Le Modèle Standard du Big Bang
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L’évolution du monde peut être comparée à un feu d’artifice qui vient de se terminer. Galaxie spirale Messier 106 (Photo NASA) Quelques mèches rouges, cendres et fumées. Debout sur une escarbille mieux refroidie, nous voyons s’éteindre doucement les soleils et cherchons à reconstituer l’éclat disparu de la formation des mondes Georges Lemaître (L’hypothèse de l’atome primitif) Ecole Supérieure de Commerce de Clermont-Ferrand (13 octobre 2009) Dernières nouvelles de demain de la Maison de l’Innovation (Conseil Général du Puy de Dôme) François Vazeille (CNRS) Laboratoire de Physique Corpusculaire Université Blaise Pascal-CNRS-IN2P3 Le Big Bang ? Tout le monde en a entendu parler … et le comprend à sa façon ! Univers Montage vidéo non accessible Nous allons retrouver des mots cités dans le montage vidéo Univers froid en expansion Origine de l’Univers Masse et énergie Feu d’artifices Force de gravité Unifier les interactions Big Bang L’infiniment petit et l’infiniment grand S’interroger sur l’Univers Quarks et gluons Poupées russes Protons et neutrons Particules et collisions Le CERN et le LHC et aller plus loin encore. Science fiction ? Remonter le temps Et maintenant, si nous parlions … d’avant le Big Bang ? Les expressions le soleil noir (Baudelaire) ou encore Les dernières nouvelles de demain (Maison de l’Innovation) sont des oxymores … qu’en est-il de l’expression avant le Big Bang ? … question récurrente (qui se veut malicieuse) posée à chaque conférence pour embarrasser, voire coller l’orateur ! Nous allons aborder ce thème uniquement selon l’aspect scientifique - Ni considération métaphysique, religieuse, philosophique, … - Ni Science fiction. … et parler des deux infinis: l’infiniment grand et l’infiniment petit. Le monde de la Cosmologie Le monde des Particules élémentaires convergent dans notre interprétation de l’évolution de l’Univers. Comment allons-nous procéder ? Nous allons montrer que la rencontre des deux infinis est le rêve ultime des physiciens d’accéder à la théorie ultime appelée pompeusement La Théorie du Tout Ce que n’aurait pas aimé Auguste Comte qui écrivait, en 1852, dans son Catéchisme positiviste « Du tout tu ne parleras pas ». Cette recherche a des conséquences curieuses: - Nous ne pourrons pas répondre à la question: que se passe-t-il à l’instant zéro ? - Mais par contre, proposer des solutions possibles pour … avant l’instant zéro ! Les mystères de la Gravitation et les 3 autres forces élémentaires Le Modèle Standard des particules élémentaires Le Modèle Standard de la Cosmologie Et maintenant, rapprochons nous du Big Bang La théorie des Supercordes Nous avons tous les outils pour parler enfin… d’avant le Big Bang Où en sont les tests expérimentaux de ces théories ? Conclusion … provisoire Les mystères de la Gravitation et les 3 autres forces élémentaires Le Modèle Standard des particules élémentaires Le Modèle Standard de la Cosmologie Et maintenant, rapprochons nous du Big Bang La théorie des Supercordes Nous avons tous les outils pour parler enfin… d’avant le Big Bang Où en sont les tests expérimentaux de ces théories ? Conclusion … provisoire Les mystères de la Gravitation et les 3 autres forces élémentaires La Force de Gravitation et la Force Magnétique Une expérience très simple Matériel: une pointe, la Terre et un aimant 1 pointe La Terre 1 aimant Masse de la pointe: 1g Masse de l’aimant: 1 gramme Le petit aimant est plus fort que l’attraction de la Terre ! Masse de la Terre: 6 1021 tonnes ou encore 6 109 109 109 grammes 6 Milliards de Milliards de Milliards de grammes Question: pourquoi la Force de Gravitation est-elle si faible? soit 1042 fois plus faible que la force électromagnétique: 0.0000000000 0000000000 0000000000 0000000000 01 … alors qu’elle est responsable du ballet des grandes structures de l’Univers: - La Lune autour de la Terre - La Terre autour du Soleil - Les Galaxies - Les amas de Galaxies… et permet aux Australiens et aux Auvergnats d’avoir les pieds sur Terre. … alors que les 2 lois (Gravitation et Electromagnétisme) ont la même forme Objet 1 r Objet 2 Forces proportionnelles à x ( Q1 x Q2 ) / r2 - r est la distance entres les objets 1 et 2 - Q1 et Q2 sont les charges des objets 1 et 2 - une constante caractéristique de l’intensité de l’interaction L’explication complète de cette différence est probablement la clef donnant accès à l’unification des lois qui gouvernent l’Univers. Quelles sont les 4 forces élémentaires de la nature ? La force forte: la première force nucléaire, la plus intense Intensité Cohésion des noyaux de l’atome et des nucléons (Protons, neutrons)… La force électromagnétique Electricité, magnétisme, cohésion de l’atome, chimie, biologie… La force faible: la seconde force nucléaire Désintégrations radioactives, énergie des étoiles… La force Gravitationnelle: la plus petite La plus visible à l’échelle humaine: s’applique à l’Univers dans son ensemble mais pas encore au monde des particules. Petit commentaire sur l’unification des lois physiques: Une quête permanente des scientifiques. L’unification de phénomènes (ou lois physiques) différents permet de généraliser et de mieux comprendre. Electricité Magnétisme Un exemple Depuis James Clerk MAXWELL (1864) sont les facettes d’un même phénomène: L’électromagnétisme. Nous allons rencontrer plusieurs fois cette recherche d’unification. Le rêve des physiciens de tout unifier, de l’infiniment grand à l’infiniment petit Quel est le bilan du 20ième siècle? Deux grands cadres théoriques qui marchent … mais qui s’ignorent Infiniment grand Infiniment petit La Relativité générale La Mécanique quantique Les grandes structures de l’Univers Le monde des Particules élémentaires Les mystères de la Gravitation et les 3 autres forces élémentaires Le Modèle Standard des particules élémentaires Le Modèle Standard de la Cosmologie Et maintenant, rapprochons nous du Big Bang La théorie des Supercordes Nous avons tous les outils pour parler enfin… d’avant le Big Bang Où en sont les tests expérimentaux de ces théories ? Conclusion … provisoire Le Modèle Standard des particules élémentaires Les particules élémentaires … aujourd’hui • Comme tout édifice, l’Univers est constitué de briques et de ciments avec lesquels on peut bâtir tous les types d’atomes. mais ici briques et ciments sont des particules élémentaires. • Les briques sont les particules de matière: Exemples: les quarks et électrons. L’atome le plus simple: Hydrogène - Un noyau (Charge +): 3 quarks. - Un électron (Charge -). e u • Les ciments sont les messagers des forces qui les lient. Exemples: le photon, le gluon… u d … illustration des forces Une jolie blonde et un petit brun dans des bateaux et qui jouent au ballon. • Une distance augmentant avec le nombre de fois où les ballons sont échangés • Une portée limitée par le poids du ballon Les ballons sont les médiateurs de la force à portée finie qui écartent les 2 bateaux … illustration des forces lors de la collision élastique de 2 électrons. Que s’est-il passé? (Différent des boules de billard) SPLASH Les électrons ont échangé un photon qui est un Boson. Le photon est le messager de la force électromagnétique. Exemple précédent de l’atome d’hydrogène: l’électron échangeait des photons avec le noyau. Briques: Fermions Leptons e e µ µ Quarks électron neutrino é muon neutrino µ tau … Bilan actuel des particules élémentaires neutrino u d haut bas charme étrange c t top s 1ère famille: matière ordinaire dite baryonique b beau Interaction forte Interaction électromagnétique Interaction faible Interaction gravitationnelle A l’origine de la masse des particules Bosons g Ciments: 8 gluons photon Z0 W+ W- 3 bosons vecteurs G graviton H Boson de Higgs Soit au total 38 particules: - 12 Fermions et 12 anti-Fermions (antimatière) - 14 Bosons Toutes découvertes … sauf le Higgs (pour très bientôt au LHC) et le Graviton (peut-être bientôt au LHC). Les mystères de la Gravitation et les 3 autres forces élémentaires Le Modèle Standard des particules élémentaires Le Modèle Standard de la Cosmologie Et maintenant, rapprochons nous du Big Bang La théorie des Supercordes Nous avons tous les outils pour parler enfin… d’avant le Big Bang Où en sont les tests expérimentaux de ces théories ? Conclusion … provisoire Le Modèle Standard de la Cosmologie Regardons le ciel, et ses grandes structures: par exemple, les Galaxies. Qu’observons-nous ? (avec des bons instruments !) Les Galaxies s’éloignent de nous, et aussi les-unes des autres … et pourtant la force de Gravitation devrait les faire se rapprocher Mais ce n’est pas le cas: elles fuient ! Assimilons l’Univers à 3 dimensions à la surface d’un ballon de baudruche à 2 dimensions Plaçons 2 Galaxies dans cet Univers (donc à la surface du ballon) puis gonflons un peu plus le ballon La distance entre les Galaxies augmente Ce ne sont pas les Galaxies qui se déplacent, mais l’espace qui grandit parce que l’Univers est en expansion ATTENTION La représentation 2D (par la surface du ballon) de l’Univers 3D a des avantages et des inconvénients: Avantages • Une image concrète de l’inflation. • Un calcul simple Plus la Galaxie est loin, plus vite elle fuit, ce qui est vrai dans la réalité: la vitesse de récession suit la loi de Hubble. • Une illustration que l’Univers (la surface du ballon) est ici fini mais n’a ni centre, ni limite, ni bord. Inconvénient Le ballon gonfle dans quelque chose: l’air de la pièce, et possède aussi un intérieur, alors que l’Univers ne grandit ni dans quelque chose (on verra plus loin…) ni dans rien (car rien n’est pas équivalent à non existence) Cf Raymond Devos… Ainsi l’Univers n’est pas statique: il est en expansion. Si nous pensons au passé et passons le film à l‘envers: Il était donc moins étendu donc plus dense, donc plus chaud. Analogie avec la pompe à vélo: quand nous comprimons l’air, il s’échauffe. Regardons de nouveau le ciel la nuit Qu’observons-nous cette fois-ci sans instrument ? Il est noir ! Si l’Univers était éternel, infini et rempli d’étoiles de façon uniforme, de la Terre le regard rencontrerait toujours une étoile Le ciel nocturne serait aussi brillant que le ciel en plein jour. Or, ce n’est pas le cas (Paradoxe de Chéseaux-Olbers) ! Cette question: Pourquoi le ciel est-il noir la nuit … du moins à nos yeux ? préoccupe l’Homme depuis toujours Les explications les plus récentes montrent que cette observation n’est rien de moins qu’un témoignage de l’histoire et de la structure de l’Univers ! La réponse est en 2 parties: 1. Notre Univers a eu un début (Il na pas toujours existé). • L’Univers observable ne permet de voir que les Galaxies qui ont eu le temps d’envoyer leur lumière (La vitesse de la lumière est finie). • Cette partie observable est finie: le nombre de Galaxies n’est pas infini. 2. L’Univers est en expansion. • L’énergie lumineuse se dilue dans un volume de plus en plus grand: l’arrivée de la lumière des points les plus éloignés ne compense pas l’expansion. • La nuit va devenir de plus en plus noire (sur des milliards d’années). Le Modèle Standard du Big Bang C’est le modèle le plus communément admis, avec des variantes et des ajustements, et bien entendu quelques détracteurs très minoritaires partisans d’un Univers quasi stationnaire (avec des arguments très faibles). Il fournit des prévisions qui sont vérifiées: ce qui lui donne du crédit … mais il n’explique pas tout. La description du Modèle sera donnée en 2 parties: Les 3 phases de l’expansion de l’Univers. La création des 4 Forces élémentaires et de la Matière. Puis nous apporterons quelques précisions. Le Modèle Standard du Big Bang: Les 3 phases de l’expansion de l’Univers Dimension de l’Univers Juste après le Big Bang Aujourd’hui Le temps X Dimension de l’Univers observable (pas à l’échelle) Temps (pas à l’échelle) Big Bang Milliards d’années Aujourd’hui Nous voyons que l’Univers est en expansion, Dimension de l’Univers observable (pas à l’échelle) Temps (pas à l’échelle) Milliards d’années mais cette expansion de l’espace a connu 3 périodes très différentes. Dimension de l’Univers observable (pas à l’échelle) INFLATION Temps (pas à l’échelle) Milliards d’années De 10-35 à 10-32 seconde après le Big Bang: une expansion fulgurante exponentielle appelée INFLATION (> vitesse de la lumière) La taille de l’Univers est multipliée en gros par un facteur 1050. Dimension de l’Univers observable (pas à l’échelle) EXPANSION RALENTIE INFLATION Temps (pas à l’échelle) Milliards d’années Puis l’expansion se poursuit à un rythme beaucoup plus lent, mais en diminuant, la matière domine et donc la gravitation contrecarre l’expansion: c’est la période d’ EXPANSION RALENTIE. Dimension de l’Univers observable (pas à l’échelle) EXPANSION ACCELEREE EXPANSION RALENTIE INFLATION Temps (pas à l’échelle) Milliards d’années Mais depuis 4 Milliards d’années environ, l’expansion est plus forte. (La Matière ne domine plus): C’est la période actuelle d’ EXPANSION ACCELEREE. Le Modèle Standard du Big Bang: L’apparition des 4 Forces élémentaires et de la Matière. ~20°C dans cette salle mais… Juste après le Big Bang Aujourd’hui Le temps La température 13,7 Milliards d’années X 2,7 K soit – 270,4 °C Le temps de PLANCK: 100 milliardièmes de milliardième de milliardième de milliardième de milliardième de seconde après le Big Bang Température de 100 000 milliards de milliards de milliards de degrés 10-43 s 1032 K 13,7 Milliards d’années X 2,7 K soit – 270,4 °C Les Forces Nous allons zoomer sur cette région de façon démesurée 10-43 13,7 Milliards d’années X s 20°C Attention: rien n’est à l’échelle Les Forces Un centième de milliardième de seconde après le Big Bang: les 4 forces élémentaires d’aujourd’hui étaient déjà séparées ! Gravitation SuperForce Electronucléaire (inconnue) 10-43 s Forte Electrofaible Faible Electromagnétique 10-35 s Attention: rien n’est à l’échelle 10-11 s Galaxies… La Matière … ordinaire Carbone, Oxygène… Etoiles Atomes Noyaux légers stables légers Noyaux légers Protons, Neutrons Les particules acquièrent une masse Découplage Lumière-matière Particules Antiparticules 10-43 s 10-35s 10-10s 1032 K 1028K 1014K qq µs 1 s 380 000 a qq 100 3 min millions a 13,7 Milliards d’années 1 milliard a X 1013K 1010K 3000 K Attention: rien n’est à l’échelle 2,73K Cette matière ordinaire constitue tous les éléments chimiques du Tableau périodique de Mendeleev Façonnage de toutes les molécules des mondes inerte et vivant. Et il faut ajouter les rayonnements. Mais il y a un sérieux problème Cette matière qui constitue tous les corps connus de l’Univers n’est pas grand chose: ~ 4% de l’énergie dans l’Univers (dont 0,005 % seulement sous forme de rayonnement) Ce qui manque nous échappe (pour le moment): - Une matière inconnue et pesante bien plus abondante: la Matière noire. - Une énergie manquante encore plus abondante: l’ Energie noire. Le Modèle Standard du Big Bang: Quelques précisions De quel Univers parlons-nous ? Ce n’est pas celui de Miss Univers qui devrait plutôt s’appeler Miss Terre. Ce n’est pas non plus l’Univers complet, peut-être infini, mais ce n’est pas sûr, en tout cas beaucoup trop grand et inaccessible. C’est celui de l’Univers observable Miss Univers 2009: Stefania Fernandez (Venezuela) Considérons l’Horizon terrestre Il est la limite du paysage observable, et dépend de l’altitude de l’observateur. Remarque en passant: L’horizon est plat (horizontal), et pourtant la Terre est ronde ! ~1 km 5 500 km Nos sens nous trompent: il est plat car le rayon de courbure de la Terre est grand. On peut définir aussi l’Horizon cosmique qui est la limite de l’Univers observable Photon émis il y a t1 années à la position x1 . x1 Reçu aujourd’hui sur la Terre. x0 Distance parcourue: x1 – x0 à 300 000 km/s pendant le temps t1 . La distance maximum correspond à t1 = 13,7 milliards d’années soit x1 – x0 = 1.3 1023 kilomètres ou encore 130 000 milliards de milliards de kilomètres. C’est l’ Horizon cosmique: limite de l’ Univers observable. … mais l’ Univers est en expansion, en gros un peu moins de 1% pour chaque 140 millions d’années. Photon émis il y a t1 années à la position x1 . x2 x1 Le point d’espace origine x1 est positionné en x2 , soit la distance x2 – x1 . Reçu aujourd’hui sur la Terre. x0 On peut aussi dire que l’ Horizon cosmique correspond à la distance x2 – x0. Les modèles cosmologiques les plus admis donnent 46,3 milliards d’années lumière ou encore 4,4 1023 km: 440 000 milliards de milliards de kilomètres. Quant à l’Univers total, il est > 10100000 cm … sinon infini. Les mystères de la Gravitation et les 3 autres forces élémentaires Le Modèle Standard des particules élémentaires Le Modèle Standard de la Cosmologie Et maintenant, rapprochons nous du Big Bang La théorie des Supercordes Nous avons tous les outils pour parler enfin… d’avant le Big Bang Où en sont les tests expérimentaux de ces théories ? Conclusion … provisoire Et maintenant, rapprochons nous du Big Bang Au temps de Planck 100 milliardièmes de milliardième de milliardième de milliardième de milliardième de seconde La partie observable actuellement de l’Univers était réduite à une sphère de rayon 10-35 m (Rayon de Planck). Cet embryon a donné naissance à notre Univers observable. Zoomons de nouveau dans cette région en incluant le temps zéro 10-43 s 13,7 Milliards d’années X 2,7 K 1032 K soit – 270,4 °C Et remontons le temps avec les Forces sans atteindre le temps zéro A cette époque, la Gravitation est aussi intense que les autres forces. SuperForce Gravitation Mécanique quantique Forte Electronucléaire Faible Electrofaible Electromagnétique Ère de Planck 10-43 s 10-35 s Attention: rien n’est à l’échelle 10-11 s Nous devons aller au-delà du Modèle Standard des particules: La théorie doit marier Gravitation et Mécanique quantique: La Gravitation quantique Il y a 2 grandes approches actuellement: - Partir de l’infiniment grand: la Gravitation (La Relativité générale) aller vers l’infiniment petit (La Mécanique quantique) Théorie de la Gravitation quantique en boucles. - Partir de l’infiniment petit: la Mécanique quantique inclure la Gravitation - La théorie la plus en vogue. Théorie des Supercordes. - Celle des théoriciens des particules. Il existe cependant une approche qui évite la Gravitation quantique et ne fait appel qu’au vide… en esquivant certains aspects de la genèse physique. Et l’instant t = 0 ? Plus on s’approche de zéro, plus l’Univers est comprimé et chaud et à t = 0: les quantités densité, température, pression, rayon de courbure tendent vers l’infini: nous sommes en présence de la singularité du Big Bang. • Les théories physiques (Relativité générale, Mécanique quantique) ne fonctionnent plus ! • Les théoriciens sont loin d’être d’accord sur certains aspects: - Pour certains: le Big Bang met en marche en même temps le temps et l’espace. - Pour d’autres: la notion de temps ne disparaît pas à la singularité. Dans ce cas: il y aurait donc un avant Big Bang La théorie des Supercordes autorise une traversée temporelle du Big Bang. Les mystères de la Gravitation et les 3 autres forces élémentaires Le Modèle Standard des particules élémentaires Le Modèle Standard de la Cosmologie Et maintenant, rapprochons nous du Big Bang La théorie des Supercordes Nous avons tous les outils pour parler enfin… d’avant le Big Bang Où en sont les tests expérimentaux de ces théories ? Conclusion … provisoire La théorie des Supercordes Extra-dimensions Les particules élémentaires sont-elles élémentaires? Etape ultime: Les Cordes et Supercordes Recommandation d’une recherche sur Internet L’appellation officielle Cordes est la traduction maladroite du mot anglais… et Supercordes … toujours en anglais… Strings Super-Strings Pour une fois, ma préférence va vers la dénomination anglaise … mais c’est un pur problème d’esthétique. Il y a 2 ingrédients essentiels: Les Supercordes La taille ultime des poupées russes représentant les particules. Les Branes (Abréviation de Membranes) Les Univers à l’intérieur desquels les Supercordes peuvent s’accrocher. avec des conséquences alléchantes et surprenantes: - Bien que partant de l’infiniment petit, la Gravitation apparaît naturellement. - A l’espace-temps classique à 3 dimensions d’espace et une de temps, s’ajoutent 7 autres dimensions d’espace espace-temps à 11 dimensions. Les théoriciens les plus réputés travaillent sur ces sujets depuis environ 20 ans. Les Supercordes • Les particules ne seraient plus ponctuelles mais des petits filaments d’énergie en vibration - sans épaisseur, - de longueur proche de la Longueur de Planck (10-35 m). • Un seul ingrédient: la Corde Ses vibrations (Les notes émises) sont caractéristiques de chaque type de particule. ouverte Comme des petits élastiques fermée • Plus la fréquence de vibration est élevée, plus la particule est massive. • Le Graviton est une corde fermée. Un espace-temps à 11 dimensions C’est difficile à imaginer! Ed Witten: la référence mondiale de la théorie des cordes Je n’arrive pas à visualiser les dimensions supplémentaires, comme la plupart des gens (CERN: juin 2009) En fait la notion de dimensions (ou de coordonnées dans l’espace) dépend de la distance de l’observateur/objet examiné et/ou du grossissement de son instrument d’observation. Une ligne Une surface Un volume .. et nous au-delà de 3 dimensions, sommes-nous capables d’imaginer des dimensions cachées? En fait, elles sont si petites (Dimension de Planck) et enroulées: nous ne pouvons pas les voir. Comme pour le funambule On peut généraliser à un volume hexadimensionnel en chaque point de l’espace à 3 dimensions … mais certaines dimensions peuvent cependant être infinies ! Espace de Calabi-Yau en chaque point Les Branes (ou D-branes) Ce sont d’autres objets construits à partir des dimensions de l’espace. Membrane: surface à 2 dimensions ou 2-Brane puis, 3-Brane: surface à 3 dimensions. 4-Brane: surface à 4 dimensions. … 10-Brane: surface à 10 dimensions. Et notre Univers à 3 dimensions ? Une 3-Brane flottant dans un espace à 7 + 1 dimensions 7 Les Supercordes dans le monde des Branes La 3-brane est collante pour les extrémités des cordes ouvertes. Cordes piégées sur la 3-Brane Graviton piégé 3-brane Gravitons libres Dimensions supplémentaires Conséquences: • Tous les Fermions et Bosons (sauf le Graviton) sont confinés sur la 3-Brane mais s’y déplacent librement. Analogie: électrons dans un câble conducteur, ou encore bille sur un flipper. • Le Graviton peut se déplacer sur la 3-Brane et en dehors. Analogie: marteau sur une plaque métallique son sur la plaque et dans l’air. Explication de la faiblesse de la Gravitation: son intensité se dilue dans les 10 dimensions. Analogie avec le débit d’un fleuve se subdivisant en plusieurs bras Ici: débit dans chaque bras = débit initial divisé par 2. Autre Conséquence: La théorie des Supercordes contient la Super-symétrie: Fermions Bosons - La super-symétrie implique des nouvelles particules dites Super-symétriques, très massives, créées peu de temps après le Big Bang et la plupart instables. (Cela fait plus que doubler le nombre de particules !) - Parmi elles: les plus stables et les plus légères sont les neutralinos. Ils interagissent très très peu avec la matière. Les neutralinos seraient les meilleurs candidats à la Matière noire. Les mystères de la Gravitation et les 3 autres forces élémentaires Le Modèle Standard des particules élémentaires Le Modèle Standard de la Cosmologie Et maintenant, rapprochons nous du Big Bang La théorie des Supercordes Nous avons tous les outils pour parler enfin… d’avant le Big Bang Où en sont les tests expérimentaux de ces théories ? Conclusion … provisoire Nous avons tous les outils pour parler enfin … d’avant le Big Bang ? Nous allons nous limiter à 2 approches tirant partie: - la première: de l’énergie du vide quantique; - la deuxième: de la théorie des Supercordes. Un Univers auto-reproductif via le mariage forcé de la Relativité et de la Mécanique quantique ou encore l’effet boule de neige. Le vide quantique bouillonne de particules virtuelles qui se créent par paires, vivent un très court instant et s’annihilent en permanence. L’expansion de l’espace (en particulier durant l’inflation) peut étirer et finalement séparer les 2 membres d’une paire qui deviennent réelles. Cette matière nouvelle force l’espace à s’étendre plus, et ainsi de suite… L’énergie du vide ne se dilue pas dans l’expansion (contrairement à la matière): elle est toujours potentiellement disponible. Ce phénomène de création de particules est local Apparition d’Univers-bulles en expansion qui sont le siège à leur tour d’autres Univers clones.: notion de Multi-Univers ou Multivers. Ce scénario (soutenu par des théoriciens de renom) s’affranchit de l’instant zéro car c’est un phénomène auto-reproductif. Est-ce le moment de créer d’autres bulles? NON: en particulier, quelle est l’origine du vide quantique? A un moment ou à un autre, il faut passer à la Gravitation quantique. Le recours aux Supercordes Notre Univers 3-Brane est peut-être situé dans un étranglement des dimensions supplémentaires ou encore dans une partie enroulée d’une anse. Là aussi existent des Multivers Scénario cyclique ou ekpyrotique Collision élastique de 3-Branes Big Bang Rebondissement: 2 Univers parallèles Etc. Scénario moins catastrophique La collision de 2 Branes voisines transfère de l’énergie à notre Brane via les dimensions supplémentaires. Collision Notre Brane Analogie avec un condensateur: accumulation d’énergie entre les 2 plaques chargées de signes contraires. Inflation Deux explications envisagées. - Collision de Branes (exemples précédents). - Réarrangement des dimensions supplémentaires Champ: moteur de l’’inflation. Les Univers multiples … et notre Univers La théorie prévoit un très grand nombre de configurations possibles des dimensions supplémentaires, ce qui est appelées le paysage de la théorie des cordes: - Chaque configuration peut abriter potentiellement un Univers, avec des constantes physiques différentes. - La nature exploite toutes les possibilités: certains Univers réussissent (le nôtre par exemple), d’autres échouent. - La théorie estime à 101000 le nombre de possibilités: il y a une espèce de sélection à la Darwin, mais sans compétition, et ne subsistent que les Univers viables. Illustration d’un paysage: une boule représentant une grandeur physique (énergie potentielle par exemple) qui cherche une zone de stabilité. Les mystères de la Gravitation et les 3 autres forces élémentaires Le Modèle Standard des particules élémentaires Le Modèle Standard de la Cosmologie Et maintenant, rapprochons nous du Big Bang La théorie des Supercordes Nous avons tous les outils pour parler enfin… d’avant le Big Bang Où en sont les tests expérimentaux de ces théories ? Conclusion … provisoire Où en sont les tests expérimentaux de ces théories ? Il y a 2 démarches expérimentales Celle de l’astronome et de l’astrophysicien: comme un enfant dans un magasin de porcelaine. Observer sans pouvoir toucher. Celle du physicien des particules: comme un enfant dans un magasin de jouets. Manipuler et même casser! Les 2 approches se complètent et étayent les Modèles Standards. Observation: Télescopes, radiotélescopes, satellites. Collisions forcées de particules: Accélérateurs. Pour aller plus loin, dans l’espace et dans le temps et tester des théories plus complètes: des instruments nouveaux sont maintenant disponibles. Quelques exemples: - Observation du ciel (pas seulement des photons) - Se Télescopes embarqués. Rayonnement fossile: satellite PLANCK. Rayonnement Gammas les plus énergétiques: Expérience HESS. A travers la Terre: expérience ANTARES. rapprocher du Big Bang: le Collisionneur LHC du CERN. Ces exemples sont montrés dans notre exposition … Les mystères de la Gravitation et les 3 autres forces élémentaires Le Modèle Standard des particules élémentaires Le Modèle Standard de la Cosmologie Et maintenant, rapprochons nous du Big Bang La théorie des Supercordes Nous avons tous les outils pour parler enfin… d’avant le Big Bang Où en sont les tests expérimentaux de ces théories ? Conclusion … provisoire Conclusion … provisoire Il existe un scénario convaincant et vérifié de l’évolution de l’Univers observable: celui du Big Bang, fondé sur l’expansion de l’Univers, à partir d’une époque extrêmement chaude et dense. Ce scénario fait appel à différentes disciplines qui relèvent de deux mondes, l’infiniment petit et l’infiniment grand: - la physique des particules, la physique nucléaire, - l’astronomie, l’astrophysique, et la cosmologie. La nature de la Matière noire et celle de l’Energie noire ne sont pas encore vraiment expliquées. En l’état actuel des connaissances, l’instant zéro échappe au champ de la physique. Mais une traversée temporelle du Big Bang est envisagée par la théorie du tout la plus développée actuellement, celle des Supercordes et même par d’autres approches moins révolutionnaires. Il appartient aux expérimentateurs des deux mondes de trouver les indices qui s’accordent ou non avec les prévisions. Le début du 20ième siècle a connu 2 révolutions scientifiques: la Relativité et la Mécanique quantique. Le début du 21ième siècle pourrait connaître à son tour une révolution dans notre compréhension de l’Univers.
