Recherche:Clefs pour mieux comprendre le monde et participer à son évolution/Physique et Astronomie

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Physique et Astronomie
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Aurore[modifier | modifier le wikicode]

L’énigme des origines est loin d’être résolue, mais la science est désormais en mesure de nous parler d’un passé très lointain. Même si les calculs et les observations concordent, les scientifiques demeurent prudents. Les conclusions auxquelles ils sont parvenus ne doivent pas être accueillies comme s’il s’agissait de vérités définitives. Chaque théorie n’est qu’un modèle provisoire, une construction qui a été retenue car elle permettait de relier un grand nombre de phénomènes. Le récit qui va suivre n’a donc qu’une valeur indicative. Nous pouvons tout au plus le considérer comme le scénario le plus vraisemblable actuellement.

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L'univers n’a pas toujours eu l’apparence que nous lui connaissons. Il y a même eu un temps où il était minuscule,se réduisant pour ainsi dire à un point. Sa densité et sa température étaient alors considérables ; si élevées qu’elles ne signifient rien pour nous, tant elles dépassaient les conditions actuelles, même les plus extrêmes. La matière n’existait pas encore, ni les lois fondamentales qui la gouverneront par la suite. C’était il y a bien longtemps. Les estimations se situent généralement entre dix et quinze milliards d’années.[1] Cette libération d’énergie a reçu, par dérision, le nom de big bang (le grand boum) Le terme est inapproprié car il ne s’agit pas d’une déflagration. Bien que chaque point s’éloigne des autres, il n’y a pas déploiement à partir d’un centre. Nous ne devons pas non plus imaginer le big bang comme un événement se produisant à l’intérieur d’une immensité préexistante. L’espace-temps n’est pas un contenant neutre où tout se déroule: c’est une entité dynamique. Les galaxies s’éloignent les unes des autres car elles sont entraînées par l’expansion de l’univers. La plupart des physiciens pensent que le temps et l’espace sont nés avec le big bang. Il n’est cependant pas impossible que l’un et l’autre soient infinis et qu’il s’agisse seulement d’une de leurs apparitions cycliques. Parmi les hypothèses en présence, il est quelquefois difficile de trancher.

Timeline of the Universe.jpg

La science actuelle se heurte d’ailleurs à une limite au-delà de laquelle plus rien ne peut être décrit avec précision. À cette échelle, tous les paramètres sont fluctuants. Ce seuil est appelé : le « mur » de Max Planck. Il sépare l’ère de Planck des autres ères successives que connaîtra l'univers et se situe une infime fraction de seconde après le début de l’expansion cosmique. Un milliardième de seconde après le big bang, l’univers avait à peu près la taille d’une orange. Une seconde plus tard, il mesurait 300 000 km. Nous sommes évidemment tentés de considérer le big bang comme le commencement de toute chose : une sorte de création du monde. En réalité, rien ne nous permet d’affirmer qu’il s’agit des tout premiers instants. Il y a même peut-être eu d’autres cosmos avant le nôtre. Et par-delà celui que nous habitons, il se pourrait qu’il en existe une multitude d’autres. Le big bang n’est pas issu de rien. Pouvons-nous remonter plus loin encore par l’intermédiaire du seul savoir scientifique ? Pour les physiciens cet état de référence est le vide. Le terme peut prêter à confusion car il ne s’agit pas d’une absence de tout mais d’un « presque rien ». Il ne s’y trouve ni particule réelle ni rayonnement mais il est doté de propriétés géométriques. Tout y est encore virtuel. On appelle vide quantique l’état fondamental d’un champ. Ce n’est pas une substance mais une notation mathématique indiquant l’état le plus proche du repos. Et ce serait une fluctuation de ce vide qui aurait été à l’origine de l’inflation.

CMB Timeline300 no WMAP.jpg

Nous pourrions pousser plus loin encore le questionnement, mais cela nous entraînerait hors du domaine de la science [2]. Au fur et à mesure de son expansion, l’univers se refroidit. L’énergie peut alors se transformer en matière. Les premières particules sont apparues au bout de quelques fractions de seconde. En même temps que la matière, il y a création d’une forme complémentaire : l’antimatière. – La seule différence entre les deux est leur charge électrique : positive chez l’une, négative chez l’autre. Lorsqu’une particule et son antiparticule entrent en collision, elles s’annihilent. L’une et l’autre cessent d’exister en tant que telles mais leur masse se retransforme en énergie (sous forme de lumière). En dessous d’une certaine température, il n’y a plus création de constituants matériels. Tout aurait donc dû disparaître. Pourquoi y a-t-il quelque chose plutôt que rien ? En fait, matière et antimatière ne se comportent pas tout à fait de la même manière : la seconde forme se désintègre plus rapidement. Après annihilation, il aurait donc subsisté les particules de matière en surnombre. S’il n’y avait pas eu cette dissymétrie, nous ne serions pas là pour en parler. Ceci n’explique cependant pas tout et la question reste ouverte. On ne peut d’ailleurs exclure totalement la possibilité qu’il existe des univers composés uniquement d’antimatière et qui n’ont pas encore été détectés.[3] Avec les temps, les particules vont donner naissance à des structures de plus en plus complexes. Les premiers noyaux atomiques se formeront au bout de quelques secondes mais il faudra attendre des centaines de milliers d’années pour que les atomes puissent se constituer.

  1. Actuellement, l’âge présumé de l’univers est de 13,6 milliards d’années.
  2. Sans donner véritablement de réponse, les mathématiques offrent tout de même quelques perspectives. Elles constitueraient l’équivalent du code génétique mais à un niveau plus fondamental. Zéro provient d’un mot arabe qui signifie à la fois rien et l’infini. Le zéro était tout d’abord noté par un point : une figure géométrique sans dimension. Contrairement à ce qu’on pourrait croire, zéro à la puissance zéro ne donne pas zéro mais : un. Cet exemple semble indiquer que, de lui-même, le zéro peut engendrer le un, sans qu’il soit nécessaire de faire intervenir aucune autre valeur. À partir de là, les nombres peuvent se succéder à l’infini. C’est peut-être une propriété de cet ordre qui provoque le changement initial d’état ou de nature. Ce qui se passe peut être comparé à ce qui advient lors la mise en route d’un enregistrement. Lorsque ce basculement de coordonnées se produit, le contenu passe du virtuel au réel. L’information entre alors en jeu sous forme d’énergie et le scenario cosmique commence à se dérouler.
  3. L’absence de preuve n’est pas la preuve de l’absence.

La matière[modifier | modifier le wikicode]

Nous appelons matière[1] ce qui est commun à tous les phénomènes dont nous prenons conscience par l’intermédiaire des sens. Mais qu’est-ce que la matière ? En l’étudiant en profondeur, que découvrons-nous ?

"Signatures" des particules

Le plus petit fragment d’un corps simple est appelé atome. C’est une entité si petite qu’une tête d’épingle en contient des milliards de milliards. Même à l’aide d’un microscope très puissant, il n’est pas possible de voir l’atome tel qu’il est en réalité : la longueur d’onde de la lumière est trop grande. Si nous comparons celle-ci à un filet et les atomes à des poissons, nous pouvons dire que les mailles du filet sont trop larges pour attraper des poissons aussi petits. Nous enregistrons seulement des signes de leur présence. Les images obtenues varient selon les dispositifs utilisés ; aucune n’étant plus vraie que l’autre. La physique moderne permet cependant d’avoir une bonne connaissance des propriétés de cet ensemble que nous appelons atome. Et notre technologie actuelle repose sur leur maîtrise, pour le meilleur et pour le pire.

Bucky1.gif

Commençons par une approche élémentaire. Au cœur de l’atome se trouve une partie dense. Ce noyau a un diamètre cent mille fois plus petit que celui de l’atome dans son ensemble. Il est constitué de protons et de neutrons. Les protons sont dotés d’une charge positive et, comme leur nom l’indique, les neutrons sont électriquement neutres. Les électrons occupent l’espace situé autour du noyau. Leur nombre est presque toujours égal à celui des protons. D’un point de vue électrique, l’atome est globalement neutre, les charges négatives des électrons équilibrant les positives des protons. Les constituants de l’atome sont les mêmes quels que soient les corps. Seul leur nombre varie. C’est lui qui détermine la nature particulière de chacun. Il est ainsi possible de transformer du plomb en or en délogeant trois protons. L’opération a déjà été effectuée avec succès. Malheureusement ou par chance, elle est trop coûteuse.

Si l’atome pris dans son ensemble était aussi grand qu’un terrain de football, le noyau occuperait un volume à peu près équivalent à celui d’un grain de blé. Au sein de la matière, la proportion de « vide » est considérable. Malgré cela, les objets ne se mélangent pas : mon stylo ne s’enfonce pas dans la table pendant que j’écris. Ceci est dû à la force électromagnétique. Les particules de charge opposées s’attirent, tandis que celles dont la charge est identique se repoussent. À cause de la répulsion entre les électrons des deux corps, il se produit en surface une tension qui empêche les deux objets de se mélanger.

Dualité: onde - corpuscule

La véritable nature de l’électron nous échappe. Ce n’est pas, comme on l’avait cru tout d’abord, une bille minuscule gravitant autour d’un noyau. Il nous offre désormais un double visage : il peut être défini par une onde de probabilité ; mais, lorsqu’une mesure est effectuée, il présente toutes les caractéristiques d’un corpuscule. L’onde[2] se caractérise par une certaine diffusion dans l’espace. Le corpuscule, lui, occupe une seule position à un instant donné. Cette dualité déconcertante concerne toutes les particules, y compris les photons. Mais alors, quand nous parlons de constituant matériel, à quel genre de réalité faisons-nous allusion ? Utilisons une comparaison. Si un objet apparaît comme un carré selon un certain point de vue, et comme un disque selon un autre, cela signifie qu’il n’est ni l’un ni l’autre mais un cylindre : cette forme permettant de rendre compte des deux aspects. Il en va de même pour « l’objet quantique ». Cette entité n’est finalement ni grain ni onde mais un autre genre d’objet. Quanton est le nom qui lui a été récemment attribué. Pour le définir, l’expression " nuage de probabilités " est parfois employée. Ce que l’on observe au niveau microscopique ne coïncide pas avec la notion habituelle d’un monde composé d’éléments nettement séparés. Lorsque deux particules ont été en interaction à un moment donné, si l’on fait apparaître une propriété chez l’une, elle apparaîtra instantanément chez l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare. – Et ceci ne se produit pas par l’intermédiaire d’un signal, car cette propriété apparaît plus rapidement que si elle était transmise à la vitesse de la lumière. Tout se passe comme si les deux particules formaient désormais un tout indissociable. Toutes ces découvertes bouleversent complètement notre façon d’aborder la matière. Celle-ci se révèle infiniment plus complexe et insaisissable que ce que nous pouvions imaginer. Ce qu’elle est véritablement n’a peut-être que peu de rapport avec les conceptions qui ont été établies sur la base de notre expérience quotidienne.

En physique, il est nécessaire d’effectuer des mesures. Mais le simple fait d’éclairer une particule modifie l’état dans lequel elle se trouve. Il n’est donc pas possible de connaître les caractéristiques d’une particule d’une manière à la fois précise et complète. Il y a toujours une incertitude, soit sur la vitesse soit sur la position. À leur sujet, nous devons nous contenter de prédictions statistiques. – En réalité, le problème ne se pose pas véritablement en ces termes. L’objet quantique est d’une complexité telle que les notions de vitesse et de position ne s’appliquent pas à lui. Ainsi, l’électron n’a pas de trajectoire à proprement parler mais des amplitudes. Heureusement, si le comportement individuel des particules semble aléatoire, leur comportement collectif, lui, obéit aux lois de la probabilité : les prédictions de la physique quantique sont d’une très grande précision et elles n’ont jamais été démenties par les faits. Cette influence de l’observateur sur ce qu’il observe est lourde de conséquences : en interrogeant la nature, nous modifions son comportement. Il devient difficile d’espérer que la science nous permettra de connaître la réalité telle qu’elle est. Du moins à cette échelle, car les effets quantiques s’effacent, ou en tous cas deviennent de moins en moins perceptibles, au fur et à mesure que l’on s’éloigne de l’immensément petit.[3]

Quarks.gif

La famille des particules offre une grande diversité. Certains de ses membres se montrent particulièrement discrets. Celui qu’on appelle neutrino passe même au travers de la matière à toute allure, sans qu’aucun contact n’ait lieu. Ce comportement étrange n’a rien de mystérieux : comme les neutrinos sont extrêmement petits et électriquement neutres, ils n’entrent pour ainsi dire jamais en interaction avec d’autres particules. Le premier constituant de la matière qui soit apparu est le quark. Si cela à un sens de parler de brique fondamentale, il est celui qui mérite cette appellation. Le proton et le neutron ne sont pas des particules véritablement élémentaires : chacun d’eux est constitué de trois quarks. L’identité des quarks n’est apparemment pas très affirmée. Ils n'existent pas à l’état libre : ils sont toujours associés à deux autres. Si l’expérimentateur tente de les séparer, il en crée de nouveaux. Le phénomène est comparable à celui qui se produit dans le cas d’un aimant. En effet, quelle que soit la méthode utilisée, quand on coupe un aimant en deux, on n’obtient pas un pôle Nord et un pôle Sud, mais deux aimants comportant chacun deux pôles.

Tableau particules élémentaires 750px (bis).jpg

L’observation des phénomènes a permis de mettre en évidence quatre forces fondamentales. Elles sont responsables de l’attraction et de la répulsion ; elles ont une action constructive ou destructive à grande échelle ou au niveau microscopique. On distingue deux forces nucléaires (l’une étant dite, forte, l’autre, faible), la force électromagnétique et enfin la plus connue : la gravité. La diversité des phénomènes est due à l’action combinée de ces quatre interactions. Les physiciens recherchent leur origine commune : la force unique dont elles découlent toutes les quatre et qui aurait régné seule au tout début de l’univers. Il existe une théorie qui unifie ces quatre forces. Les constituants de la matière n’y sont plus considérés comme des ondes, des sortes de points ou des grains, mais comme des cordes minuscules dotées d’un mouvement interne. Comme celles d’un instrument de musique, ces cordes vibrent selon des harmoniques, des multiples entiers de la fréquence fondamentale. Il n’existe qu’une seule sorte de corde : c’est la fréquence de la vibration qui déterminera s’il s’agit d’un électron, d’un photon ou de tout autre constituant. Dans le système classique,la physique quantique et la relativité ne sont pas compatibles. La théorie des cordes présente l’immense avantage de les réunir toutes les deux en un ensemble cohérent. Toutefois, bien qu’elle existe depuis des décennies, elle n’a pas, à ce jour, reçu de confirmation expérimentale. Une force est une cause capable de modifier le mouvement. L’énergie est la capacité de mouvement en elle-même. Dans notre tentative de compréhension de la matière, nous ne devons pas oublier que la masse et l’énergie sont la même chose sous deux formes différentes. La masse est la quantité de matière d’un corps, sa résistance au mouvement. Dans certaines conditions, la matière peut se convertir en énergie : c’est notamment le cas au cœur des étoiles qui brillent. Et réciproquement : l’énergie peut se matérialiser sous forme de masse, comme ce fut le cas au moment du big bang.

  1. La notion de matière concerne les gaz autant que les liquides et les solides, ainsi que les états particuliers comme les plasmas ou les superfluides – ces derniers ayant la faculté de remonter le long des parois.
  2. Le terme onde peut prêter à confusion : il n’a pas ici un caractère réaliste. Il ne s’agit pas ici d’une ondulation ou d’une sorte de vague mais d’une représentation mathématique du phénomène considéré. Élevée au carré, cette onde décrirait la probabilité qu’un objet (ou un événement) discret soit détecté par un appareil.
  3. Le cas du pendule de Foucault incite quant à lui à penser que des relations existent à grande échelle. En effet, son balancement ne varie ni selon son environnement ni en s’alignant sur le mouvement de la terre. Tout semble se passer comme s’il était déterminé par celui de l’univers dans son ensemble. Sur le chemin de la connaissance intégrale, la science actuelle n’est peut-être qu’une étape au même titre que celles qui l’on précédée. Il est vraisemblable qu’un jour viendra où elle ne sera plus qu’un élément parmi d’autres, au sein d’un mode d’explication plus vaste dont elle n’était qu’une des voies d’approche.

La lumière[modifier | modifier le wikicode]

Les phénomènes lumineux ont pour origine immédiate les oscillations extrêmement rapides d’un champ électromagnétique [1]. Les différentes longueurs d’onde de la lumière produisent chez certains animaux des sensations que nous appelons couleurs. Celles que l’œil humain peut voir occupent une petite bande dont la longueur d’onde est située entre 0,4 et 0,8 microns. Elles vont du rouge au violet en passant par toutes les autres couleurs de l’arc-en-ciel. En dessous se trouvent notamment les ultraviolets et les rayons cosmiques ; au dessus : les infrarouges et les ondes radio.

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Lorsqu’un corps absorbe toutes les longueurs d’onde du rayonnement lumineux, sa surface reste sombre : pour nous, il est noir. S’il les diffuse toutes de la même manière, nous disons qu’il est blanc. Si certaines radiations sont absorbées tandis que d’autres sont réfléchies, l’objet est coloré. Si, par exemple, c’est la longueur d’onde correspondant au rouge qui n’est pas absorbée mais réfléchie, nous dirons que cet objet est rouge. Les corps transparents sont ceux qui possèdent très peu d’électrons libres. Les photons peuvent donc les traverser facilement sans être interceptés ou interagir. Aussi étonnant que cela puisse paraître, la lumière combinée à de la lumière peut engendrer de l’obscurité. Ceci est dû au fait que, parfois, dans les zones d’interférence, la crête d’une onde de lumière coïncide avec le creux de l’autre. Dans ce cas, ces ondes s’annulent et, à la place, des bandes sombres sont alors observées. Des phénomènes tels que les mirages peuvent désormais être expliqués à la lueur du savoir scientifique. Dans les déserts par exemple, les couches d’air chaud emprisonnées à proximité du sol constituent une surface ayant des propriétés analogues à celles d’un miroir. Des éléments du paysage peuvent ainsi être réfléchis à un ou plusieurs exemplaires. Parfois déformées, ces images apparaissent à des endroit inattendus et produisent facilement des illusions.

La lumière se déplace presque un million de fois plus vite que le son. Dans le vide, sa vitesse est constante : trois cent mille kilomètres à la seconde ; soit sept fois le tour de la terre, en moins de temps qu’il en faut pour détourner la tête. Pour nous parvenir de la lune, la lumière met environ une seconde. Depuis la surface du soleil, huit minutes sont nécessaires. De Proxima du Centaure, l’étoile la plus proche, il lui faut quatre ans et demi. Nous ne pouvons pas assister « en temps réel » aux événements qui se situent loin de nous : à cause du temps mis par la lumière pour parcourir la distance qui nous sépare d’eux, nous n’observons que le passé. Quand nous voyons exploser une étoile lointaine, celle-ci n’existe déjà plus depuis longtemps.

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Nous pouvons considérer la lumière de deux manières : d’une part comme une onde électromagnétique, d’autre part comme étant constituée de petits « grains ». En effet, la quantité d’énergie rayonnée ne peut descendre en dessous d’un certain seuil. Et la lumière varie toujours selon des multiples entiers de cette quantité minimale. Celle-ci constitue une entité distincte : ce « grain » de lumière que nous appelons photon. Pour un marcheur, cela correspondrait à la plus petite enjambée possible. La découverte de cette quantité minimale ou quantum est à l’origine de la physique quantique. La théorie, nous l’avons vu, s’applique aussi à toutes les particules communément qualifiées de matérielles. Dans notre univers, celles-ci sont un milliard de fois moins nombreuses que les photons. Ces derniers sont électriquement neutres. Le photon est donc sa propre antiparticule. Il n’a pas de masse. Souvent considéré comme une particule matérielle, il est plus précisément le messager de l’interaction électromagnétique. La lumière est de l’énergie sous forme de rayonnement. Juste après le big bang, il y avait transformation d’énergie en matière et vice-versa : deux photons donnant naissance à une paire quark+antiquark qui, en s’annihilant, engendraient deux photons.

En physique, depuis Einstein, on ne peut plus rien affirmer de manière absolue : on doit toujours préciser par rapport à quoi. La théorie de la relativité découle du fait que la vitesse de la lumière est finie et demeure constante. Elle est toujours la même quelle que soit la vitesse à laquelle la source d’où elle provient se déplace. À cause de cette invariabilité, chaque observateur verra le temps s’écouler en fonction de la vitesse à laquelle il se déplace. Ainsi, plus on va vite et plus le temps s’écoule lentement [2]. Cette conclusion est parfois illustrée par le « paradoxe des jumeaux ». L’un part à bord d’une fusée qui voyage à 99,5 % de la vitesse de la lumière tandis que l’autre reste à terre. Si le premier revient au bout d’un an de voyage : pour son frère resté sédentaire, dix ans se sont écoulés. De ce fait, bien que tous deux soient encore en vie, on peut considérer que ces jumeaux ont vécu un nombre différent d’années. Souvent, les physiciens parviennent à des conclusions qui mettent le sens commun à rude épreuve. Pour montrer que la théorie n’est pas une simple vue de l’esprit, une vérification a été effectuée. Deux horloges ont été utilisées à cet effet : l’une étant embarquée à bord d’un avion supersonique, l’autre restant au sol. À l’arrivée, les expérimentateurs ont effectivement enregistré des écarts qui confirment la théorie. De même qu’une règle apparaît plus ou moins longue selon la perspective sous laquelle on la regarde, l’évaluation du temps varie elle aussi en fonction de l’observateur [3]. Il n’y a pas de temps véritablement universel. Le présent de l’un peut être le passé d’un autre et le futur d’un troisième. La relativité concerne également l’espace. Avec l’augmentation de la vitesse, les longueurs se contractent. Et c’est tout à fait arbitrairement que nous affirmons que tel point est fixe et l’autre mobile : tout dépend de la référence que nous prenons. L’espace et le temps forment un tout. Les physiciens parlent d’espace-temps. Pour donner un rendez-vous à quelqu’un, il est nécessaire de préciser quatre dimensions (trois d’espace et une de temps)

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D’après la théorie de la relativité générale, la matière courbe l’espace. Pour nous aider à comprendre cette notion de courbure, les physiciens comparent l’espace à un tissu déformable. Si nous posons une balle sur une membrane élastique, elle va s’enfoncer et provoquer une courbure du support où elle est placée. Et si des billes sont lancées dans ce cratère, leurs trajectoires vont en épouser la courbure et se trouver attirées par la balle. Telle serait l’explication du phénomène que nous appelons gravitation – du moins, une de ses versions. Cet espace courbe peut être comparé à la surface d’une sphère mais avec une dimension de plus ; ou, dans le cas d’une courbure négative, à une selle de cheval – avec ici aussi une dimension supplémentaire. Le terme courbure ne donne qu’une vision très approximative du phénomène. Il s’agit en fait d’une déformation interne de la structure de l’espace-temps. Visualiser de telles conceptions n’est apparemment pas à notre portée. Le langage de la physique est avant tout mathématique : il n’est pas toujours possible de le traduire en images et en mots sans le trahir ou le dénaturer. En science, les noms qui sont donnés ne doivent, eux non plus, pas être pris au pied de la lettre. Ainsi, on parle de la saveur des quarks pour désigner des caractéristiques qui n’ont rien à voir avec leur goût. Quand aux trous noirs, ils sont en fait de la matière extrêmement condensée : ce ne sont pas des trous et ils ne sont pas noirs.

Principe de lecture d'un hologramme

La connaissance des propriétés de la lumière donne lieu à une foule de réalisations techniques du plus haut intérêt. Parmi elles, les hologrammes. Ces images ne donnent pas seulement l’illusion complète du relief ; elles possèdent une propreté remarquable : à partir de n’importe quel fragment, il est possible de reconstituer une image complète de l’ensemble. Le hologramme a pour principe la division d’un rayon laser en deux faisceaux. L’un éclaire un objet, tandis que l’autre sert de référence. Quand ils se rejoignent à nouveau,ils forment des franges d’interférence qui permettent de reconstituer l’image de l’objet. Le laser est déjà en lui-même une source de profonde réflexion. Grâce à la présence d’une cavité résonante, les photons émis sont dans une large mesure en phase, ils vont dans la même direction et ont une longueur d’onde identique. C’est la raison pour laquelle l’énergie émise est très concentrée ; d’où une puissance et une précision très utiles en de nombreux domaines.

  1. La lumière n’occupe qu’une infime partie du spectre électromagnétique. Le domaine de ses longueurs d’onde se situe approximativement entre 0,01 microns et 1mm.
  2. En réalité, on ne mesure pas le temps mais la durée.
  3. Le temps fluctue aussi avec la gravité. Il s’écoule plus lentement au fond des vallées qu’au sommet des montagnes. Ceci est dû au fait que, le rayon de la Terre y étant moins grand, l’attraction est plus forte.

L'univers connu[modifier | modifier le wikicode]

Au début de son existence, notre univers était composé d’un plasma opaque. Quelques centaines de milliers d’années après le big bang, sa température devint suffisamment basse pour que les électrons se combinent avec les noyaux pour former des atomes. Désormais, les photons ne furent plus interceptés par les électrons libres. Ils se diffusèrent dans l’espace. Le plasma formé par les photons et les électrons se dissipa. L’univers devint transparent. À cette époque, la température était de 3000°. Depuis, l’énergie de ce rayonnement a beaucoup diminué [1]. Il subsiste de cet événement une trace observable : c’est ce qu’on appelle le rayonnement cosmologique. Il est sensiblement égal dans toutes les directions et sa température est actuellement de 2,7° K. De légères fluctuations sont tout de même observées. Ce sont elles qui permettent de déduire la structure générale de l’univers.

Les galaxies sont réparties très inégalement dans l’espace, un peu comme si elles étaient situées sur des rivières ou sur les parois de gigantesques bulles de vide de plusieurs centaines de milliers d’années-lumière de diamètre. Selon quelques chercheurs, très minoritaires, cette structure serait due à la présence d’antimatière au centre des « bulles ». On estime généralement que l’univers a environ quinze milliards d’années-lumière de diamètre. Mais si, comme certains le pensent, l’espace a une structure chiffonnée, il pourrait être nettement plus petit. Les facettes provoqueraient une multiplication des images d’objets célestes qui seraient en fait moins nombreux que nous le pensons.

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Notre galaxie compte sans doute une centaine de milliards d’étoiles. Et le nombre des galaxies semble du même ordre. Les fluctuations de densité du milieu stellaire sont à l’origine de la formation des galaxies. Et il en va de même pour les étoiles. Ceci se passe de la manière suivante. Des nuages de matière se forment et deviennent de plus en plus gros. Sous l’effet de la gravité, une contraction se produit, entraînant un réchauffement suivi d’un effondrement. La concentration très dense de matière qui en résulte produit une élévation de température considérable. Lorsque l’hydrogène est converti en hélium, des photons sont émis. L’astre se met à briller : c’est la naissance de l’étoile. La température est alors de dix millions de degrés.

Les étoiles elles-mêmes ne sont pas immortelles. Leur destin va se jouer entre deux facteurs déterminants : la chaleur qui provoque leur dilatation et la gravité qui les amène à se contracter. Plus elles sont massives et moins elles vivront longtemps : la durée de vie des plus grosses ne dépassant pas quelques millions d’années, et celle des plus petites pouvant atteindre plusieurs dizaines de milliards d’années.

Les étoiles moyennes finiront par exploser avec une luminosité supérieure à celle d’une galaxie. On appelle cette phase une supernova. L’astre projettera alors dans l’espace les éléments qu’il avait fabriqués. Ceux-ci pourront être incorporés aux nouvelles générations d’étoiles et aux planètes à en cours de formation. Il ne subsistera plus qu’une petite sphère appelée étoile à neutrons. Les particules y sont si proches les unes des autres que ces astres atteignent des densités considérables. Une masse équivalente à celle d’une montagne pourrait ainsi être contenue dans un dé à coudre.Les étoiles ayant une masse égale à au moins cinq fois celle du soleil connaîtront un destin encore plus étonnant. Après avoir atteint le stade d’étoile à neutrons, elles vont continuer à s’effondrer et devenir si denses que la matière environnante se trouvera happée. La lumière elle-même restera emprisonnée car, pour vaincre l’attraction, il faudrait une vitesse d’échappement supérieure à ses 300 000 km/s. Comme ces astres ne diffusent aucune lumière, on les appelle des trous noirs. Ceux d’une masse égale à celle de la Terre, seraient plus petits qu’une cerise. Il y aurait tout de même une légère « évaporation » due à des effets quantiques. Les trous noirs étant invisibles, ils ne peuvent être détectés directement. Leur présence peut cependant être déduite à partir des effets qu’ils produisent dans leur voisinage. Les astronomes pensent qu’il s’en trouve un au centre des galaxies. Et les trous noirs pourraient bien être à l’origine des quasars : des phénomènes lumineux qui proviennent d’une région dont les dimensions sont analogues à celles du système solaire et dont la luminosité équivaut à celle de mille galaxies. Aux abords d’un trou noir, le temps s’écoule plus lentement à cause de l’importante courbure de l’espace-temps que cette masse énorme provoque. Ce qui se passe à l’intérieur est inaccessible à tout regard, mais des théories sont quelquefois élaborées pour tenter d’y voir plus clair. Selon l’une d’entre elles, la courbure extrême du tissu spatial pourrait constituer un passage vers un ailleurs, avec possibilité de voyager plus vite que la lumière et remonter le temps. L’instabilité de ces « trous de vers » conduisant à une « fontaine blanche » semble trop grande pour que cela soit possible. Toutefois, à l’échelle des trous noirs microscopiques, l’hypothèse ne peut être écartée totalement.

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Certains phénomènes qui paraissent évidents au commun des mortels, sont considérés comme de véritables énigmes par les chercheurs de haut niveau. La noirceur de la nuit est un de ces problèmes qui occupa longtemps les esprits avant de recevoir des solutions satisfaisantes. Les étoiles sont si nombreuses qu’elles devraient illuminer en permanence tout l’espace. Pourtant, dès que le soleil disparaît, l’obscurité règne. Pourquoi ? Ceci est en partie dû au fait que les étoiles n’ont pas toujours existé. Même les plus anciennes sont apparues il y a seulement quelques milliards d’années. Comme la plupart d’entre elles sont très éloignées, leur lumière n’a pas eu le temps de nous parvenir. Une autre raison peut être invoquée : à cause de l’expansion de l’espace universel, la lumière émise par les étoiles est de plus en plus diluée.

Les questions importantes ne trouvent pas facilement des réponses. Malgré des études approfondies, l’avenir de l’univers demeure incertain [2]. Les galaxies s’éloignent les unes des autres mais elles subissent aussi l’effet de la gravitation,ce qui ralentit leur mouvement. Le destin de l’univers dépend de la quantité de matière qu’il contient. Si sa densité est inférieure à la densité critique, l’expansion de l’univers se poursuivra à l’infini. La température moyenne diminuera de plus en plus. Si par contre elle est supérieure, après une certaine expansion, l’univers se recontractera et finira par se trouver comprimé en un très faible volume, comme à l’époque du big bang. Il pourrait alors connaître une nouvelle expansion. Pour l’instant, il n’est pas possible de trancher en faveur de l’une ou l’autre de ces hypothèses [3].

Pour expliquer ce qu’ils observent, les cosmologistes théorisent l’existence d’une importante quantité de matière non détectée. D’après les estimations, la matière connue représenterait moins de 5% de la masse totale de l’univers. Ainsi nommée car elle n’émet pas de photons, cette matière sombre servirait de liant pour les galaxies. Elle proviendrait d’une énergie sombre, non pas attractive mais répulsive, qui serait à l’origine de l’inflation, donc de l’espace. Pour compléter ce tour d’horizon, ajoutons que notre univers n’est peut-être qu’une bulle parmi beaucoup d’autres, au sein du « Grand Tout ».

  1. L’énergie de ce rayonnement a diminué d’un facteur 1100, à cause de l’augmentation correspondante du rayon de courbure de l’univers.
  2. De toutes manières, un certain nombre de points invitent à une remise en question du modèle standard, notamment à cause de l’incompatibilité entre la relativité et la théorie quantique.
  3. Des observations du satellite WMAP datant de 2003 semblent indiquer que notre univers aurait une légère courbure positive et qu’il ne cesserait donc jamais de s’étendre.

Le système solaire[modifier | modifier le wikicode]

Le soleil est l’une des innombrables étoiles de la Voie Lactée. Il est né il y a moins de cinq milliards d’années. Bien que son diamètre soit plus de cent fois supérieur à celui de la Terre, il est considéré comme une étoile plutôt petite.

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Au centre du soleil, la température atteint environ seize milliards de degrés. En surface, elle n’est plus

que de quelques milliers de degrés. Sous l’effet des réactions thermonucléaires, une partie de sa masse est convertie en énergie lumineuse. Chaque seconde, il perd ainsi quatre millions de tonnes. En interaction constante avec la matière, les photons mettent plus d’un million d’années pour atteindre la surface. Une fois là, ils pourront se déplacer à leur vitesse habituelle. Quelques minutes leur suffiront pour parcourir les 150 millions de kilomètres qui séparent le soleil et la Terre. L’astre solaire émet aussi un flux important de neutrinos. À chaque instant, des milliards d’entre eux nous traversent de part en part. Ils ressortiront presque aussitôt de l’autre côté de notre planète pour s’élancer à nouveau dans l’espace.

En même temps qu’il tourne sur lui-même, le soleil est entraîné par la rotation de la galaxie à 250 km/s. Il lui faudra plus de deux cents millions d’années pour effectuer une révolution complète. Pendant ce temps, ses planètes gravitent autour de lui : Mercure, la plus proche, en 88 jours et Pluton, que l’on considère actuellement comme la plus lointaine, en 249 ans. Le système solaire est également peuplé de centaines de milliers d’astéroïdes. La plus grande de ces petites planètes atteignant mille kilomètres de diamètre. Les comètes ont été surnommées les vagabondes du ciel ou les astres errants. Elles apparaissent en fait à intervalles réguliers. Composées en grande partie de glaces et de poussières, leur taille est comparable à celle d’une montagne. C’est sans doute un morceau de l’une d’entre elles qui, en 1908, est tombé dans la Toungouska, en Sibérie centrale, dévastant tout dans une zone de 60 km de diamètre. Chaque année, mille tonnes de météorites atteignent la Terre. Ce sont des fragments d’astéroides ou de comètes. Ils s’enflamment au contact de l’atmosphère, provoquant l’apparition d’un phénomène connu sous le nom d’étoile filante.

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Tous les astres du système solaire ont la même origine : ils sont issus du même nuage de gaz et de poussière. La nébuleuse de départ s’est tout d’abord contractée. À cause de sa rotation, elle a pris une forme aplatie. En son centre, le soleil s’est formé. À la périphérie, des concentrations locales se sont constituées. Elles ont fini par se solidifier. Après bien des collisions, elles ont donné peu à peu naissance aux planètes actuelles ainsi qu’à une multitude d’astéroïdes et de comètes.

Il semblerait qu’au début de son Histoire, la Terre ait été heurtée par un astéroïde de très grande taille – non pas de plein fouet mais de manière oblique. La matière arrachée à notre globe et les débris de l’astéroïde se seraient peu à peu agglomérés pour former la Lune. Grâce à son satellite, la Terre subit moins fortement l’influence des autres planètes. En l’empêchant de basculer sur son axe, la Lune contribue à la stabilité des climats. Les mouvements des astres ne sont pas immuables. Ainsi, du fait des marées, la Lune s’éloigne de nous de trois à quatre centimètres par an. Et, comme la Terre tourne de plus en plus lentement, les jours s’allongent. Quant au système solaire, à cause de l’expansion de l’univers, il s’agrandit d’un mètre chaque année.

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Dans cinq milliards d’années, le soleil entrera dans une phase de grande dilatation. Sur Terre, il commencera à faire très chaud. Les calottes glacières fondront, la végétation deviendra luxuriante. Plus tard les océans vont s’évaporer et les roches fondront. Notre étoile détruira la vie qui est née en grande partie grâce à elle. Puis, notre Terre cessera elle aussi d’exister : en se dilatant, le soleil finira par l’englober.

Le moment venu, nos descendants devront partir pour nomadiser dans l’espace ou s’établir sur une autre planète ; à moins qu’ils ne parviennent à prolonger la vie du soleil. Une des solutions consisterait à lui envoyer des bombes atomiques pour le réactiver. Une telle perspective illustre bien le caractère paradoxal de certaines activités : ce qui menace l’humanité peut devenir un jour une planche de salut. À l’intérieur du système solaire, la Terre est apparemment la seule planète où la vie soit possible actuellement. Mais l’immensité du cosmos est telle qu’il existe sans doute d’autres lieux propices à son émergence. Un certain nombre d’observations incitent à le penser. Des composés organiques nécessaires à l’apparition de la vie sont présents sur certains météorites. De plus, de nombreux systèmes planétaires ont été détectés récemment. À tout hasard, les astronomes tentent de capter des signaux venus de l’espace. Parallèlement, des messages concernant l’humanité sont parfois envoyés à l’intention d’éventuelles civilisations extraterrestres.

La Terre[modifier | modifier le wikicode]

Notre planète s’est formée en même temps que le reste du système solaire, il y a 4,6 milliards d’années. Au début, de nombreux corps célestes heurtaient la Terre. Sous l’effet des chocs, la pierre s’est liquéfiée. Toute la surface s’est alors trouvée recouverte de lave en fusion. Les météorites et les comètes contiennent de la glace. À cause de la température, celle-ci a fondu. De grandes quantités d’eau se sont alors trouvé emprisonnées à l’intérieur du Globe. Les chutes devenant moins nombreuses, la température a baissé. Peu à peu les pierres se sont se solidifiées. Les gaz qu’elles contenaient ont alors été libérés. L’atmosphère primitive a ainsi pu se constituer. Lorsque la température a eu suffisamment diminué, la vapeur d’eau en suspension s’est transformée en gouttelettes qui, très vite, se sont évaporées à nouveau jusqu’à ce que la Terre soit assez refroidie pour qu’elles puissent atteindre le sol. Des petits plans d’eau sont ensuite apparus. En se rejoignant, les mares ont formé des lacs qui à leur tour se sont parfois réunis pour constituer des mers puis l’océan.

La lumière traverse l’atmosphère et réchauffe le sol. Les infrarouges renvoient une partie de cette chaleur en direction de l’espace. Cependant, comme, en altitude, l’atmosphère contient des gaz qui l’empêchent de s’échapper, une certaine quantité de chaleur est retenue prisonnière. Ce phénomène appelé « effet de serre » a permis à la vie de se développer. Sans lui, de nos jours, la température de surface serait d’environ – 20°C. L’élévation de la température a été très progressive durant trois milliards d’années mais depuis quelques décennies, on observe une augmentation rapide. Celle-ci est probablement due à la production supplémentaire de dioxyde de carbone et de méthane générée par l’activité humaine [1]. Des bouleversements climatiques de grande envergure sont à craindre au cours des prochaines décennies. Le principe de précaution a finalement triomphé mais il a de la peine à se traduire en actes. Cette situation est préoccupante. Une fois rompu, l’équilibre climatique est difficile à retrouver. À cause des effets retard, le réchauffement climatique actuel est considéré comme étant le résultat de l’activité humaine des années 1960.

Interaction du champ magnétique terrestre avec le champ magnétique cosmique

L’atmosphère primitive ne comportait pas d’oxygène. Actuellement, elle en contient plus de 20%. La présence de cet élément indispensable à la vie est surtout due à l’activité des êtres vivants, et tout particulièrement à la photosynthèse mise en œuvre par les plantes. Lorsque l’oxygène atteint la haute atmosphère, il rencontre les ultraviolets. Il en résulte l’apparition d’un composé appelé ozone. Depuis environ un milliard d’années, ce gaz forme une couche qui protège la vie contre les effets nocifs du rayonnement solaire. Parmi les produits que nous rejetons dans l’atmosphère, certains attaquent la couche d’ozone. Les êtres vivants deviennent ainsi plus vulnérables à l’action délétère des ultraviolets. Le champ magnétique terrestre nous protège lui aussi du soleil. C’est une sorte de bouclier contre le vent solaire : ce flux de particules extrêmement dangereuses pour la vie. De temps à autre, ce champ magnétique change de sens. C’est peut-être une de ces inversions qui, il y a 65 millions d’années, a provoqué de gigantesques éruptions volcaniques auxquelles certains scientifiques attribuent la responsabilité de la disparition des 2/3 des espèces vivantes.

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L’épaisseur moyenne de la croûte terrestre est actuellement de 30 km sous les continents et de 6 km sous les océans. En dessous se trouve le manteau, une couche encore relativement solide ; puis, à une profondeur de 3000 km, un noyau de fer fondu atteignant une température de près de 6000° ; et enfin, au centre, – selon toute vraisemblance – une graine de « fer » solide. Aujourd’hui encore, la surface de notre planète n’est pas stable. La croûte terrestre est formée de plaques continentales| et océaniques qui glissent les unes sur les autres, se brisent et se ressoudent. Le mouvement de ces plaques est dû au fait que la matière chaude monte, tandis que celle qui est plus froide descend. Les tremblements de terre surviennent en bordure des plaques : c’est là que se trouvent les soulèvements montagneux provoqués par leurs mouvements. Lorsque les plaques bougent et se chevauchent, les roches qui coulent provoquent un jaillissement de lave et de gaz. C’est ainsi qu’apparaissent les volcans. Ceux-ci peuvent également avoir pour origine des craquelures dues à une très grande pression du Magma. Dans ce cas, ils sont situés parfois très loin du bord des plaques. Lorsqu’il s’agit de volcans ponctuels, des explosions peuvent avoir lieu. Des blocs solides sont alors projetés hors du cratère.

Il y a 225 millions d’années, la majeure partie des terres immergées se trouvait une fois de plus rassemblée et formait un bloc continental unique : La Pangée. Cet immense étendue se morcela ensuite en deux super-continents : au Nord, la Laurasie, au Sud, le Gondwana. La configuration actuelle est le résultat des brisures et des recombinaisons qui ont eu lieu depuis. Le cas de l’Inde illustre bien l’ampleur des mouvements qui se produisent quelquefois. Au départ, cette contrée faisait partie du Gondwana qui incluait l’Amérique du Sud, l’Afrique, l’Australie et l’Antarctique. En se détachant, le morceau qui constitua l’Inde devint une île. Il quitta ensuite l’hémisphère Sud pour s’encastrer finalement dans l’Eurasie, provoquant ainsi ce gigantesque soulèvement qu’est l’Himalaya. Tous ces bouleversements ont exercé une influence profonde sur le développement des espèces. Certaines se sont trouvé soudain en présence ; ce qui a parfois renversé les équilibres existants. Les variations du climat ont elles aussi été importantes et elles ont eu des conséquences déterminantes sur l’évolution.

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La rotation de la Terre entraîne l’atmosphère, mais diversement selon les endroits. La vitesse est plus grande à l’équateur. C’est là aussi que l’évaporation est la plus forte. À cause du déséquilibre des pressions, il se crée un échange de masses d’air et de courants marins entre les pôles et l’équateur. Leur circulation est gênée par les montagnes. Un brassage a donc lieu dans tous les sens. Les phénomènes climatiques ainsi produits sont d’une grande complexité et sensibles à de petites variations locales. C’est la raison pour laquelle il n’est pas possible de faire des prévisions météorologiques au delà de quelques jours.

Pour James Lovelock, auteur de l’hypothèse « Gaïa », la Terre serait assimilable à un organisme complexe doté de facultés d’équilibrage et de coordination. D’après ses observations, l’activité des êtres vivants serait modulée de façon à réguler de nombreux facteurs tels que la température de surface, la salinité des océans ou la composition de l’atmosphère. Cela expliquerait pourquoi, depuis trois milliards d’années, ces facteurs sont restés à peu près constants. Malheureusement, les changements introduits par les sociétés industrielles sont apparemment trop rapides pour pouvoir être totalement compensés. Une contribution humaine inspirée par la recherche d’un équilibre planétaire serait évidemment la bienvenue. Pour une partie de ceux qui adoptent le point de vue de Lovelock, la Terre peut être considérée comme un être vivant, avec tout le profond respect que cela implique. Quel que soit le crédit que nous accordons à cette thèse, une chose est certaine : comme celui des autres espèces, notre avenir dépend de la façon dont nous traitons notre planète et les multiples formes de vie qu’elle abrite.

  1. Pour certains chercheurs, cette augmentation ne serait pas due à l’activité humaine. Il s’agirait d’un phénomène cyclique d’origine solaire.