TPE - La Naissance de l`Univers En quoi les théories de - E

TPE - La Naissance de l’Univers
En quoi les théories de naissance de l’Univers
sont-elles pertinentes?
Adrien Delafenestre, Robert Arhip,
Alexandre Berthet, Curtis Régnault
Année 2012-2013 - Baccalauréat
Lycée Rocroy Saint Vincent de Paul, 75010 PARIS
Remerciements
Nous tenons à remercier les professeurs de TPE, M. Hontas, professeur de mathématique et M. Bré, professeur de phyqique. De plus nous remercions profondément
M. Jean Audouze, astrophysicien de l’Instiut d’Astrophysique de Paris (IAP) pour
l’interview plus que passionnante qu’il nous a accordé.
1
Table des matières
I
L’UNIVERS
5
1 L’infiniment petit
1.1 La mécanique quantique . . . . . . . . . .
1.1.1 L’électrodynamique quantique . . .
1.1.2 La superposition d’états quantiques
1.1.3 Le principe d’incertitude . . . . . .
1.1.4 Le principe d’intrication . . . . . .
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2 L’infiniment grand
2.1 La thermodynamique . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 L’énergie thermique, le mouvement . . .
2.1.2 La conservation de l’énergie totale . . . .
2.1.3 La dégradation de l’énergie avec le temps
2.2 La relativité restreinte . . . . . . . . . . . . . .
2.3 La relativité générale . . . . . . . . . . . . . . .
II
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8
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8
9
9
11
LE BIG BANG
13
3 La découverte du Big Bang
3.1 L’expansion de l’Univers . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 L’effet “gâteau aux raisins” . . . . . . . .
3.1.2 La loi de Hubble . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Le fond diffus cosmologique . . . . . . . . . . . .
3.2.1 L’importance du fond diffus cosmologique
4 Description du Big Bang
4.1 L’inflation cosmique . . . . . . . . .
4.1.1 Le problème de l’horizon . . .
4.1.2 Le problème de la platitude .
4.2 Les particules élémentaires . . . . . .
4.2.1 Les Fermions . . . . . . . . .
4.2.2 Les Bosons . . . . . . . . . .
4.3 La nucléosynthèse . . . . . . . . . . .
4.3.1 La nucléosynthèse primordiale
4.3.2 La nucléosynthèse stellaire . .
2
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III
LES THÉORIES LIÉES AU BIG BANG
25
5 La théorie du Grand Rebond
26
5.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5.2 Explication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5.3 La crédibilité de cette théorie selon les scientifiques . . . . . . . . . . 27
6 La théorie du Multivers
28
6.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
6.2 Explication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
6.3 La crédibilité de cette théorie selon les scientifiques . . . . . . . . . . 29
7 La théorie des Cordes
30
7.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
7.2 Explication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
7.3 La crédibilité de cette théorie selon les scientifiques . . . . . . . . . . 30
IV
ANNEXES
33
A Interview
34
B Jean Audouze
35
3
INTRODUCTION
“L’imagination est plus importante que le savoir”, Albert Einstein.
C’est dans cet esprit que s’est présenté à nous ce sujet de dossier pour
les TPE. En effet, notre objectif premier était de choisir un sujet qui
faisait vibrer notre imagination, mais qui n’en appartenait pas moins à
la science, au savoir. Nous avons donc décidé, non sans une pointe d’appréhension, de tenter par tous les moyens à notre portée d’apporter une
réponse, aussi naïve soit-elle, mais construite sur un raisonnement stable
et concret, à la question : En quoi les théories de naissance de l’Univers
sont-elles pertinentes ?
Pour répondre à cette problématique sans s’affubler d’une tâche trop
lourde, ni la survoler simplement en laissant la réponse incomplète, nous
avons choisi d’adopter ce qui nous paraissait être le seul raisonnement à
notre portée apportant une réponse concrète.
Ce raisonnement consistait à faire état des lois fondamentales qui régissent notre Univers, de manière à connaître le système étudié.
Ensuite, il convenait de réaliser des observations et mesures dans l’objectif de reconstituer l’histoire de l’Univers, de façon à suivre le raisonnement des chercheurs pour remonter aux origines du cosmos.
Et enfin, il fallait faire état de ces mêmes théories, de manière finalement à justifier leur pertinence par leurs liens directs et concrets aux
faits actuels observables et indubitables.
Dans cet optique nous avons construit un plan reprenant l’Univers et
ses lois. Ainsi, cette connaissance nous mène à la deuxième partie, le Big
bang. Pour finir, nous étudions les différentes théories s’articulant autour
de ce Big Bang créateur.
4
Première partie
L’UNIVERS
5
Chapitre 1
L’infiniment petit
1.1
La mécanique quantique
Fondée en 1927 par Planck, Einstein, Bohr, Shrödinger, Heisenberg, etc.,
la mécanique quantique établie que l’énergie ne peut exister que sous
la forme de petits paquets : les “quantas”. Cette physique s’appuie sur
plusieurs concepts :
1.1.1
L’électrodynamique quantique
L’électrodynamique quantique est une théorie qui concilie l’électromagnétisme avec la physique quantique. Il s’agit ni plus ni moins de la théorie
affirmant que les charges électriques interagissent par échanges de photons.
Ainsi cette théorie introduit la notion de dualité onde/corpuscule pour
la lumière, où le photon est la particule de la lumière dont les valeurs
énergétiques appartiennent à un ensemble discontinu.
1.1.2
La superposition d’états quantiques
En 1930 Paul Dirac formule que si un système physique peut se trouver dans deux états différents (comme par exemple un atome radioactif
possède un état entier et un état désintégré), alors il peut aussi se trouver dans un troisième état superposant les deux états précédents. En
physique quantique, cela ne traduit pas une ignorance vis-à-vis de l’état
réel du système, mais bien une indétermination intrinsèque au système.
Par ailleurs, pour illustrer cette superposition d’états par un exemple
plus concret, Erwin Shrödinger a proposé l’image d’un chat, enfermé
dans une boîte avec un dispositif de mise à mort lié à la désintégration
d’un atome. Ce dernier étant à la fois intégré et désintégré, le chat est à
la fois mort et vivant. . .
6
1.1.3
Le principe d’incertitude
En 1927 Heisenberg formule ce principe fondateur qui stipule qu’on ne
peut attribuer à une particule à la fois une position et une vitesse déterminées, à un instant donné. Plus la position est précisément connue,
moins la vitesse l’est, et réciproquement.
1.1.4
Le principe d’intrication
Quand deux particules interagissent, elles se “mélangent” comme deux
ondes, pour n’en former qu’une seule. Lorsqu’elles se séparent, elles ne
forment toujours qu’un seul et même système, quelle que soit la distance qui les sépare. En conséquence, lorsqu’on mesure une caractéristique d’une particule 1, la particule 2 intriquée adopte immédiatement
la même valeur, même si très éloignée de la particule 1.
7
Chapitre 2
L’infiniment grand
2.1
La thermodynamique
Fondée en 1824 par Sodi Carnot, la thermodynamique décrit les transformations que subit l’énergie des systèmes physiques. Elle permet de
connaître les échanges d’énergie entre tous ces systèmes. Bien qu’elle découle de la relativité restreinte et générale qui seront abordées par la
suite, elle est indispensable pour décrire certains phénomènes à grande
échelle. Cette science repose sur trois grand principes :
2.1.1
L’énergie thermique, le mouvement
L’énergie thermique d’un corps, sa chaleur, n’est autre chose qu’un mouvement : celui de ses atomes.
La température exprime en fait le degré d’agitation nucléaire de la matière,
et défini ses différents états. Ainsi, l’énergie décrite par la thermodynamique correspond finalement au mouvement vibratoire de toute la
matière qui compose l’Univers. Il est donc rendu possible de théoriser
l’état le plus immobile possible de la matière, corespondant à la température la plus basse possible, soit le zéro absolu (-273.15o c).
2.1.2
La conservation de l’énergie totale
La variation d’énergie d’un système est égale à l’énergie thermique et
l’énergie de travail échangée avec l’extérieur. Cette conservation s’écrit :
∆U = W + Q
∆U représentant la variation d’énergie interne ;
W le travail échangé avec le milieu extérieur ;
Q la quantité d’énergie thermique échangée.
8
2.1.3
La dégradation de l’énergie avec le temps
Les physiciens ont constaté que tout système laissé à lui-même voit
son énergie interne se dégrader. L’énergie totale du système restera inchangée, mais les transformations subies par l’énergie la rende inutilisable, comme la chaleur qui se dissipe dans le milieu extérieur. Cette
dégradation sans perte d’énergie est une loi universelle s’appliquant à
tous les systèmes physiques. L’Univers, le plus grand des systèmes, possède depuis sa naissance une certaine quantité d’énergie qui n’a jamais
varié. Les différentes formes qu’elle prend seules varient. Tout échange
entre deux formes ou systèmes doit respecter ce principe de conservation.
De part ce principe, le physicien allemand Rudolf détermine en 1865 une
notion clé de la thermodynamique : L’entropie.
Le principe de l’entropie caractérise le niveau de désordre de la matière
à l’échelle moléculaire et atomique. Plus le désordre est grand plus l’entropie est élevée. Or toute transformation spontanée, tout transfert d’énergie, tout mouvement, s’accompagnant inéluctablement de pertes (l’énergie dégradée) ne fait qu’accroître le désordre de la matière, ce qui implique que l’entropie augmente dans chaque transformation, de manière
irréversible ; Cette irréversibilité, contrairement à toutes les autres lois
qui expliquent des mécanismes réversibles, est une caractéristique très
importante de l’entropie, car ainsi, ce principe est un des seul à rendre
compte du passage du temps. En effet, plus le temps passe, plus il y a
de transformations et d’échanges énergétiques, plus l’entropie croît. Pour
certains physiciens, on peut donc considérer que le temps émerge de l’entropie, de la dégradation énergétique. En thermodynamique, l’entropie
est déterminée par la formule :
∆S ≥
Q
T
∆S est la variation de l’entropie ;
Q est la quantité de chaleur transférée ;
T est la température.
2.2
La relativité restreinte
La relativité restreinte est la base de toute la physique moderne. La
“relativité” est née tout d’abord avec Galilée. En effet, ce dernier fonda
en 1632 la relativité galiléenne qui établit qu’un mouvement rectiligne
uniforme est strictement équivalent au repos, et que les lois physiques
s’appliquent de la même façon à tout l’Univers. Ainsi Galilée réalise la
première “chronogéométrie” de l’Histoire. il considère l’espace comme
plat et le temps absolu et inéxorable.
De part l’équivalence entre repos et mouvement rectiligne uniforme,
Galilée en conclut que tout mouvement est relatif. Tout dépend du
9
référentiel choisi. Galilée tente donc de relier les différents référentiels
par leurs vitesse relative : si une personne marche à 6 km/h sur un tapis
roulant allant à 3 km/h, alors sa vitesse par rapport au bâtiment est de
9 km/h. La relation est donc une simple addition :
v = v1 + v2
Mais avec le développement de théories comme l’électromagnétisme, les
scientifiques se heurtent à une incohérence ; la vitesse de la lumière est
finie (=299 792 458 m.s-1 ) et surtout sa vitesse ne varie pas quels que
soient les différents référentiels.
C’est alors qu’un physicien nommé Albert Einstein soutient que la conception de l’espace et du temps établit par Galilée est bancale, et que sa
théorie de relativité galiléenne doit être améliorée.
Einstein énonce donc sa théorie de la relativité restreinte en 1905, qui
s’appuie sur deux postulats. Premièrement, il reprend la théorie de Galilée
comme quoi la physique est la même dans tous les référentiels en mouvement uniforme. Deuxièmement, la lumière se propage dans le vide à une
vitesse finie, c, indépendante du mouvement de la source lumineuse ou
de l’observateur. Autrement dit mathématiquement c+v = c pour tout v
appartenant à [0; +∞]. . . Ainsi, notre exemple précédent de la personne
avançant sur un tapis roulant se voit expliqué différement en relativité
restreinte. pour les mêmes conditions et vitesses, la relation devient plus
complexe qu’une simple addition :
v=
v1 + v2
v2 ∗ v1
1+
c2
Ici, pour des corps se déplaçant à petite vitesse, v2 ∗ v1 est petit et
c2 est très grand. Donc la fraction est très proche de zéro et donc on
obtient presque exactement la même vitesse qu’avec la formule de Galilée
(car v devient quasiment égal à v1 + v2 , et les lointaines décimales qui
différencient la théorie d’Einstein et celle de Galilée sont négligeable dans
ce système). Cependant, dans le cas d’objets approchant la vitesse de la
lumière, le terme n’est plus négligeable, et le résultat n’est pas égal à la
somme des deux vitesses de départ.
Aussi, d’après la célèbre formule E = mc2 la matière est liée à l’énergie.
Donc bien que la masse soit inchangée dans tous référentiels, l’énergie
varie avec la vitesse. Einstein en conclut donc que la masse d’un corps
varie avec la vitesse à laquelle il se déplace par la relation :
m =s
m0
v2
1− 2
c
Enfin, la révolution scientifique de la théorie de la relativité restreinte
provient du fait qu’elle rend indiscociable temps et espace. Einstein élabore alors l’espace-temps. Selon la relativité restreinte, le temps est lié
10
à l’espace de sorte que tout mouvement affecte l’écoulement du temps.
Ainsi, contrairement à Isaac Newton qui considérait que le temps était
absolu et identique pour tout le monde, Einstein postule que chaque
corps possède son temps propre. Il explique que lors d’un mouvement
dans l’espace d’un corps, une partie de son mouvement dans le temps
est dévié dans son mouvement dans l’espace, et que donc le temps s’écoule moins vite pour l’objet en mouvement, proportionnellement à sa
vitesse dans l’espace.
Pour illustrer cette loi, prenons une voiture, roulant à vitesse constante
vers le nord. On considère que ce déplacement constant est l’écoulement constant du temps. Maintenant, imaginons que la voiture tourne
et prenne une route sécante à notre route du temps, allant dans la direction nord-ouest. Le mouvement du véhicule ainsi que sa vitesse resteront
inchangés mais son déplacement sera partagé entre son mouvement vers
le nord et celui vers l’ouest.
En conséquence, la voiture se déplacera toujours vers le nord mais moins
rapidement que si elle était restée sur la route du temps plein nord. On
peut à présent associer la route allant vers le nord-ouest à un déplacement
dans l’espace, la route allant vers le nord au déplacement dans le temps
et la bifurcation où la voiture a tourné à la mise en mouvement d’un
corps immobile. Tout comme la voiture se dirige moins rapidement vers
le nord quand elle se trouve sur la route allant au nord-ouest, le temps
s’écoule moins vite pour tout corps en mouvement. Néanmoins sur Terre,
ce ralentissement du temps en fonction du mouvement est imperceptible,
si ce n’est par des horloges atomiques. [1]
2.3
La relativité générale
Dans un second temps, si la relativité d’Einstein en 1905 est dite “restreinte”, c’est parce qu’elle ne traite que des relations entre référentiels
en mouvement rectiligne uniforme. Mais en 1915, Einstein fonde la relativité générale en développant une nouvelle conception de la gravitation.
En effet, Newton avait, en 1687, énoncé sa théorie de la gravitation newtonienne, qui faisait de la chute des corps sur Terre et de l’attraction
entre les astres, les conséquences d’une même intéraction fondamentale,
l’attraction universelle.
Le point de départ de cette nouvelle relativité est de révolutionner la
gravitation newtonienne. Einstein constate que tout comme un objet
immobile est soumis aux même lois qu’un objet possédant un mouvement rectiligne uniforme, il est possible d’élargir ce principe à tout objet
subissant un mouvement sous l’effet de la gravitation. En conséquence, le
savant perçoit que le principe de relativité peut être généralisé aux mouvements accélérés de chute libre ; dans tous ces référentiels, les lois fondamentales de l’Univers restent identiques. Par ce biais, Einstein révèle
donc le lien entre mouvement et gravitation : pour lui, la gravitation n’est
11
pas une force, mais un effet spatio-temporel, une courbure de l’espacetemps similaire à une accélération.
Ainsi, il montre comment tout corps possédant une masse, et donc la
matière dans son ensemble, courbe l’espace-temps, créant une sorte de
dépression spatio-temporelle proportionnelle à la masse, menant à un
mouvement d’accélération subi par les corps évoluant autour de l’objet
attracteur. En somme, un corps ne subit pas une force d’attraction mais
est plutôt soumis à un champs d’accélération qui perturbe son déplacement.
On peut se représenter l’espace-temps comme un plan où évoluraient les
différents objets cosmiques dont la masse créerait des distorsions s’apparentant à des pentes menant au centre de gravité de l’objet et qui
auraient donc une influence sur les directions, sens et intensités des différents corps qui s’approcheraient de l’objet.
Bien que la réalité de la relativité générale ait été démontrée par des
observations comme celles d’éclipses solaire, où les astronomes avaient
constaté la déviation des rayons lumineux provoquée par le gouffre gravitationnel du soleil et son impact sur l’espace-temps, les conséquences
de la relativité générale sur Terre sont très peu identifiable. Néanmoins
cette théorie n’a jamais été mise en défaut.
Pour finir, cette théorie de la relativité générale a particulièrement révolutionné la conceptualisation de l’Univers en le permettant à la fois fini
et sans frontière car quadridimensionnel. Cela a en outre permis l’accès
à l’Histoire de l’Univers. [8]
12
Deuxième partie
LE BIG BANG
13
Chapitre 3
La découverte du Big Bang
Ayant à présent déterminé les grandes lois qui régissent l’Univers, nous pouvons maintenant rassembler des informations pouvant nous être utiles dans notre quête pour remonter le temps ; et déboucher sur l’aube de l’Univers, l’origine
des temps : Le Big Bang. Cette explosion titanesque est considérée comme la cause créatrice de notre Univers.
Ainsi, tout aurait commencé il y a 13.7 milliards d’années.
Notre Univers se résumait alors à une colossale quantité
d’énergie, coincée dans un volume minuscule, une singularité.
Tout à coup, cette énergie se serait dilatée à une vitesse vertigineuse, et l’Univers se serait brusquement étendu dans ce
que les astrophysiciens nomment l’inflation cosmique. Après
quoi, l’Univers aurait ensuite continué à s’étendre moins
rapidement et se serait refroidi. La matière se serait alors
formée, petit à petit, de particules élémentaires à atomes,
puis molécules. . .
Donnant finalement naissance à la vie ! Mais voilà, la théorie
du Big Bang comporte un gros défaut : il est imposiible de
décrire ce qu’il s’est passé dans les premiers instants de l’Univers (par “instants”, on entend une durée de 10−43 secondes).
Et pour l’instant, rien n’y fait, ce "temps zéro" garde tous
ses mystères... Ce qui poussera les scientifiques à élaborer
des théories autour de ce Big Bang créateur.
14
3.1
L’expansion de l’Univers
Observée depuis la Terre, une galaxie qui s’éloigne nous apparait plus
rouge qu’elle ne l’est en réalité, alors que si elle se rapproche elle semble
plutôt bleue. Ce phénomène se nomme l’effet Doppler-Fizeau, et permet
de mettre en évidence l’expansion de l’Univers.
Figure 3.1 – Sur cette image, on observe que la fréquence des ondes varie selon
la position de l’observateur ; si celui-ci se trouve à gauche de l’image, soit face à
l’objet en mouvement, la fréquence des ondes qu’il reçoit est plus élevé que celle
des ondes reçu par un observateur situé dos à l’objet en mouvement. Ici, plus la
fréquence augmente, plus la couleur est dite aigue, c’est-à-dire qu’elle tire vers le
bleu. A l’inverse, plus la fréquence est basse (la source s’éloigne), plus la couleur tire
vers le rouge.
15
Ce phénomène peut paraitre abstrait mais il suffit par analogie de remplacer les ondes lumineuses par des ondes sonores pour le comprendre plus facilement. Le son d’une voiture de course (par exemple) est
d’abord aigu lorsqu’il se rapproche, puis il devient grave en s’éloignant.
Autrement dit, la fréquence sonore d’un objet en mouvement varie en
fonction de son sens de déplacement par rapport à un observateur immobile. La plupart des personnes ont déjà assisté à un événement similaire
qui se traduit par une expression mathématique : pour vrécepteur = 0
frécepteur =
1
vémetteur
1−
c
∗ fémetteur
c est la célérité de l’onde ;
vémetteur est la vitesse de l’émetteur ;
vrécepteur est la vitesse du récepteur ;
fémetteur est la fréquence de l’onde source ;
frécepteur est la fréquence de l’onde reçu.
Figure 3.2 – On remarque ici que pour un objet se déplaçant vers la gauche, la
fréquence des ondes qu’il émet, qu’elles soient soniques ou lumineuses, est plus élevée
dans la direction vers laquelle il se déplace que dans la direction dont il vient.
Ainsi, de part des observations effectuées par des télescopes terrestres et
spatiaux, on a pu démontrer l’éloignement continu des galaxies et donc
l’expansion de l’Univers. Les astrophysiciens ont même trouvé un moyen
de calculer cette vitesse de fuite en mesurant l’ampleur du décalage vers
le rouge des galaxies lointaines.
Ce phénomène astronomique se caractérise par le décalage vers les grandes
longueurs d’ondes, d’où son nom. Il est observable parmi les objets astronomiques lointains. Il a été mis en exergue grâce à cette formule :
Z=
λobs − λ0
λ0
16
λobs est la longueur d’onde observée grâce aux instruments astronomiques.
Ce sont des données expérimentales.
λ0 est celle observée dans les laboratoires. Ce sont les données qu’on
attend, les données théoriques.
Si Z est positif alors le décalage s’effectue vers le rouge, sinon le décalage
s’effectue vers le bleu.
L’application algorythmique de cette formule permet de déterminer si
un corps s’approche ou s’éloigne.
Programme :
Input λobs
Input λ0
Z => λobs−λ0
λ0
Disp Z
End
3.1.1
L’effet “gâteau aux raisins”
Suite à cette découverte, les scientifiques ont cherché à savoir si les galaxies s’écartaient d’un unique point ou non (l’univers s’allongerait). Cependant, vers la fin des années 1920, les astronomes ont compris que l’univers gonflait tel un ballon. Les galaxies s’éloignent donc les unes des
autres. . . Cette impression se fait d’autant plus sentir lorsqu’on observe
le cosmos depuis la Terre. Mais, cette sensation serait aussi ressentie par
d’autres habitants de l’Univers où qu’ils soient (sauf certaines galaxies
qui s’attirent grâce à la force gravitationnelle). Si on considère que chaque
galaxie est immobile dans son petit coin d’espace et que c’est l’espace
lui-même qui se dilate, le phénomène devient explicable et démontrable
par des exemples concrets d’où son nom l’effet gâteau aux raisins. [8]
Figure 3.3 – Lorsque l’on met un cake au four, la pâte enfle et les grains de raisins
partent dans des directions opposées (et ils ne se déplacent pas par rapport à la pâte
qui les entoure). C’est le même processus avec un soufflet au chocolat ( pour ceux
qui n’aiment pas les raisins).
17
3.1.2
La loi de Hubble
En 1929, Hubble publie un ouvrage avançant que les galaxies s’éloignent
à une vitesse proportionnelle à leur distance. Donc, plus une galaxie est
lointaine, plus sa vitesse de fuite est importante. Cette relation propose
que la vitesse est égale au produit de la distance par la constante de
Hubble, elle s’écrit :
V = H0 d
où H0 est la constante de Hubble qui vaut 73 (km/s)/Mpc 1
On peut écrire l’algoryhtme donnant la loi de Hubble :
Programme :
Input d
V => 73*d
Disp V
End
La découverte de cette loi fut possible grâce au décalage vers le rouge
(effet Doppler), c’est pourquoi une relation avec le décalage vers le rouge
existe, elle est donnée par :
Z ∗ C = H0 d
De même cette relation a pour écriture algorythmique :
1. Mégaparsec, c’est-à-dire environ 3,26 millions d’années lumières
18
Input Z
Input C
Input d
A => Z*C
B => H0 d
Disp “A est égale à B”
End
3.2
Le fond diffus cosmologique
Dans l’Univers primordial très dense et très chaud, la lumière ne pouvait pas se propager librement : l’Univers était opaque, comme une sorte
d’épais brouillard. Comme la lumière voyage à vitesse finie, en regardant
loin, on regarde dans le passé : vient ainsi le moment où l’on voit l’époque
ou l’Univers était opaque. Cet instant s’appelle époque de dernière diffusion. Elle s’est produite environ 380 000 ans après le Big-Bang. C’est le
rayonnement qui baignait l’Univers à ce moment-là qui va être observé
par Planck. Découvert en 1964 par les radio-astronomes Arno Allan Penzias et Robert Woodrow Wilson, ce rayonnement vieux de plusieurs milliards d’années fut nommé fond diffus cosmologique. Bien qu’issu d’une
époque très chaude, ce rayonnement a été dilué et refroidi par l’expansion de l’Univers et possède désormais une température très basse de
2,728 K (-270,424o c). Ce faible rayonnement est aussi connu sous le nom
de “rayonnement fossile” ou “rayonnement à 3 K” (en référence à sa
température).
Voici l’image la plus précise à ce jour envoyée par le satellite PLANCK ;
on peut constater des zones rouges correspondant aux zones où la température et plus élevée. Ce rayonnement fossile est la preuve supplémentaire qui vient argumenter l’idée de la naissance de l’Univers dans un Big
Bang
19
3.2.1
L’importance du fond diffus cosmologique
Le rayonnement cosmologique (CMB 1 ) a une importance majeure pour
la cosmologie pour plusieurs raisons :
– il est la plus ancienne image de l’univers dont nous disposons ;
– il a un spectre de corps noir parfait ;
– il est remarquablement isotrope (son intensité est la même dans toutes
les directions) ;
– les faibles écarts à l’isotropie sont très riches en informations.
Le spectre de corps noir implique que la source du rayonnement est thermique, et plus précisément en équilibre thermodynamique. L’isotropie
remarquable de ce rayonnement implique que sa source est beaucoup
plus éloignée que la Voie lactée ou les galaxies proches. L’interprétation
la plus simple est que ce rayonnement est d’origine cosmologique, qu’il
remplit tout l’univers de manière quasi-homogène, et que sa température
était beaucoup plus élevée au moment de son émission. La théorie du big
bang prévoit exactement ce genre de rayonnement, comme vestige d’un
passé plus chaud et plus dense. [4]
1. “Cosmic microwave background”, fond diffus cosmologique en anglais
20
Chapitre 4
Description du Big Bang
4.1
L’inflation cosmique
L’inflation cosmique concerne l’époque des tous premiers instants de l’Univers qui a alors connu une phase d’expansion très violente, d’un facteur
de 1022 (voire plus grand). Cette inflation est un modèle cosmologique
permettant de résoudre le problème de l’horizon ainsi que le problème
de la platitude.
4.1.1
Le problème de l’horizon
Les scientifiques ont découvert, en observant le fond diffus cosmologique,
que les régions de l’Univers, en lui-même, étaient homogènes. Or, à ce
jour, la lumière, d’une vitesse de 299 800 km/s, n’a pas pu atteindre
toutes les régions de l’univers et donc transmettre des informations entre celles-ci. Donc des scientifiques ont supposé que cette homogénéité
s’expliquait par un autre phénomène.
4.1.2
Le problème de la platitude
Si l’on regarde la Terre depuis notre jardin, il ne nous vient pas spontanément à l’esprit que la Terre puisse être sphérique. De fait, elle nous
apparaît plate. Ce problème se pose aussi pour l’Univers. En effet, nous
ne pouvons pas définir sa courbure par de simples observations depuis
notre emplacement dans le cosmos qui n’est qu’un infime point à l’échelle
de l’Univers. Les scientifiques se sont donc interrogés sur ce problème,
pour l’expliquer.
Les scientifiques ont réfléchi au problème de l’horizon, et y ont trouvé
une réponse à travers l’inflation cosmique. En effet, l’Univers naissant,
de part sa taille ponctuelle, appelé alors “singularité” était parfaitement
homogène. Or s’il était homogène à cet instant originel , en acceptant
une phase d’expansion extrèmement rapide et similaire dans toutes les
21
directions, cela expliquerait que l’Univers d’aujourd’hui soit homogène
aussi. Cette inflation cosmique permet aussi de résoudre le problème de
la platitude : l’expansion aurait été si violente et rapide que l’Univers
n’aurait pu prendre une forme concrète et c’est pourquoi il nous paraît
plat. [7]
4.2
Les particules élémentaires
Les particules élémentaires ont été crées de 10−32 à 10−12 secondes après
le Big Bang. Pour les fermions, les quarks apparaissent en premier, puis
c’est au tour des leptons (électrons et neutrinos). Les bosons quant à eux
sont libérés au fur et à mesure.
4.2.1
Les Fermions
Les Fermions composent toute la matère qui existe. On dénombre aujourd’hui 12 particules de matière ; les fermions :
Quark up → Il constitue les protons et les neutrons. Il a une masse de
48 ∗ 10−31 Kg et une charge de +2/3 e ;
Quark down → Il constitue les protons et les neutrons. Il a une masse
de 107 ∗ 10−31 Kg et une charge de −1/3 e ;
Electron → Insécable, il intervient dans les réactions chimiques et l’électricité. Il a une masse de 9.1 ∗ 10−31 Kg et une charge de -e ;
Neutrino électronique → Il est émis dans les réactions nucléaires. Il
a une masse inférieure à 3.6 ∗ 10−36 Kg et une charge nulle ;
Cette première famille constitue très largement toute la matière stable
qui nous entoure.
Quark charm → Il a une masse de 22000 ∗ 10−31 Kg et une charge de
+2/3 e ;
Quark strange → Il a une masse de 1800 ∗ 10−31 Kg et une charge de
−1/3 e ;
Muon → Il a une masse de 1880 ∗ 10−31 Kg et une charge de -e ;
Neutrino muonique → Il a une masse inférieure à 3.4 ∗ 10−31 Kg et
une charge nulle ;
Quark top → Il a une masse de 3.2millions ∗ 10−31 Kg et une charge de
+2/3 e ;
Quark bottom → Il a une masse de 80000 ∗ 10−31 Kg et une charge de
−1/3 e ;
Tau → Il a une masse de 31700 ∗ 10−31 Kg et une charge de -e ;
Neutrino tauique → Il a une masse inférieure à 324 ∗ 10−31 Kg et une
charge nulle ;
22
Cette deuxième famille n’existe pas couramment dans la nature. Elle est
synthétisée en laboratoire. Très instables, ces particules ont une durée
de vie très courte.
Les quarks s’assembleront ensuite, environ 10−6 secondes après le Big
Bang pour former les Baryons (des protons et des neutrons).
4.2.2
Les Bosons
Dans les premiers instants de l’Univers, 13 particules de force ou d’intéraction sont crées ; les bosons :
8 Gluons → Ils sont la cause de la force nucléaire forte et assurent ainsi
la cohésion des quarks. Ils n’ont ni masse, ni charge ;
Photon → C’est la particule de la lumière, vecteur de la force électromagnétique qui assure la cohésion entre noyaux électrons périphériques. Il n’a ni masse, ni charge ;
+
W , W − et Z 0 → Ils assurent la force faible (réactions radioactives).
Ils possèdent des massent réspectives de 1400000∗10−31 Kg, 1400000∗
10−31 Kg, et 1620000 ∗ 10−25 Kg.
Boson de Higgs → Il fournit leur masse aux particules ; Sa propre
masse est de 2200000 ∗ 10−31 Kg.
L’assemblage des particules élémentaires durera environ 1 seconde. [2]
4.3
4.3.1
La nucléosynthèse
La nucléosynthèse primordiale
Elle a lieu environ 100 secondes après le Big Bang. C’est la toute première formation de certaines entités chimiques simples sous l’effet de la
température tels l’hydrogène et l’hélium. De plus ce modèle cosmologique
de synthèse des éléments chimiques inclut les isotopes de ces éléments
comme le deutérium, le tritium, ainsi que le lithium 7. [3]
4.3.2
La nucléosynthèse stellaire
Il s’agit de la synthèse des 114 éléments chimiques qui existent dans notre
Univers. Cette nucléosynthèse a eu lieu au sein de gigantesques étoiles
qui forgent les éléments connus par des réactions de fusion nucléaire
en les assemblant depuis l’hydrogène, l’élément chimique le plus simple,
puis l’hélium, etc. Les explosions de ces gigantesques étoiles, sous la
forme de supernovae, diffusa les noyaux formés par la nucléosynthèse
dans l’espace, ce qui explique la formation des éléments chimiques les
plus lourds comme l’or, le platine ou le plomb. La nucléosynthèse stellaire
continue d’avoir lieu aujourd’hui dans toutes les étoiles dont notre soleil.
[9]
23
En synthèse, l’inflation cosmique, les particules élémentaires,
et la nucléosynthèse forment les grandes étapes successives
du Big Bang.
Néanmoins, les scientifiques n’expliquent pas encore les premiers instants du Big Bang, raison pour laquelle ils ont élaboré
des théories dont les principales sont reprises dans la toisième
partie ci-après.
24
Troisième partie
LES THÉORIES LIÉES AU
BIG BANG
25
Chapitre 5
La théorie du Grand Rebond
5.1
Définition
C’est l’une des théories de la création de l’Univers. Elle avance que l’Univers n’a jamais connu de réel commencement.
Il y a fort longtemps un univers aussi vaste que le notre, voire plus encore,
aurait commencé à se ratatiner sur lui-même. Après quoi il y aurait eu
de nouveau un Big Bang et ainsi de suite. . .
Néanmoins, si ce modèle présente un début et une fin de l’Univers qui
se répètent sans cesse, il n’inclut pas nécessairement un commencement
et une fin à ce phénomène qui peut être vu comme un cercle, un cycle
se répétant à l’infini, la notion même de début et de fin étant liée au
décompte du temps. Or, ce décompte du temps n’affichant sa présence
que dans l’Univers, il recommencerait à chaque nouveau Big Bang.
5.2
Explication
Comme vu précédement (3.1.1), l’expansion de l’Univers a également lieu
entre les galaxies, et donc par analogie, entre les étoiles, les planètes et
les atomes aussi. C’est pourquoi théoriquement, il suffirait d’une mince
augmentation de l’écart entre les atomes et les particules élémentaires
pour que les intéractions et forces qui les maintiennent stables et assurent
finalement la cohésion de l’Univers tout entier deviennent inopérantes.
Ainsi, la force gravitationnelle deviendrait l’unique force encore en action dans l’Univers, qui s’écraserait alors sur lui même. Il se serait recroquevillé sur lui-même et son volume aurait atteint le plus petit possible,
à savoir le volume de Planck (soit 10−105 m3 ). Cette singularité, contenant le cosmos, possèderait une densité et une chaleur gigantesques.
En raison de cet espace si minuscule (ou l’espace et le temps ne sont
même plus différenciable), la force gravitationnelle serait devenue une
force répulsive et non plus attractive. L’Univers aurait alors subi une
expansion très dynamique en quelques secondes, point fondamental du
Big Bang.
26
Par conséquent, le Big Bang ne serait pas l’instant d’origine de l’Univers
mais un instant de renouveau, débutant un nouvel univers.
En suivant ce raisonnement, notre Monde devrait à nouveau connaitre
un Big Crunch, c’est-à-dire un effondrement, un “Big Bang à l’envers”.
Cette fin engendrerait l’extinction des étoiles, l’apparition de trous noirs
qui engloutiraient tout ce qui les entoure, ceci se répétant à l’infini. . .
dans un cycle interminable et inéxorable.
5.3 La crédibilité de cette théorie selon les
scientifiques
Si cette théorie est relativement appréciée par les astrophysiciens, car
évinçant l’idée d’un Univers né de “rien”, comme le suppose la théorie
seule du Big Bang (une idée plutôt déplaisante pour les chercheurs),
cette théorie ne fait pas l’unanimité chez les scientifiques. Tout d’abord,
certains pensent plutôt au Big Rip (grande déchirure) pour la fin de L’univers. Les objets seraient étirés par une expansion de plus en plus violente jusqu’à être disloqués. Ensuite, les lois de la physique qui décrivent
ce rebond (impliquant une gravitation répulsive) sont complexes et mal
connues. On ne peut pas encore prouver si la mécanique quantique peut
permettre un tel rebond. Enfin, cette théorie de 2009 (encore très jeune)
n’introduit pas le fond diffus cosmologique, ainsi que l’énergie noire, censée être la cause seule de la dilatation et de l’expansion de l’Univers.
27
Chapitre 6
La théorie du Multivers
6.1
Définition
Le terme “méta-univers" est composé en deux parties. On retrouve le suffixe “méta” qui signifie, dans le vocabulaire scientifique, l’auto-référence
en grec (ex : métadonnée : donnée sur les données). De plus, il est
composé du mot “univers” qui est un ensemble de tout ce qui existe.
Cependant , le terme de méta-univers provient de “multivers”, qui signifie “multitude d’univers”. Les scientifiques ont donc parlé de la théorie
du méta-univers pour décrire un univers qui regroupe une multitude d’univers.
6.2
Explication
La théorie des univers multiples fut introduite par le physicien américain
Hugh Everett en 1957. Depuis, de nombreux astrophysiciens se sont concentrés sur celle-ci et elle est maintenant établie. Notre univers, qui comporte aujourd’hui des dizaines de milliards de galaxies, ne serait qu’une
bulle perdue dans un méta-univers ou multivers, comportant lui-même
potentiellement une multitude d’autres univers correspondant peut-être
à d’innombrables mondes, mais qui nous sont inconnus.
28
6.3 La crédibilité de cette théorie selon les
scientifiques
Cette théorie du méta-univers est possible, cependant, pour être validée,
elle doit être confirmée par un argument concret. De nombreux scientifiques ont voulu prouver sa véracité grâce au fond diffus cosmologique.
Cependant toutes les tentatives ont avorté car elles pouvaient être prouver par un autre phénomène. Néanmoins depuis deux ans, grâce aux données de plus en plus précises rapportées par les sondes spatiales COBE,
WMAP et PLANCK, les astrophysiciens ont mis en évidence des indices par l’étude du fond diffus cosmologique qui pourraient expliquer
la théorie du méta-univers. En effet, d’après eux, lorsque deux univers
se rencontrent un sillage cosmique se créerait. Or celui-ci pourrait être
aperçu sur le fond diffus , grâce aux signaux de température et aussi
grâce à la polarisation de ce sillage. Les signaux de température pourraient correspondre aux zones rouges du fond diffus cosmologique, et la
polarisation permettrait de detecter la collision des deux univers. [6]
29
Chapitre 7
La théorie des Cordes
7.1
Définition
La théorie des cordes est une théorie acceptant le Big bang qui concilie
théoriquement la relativité générale d’Einstein, s’appliquant dans l’infiniment grand, et la mécanique quantique, s’appliquant dans l’infiniment
petit. Ne pouvant être prouvée expérimentalement, c’est par la puissance
des calculs qu’elle s’impose.
7.2
Explication
La théorie des cordes propose une reconsidération complète du monde qui
nous entoure à l’échelle sub-atomique. Elle suggère que les constituants
ultimes de la matière seraient de minuscules filaments d’énergie à une
dimension d’une taille de l’ordre de 10−34 mètres. Les différents modes
de vibration de ces cordes suffiraient à générer toutes les particules élémentaires. Néanmoins cette théorie, pour fonctionner, nécessite non pas
3 dimensions mais plutôt 9 dimensions spatiales liées à une dimension
temporelle. Son succès provient de sa capacité théorique à démontrer
l’action de la relativité restreinte à l’échelle quantique. Ainsi donc, ces
cordes seraient en vibration constante dans un espace-temps relativiste.
[3]
7.3 La crédibilité de cette théorie selon les
scientifiques
Cette théorie présente cependant des problèmes ou des incohérences.
Ainsi les calculs prédisent théoriquement une immense quantité d’autres
particules qui ne semblent pourtant pas observables. De plus, les calculs
ne permettent pour l’instant pas d’obtenir la masse des particules comme
les électrons, les quarks. . . Cette théorie des cordes exige donc encore une
30
longue évolution. Et c’est la raison pour laquelle elle est loin de faire
l’unanimité chez les physiciens. [5]
31
CONCLUSION
Pour clore cette production, nous avons finalement suivi notre démarche
scientifique en montrant que :
– l’Univers s’exprime aux deux échelles de l’infiniment petit et de l’infiniment grand ;
– En analysant l’expression de certaines lois comme l’effet Doppler, on
a pu remonter aux origines de l’Univers : Le Big Bang ;
– Ainsi, nous avons démontré que les théories de naissance de l’Univers,
incluant un Big Bang, s’appuient en conséquence sur des vérités actuelles
solides.
Néanmoins, de part l’étude que nous venons de mener, nous avons pris
conscience de l’immensité de ce sujet que même les astrophysiciens peinent
à démeler. En effet, même les “vérités” accéptées de tous aujourd’hui peuvent être un jour remises en cause et boulverser toute notre conception
du monde dans lequel on vit, notre Univers et ses mystères.
A la lumière des connaissances que nous avons acquises lors de ce projet, nous nous sommes sentis singulièrement minuscules par rapport à
l’Univers et les scientifiques qui s’y attelent. Cette expérience nous aura
tous rendu immanquablement plus humbles, et aura à cette occasion
éveillé ou réveillé certaines questions philosophiques comme notre raison
d’exister, notre place dans l’Univers ou les Univers.
“L’idée du Big Bang est un modèle sage. Je pense que les
prochaines grandes découvertes et remises en cause de notre
Univers et de ses origines seront le fruit de la compréhension
de la matière noire 2 ”
pense Jean Audouze, astrophysicien à l’IAP 1 , ancien élève
d’Hubert Reeves.
1. Institut d’Astrophysique de Paris
2. La matière noire est une matière hypothétique qui ne peut être observée. Néanmoins son
existance est nécessaire car sans elle les calculs de la masse de l’Univers sont faux.
32
Quatrième partie
ANNEXES
33
Annexe A
Interview
Dans le but de récupérer des informations et des avis, l’un
d’entre nous est parvenu à obtenir une entrevue de 40 minutes
avec un astrophysicien de renom, M. Jean Audouze dont le
parcours figure en annexe B. Voici les principaux points abordés :
1. Quelles furent les différentes phases du Big Bang ?
2. Qu’en est-il de la matière noire, de l’énergie noire, de l’antimatière ?
3. Qu’est-ce que l’espace-temps ?
4. Votre avis sur la théorie du Multivers ?
5. Dans le futur, vers quoi, vers quelles théories les physicien
semblent-t-ils se diriger et quel est votre avis ?
Les réponses formulées figurent dans l’enregistrement de l’interview, disponible à l’adresse suivante : http ://tpe-univers.emonsite.com/
34
Annexe B
Jean Audouze
Jean Audouze est un astrophysicien français, né en 1940. Ancien élève de l’astronome Hubert Reeves, avec lequel il a publié
en 1971 un ouvrage de référence sur la nucléosynthèse primordiale, il est directeur de recherche au CNRS à l’Institut d’astrophysique de Paris (IAP) dont il a été le directeur de 1978 à
1989.
Après avoir soutenu une thèse d’astrophysique nucléaire en
1970 sous la direction d’Hubert Reeves, il mène une brillante
carrière :
1971-1974 : Chercheur post-doctoral au Kellogg Radiation
Laboratory du Caltech à Pasadena en Californie ;
1974-1989 : Professeur d’astrophysique à l’École Polytechnique de Paris ;
1978-1989 : Entrée au CNRS comme directeur de l’Institut
d’astrophysique de Paris ;
1989-1993 : Conseiller technique du président de la République ;
1993-1996 : Président de l’Établissement public du parc et
de la grande halle de la Villette ;
1998-2004 : Directeur du Palais de la Découverte.
Jean Audouze a connu la science sous quatre aspects : la
recherche, l’enseignement, la politique et la direction de musées.
Il considère que le monde scientifique est intéressant sous tous
ses aspects.
Jean Audouze a travaillé à l’Institut d’astrophysique de Paris
sur les questions de cosmologie. Il s’est notamment intéressé à
la nucléosynthèse primordiale. [Biographie issue de Wikipédia]
35
Bibliographie
[1] Luxorion [en ligne], 2012.
adresse électronique :
http ://www.astrosurf.com/luxorion/relativite-restreinteex2.htm.
[2] Jeremy bernstein. Cent ans de particules. Pour la science, pages 22–29, septembre 2012.
[3] Adrien delafenestre and Jean audouze. Entrevue
personnelle [en ligne], Paris, 2012. adresse électronique :
http ://tpe-univers.e-monsite.com/.
[4] John farndon. 1000 infos sur l’Espace. Gründ, 2003.
ISBN : 2-7000-2701-9.
[5] Clémence gandillot. Temps, matière et espace. Science
et Vie, Hors-série, septembre 2012.
[6] Brian greene. La magie du cosmos, octobre, novembre
2012. Durée 3h 30min.
[7] Stephen hawking. Une brève histoire du temps. Flammarion, 1989.
[8] Stephen hawking. Une belle histoire du temps. Flammarion, 2005. ISBN : 978-2-0812-2016-4.
[9] Hubert reeves. Poussières d’étoile. Seuil, 2008. ISBN :
978-2-36394-020-9.
36