Le temps est ce que nous mesurons le plus précisément et comprenons le moins bien. Une horloge optique moderne dérive de moins d’une seconde sur l’âge de l’Univers, et pourtant aucune théorie physique n’explique pourquoi le temps “passe”, ni pourquoi il ne va que dans un sens.
Il faut distinguer trois choses que le langage courant mélange. Le temps physique est un paramètre (ou une coordonnée) des équations. La durée est l’intervalle mesuré par une horloge entre deux événements. Le temps vécu est la construction que fait notre cerveau de cette durée, avec ses accélérations et ses lenteurs.
Saint Augustin résumait déjà le paradoxe : tant qu’on ne lui demandait pas ce qu’était le temps, il le savait ; dès qu’il voulait l’expliquer, il ne le savait plus. Seize siècles plus tard, la physique a beaucoup appris sur la mesure du temps, mais sa nature reste une question ouverte.
De Newton à Einstein : le temps devient élastique
Depuis 1905, on sait que la durée n’est pas universelle : elle dépend de la vitesse et de la gravité de celui qui la mesure.
Le temps absolu de Newton. Dans les Principia (1687), le temps s’écoule uniformément, partout pareil, indépendamment de ce qui s’y passe. C’est le décor fixe sur lequel se joue la mécanique classique, et c’est encore notre intuition quotidienne.
La relativité restreinte (1905). Einstein montre que la simultanéité dépend de l’observateur et qu’une horloge en mouvement bat plus lentement qu’une horloge au repos. Espace et temps fusionnent en un espace-temps à quatre dimensions. Le temps propre τ d’une horloge qui se déplace à la vitesse v s’écrit :
La relativité générale (1915). La gravité courbe l’espace-temps, et le temps s’écoule plus lentement près d’une masse. Une horloge au sous-sol vieillit moins vite qu’une horloge au dernier étage.
Ces effets sont mesurés tous les jours :
- Hafele-Keating (1971) : quatre horloges au césium embarquées dans des avions de ligne autour du monde ont perdu environ 59 ns vers l’est et gagné environ 273 ns vers l’ouest, en accord avec les prédictions relativistes à environ 10 % près (revue arXiv).
- GPS : les horloges des satellites retardent d’environ 7 µs/jour à cause de leur vitesse, mais avancent d’environ 45 µs/jour car la gravité est plus faible à 20 200 km d’altitude. Le bilan net, environ +38 µs/jour, provoquerait une erreur de position d’une dizaine de kilomètres par jour s’il n’était pas corrigé (IAPS).
- JILA (2022) : l’équipe de Jun Ye a mesuré la dilatation gravitationnelle du temps entre le haut et le bas d’un nuage d’environ 100 000 atomes de strontium séparés d’un millimètre seulement, publié dans Nature (NIST).
La flèche du temps : pourquoi le passé n’est pas le futur
Le sens du temps ne vient pas des lois fondamentales, qui fonctionnent aussi bien à l’endroit qu’à l’envers : il vient de l’entropie et d’un Univers né très ordonné.
Filmez deux boules de billard qui s’entrechoquent puis passez le film à l’envers : rien ne cloche. Filmez un œuf qui se brise : l’inversion saute aux yeux. La différence tient au deuxième principe de la thermodynamique : dans un système isolé, l’entropie (le nombre de configurations microscopiques compatibles avec un état macroscopique, souvent résumé par “désordre”) ne peut que croître. Boltzmann l’a formulé ainsi :
Reste à expliquer pourquoi l’entropie était plus basse hier qu’aujourd’hui. La réponse standard est l’hypothèse du passé (Past Hypothesis, terme du philosophe David Albert) : l’Univers observable a commencé, au Big Bang, dans un état d’entropie extraordinairement faible, et toute l’histoire cosmique est la remontée de cette pente (Big Think, Sean Carroll).
Cette hypothèse déplace le mystère plus qu’elle ne le résout. Pourquoi un départ si improbable ? Sean Carroll et Jennifer Chen (2004) proposent un multivers où des univers-bébés naissent avec des flèches du temps opposées, l’ensemble restant symétrique ; Julian Barbour et ses collègues défendent qu’une flèche émerge naturellement de la gravité, sans condition initiale spéciale (Lazarovici & Reichert, arXiv).
La conséquence est vertigineuse : la mémoire, la causalité et le vieillissement existent parce que l’entropie augmente. Sans gradient d’entropie, aucun souvenir du passé ne pourrait se former.
Le temps en mécanique quantique : un paramètre qui disparaît
Quand on tente d’unir relativité générale et mécanique quantique, le temps s’évapore des équations : c’est le “problème du temps”.
En mécanique quantique ordinaire, le temps est un paramètre extérieur, une horloge newtonienne qui fait évoluer la fonction d’onde selon l’équation de Schrödinger. Il n’est pas une observable comme la position ou l’énergie (objection de Pauli). En relativité générale, au contraire, le temps est une coordonnée dynamique, déformée par la matière.
La quantification canonique de la gravité aboutit à l’équation de Wheeler-DeWitt (1967), dans laquelle aucun paramètre temporel n’apparaît : l’état quantique de l’Univers entier y est statique (Isham, arXiv).
Comment un Univers figé peut-il contenir des horloges qui tournent ? En 1983, Don Page et William Wootters proposent une réponse : si l’on divise l’Univers en une “horloge” et “le reste”, intriqués entre eux, un observateur intérieur voit le reste évoluer en lisant l’horloge, alors qu’un observateur extérieur hypothétique ne verrait qu’un état global immobile. Le temps serait alors une propriété émergente des corrélations quantiques (voir l’expérience de 2014 dans la section Théories récentes).
Mesurer le temps : du césium au noyau de thorium
La seconde va changer de définition, et en octobre 2026 les premières horloges nucléaires fonctionnelles ont été annoncées.
Depuis 1967, la seconde est définie par 9 192 631 770 oscillations d’une transition de l’atome de césium 133. Les horloges optiques (strontium, ytterbium) sont désormais environ cent fois plus exactes que les meilleures fontaines à césium. Le Bureau international des poids et mesures (BIPM, à Sèvres) prépare donc une redéfinition, dont l’adoption est envisagée en 2030 ou plus tard, selon que les critères de sa feuille de route sont remplis (BIPM). Deux options s’affrontent : choisir une seule transition optique, ou définir la seconde à partir d’une combinaison de plusieurs (FAQ BIPM).
L’étape suivante est l’horloge nucléaire. Au lieu des électrons, elle utilise une transition du noyau de thorium 229, excitable par laser. En 2024, l’équipe de Jun Ye (JILA) a mesuré le rapport de fréquence entre cette transition et une horloge au strontium avec 12 chiffres de précision, premier prototype publié en couverture de Nature (LMU Munich). En octobre 2026, l’équipe de Thorsten Schumm (TU Wien) a présenté dans Nature la première horloge nucléaire opérationnelle : sur une comparaison de 24 heures avec une horloge à ion ytterbium, son écart équivaut à environ une seconde en 30 millions d’années, encore loin des meilleures horloges atomiques (Vienna.at).
L’intérêt dépasse la précision : le noyau de thorium est exceptionnellement sensible à d’éventuelles variations des constantes fondamentales, ce qui en fait un détecteur potentiel de matière noire ou de “nouvelle physique” (UNSW).
Le temps perçu : une construction du cerveau
Nous n’avons pas d’organe du temps : la durée ressentie est fabriquée par le cerveau, et la dopamine en est l’un des principaux réglages.
Une heure d’ennui s’étire, une heure de passion file. Les neurosciences ont longtemps décrit ce phénomène avec le modèle de l’horloge interne : un “pacemaker” émet des impulsions qu’un accumulateur compte, et la dopamine accélère ou ralentit la cadence. Le striatum et la substance noire, touchés dans la maladie de Parkinson, jouent un rôle central dans cette estimation des intervalles.
Les travaux récents nuancent ce schéma :
- Clignements et dopamine (Goldsmiths) : juste après un clignement spontané, marqueur indirect du niveau de dopamine dans le striatum, les participants surestiment la durée des intervalles courts (Goldsmiths).
- Mesure directe chez l’humain (2024) : une étude de voltammétrie rapide chez des patients opérés pour une stimulation cérébrale profonde relie les fluctuations rapides et lentes de dopamine striatale aux variations de perception du temps (medRxiv / PMC).
- Seuil plutôt que vitesse (2025) : une étude publiée dans The Journal of Neuroscience conclut que la dopamine nigrostriatale modifie le seuil à partir duquel le cerveau décide qu’assez de temps s’est écoulé, sans changer la vitesse de l’horloge elle-même (Koç University).
D’autres facteurs jouent : la quantité de souvenirs nouveaux (une semaine de vacances riche en nouveautés paraît longue après coup), l’attention portée au temps, la température corporelle et l’émotion. Le temps vécu n’est donc pas une lecture d’horloge mais une reconstruction.
Théories et expériences récentes : le temps n’est peut-être pas fondamental
La tendance de fond des trente dernières années est de traiter le temps comme une propriété émergente, et depuis 2024 plusieurs expériences commencent à sonder sa nature quantique.
Le temps émergent de l’intrication
En 2014, une équipe de l’INRIM (Turin) a illustré le mécanisme de Page et Wootters avec deux photons intriqués. Un observateur qui utilise l’un des photons comme horloge voit l’autre évoluer, tandis qu’un “super-observateur” qui mesure l’état global constate qu’il est statique (Moreva et al., Physical Review A). L’expérience ne prouve pas que l’Univers fonctionne ainsi, mais montre que l’idée est physiquement cohérente.
L’hypothèse du temps thermique (Connes et Rovelli)
Alain Connes et Carlo Rovelli proposent en 1994 que l’écoulement du temps ne soit pas une propriété universelle de la mécanique, mais soit déterminé par l’état thermodynamique du système (arXiv gr-qc/9406019). Ce n’est plus seulement la direction du temps qui viendrait de la thermodynamique, mais le temps lui-même. Des philosophes de la physique objectent que la notion d’équilibre thermique suppose déjà une dynamique, donc du temps, ce qui rendrait l’argument circulaire (Chua, arXiv). Rovelli a popularisé cette vision dans L’Ordre du temps (2018), où il défend qu’au niveau fondamental, la gravité quantique à boucles décrit un monde sans variable temps.
Les cristaux de temps
Proposés par Frank Wilczek en 2012, ce sont des systèmes dont l’état se répète dans le temps comme un cristal se répète dans l’espace, sans consommer d’énergie. En 2021, Google Quantum AI et Stanford en ont réalisé un sur 20 qubits du processeur Sycamore, publié dans Nature (Stanford). Ils ne violent pas la thermodynamique mais montrent qu’une phase de la matière peut briser la symétrie du temps.
Le “temps négatif” des photons (Toronto)
L’équipe d’Aephraim Steinberg et Daniela Angulo a envoyé des photons dans un nuage d’atomes de rubidium ultrafroids et mesuré que le temps passé par les atomes dans l’état excité pouvait être négatif pour les photons transmis. Le résultat a depuis franchi la relecture par les pairs dans Physical Review Letters, avec des valeurs descendant jusqu’à environ -0,82 fois la valeur de référence (Tom’s Hardware). Attention au titre : les auteurs insistent sur le fait que rien ne voyage dans le passé, et Sabine Hossenfelder rappelle que ce “temps négatif” décrit la propagation de la lumière dans un milieu, pas l’écoulement du temps (Scientific American).
Le temps en superposition (2026)
En avril 2026, une équipe menée par Igor Pikovski (Stevens Institute of Technology), avec des expérimentateurs du NIST et de Colorado State University, a publié dans Physical Review Letters un protocole montrant que les horloges à ions actuelles pourraient détecter un “paradoxe des jumeaux quantique” : une même horloge qui bat à la fois plus vite et plus lentement, en superposition (Stevens). C’est encore une proposition théorique, mais elle place la rencontre entre relativité et quantique à portée de laboratoire.
Le temps à trois dimensions (à prendre avec prudence)
En 2025, Gunther Kletetschka (Université d’Alaska Fairbanks et Université Charles de Prague) a publié un cadre mathématique où le temps aurait trois dimensions et l’espace en découlerait ; il affirme retrouver les masses de l’électron, du muon et des quarks (UAF). La théorie a été qualifiée de marginale par une partie de la presse scientifique et n’a pas été testée expérimentalement (Futurism). Elle illustre surtout l’appétit actuel pour des reformulations radicales du temps.
Tableau récapitulatif des notions
| Notion | Domaine | Idée clé | Statut |
|---|---|---|---|
| Temps absolu | Mécanique classique (Newton, 1687) | Le temps s’écoule uniformément, partout pareil | Dépassé, valable en approximation |
| Dilatation cinématique | Relativité restreinte (1905) | Une horloge en mouvement bat plus lentement | Confirmé (Hafele-Keating, GPS) |
| Dilatation gravitationnelle | Relativité générale (1915) | Le temps ralentit près d’une masse | Confirmé jusqu’à l’échelle du millimètre (JILA, 2022) |
| Entropie et flèche du temps | Thermodynamique (Boltzmann) | Le désordre augmente, ce qui distingue passé et futur | Admis |
| Hypothèse du passé | Cosmologie | L’Univers est né dans un état de très basse entropie | Admis, mais non expliqué |
| Problème du temps | Gravité quantique (Wheeler-DeWitt, 1967) | L’équation de l’Univers ne contient pas de temps | Problème ouvert |
| Temps relationnel | Page-Wootters (1983) | Le temps émerge de l’intrication avec une horloge | Illustré en laboratoire (2014) |
| Temps thermique | Connes-Rovelli (1994) | L’écoulement du temps dépend de l’état thermique | Spéculatif, débattu |
| Cristal de temps | Physique de la matière (Wilczek, 2012) | Une phase qui oscille sans apport d’énergie | Réalisé (Google/Stanford, 2021) |
| “Temps négatif” | Optique quantique (Toronto) | Temps d’excitation atomique mesuré négatif | Publié (PRL), interprétation discutée |
| Superposition du temps propre | Relativité + quantique (Pikovski, 2026) | Une horloge peut battre à deux rythmes à la fois | Protocole théorique, test envisagé |
| Horloge nucléaire | Métrologie (thorium 229) | Mesurer le temps avec une transition du noyau | Prototype 2024, première horloge opérationnelle 2026 |
| Temps 3D | Physique théorique (Kletetschka, 2025) | Trois dimensions de temps, l’espace en découle | Marginal, non testé |
| Temps perçu | Neurosciences | Durée reconstruite par le cerveau, modulée par la dopamine | Actif, modèles en révision |
Sources
Relativité et dilatation du temps
- NIST : JILA Atomic Clocks Measure Einstein’s General Relativity at Millimeter Scale (2022)
- Physics World : Gravitational time dilation measured on millimetre scale (2022)
- Tests of General Relativity: A Review (arXiv 1705.04397), expérience Hafele-Keating
- IAPS : Implications of Relativistic Effects on GPS (2023)
Flèche du temps et entropie
- Big Think : Sean Carroll, The mind-bending physics of time
- Scientific American : What Keeps Time Moving Forward? Blame It on the Big Bang
- Lazarovici & Reichert : Arrow(s) of Time without a Past Hypothesis (arXiv 1809.04646)
Temps quantique et gravité quantique
- Isham : Canonical Quantum Gravity and the Problem of Time (arXiv gr-qc/9210011)
- Moreva et al. : Time from quantum entanglement, an experimental illustration (Phys. Rev. A 89, 2014)
- Connes & Rovelli : Von Neumann Algebra Automorphisms and Time-Thermodynamics Relation (arXiv gr-qc/9406019)
- Chua : The Time in Thermal Time (arXiv 2407.18948)
Métrologie et horloges
- BIPM : Progressing towards the redefinition of the second (2024)
- BIPM : FAQ concerning the Redefinition of the Second
- LMU Munich : Breakthrough in Nuclear Clock research featured in Nature (2024)
- Vienna.at : Viennese Researchers Build World’s First Nuclear Clock (octobre 2026)
- UNSW : Thorium-229 nuclear clock
Expériences et théories récentes
- Stanford : Physicists help create time crystals with quantum computers (2021)
- Scientific American : Evidence of Negative Time Found in Quantum Physics Experiment
- Tom’s Hardware : Negative time experiment clears peer review
- Stevens Institute of Technology : Time Can Go Quantum in Ion Clock Experiments (avril 2026)
- UAF : Three-dimensional time, Kletetschka (2025)
- Futurism : regard critique sur la théorie du temps 3D
Perception du temps
- Goldsmiths, University of London : Time expands after blinking
- Sadibolova et al. : Sub-second and multi-second dopamine dynamics underlie variability in human time perception (PMC)
- Midbrain Dopamine Warps Subjective Time via Threshold Setting but not Clock Speed (J. Neurosci., 2025)
Image sources
