Lu sur www.agoravox.tv, le 22 novembre 2013.

 

L’Univers a-t-il une origine ? Peut-on penser l’origine de l’Univers ?

Est-on capable de comprendre l'origine de l'Univers ? Et d'ailleurs, l'Univers a-t-il une origine ?

Dans un premier temps, Etienne Klein tente de répondre à ces ardues questions. Et ensuite, pour aller plus loin, une série de vidéos est proposée, basées sur les thématiques évoquées par Etienne Klein (Temps - Espace-temps, Univers primordial - Fond diffus cosmologique, L’énergie, Saut quantique - Lumière, théorie quantique et cosmologie, Univers - Multivers, Boson de Higgs, La pensée scientifique a-t-elle un avenir ? - Quelle sera la physique du futur ?)

Transcription intégrale :

« Comprendre l’origine de l’univers c’est quoi ? C’est comprendre comment l’absence de toute chose, disons le néant, est devenue une première chose. Si vous dites qu’à l’origine de l’Univers il y avait ceci ou cela, soit cette chose que vous mettez à l’origine est elle-même l’effet d’une cause qui la précédait et dans ce cas-là elle n’est pas l’origine ; soit elle a toujours été là et à ce moment-là c’est l’Univers qui n’a pas d’origine. Donc penser l’origine de l’Univers c’est penser la transition entre le non-être et l’être. Penser l’origine de l’Univers c’est penser l’absence de l’Univers. Ca c’est pas un exercice facile ; il n’est d’ailleurs même pas dit qu’on pourra un jour résoudre cette sorte d’aporie logique, qui advient dès qu’on pose la question en prenant le mot origine dans un sens vraiment radical.


Alors, pourquoi j’ai parlé du Big Bang ? C’est parce que dans les années 50 les gens commençaient à faire de la cosmologie scientifique, c’est-à-dire, la relativité générale d’Einstein permet de considérer l’Univers comme un authentique objet physique, pour la première fois. C’est-à-dire l’Univers devient un objet physique, grâce aux équations d’Einstein. C’est-à-dire qu’il a des propriétés globales, comme la courbure généralisée de l’espace-temps qui ne sont pas réductibles à des propriétés locales. L’Univers devient un objet, on se rend compte qu’il a une histoire, et quand on prend les équations d’Einstein, qu’on tient compte du fait qu’il y a une expansion des galaxies, ou plutôt que l’espace qui sépare les galaxies se dilatent - ce qu’on appelle l’expansion de l’Univers -, quand on passe le film à l’envers avec les équations d’Einstein, on voit que plus on va loin dans le passé, plus les dimensions de l’Univers observable diminuent, plus la température augmente et plus la densité de matière augmente. Et quand on extrapole le plus loin possible, on tombe sur un Univers de taille nulle - ce qu’on appelle une singularité - à laquelle on associe une température infinie, une densité infinie et un volume nul. Et c’est ce truc-là qu’on a appelé le Big Bang. comme si c’était l’explosion originelle qui a créé tout ce qui existe : l’énergie, la matière, le temps, l’espace...

 

Et comme nous sommes dans une culture qui promeut l’idée que l’Univers a une origine, il y a eu évidemment un amalgame entre le Fiat Lux (1) et le Big Bang. Et le Big Bang est devenu une zone de concurrence entre la science et la religion, avec un épisode fameux qui est le dialogue entre jean Paul II et Stephen Hawking, au Vatican en 92. 92 c’est-à-dire à une époque où les deux pouvaient encore parler... Et la discussion s’est terminée par cet échange : Jean Paul II dit à Hawking : "Monsieur l’astrophysicien nous sommes bien d’accord, ce qu’il y a après le Big Bang c’est pour vous, ce qu’il y a avant c’est pour nous". C’est une espèce de répartition des rôles un peu naïve, voilà, et on associe au Big Bang un instant zéro ; on continue à le faire aujourd’hui médiatiquement... alors qu’entre 1950 et aujourd’hui, la cosmologie a changé. Pourquoi elle a changé ? Parce que la cosmologie des années 50 est basée sur les équations d’Einstein de la gravitation, fait comme si dans l’Univers il n’y avait qu’une seule force qu’est la gravitation... Or il y a d’autres forces ; ces autres forces ne sont pas décrites par les équations d’Einstein. Et donc vous pouvez toujours faire des calculs, il seront mathématiquement justes et vous mèneront à la singularité, mais ils seront physiquement faux, puisqu’ils ne décrivent pas les expériences que vivent les particules lorsqu’elles sont à très haute énergie. Et on peut très bien voir le moment en-deça duquel les équations d’einstein deviennent physiquement fausses, c’est le moment en-deça duquel dans l’histoire de l’Univers, les phénomènes quantiques sont très importants. Et ce momment on l’appelle le mur de Planck. Le mur de Planck c’est un épisode qu’a traversé l’Univers, lorsque l’énergie moyenne des particules était égale à l’énergie cinétique d’un TGV en circulation. Donc, nous on fait des collisions où les particules ont l’énergie d’un moustique ; le mur de Planck c’est quand elles avaient l’énergie d’un TGV... Vous voyez qu’il nous manque des ordres de grandeur pour pouvoir explorer expérimentalement le moment qu’on appelle le mur de Planck, de ce qui est expérimentalement testable en laboratoire.

 

Et le mur de Planck on essaie de le franchir par la théorie... Le point intéressant c’est que quelle que soit la piste théorique que vous utilisez pour franchir le mur de Planck, la théorie des cordes, la gravité quantique à boucles, les théories de vide quantique, les univers parallèles, les multivers, la cosmologie branaire, peu importe... (2) quelle que soit la piste théorique que vous suivez, et personne ne sait aujourd’hui laquelle est la bonne, mais ce qui est intéressant c’est que quelle que soit la piste que vous suivez pour unifier la physique quantique et la gravitation, quand vous appliquez votre théorie à l’Univers primordial, d’avant le mur de planck, la singularité initiale disparaît. Elle disparaît ; non pas qu’elle soit volatilisée, mais en tout cas elle est déplacée. Par exemple dans la théorie des cordes on peut prédire que la température dans l’Univers est nécessairement finie ; ça veut dire qu’en tout point de son espace et à tout instant de son histoire, la température dans l’Univers n’a pas pu être infinie. Il suffit que je dise ça pour que la singularité d’avant disparaisse. Autrement dit, aujourd’hui, premièrement nous n’avons pas la preuve scientifique que l’Univers a une origine - je prends le mot origine dans le sens radical dont je parlais tout à l’heure -, et deuxièmement nous n’avons pas non plus la preuve scientifique qu’il n’en a pas une.
Donc la question de l’origine est une question ouverte, qui est constamment présentée comme fermée, comme s’il était évident que l’Univers a eu une origine. Il se pourrait tout à fait qu’il y ait toujours eu quelque chose. »

 

(1) (Wikipedia) : Fiat Lux est une locution latine présente au début de la Genèse. Il s’agit de la première parole de Dieu, ordre donné lorsqu’il a créé la lumière lors de la création du monde, traduisible en français par « que la lumière soit ».
La phrase complète est : Fiat lux, et lux fuit, « Que la lumière soit, et la lumière fut ».
 
(2) Ci-dessous, les différentes théories évoquées par Etienne Klein. NB : Certaines de ces théories sont expliquées par Etienne Klein dans la vidéo L’UNIVERS A-T-IL CONNU L’INSTANT ZERO ?, intégrée dans la suite de cet article.
 
(Wikipedia) Vide quantique
(Wikipedia) Multivers
 

 

Big Bang

Retranscription et récapitulatif d’un entretien avec Etienne Klein enregistré dans l’émission Ombres et lumières sur l’origine de l’Univers de Ciel et Espace Radio, entretien dans lequel il parle de son dernier ouvrage “Discours sur l’Origine de l’Univers”.

Lu sur www.podcastscience.fm, le 22 novembre 2013.

 

La Cosmogonie

La cosmogonie tente de décrire la formation de l’Univers, alors que la cosmologie est la science qui s’intéresse aux lois qui gouvernent l’Univers en tant que système physique.

Il paraît qu’il n’y a pas de culture sans cosmogonie (à vérifier auprès des anthropologues…).

 

Nature ontologique et législative de l’Univers

  • Avant Galilée on considérait qu’il existait un monde sub-lunaire fait d’une matière de 4 éléments et un monde supra-lunaire constitué d’une autre essence.

    • Donc 2 mondes constitués de 2 matières différentes.

  • Galilée est probablement le premier à avoir décrit la notion d’Univers:

    • Il dit qu’il existe un seul monde constitué d’une seule matière partout la même (unité ontologique).

    • Il dit aussi que les lois de l’Univers sont les mêmes en tout point de l’Univers (espace) et à tout instant dans l’Univers (temps), elles sont universelles (unité législative):

  • Au sens moderne du terme, ce sont ces 2 unités (ontologiques + législatives) qui permettent de définir ce qu’on appelle un Univers.

 

Le Néant

  • La plupart des cosmogonies qu’on trouve dans toutes les différentes cultures envisagent que l’origine de l’Univers est issue du Néant, au sein duquel la lumière est apparue, et c’est ce qui a déclenché l’apparition d’un Univers en évolution.

  • Les chinois:

    • ne se posent cependant pas la question de l’origine, car ils n’ont pas la notion de Néant.

    • Pour eux, il y a toujours eu un Etre qui n’a pas cessé de se tranformer et de subir des mutations tout au long de son histoire qui n’a pas eu de commencement.

  • Le questionnement sur l’origine n’est pas aussi universel qu’on veut bien le croire, mais il est très présent dans la plupart des cultures (en l’occruence dans la judéo-chrétienne).

  • Si on essaie d’imaginer le Néant en fermant les yeux, tout de suite on en fait quelque chose.

  • Chaque fois qu’on pense le Néant, on lui attribue des propriétés qui le distingue du Néant.

  • L’idée de Néant est donc une idée destructrice d’elle-même.

  • On voit donc qu’on a de la peine à décrire le concept de Néant.

 

Le mot Origine

  • Le sens du mot “Origine” porte généralement l’idée:

    • du passage de l’absence de toute chose à quelque chose.

    • de la transformation du Néant qui devient autre chose que lui-même.

  • Cependant, cette idée de transformationliée au mot “Origine” n’est généralement pas présente quand on veut décrire l’Origine de l’Univers.

    • On constate souvent que quand on parle d’Origine de l’Univers, on a plutôt tendance à décrire quelque chose en amont qui permet d’expliquer comment la chose (en l’occurence l’Univers) dont on veut décrire l’Origine est apparue.

    • Autrerment dit ce qu’on appelle Origine est en réalité l’achèvement d’un processus antérieur qui a fait apparaître la chose (en l’occurence l’Univers) dont on dit qu’on a compris l’Origine.

    • Donc dans ce discours le mot Origine devient synonyme de Conclusion! Ce qui peut sembler être un paradoxe!

  • Notre culture a aussi tendance à nous emmener vers l’idée que si l’Univers a eu une histoire, c’est qu’il a eu un commencement et ce commencement résulte d’une Création et non d’une Transformation.

    • On met généralement en scène un être transcendant (par exemple Dieu) dont l’action sur le Néant a permis de créer l’Univers.

    • On parle d’ailleurs plutôt d’un Dieu réduit à sa fonction de créateur de l’Univers et non d’un Dieu garant de la perduration du monde.

    • Selon notre mode de pensée, l’Univers n’est pas né du Néant, on ne décrit pas l’Univers comme le résultat d’une transfomation à partir du Néant, notre Univers serait plutôt le résultat d’une Création.

  • En Occident, on a de la peine définir le changement (et notamment le changement orginel), à penser et décrire un état intermédiaire de transition entre le Non-Etre (Néant) et l’Etre (Univers).

  • Les grecs avaient aussi relevés une contradiction entre le concept de changement et l’idée d’identité:

    • Si une chose a changé, c’est qu’elle cesse d’être elle-même (puisqu’elle a changé).

    • Si au contraire, elle reste identique à elle-même, c’est qu’elle n’a pas changé.

  • Par exemple, quand on dit: “Une feuille d’arbre a changé” (elle était verte en été, elle est jaune en automne)

    • On pourrait très bien pensé et dire que: “La feuille verte a été remplacée par la feuille jaune”

      • Ce changement (apparant) pourrait donc se traduire par un remplacement.

      • Mais en réalité ce n’est pas ce qu’on veut dire.

    • On veut en réalité dire: “La couleur de la feuille de l’arbre a changé” (une propriétéde la feuille a changé, mais ça reste la même feuille).

      • Le sujet du verbe changer (la feuille) est précisément ce qui n’a pas changé dans la transformation.

  • Donc d’une manière plus générale, quand on dit que x a changé, le sujet du verbe changerx est précisément ce qui n’a pas changé.

    • On conceptualise le changement en utilisant la notion d’identité (donc d’invariance).

  • Notre langue en est en partie responsable car elle est ontologique:

    • nous désignons des objets et leur donnons une identité (chaise, vélo, étoile…).

    • La transformation se caractérise par un changement de la propriété de l’objet et non de l’objet lui-même (qui reste présent avant et après la transformation).

    • On peine à considèrer l’idée opposée qui consiste à dire que c’est la transformation elle-même qui est à l’origine des objets et de l’Univers (un objet est la manifestation d’une transition).

 

L’Origine de l’Univers

Notre manière de conceptualiser le changement en utilisant la notion d’identité fonctionnne-t-elle pour expliquer l’origine de l’Univers et des objets qui le constituent?

 

Origines secondaires

Pour décrire les origines des objets qui constituent l’Univers (tables, voitures, atomes, étoiles, galaxies…), notre manière de conceptualiser le changement avec la notion d’invariance fonctionnne:

  • par exemple les atomes sont formés dans les étoiles, et leur origine est le résultat d’une réaction nucléaire entre protons et neutrons (nucléons) appelée nucléosynthèse (fission, fusion nucléaire).

  • Ce sont les changements dans l’organisation de ces nucléons (via les réactions nucléaires) qui ont fabriqués les atomes.

  • On arrive donc à décrire ce changement en terme d’invariant:

    • Dans ce cas, les invariants sont les particules fondamentales (nucléons) qui étaient là avant et qui se combinent autrement pour former les noyaux d’atomes dans les étoiles.

    • On explique l’origine de la vie à partir des ingrédients préalables qui permettent l’apparition de la vie.

    • On explique l’origine des êtres physiques en invoquant d’autres êtres physique.

    • L’explication des origines secondaires est immanente.

  • Pour des objets d’origines secondaires, conceptuellement on explique l’Etre par l’Etre.

Vu qu’on est capable de décrire l’origine relative des objets qui constituent l’Univers, on croit être capable d’aller plus loin et pouvoir décrire l’origine de l’Univers lui-même.

 

Origine primaire

Pour décrire l’origine de l’Univers (sans action créatrice), est-ce que cette conception du changement qui conserve cette notion d’identité tient encore la route?

  • Si le Néant devient l’Etre (l’Univers), c’est qu’il y a un changement.

  • Mais selon notre conception, pour qu’il y ait changement, il faut que quelque chose ne change pas au cours du changement.

  • Qu’est ce qui dans le Néant peut ne pas changer, pour que le Néant devienne autre chose que lui-même?

  • On arrive au noeud irréductible de la question…

  • Car quand on veut expliquer comment le Néant a pu cesser d’être le Néant, on lui attribue alors des propriétés qui font que le Néant n’est plus le Néant (le Néant c’est le Rien, il ne peut avoir de propriétés).

 

Théorie unifiée du Tout

  • Parle-t-on d’unification ontologique?

    • Dans l’espace il n’y aurait alors qu’une sorte d’objets (par exemple des supercordes).

    • L’existence d’un élément fondamental qui engendrerait tous les objets présents dans notre Univers, objets qui acquièrent alors une origine secondaire par rapport à l’élément fondamental.

  • Parle-t-on d’unification législative?

    • Le contexte et un certain nombre de conditions ont permi l’émergence de l’existence de l’Univers.

  • Il faudrait pouvoir unifier les lois de la relativité générale (infiniment grand: gravitation) avec celles de la mécanique quantique(infiniment petit: force électromagnétique, intéraction faible et intération forte) au sein d’un formalisme unique.

    • Ces 2 modèles théoriques s’appuient sur des pilliers et statuts incompatibles:

      • La relativité générale décrit un espace-temps souple, dynamique et continu qui intéragit avec la matière qu’il contient.

      • La mécanique quantique décrit un espace-temps plat, statique et discret.

  • Une Théorie du Tout sera-t-elle capable de nous dire comment l’Univers est apparu?

    • Lors de l’apparition de l’Univers, les lois physique sur lesquelles repose cet Univers étaient-elles déjà là en attente d’Univers de façon transcendante? (existaient-elles avant l’Univers?)

    • Ou l’Univers crée-t-il plutôt en son sein ses lois physiques de façon immanente à mesure qu’il évolue?

  • Sera-t-on capable de trancher un jour cette question fondamentale? (l’oeuf ou la poule)

  • La question de l’origine de l’Univers est-elle un mystère (ne peut pas être expliquée) ou plutôt une énigme (un problème à résoudre)?

  • La question semble si difficile qu’on essaie de la simplifier conceptuellement en expliquant que l’Univers n’a pas d’origine!

 

L’histoire de l’Univers

On a compris que de manière générale, la plupart des objets qui constituent l’Univers ont une histoire et sont le résultat d’une évolution qui les a produit à partir d’états antérieurs qui ne les contenaient pas.

Mais dire qu’il y a de l’histoire dans l’Univers ne veut forcément pas dire que l’Univers a une histoire!

C’est au XIXème siècle qu’on a commencé à imaginer une histoire de l’Univers:

  • Quand on a élaboré la thermodynamique, on a appliqué les lois de la thermodynanmique d’une part aux objets qui constituent l’Univers, mais aussi à l’Univers lui-même.

  • => on en a conclu que l’Univers arriverait à une mort thermique (à la fin de son histoire).

Plus tard, on a utilisé la théorie de relativité générale pour analyser l’évolution de l’Univers et décrire son histoire passée:

  • La relativité générale considère que l’Univers dans sa totalité est un objet physique.

    • C’est-à-dire qu’on peut définir des paramètres physiques qui décrivent l’Univers tout entier.

  • Si on applique les équations de la relativité générale et qu’on remonte le temps, elles aboutissent à la description d’un Univers de plus en plus petit pour finalement terminer ponctuel.

  • Le physicien russe George Gamow a aussi montré que la contraction de l’Univers qui s’effectue lorsqu’on remonte le cours du temps correspond aussi à une élévation de température.

  • Donc l’Univers primordial semble avoir été:

    • Beaucoup plus petit (volume nul)

    • Beaucoup plus dense énergétiquement (densité infinie)

    • Beaucoup plus chaud (température infinie)

De là est née la notion Singularité initiale et de Big Bang.

  • Le Big Bang semble donc correspondre à l’apparition de:

    • la matière

    • de l’espace

    • du temps

    • de l’énergie

  • Le Big Bang serait alors l’instant zéro correspondant à la création de l’Univers.

Pourquoi ne pas donc considérer cet état primordial, cette Singularité initiale comme l’origine effective de l’Univers? En réalité cette extrapolation qui nous permet d’arriver à l’instant zéro est abusive!

  • Quand on remonte le cours du temps, la densité de matière et la température deviennent de plus en plus élevées.

  • L’énergie des particules qui se trouvent dans l’Univers devient aussi de plus en plus élevée.

    • Pour atteindre ces niveaux d’énergie, les particules ne sont plus soumises uniquement à la force de gravitation, elles subissent aussi l’effet des 3 autres forces fondamentales (électromagnétiques, l’intéraction forte et l’intéraction faible).

    • Et ces 3 intéractions ne sont pas décrites par la théorie de la relativité générale (qui décrit uniquement la force de gravitation).

  • Il y a donc un moment quand on remonte dans le passé où les équations de la relativité générale n’arrivent plus à décrire ce qui se passe.

    • Ce moment correspond au mur de Planck qui est apparu 10-43seconde après le Big Bang.

      • Le mur de Planck peut être calculé à partir de la constante de Planck, l’une des 3 constantes fondamentales universelles (constante de gravitation, vitesse de la lumière et constante de Planck).

      • Le mur de Planck peut ainsi être caractérisé soit par un durée (temps de Planck = 10-43 seconde),  soit par une longueur (longueur de Planck = 10-33 cm), soit par une énergie (1019 GeV).

    • On ne peut pas intégrer les équations de la relativité générale au delà dur mur de Planck et donc à fortiori extrapoller à l’instant zéro correspondant au Big Bang.

    • En amont du mur de Planck, nos théories physiques actuelles entrent en collision les unes avec les autres, le temps par exemple n’existe pas.

  • L’instant zéro apparaît donc comme un instant au-travers duquel l’Univers tel qu’il est décrit par nos lois physiques n’a jamais pu passer!

Pour passer le mur de Planck, et décrire l’évolution de l’Univers entre le mur de Planck et l’instant zéro, il faudrait pouvoir unifier au moyen d’un formalisme commun la théorie de la relativité générale (force de gravitation) avec la mécanique quantique (force électromagnétique + 2 intéractions nucléaires). Il existe quelques approches d’unification:

 

La théorie des cordes

  • Toutes les particules de la matière correspondent à des états de vibration uniques d’un particule fondamentale infiniment petite qui fait penser à une corde vibrante (dans un espace-temps multi-dimensionnel).

  • Si on tente de décrire l’Univers primordial avec la théorie des cordes, il arrivent un moment où les calculs deviennent trop compliqués et impossibles, car les cordes deviennent trop enchevêtrées.

  • Actuellement il n’est donc pas possible de décrire actuellement l’Univers primordial avec la théorie des cordes.

  • De plus la théorie des cordes ne peut pas être observée ni testée expérimentalement.

Cependant la beauté de la théorie des cordes réside autre part:

  • Elle décrit un espace-temps multi-dimensionnel (par exemple à 10 ou 11 dimensions) dans lequel il n’existe pas de gravitation.

  • Les objets qui sont dans cet espace-temps obéissent aux lois de la physique quantique et leur cinématique est décrite par la théorie relativité de la restreinte (théorie de la relativité qui ne prend pas en compte la gravitation).

  • Donc les prémisses de la théorie n’incluent pas la gravitation.

  • La beauté réside dans le fait qu’à partir des ces principes on aboutit aux équations de la relativité générale (qui elle intègre la gravitation).

    • La théorie des cordes fait apparaître le graviton comme la particule responsable de la gravitation.

    • La gravitation est donc déduite de la théorie des cordes, elle en est une conséquence.

  • La théorie des champs de la mécanique quantique peut aussi être prédite à partir de la théorie des cordes.

Mais la théorie des cordes nous dit une autre chose intéressante:

  • il ne peut y avoir dans l’Univers une température supérieure à un certain seuil de valeur finie.

  • la température dans l’Univers n’a jamais pu être infinie à aucun moment de son histoire et à aucun endroit de son espace!

Cette nouvelle notion nous amène à un scénario de Pré-BigBang:

  • Au lieu de dire l’Univers est né d’une explosion initale appelée Big Bang.

  • On dit que le Big Bang c’est le passage de l’Univers au travers d’une phase de contraction très dense et de réchauffement très intense jusqu’à atteindre la température maximale autorisée par la théorie des cordes, moment auquel l’Univers ne peut plus se contracter d’avantage car il a atteint la température maximale autorisée et du coup il rebondit sur lui-même.

  • Ce nouveau scénario supprime la notion de Singularité initiale et renforce la notion d’origine en terme de transition et changement.

    • Le Big Bang n’est plus qu’une transition de phase de l’Univers.

    • Il n’y a donc plus lieu de se poser la question du Néant et de ce qu’il y avait avant le Big Bang.

 

La théorie quantique à boucles

  • Cette théorie consiste à quantifier la gravitation.

  • Elle aboutit à l’idée que l’espace-temps est granulaire, discret, non-continu.

  • Il est composé des petits volumes élémentaires d’espace-temps (quantas ou atomes d’espace-temps) de taille non nulle et tel qu’on ne puisse pas avoir de volumes plus petits.

  • L’espace-temps ne peut pas être structuré en édifices plus petits que ces quantas.

Cette théorie nous amène aussi à un scénario de Pré-BigBang:

  • La notion de Big Bang comme Singularité initiale disparaît car la singularité correspond à un volume de taille nulle.

  • On dit que le Big Bang c’est le passage de l’Univers au travers d’une phase de contraction jusqu’à que sa taille corresponde à la taille d’un atome d’espace-temps, moment auquel l’Univers ne peut plus se contracter d’avantage car il a atteint la taille minimale autorisée et du coup il rebondit sur lui-même.

    • On parle alors d’une cosmogonie cyclique.

    • La notion d’origine disparaît à nouveau.

 

Le vide quantique

  • En mécanique quantique, les éléments fondamentaux de la matière sont formalisées par des quantas (états énergétiques) et représentées par ce qu’on appelle des champs quantiques (ondes).

  • Faire le vide c’est ce qui reste quand on a retirer toutes les particules (électrons, quarks, photons…).

  • Il ne reste alors plus que l’espace-temps (océan) dans lequel se trouvent des champs quantiques dans leur état d’énergie minimale (vague).

  • De là vient la notion de particule virtuelle, la particule n’existe pas, mais il existe par contre l’état de la particule dans son énergie minimale, énergie qui n’est pas assez intense (E=mc2) pour que la particule (électron…) existe et soit réelle.

  • Ce qu’on appelle le vide quantique, c’est l’espace-temps rempli de particules virtuelles.

  • Cette entité (espace-temps + champs quantiques) pourrait être la matrice de l’Univers (sa topologie).

  • Une fluctuation des particules virtuelles (champs quantique) de ce vide quantique aurait pu déclencher une expansion de l’Univers.

  • On imagine aussi la possibilité de milliards de fluctuations, avec à chaque fois l’apparition d’un nouvel univers => notion de multivers.

  • C’est comme si le vide ne pouvait pas rester tout à fait homogène, il serait instable.

 

L’Antimatère

  • Jusqu’en 1930, le monde des physiciens était exclusivement fait de matière composée de petites « briques élémentaires » appelées particules (électrons, protons,  photons).

  • Le physicien Paul Dirac, pour résoudre une équation de physique, postulat qu’il devait exister une autre particule, identique à l’électron, mais ayant une charge électrique opposée (positive).

    • Baptisée positron (antiélectron).

    • Confirmé en 1932 en analysant les rayons cosmiques venant de l’univers.

  • La loi de Stigler est à nouveau vérifiée:

    • loi selon laquelle une découverte scientifique ne porte jamais le nom de son auteur.

    • la paternité du positron revient toujours à Paul Dirac alors que Jean Becquerel avait déjà postulé l’existence d’électrons positifs en 1908 dans un article.

  • Cette théorie fut ensuite généralisée à toutes les particules que nous connaissons et l’ensemble de ces nouvelles particules constituent ce qu’on appelle l’antimatière.

  • Cependant, il faudra attendre:

    • 1955 pour découvrir l’antiproton.

    • 1995 pour créer le premier antiatome (antihydrogène) au CERN.

  • La différence qui caractérise l’antimatière est la charge électrique opposée:

    • Si on fait passer une particule et son antiparticule dans un champ magnétique, les 2 particules sont déviées dans des directions opposées.

    • Les antiparticules ont la même masse et le même comportement physique que leur homologue de matière.

  • Comme les charges sont opposées, matière et antimatière s’attirent mutuellement:

    • Lorsque matière et antimatière se rencontrent, elles se désintègrent et s’anihilent pour se transformer en énergie pure (E=mc²)

    • La matière est convertie intégralement en énergie sous forme de photons (rayonnement gamma).

  • Pour étudier l’antimatière, les physiciens étudient de près ce qu’ils appellent la symétrie CPT(Charge-Parité-Temps):

    • Lors d’une réaction particulière sur une particule, cette même réaction doit être observée sur son antiparticule mais de manière symétrique.

    • Tout est inversé : la charge (positif Vs négatif), la parité (droite Vs gauche) et le temps (le temps doit s’écouler à l’envers).

    • Un monde composé d’antimatière serait l’image de notre monde à travers un miroir.

  • Le problème, c’est que l’Univers n’est pas aussi symétrique qu’il n’y paraît:

    • Une théorie pour devoir prendre en compte le Big-bang doit stipuler qu’à l’origine, matière et antimatière ont du être créées en même temps et en quantité égale.

    • Si matière et antimatière étaient strictement identiques (en dehors de la charge électrique) et avaient été créées en quantités égales, on aboutit sur la non-existence de notre Univers, car matière et antimatière auraient du s’attirer très rapidement juste après le Big-Bang pour s’annihiler totalement.

    • La réalité semble tout autre : nous sommes bien là et notre univers semble être composé quasi exclusivement de matière!

    • Les astronomes et les cosmologistes auraient-ils perdu la moitié de l’Univers?

  • Ce qui peut expliquer cette observation est que matière et antimatière ne sont pas si symétriques que cela : on parle alors de violation de symétrie.

    • Les symétries entre matière et antimatière sont parfois non respectées et pourraient expliquer pourquoi toute l’antimatière a disparue aujourd’hui au profit de la matière.

 

L’observation de l’Univers

Le téléscope Hubble:

  • Le téléscope spatial Hubble aurait détecté tout récemment la galaxie la plus distante jamais identifiée dans l’Univers.

  • La lumière observée en provenance de cette galaxie aurait été émise il y a 13,2 milliards d’années, soit seulement 480 millions d’années après le Big Bang (âge total de l’Univers 13,7 milliards d’années).

  • Mais les astronomes peuvent uniquement observer la lumière émise du fond diffus cosmologique après le mur de Planck (10-43 seconde après le Big Bang).

  • L’Univers primordial ne peut donc pas être observé au-delà du mur de Planck.

Le LHC du CERN:

  • Un des postulats de la Physique nous dit que les lois de la Physique n’ont pas changé au cours du temps.

  • Au cour de l’évolution de l’Univers ce sont les conditions physiques qui ont changées (température…).

  • Grâce aux colisions de particules à hautes énergies, le LHC recrée aujourd’hui les conditions physiques du passé.

  • Comme les lois n’ont pas changé, on voit les phénomènes physiques du passé.

  • Cependant, les ordres de grandeurs sont incomparables:

    • Au LHC, on fait des colisions de protons à des énergies 3,5 TeV par proton (3500 GeV).

    • On fait donc des colisions entre 2 protons avec des énergies mises en jeu de 3,5 TeV + 3,5 TeV = 7 TeV = 7000 GeV

    • 7000 GeV c’est l’énergie cinétique d’un moustique en vol:

      • énergie qui est cependant répartie sur tous les atomes de celui-ci, donc dans ce cas l’énergie par particule est relativement faible.

    • Dans le cas du LHC, cette énergie est très concentrée sur un seul proton.

    • Au moment du mur de Planck, l’énergie d’une particule n’était pas celle d’un moustique en vol comme l’expérimente le LHC, mais celle d’un TGV roulant à 300 km/h.

    • Donc expérimentalement on voit qu’on est très loin des conditions physiques correspondant au mur de Planck.

Le AD (Décélérateur d’Antiproton) du CERN:

  • Fabriquer des antiparticules:

    • il faut disposer d’un accélérateur de particules.

    • En projetant des particules accélérées à grande énergie sur des cibles métalliques, on transforme l’énergie cinétique des particules en couple particule/antiparticule (E=mc² – ici l’énergie se transforme en masse – processus réversible).

  • Fabriquer des antiparticules est une chose, mais les physiciens veulent aller plus loin pour comprendre l’antimatière et pour cela, il faut fabriquer des antiatomes, c’est-à-dire un antinoyau formé d’antiprotons et d’antineutrons avec des positrons qui tournent autour.

    • En 1995, le CERN a réussi créer les premiers atomes d’antihydrogènes (le plus simple des antiatomes, composé d’un antiproton et d’un positron qui tourne autour).

    • mais ces antiatomes étaient trop volatiles, se désintégrant quasi instantanément et ne permettant aucune étude approfondie.

  • Le problème des physiciens n’est pas de « fabriquer » de l’antimatière mais de la « conserver» pour la manipuler et l’observer.

    • A cause des grandes énergies mise en jeu, les antiparticules créées vont pratiquement à la vitesse de la lumière et si elles rencontrent une particule de matière, elles s’annihilent immédiatement !

  • Il faut donc littéralement pouvoir freiner et ralentir l’antimatière pour pouvoir l’étudier:

    • Ce n’est donc plus accélérateur qu’il faut mais un décélérateur!

    • Le décélérateur AD du CERN mesure 188 mètres de circonférence.

    • Il permet de diminuer l’énergie d’antiprotons (de 3000 MeV à 5 MeV).

    • En d’autres termes, les antiprotons sont ralentit au tiers de la vitesse de la lumière.

  • le 17 novembre 2010, l’expérience ALPHA a réussi à capturer (piéger) des atomes d’antihydrogène.

    • Plus une particule est énergétique, plus elle est agitée et donc « chaude ».

    • L’idée est donc de refroidir l’antimatière le plus possible.

    • Les antiprotons sont envoyés à travers de pièges électromagnétiques pour les refroidir à environs -269°C (4 kelvins).

    • On procède de même avec des positrons et on met l’ensemble (antiprotons + positrons) dans une espèce de bouteille électromagnétique jusqu’à ce que le positron (positif) se mette à tourner autour de l’antiproton (négatif) pour former un antihydrogène.

      • l’idée est d’empêcher que ces antihiydrogènes entrent trop en contact avec la matière et s’anihile.

    • L’expérience ALPHA a montré qu’il est possible de conserver de cette manière des atomes d’antihydrogène pendant un dixième de seconde (un laps de temps suffisamment long pour pouvoir les étudier).

    • Sur les milliers d’antiatomes produits par l’expérience ALPHA, 38, selon le dernier résultat, ont été capturés suffisamment longtemps pour pouvoir être étudiés.

  • En observant le comportement de ces antiatomes ralentis, on espère pouvoir mettre en évidence certaines des violations de symétrie.

La Physique dispose donc d’un arsenal théorique très puissant, mais qui ne nous dit pas encore comment sélectionner la bonne théorie qui expliquerait l’origine de l’Univers parmi toutes les théories candidates.

Car pour pouvoir sélectionner le bonne théorie il faut pouvoir faire des expériences!

Etienne Klein

Source:

http://www.cieletespaceradio.fr/ombres_et_lumieres_sur_l_origine_de_l_univers.657.RENC_001

http://science-for-everyone.over-blog.com/article-l-antimatiere-mise-en-boite-au-cern-61588417.html