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Qu'est-ce exactement que l'espace-temps?

Toutes les sociétés, dotées en cela une perception immédiate, ont une définition de l'espace et du temps qui se reflète encore dans notre expérience quotidienne...
 
Nos sociétés actuelles sont incapables d'offrir des définitions scientifiques de l'espace-temps. Elles constatent seulement que chacun de nous se déplace dans un volume à trois dimensions, défini par une longueur, une largeur et un volume. Quant au temps, on en fait l'expérience, bien plus cruelle, dans le vieillissement et la mort succédant à la jeunesse.

Espace et temps : deux composantes d'un espace mathématique invariant

Le concept d'espace-temps proposé par Einstein, au début du XXe siècle, a été très vite accepté par la plupart des scientifiques, mais il est demeuré peu compréhensible par le grand public, même si celui-ci en avait très vite admis la pertinence. Même aujourd'hui, la définition bien faite qu'en donne par exemple Wikipedia(1) demeure difficilement compréhensible à qui n'a pas un minimum de culture mathématique.

Disons ici, en simplifiant beaucoup, qu'il convient désormais de considérer l'espace et le temps comme ne pouvant être séparés. Ce sont les deux composantes d'un espace mathématique invariant, qui, elles, peuvent varier mais en s'influençant respectivement.

Leur définition dépend du point de vue ou référentiel que l'on décide d'adopter. Ainsi, se déplacer rapidement dans l'espace produit un raccourcissement du temps pour le mobile qui se déplace, tandis que le temps d'un observateur resté immobile reste inchangé.
La cosmologie, bien évidemment, mais aussi la science fiction, utilisent constamment le concept d'espace-temps. Chacun connaît le paradoxe d'un humain ayant quitté la Terre à bord d'une fusée se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière et y revenant, constate que ses proches restés sur Terre ont considérablement vieilli.



Dans l'hypothèse encore couramment admise du Big Bang, on admet que l'émergence de notre univers à partir d'un monde sans temps et sans espace s'est accompagné par celle d'un espace-temps dans lequel s'est construit cet univers.


Pour la physique quantique, les concepts d'espace et de temps n'ont pas de valeur absolue

Rappelons cependant que pour la physique quantique(2), les concepts d'espace et de temps n'ont pas de valeur absolue. Ils dépendent de l'observateur. La physique quantique coexiste actuellement avec la physique traditionnelle dite physique macroscopique. Sa définition de l'espace-temps n'est donc pas utilisable en cosmologie. Nous n'y feront pas allusion ici 

Aujourd'hui, un certain nombre d'hypothèses scientifiques considèrent que le concept d'espace-temps doit être remplacé par d'autres approches permettant de s'en passer. Mais elles sont encore difficiles, sinon impossibles, à démontrer expérimentalement. Il est donc compréhensible qu'essayer de comprendre en profondeur ce qu'est ou de quoi est fait l'espace-temps demeure un domaine de recherche important. Pour cela, il importe de connaître en premier lieu la structure de l'espace-temps, et par conséquent le processus de sa formation initiale.

La majorité des physiciens admet que l'espace-temps s'est créé à l'échelle de Planck, à des distances inférieures à un trillion de trillion de mètre. Mais comment ?
Un article récent [Voir "Sources" ci-dessous] du Pr Piotr Zenczykowski de l'Institut de Physique Nucléaire de l'Académie des Sciences polonaise à Cracovie, confirme la validité selon lui de l'hypothèse selon laquelle l'espace-temps se serait formé à partir des quarks(3). Ces derniers sont considérés comme des particules élémentaires inobservables qui s'associent pour former des hadrons observables, notamment les neutrons et les protons.

Pour lui, au terme d'une démonstration incompréhensible pour un non mathématicien, cette hypothèse de la formation de l'espace-temps à partir des quarks est aujourd'hui parfaitement admissible, sinon la seule aujourd'hui recevable. Ceci justifierait l'affirmation que l'espace-temps n'est pas seulement une construction mathématique, mais une entité physiquement observable, de la même façon que le sont les hadrons et autres particules élémentaires. Ce serait un constituant de la matière, comme ces particules.

Resterait évidemment à l'observer. Mais il faudrait se placer à l'échelle de Planck, ce qui paraît aujourd'hui impossible.
 
Jean-Paul Baquiast

  • (1) Espace-temps (Wikipédia).
    (2) Physique quantique (Wikipédia).
    (3) Quark (Wikipédia).
  • "Quarks, Hadrons, and Emergent Spacetime", par Piotr Zenczykowski
    Springer, 10 août 2018
    Abstract :
    It is argued that important information on the emergence of space is hidden at the quark/hadron level. The arguments follow from the acceptance of the conception that space is an attribute of matter.
    They involve in particular the discussion of possibly relevant mass and distance scales, the generalization of the concept of mass as suggested by the phase-space-based explanation of the rishon model, and the phenomenological conclusions on the structure of excited baryons that are implied by baryon spectroscopy.
    A counterpart of the Eddington–Weinberg relation concerning Regge towers of hadronic resonances is noted.

     
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