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 math-
ématique 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.
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Table des matières
I L’UNIVERS 5
1 L’infiniment petit 6
1.1 La mécanique quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.1 L’électrodynamique quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.2 La superposition d’états quantiques . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.3 Le principe d’incertitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.4 Le principe d’intrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 L’infiniment grand 8
2.1 Lathermodynamique........................... 8
2.1.1 L’énergie thermique, le mouvement . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.2 La conservation de l’énergie totale . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.3 La dégradation de l’énergie avec le temps . . . . . . . . . . . . 9
2.2 La relativité restreinte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 La relativité générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
II LE BIG BANG 13
3 La découverte du Big Bang 14
3.1 L’expansion de l’Univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.1 L’effet “gâteau aux raisins” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.2 LaloideHubble ......................... 18
3.2 Le fond diffus cosmologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.1 L’importance du fond diffus cosmologique . . . . . . . . . . . 20
4 Description du Big Bang 21
4.1 L’inflationcosmique ........................... 21
4.1.1 Le problème de l’horizon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.1.2 Le problème de la platitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2 Les particules élémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2.1 LesFermions ........................... 22
4.2.2 LesBosons ............................ 23
4.3 Lanucléosynthèse............................. 23
4.3.1 La nucléosynthèse primordiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.3.2 La nucléosynthèse stellaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
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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
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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’ap-
préhension, 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 régis-
sent notre Univers, de manière à connaître le système étudié.
Ensuite, il convenait de réaliser des observations et mesures dans l’ob-
jectif de reconstituer l’histoire de l’Univers, de façon à suivre le raison-
nement des chercheurs pour remonter aux origines du cosmos.
Et enfin, il fallait faire état de ces mêmes théories, de manière finale-
ment 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.
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