept vide de contenu ontologique.
La force pourrait n'être plus vue comme une entité fondamentale, mais comme – une abstraction mathématique, un outil ( F=m*a) - un phénomène émergent d'interactions sous-jacentes à un niveau plus fondamental... ( théories des champs ou théories des cordes )
Très vite, nous avons compris qu'admettre qu'une ''force '' n'a pas besoin d'être visible pour exister ou pour avoir un impact réel sur le monde autour de nous. Admettre cela, c'est accepter que notre perception de l'univers ne se limite pas à ce que nous pouvons voir directement, mais aussi à ce que nous pouvons mesurer et comprendre à travers des théories et des expériences.
* Pour ce qui est du mouvement... On part d'un cadre dans lequel les objets de déplacent ; déplacement dans un temps continu et uniforme, de manière identique pour tous les observateurs, indépendamment de leur mouvement.
Temps et Espace sont à présent interdépendants, formant une structure à quatre dimensions : l'espace-temps. Le temps n'est plus absolu et universel. Il devient relatif, dépendant du mouvement de l’observateur. De même, l’espace n’est plus un cadre fixe et immuable, mais un espace dynamique qui peut se contracter ou se dilater selon la vitesse de l’observateur (dilatation du temps et contraction des longueurs).
Les transformations de Lorentz permettent de relier les coordonnées spatiales et temporelles d'un événement observé depuis un référentiel en mouvement par rapport à un autre. Plus précisément : si un événement est défini en termes de coordonnées spatiales et temporelles de l’un des observateurs, on peut calculer les coordonnées que l’autre observateur attribuerait à ce même événement.
Comme nous allons le voir dans l'article suivant : Physique – Un 'espace-temps' contre-intuitif ...
Physique - Le paradoxe du temps réversible
Nous semblons continuer à partager l’idée d’un temps absolu ou universel, avec Platon, Newton...
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Newton, dans sa ''Principia Mathematica'', publiée en 1687, écrit : « le temps absolu, vrai et mathématique, en lui-même et de par sa propre nature, coule uniformément sans relation à rien d’extérieur; et d’un autre nom est appelé Durée ».
Les équations de la mécanique classique, comme celles de Newton, sont symétriques par rapport au temps. Cela signifie que si l’on inverse la direction du temps dans ces équations, elles restent valides. Par exemple, les trajectoires des planètes dans le système solaire seraient les mêmes si le temps s’écoulait en sens inverse.
Les équations de mouvement étant réversibles, une balle qui rebondit sur le sol pourrait revenir exactement à sa position initiale si on inversait le temps.
Herbert George Wells, dans ''La Machine à explorer le temps'' (1895), reprend l'idée de la réversibilité temporelle de la mécanique, le temps serait réversible, comme s'il était une sorte de quatrième dimension de l'espace....
En quoi la mécanique classique a t-elle - vraiment - impressionné notre conception du Monde ?
Je rappelle que pour Isaac Newton (1643-1727), la mécanique repose sur des lois déterministes qui permettent de prédire l’évolution d’un système à partir de ses conditions initiales. On définit un ''état de repos'', un mouvement uniforme, une ligne droite...
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Pierre-Simon de Laplace (1749-1827), a formulé le concept de déterminisme laplacien, selon lequel, si l’on connaît parfaitement l’état initial d’un système, on peut prédire son état futur avec certitude.
Les philosophes des lumières intègrent une vision mécaniste et déterministe de l’univers. Pour Kant, le temps comme l'espace, sont des structures de l'esprit humain, des cadres que notre esprit impose aux perceptions.
Kant nous parle de ''comment nous percevons le monde'', et non '' comment est le monde'' … Même s'il admet, avec Newton, que le temps et l'espace sont absolus et existent indépendamment de l'observateur.
La mécanique classique a introduit l'idée d'un univers régi par des lois immuables, prédictibles et quantifiables. Si cela suffit dans notre quotidien, cela reste insuffisant pour comprendre le Monde.
Sur la seule base de notre expérience, nous formons un concept qui rapidement prend une existence indépendante, jusqu'à devenir incontestable ( alors que parfois elles se sont avérées erronées...) . Des notions comme l'énergie, la masse, l'espace, le temps sont de fait des inventions de l'esprit humain, même si elles ont des racines empiriques.
Le philosophe allemand Friedrich Wilhelm Schelling (1775-1854) a critiqué la conception statique, mécaniste newtonienne du temps, Schelling voyait le temps comme une force vivante qui façonne et guide les processus naturels. Il exprimait un temps dynamique, organique, intrinsèquement lié à la vie et au ''vivant''. Dans la continuité, Henri Bergson opposait '' le temps'' de la science à ''la durée''. La durée étant une expérience vécue de manière intuitive et subjective, reflétant la manière dont nous ressentons le passage du temps dans notre conscience.
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Dans la pratique, nous observons bien que certains processus sont irréversibles, et c'est bien ce que stipule la deuxième loi de la thermodynamique. Par conséquent, même si les équations de mouvement sont réversibles, l'augmentation de l'entropie introduit une asymétrie temporelle, ou une flèche du temps, de même que, si la chaleur s'écoule naturellement d'un objet chaud vers un objet froid. Le processus inverse, où la chaleur se concentre spontanément dans un seul objet chaud, ne se produit pas naturellement.
La thermodynamique, traite des propriétés macroscopiques des systèmes et est basée sur des concepts comme l'énergie, l'entropie et la température.
Il serait intéressant d'unifier thermodynamique et mécanique classique avec relativité, et aussi mécanique quantique. Lourde tâche... Cela est-il même possible ?
En mécanique quantique, l'irréversibilité apparaît également dans le processus de mesure. Et de plus, alors que la relativité restreinte et la mécanique classique sont essentiellement déterministes, ce qui signifie que si l'on connaît l'état initial d'un système, on peut prédire son état futur. La mécanique quantique, en revanche, est intrinsèquement probabiliste, et décrit les systèmes en termes de probabilités d'occurrence d'événements.
