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LE BIG BANG 1 et
L'ORIGINE DE LA MATIERE
ou
Que la lumière fût!
Le Big Bang est-il une explosion ?
L'origine de la matière se retrouve avec la fantastique histoire du Big Bang et débute il y a environ 15 milliards d'années: Ce terme de "Grosse Explosion" est désormais très célèbre, mais assez impropre car il fait penser à une gigantesque déflagration que nous pourrions visualiser "de l'extérieur". Or, cela est impossible puisque nous faisons partie intégrante de l'Univers: Si nous avions pu vivre (et survivre!) à cette époque, nous aurions "vécu" une explosion partout autour de nous avec dilatation ultrarapide de la structure même de l'espace et du temps.
Comme nous somme constitué d'espace et de matière, l'observateur hypothétique du Big Bang aurait lui-même subi cette dilatation spatiale. Plus incroyable encore, la 4ème dimension, le temps lui-même, serait né et se serait dilaté en même temps que l'espace: L'origine du monde se déroule ainsi selon une vitesse exponentiellement décroissante:
vitesse ultrarapide au tout début puisque l'espace-temps était hyperconcentré: donc peu de distances à parcourir en des temps très courts
puis vitesse progressivement de plus en plus lente au fur et à mesure du déploiement spatial de l'Univers .
Le Big Bang est-il une certitude ?
Il est important de signaler que le big bang (comme d'ailleurs le modèle standard des particules) n'est qu'une théorie, admise néanmoins par la plus grande partie de la communauté scientifique. Cette théorie change et s'affine rapidement. Ainsi des notions telles que l'âge exact de l'Univers, ou encore son devenir (évolution vers une dilution ou une recontraction), sont encore des sujets de controverse.
Le big bang ne peut être décrit selon les équations connues de la physique qu'à partir de 10p-6 seconde.
Entre 10p-43 et 10p-6 seconde, le big bang n'est qu'un ensemble d'hypothèses.
Avant 10-43 seconde, l'environnement de l'Univers est si extrême (masse de l'Univers concentré dans un point et température infinie?) que notre physique est pour l'instant humblement muette...
Avant 10p-43 seconde...La Superforce
la limite du temps de Planck
Disons le tout net: Tout ce qui se passe avant cette date chronologique incroyablement courte est un mystère total. Pourquoi ?
Car 10p-43 seconde correspond à ce que l'on dénomme le temps de Planck, sorte de quantum temporel incompressible. Cet intervalle de temps semble être le plus petit possible selon la physique quantique, de la même manière que la distance de Planck ( 10p-35 m ) semble être la plus petite distance accessible à notre physique.
Nul ne sait encore très bien à quoi pouvait bien ressembler notre univers à une telle échelle de Planck. La difficulté apparaît dès que l'on met en rapport un temps aussi minuscule que 10-43 seconde avec la colossale énergie de l'univers, concentrée, à l'époque, dans un volume aussi infime. La valeur de cette énergie est alors très mal définie. Or, c'est l'énergie, avec la matière, qui imprime sa forme à l'espace et détermine comment s'écoule le temps. Sur des distances et des durées de l'ordre de l'échelle de Planck, espace et temps deviennent des notions très difficiles à caractériser. La notion de distance entre deux points avait-elle déjà un sens quand l'univers était aussi petit ? Le temps s'écoulait-il déjà du passé vers le futur?
Comment s'imaginer ce stade originel de l'Univers ?
Cette phase primordiale de l'Univers est le domaine de la Superforce (appelée aussi gravité quantique) qui unifiait alors les 4 interactions connues
Comme dans un trou noir, le temps pouvait devenir espace et l'espace devenir temps.
Il existait peut-être de nombreuses autres dimensions, comme semble l'indiquer la théorie des supercordes: ces dimensions se seraient ensuite "enroulées" sur elles-mêmes pour laisser l'Univers évoluer selon les 4 dimensions de l'espace-temps que nous connaissons actuellement.
A ce stade d'évolution, la matière n'était pas encore née, seul le "vide" régnait, mais attention! Le vide de l'Univers n'était pas vide : il comprenait de nombreuses particules virtuelles de matière et d'antimatière qui apparaissaient et disparaissaient comme des bulles de savon. Notre Univers actuel est peut-être issu de l'une de ces fluctuations quantiques du vide
De 10p-43 à 10p-35 seconde...La Grande Unification des forces
Au temps de Planck, ce qui deviendra notre Univers n'a que environ 10p-33 cm de diamètre, c'est-à-dire 10 millions de milliards de fois plus petit qu'un atome d'hydrogène!
Sa température est de 10p32 degrés Kelvin (0°K = -273°C).
Dans cet Univers, toujours le vide quantique où bouillonne une énergie inimaginable. Celle-ci se matérialise sporadiquement ( n'oubliez pas E=mc² ! ) en d'éphémères particules et antiparticules fantômes.
La superforce se scinde en deux forces: la gravitation, et la force électronucléaire.
La gravitation fait donc secession et quitte le monde quantique. Désormais, son action à l'échelle des particules sera négligeable sauf dans des cas extrêmes (explosion d'étoiles par exemple).
La force électronucléaire regroupe les interactions forte et électrofaible. Elle est décrite par la théorie actuelle de Grande Unification ou GUT.
Cette période est donc dite de grande unification.
De 10p-35 à 10p-32 seconde... l'inflation de l'Univers
Le thermomètre cosmique "descend" à environ 10p28 degrés Kelvin.
A ce moment précis de l'évolution universelle, il y a secession de la force électronucléaire en interaction forte et en interaction électrofaible. Avec la gravitation, Il existe donc désormais trois forces distinctes dans l'Univers.
A cette température de 10p28 °K, l'énorme énergie du vide est libérée et imprime à l'Univers une expansion fulgurante que le physicien Alan Guth a appelé inflation. Entre 10p-35 et 10p-32 seconde, son volume augmente d'un facteur 10p27 (ou 10p50 selon d'autres sources ?) alors que dans les 15 milliards d'années suivantes, son volume n'augmentera que d'un facteur 10p9.
Cette inflation correspond à la dilatation d'un noyau atomique devenant aussi grand qu'une sphère centrée sur le Soleil et dont la circonférence engloberait les étoiles les plus proches...!
Et tout cela en 10p-32 seconde.Après la naissance de l'espace et du temps, la matière va pouvoir naître du vide quantique !
(E=mc2)
Que signifie ?
(et l'inertie ?)
C'est la formule de la physique moderne par excellence : cinq petits symboles qui, en 1905 ont révolutionné 2 siècles de physique.
- Toute matière, même au repos, possède une énergie propre -
...Et cette énergie (E) est égale à la masse (m) de l'objet multipliée par le carré de la vitesse de la lumière (c).
Mais il faut repenser la notion de masse :
elle est à la fois une quantité de matière soumise à la gravité (masse pesante),
et une résistance, par inertie, au déplacement (masse inertielle).
En physique classique, les deux sont égales. Pas pour Einstein ! Dans E=mc2, m représente en effet la masse inertielle, qui augmente avec la vitesse de l'objet (plus l'objet est rapide, plus il est difficile de l'accélérer encore).
Au repos, celle-ci est minimale et égale à la masse pesante. Ce qui définit pour toute matière une énergie absolue, comme il existe un 0 absolu de température. Une masse inerte de 1 kg possède une énergie interne de 10 ^17 joules (plus de 10000 bombes d'Hiroshima), alors qu'elle n'a qu'une énergie cinétique de 15 joules quand elle est en mouvement à 20 km/h.
UN kg DE MATIÈRE
Un kg de matière contient 0,5 mg de masse d'électrons.
L'énergie correspondante est de 50 milliards de Joules.
Soit l’énergie d’une très grosse centrale nucléaire durant un bon moment!
E =
m . C²
Masse e- =
9,109 10p-31 kg
Vitesse C =
3 10p8 m/s
Énergie e- =
8,19 10p-14
RENDEMENTS
Conversion de la masse en énergie selon les cas
10p-9
= 1 milliardième
Combustion du charbon ou du pétrole
10p-3
= 0,1 D
Réacteurs à fission
5 10p-3
= 0,5 D
Réacteurs à fusion, tant attendus
10p-2
= 1 D
Bombe nucléaire
1
= 100 D
Matière et antimatière en contact
La loi de conversion E = m.c² s'applique complètement
1 kg d'antimatière donnerait l'énergie d'un jour pour les États-Unis
Les antiprotons seraient suffisants pour propulser une fusée.
1mg vaudrait 2 tonnes de pétrole.
Pour les produire au rythme actuel (10p10 /h) du Fermilab (Chicago), il faudrait quelques millions d'années.
Et avant le big bang ?
Si vous vous prenez la tête en vous demandant ce qu'il pouvait bien y avoir avant le big bang alors qu'on n'arrête pas de vous dire qu'il n'y avait rien, pas même de temps, il existe un bon moyen de retrouver ie sommeil.
Considérez d'abord que la manière dont on mesure le temps n'est qu'une question de convention.
Suivez ensuite l'élégante suggestion du physicien Jean Marc Lévy-Leblond : décidez, par exemple, que chaque fois que la distance dans l'espaee de deux points doublera du fait de l'expansion, les aiguilles des horloges devront avoir accompli un tour.
Si maintenant vous vous tournez vers le passé, voici ce qui arrive : selon la convention choisie, il y a un tour d'horloge, l'Univers était moitié moins grand qu'aujourd'hui ; il y a deux tours d'horloge, il était quatre fois moins grand, etc. On peut faire ainsi autant de tours d'horloge que l'on veut. L'Univers est chaque fois plus petit, mais on ne butte jamais sur rien qui marquerait le début du temps.
« Dans cette perspective, explique en effet Jean-Marc Lévy-Leblond, plus je remonte le femps, plus l'Univers rétrécit, mais sans que jamais sa dimension ne devienne nulle, puisque ce n'est qu'à moins l'infini dans le temps que le rayon de l'Univers tend vers zéro. »
L'instant zéro est donc aussi inaccessible que l'infini : il n'y a jamais eu d'instant zéro
LE BIG BANG 2 et
L'ORIGINE DE LA MATIERE
De 10-32 à 10-12 seconde... la naissance des quarks
A la fin de la période d'inflation, vers 10-32 seconde après le big bang, l'Univers a la taille d'une orange et sa température est de 1025 °K.
C'est à ce moment que les premières particules de quarks et d'antiquarks surgissent du vide quantique dans un bain de photons. Cette matérialisation de matière et d'antimatière va entraîner aussitôt une lutte à mort entre ces deux composantes antagonistes: Les paires de particules-antiparticules vont s'annihiler pour devenir lumière (photons). Puis, ces mêmes photons vont, par une réaction symétrique, se matérialiser (N'oubliez pas E=mc² !) en paires de particule-antiparticule. L'Univers est alors une soupe de quarks et d'antiquarks en perpétuelle annihilation - matérialisation !
Il faut noter un fait capital : la création initiale des couples particules-antiparticules ne va pas se faire de façon parfaitement symétrique: Un petit excédent de matière va apparaître :
Pour 1 000 000 000 d'antiquarks créés, il y a 1 000 000 001 de quarks créés, et donc 1 seul quark survivant à la future grande annihilation : Un rapport de 1 pour 1 milliard !
Et voici comment une brisure de symétrie est responsable de l'existence de la matière dont nous sommes actuellement constitués !
De 10-12 à 10-6 seconde... la naissance des leptons
Température = 10p15 °K.
L'Univers se refroidit toujours et grossit pour devenir une sphère de 300 millions de kilomètres.
L'interaction électrofaible se dissocie à son tour en interactions faibles et électromagnétiques. Les 4 interactions fondamentales de l'univers sont donc différenciées comme elles le sont toujours actuellement.
De 10-6 à 10-4 seconde... la phase des hadrons
Température = 10p13 °K.
Le volume de l'univers est équivalent au système solaire actuel, soit 10p13 m.
La baisse de température fait que les quarks n'ont plus assez d'énergie pour exister seuls : L'interaction forte peut alors grouper les quarks en hadrons:
3 quarks forment des baryons: les protons et les neutrons naissent.
3 antiquarks forment des antibaryons: antiprotons et antineutrons.
les paires quark-antiquark forment des mésons.
La fin de cette période marque aussi la disparition des antiquarks
En effet, nous avons vu qu'il y avait un léger excès de quarks (1 quark en trop pour 1 milliard d'antiquarks) dans la soupe primitive à 10-32 s. Ainsi tous les protons et neutrons, nouvellement formés, vont finir de s'annihiler avec leurs antiparticules: Il ne restera donc au final qu'un léger excédent de matière. La température est devenu trop faible pour que les photons puissent se rematérialiser en couple paticule-antiparticule. Les rares protons et neutrons survivants sont donc "gelés" et forment la matière de l'Univers.
De 0,0001 à 1 seconde... la phase des leptons
Température = 10p10 °K ou 10 milliards de degrés.
A cette température, il se produit une deuxième grande annihilation de matière et d'antimatière: elle concerne cette fois les leptons et leurs antiparticules.
En effet, les photons, épuisés par l'expansion de l'Univers, n'ont plus assez d'énergie pour se convertir (par matérialisation) en paire électron-antiélectron.
Les paires leptons-antileptons subissent ainsi le sort des hadrons: ils s'annihilent dans un océan de photons et seule une fraction d'un milliardième de leptons survit à l'hécatombe. Exit l'antimatière de l'Univers!
La matière est désormais au grand complet, mais la température est toujours trop élevée pour que les atomes puissent se former. L'Univers est une grosse masse lumineuse de plasma brûlant formé de hadrons et de leptons célibataires.
Les neutrinos cessent d'interagir avec la matière et s'en séparent.
De 1 à 3 secondes... formation des premiers noyaux d'atomes
La température chute à 10p6 °K ou 1 000 000 °K : elle est suffisament basse pour que les protons et neutrons puissent s'assembler durablement.
Les protons seuls forment des noyaux d'hydrogène.
Les protons et neutrons qui se rencontrent, peuvent aussi s'assembler pour former des noyaux d'hélium (2 protons 2 neutrons):
Cette phase se nomme la nucléosynthèse primordiale. La matière de l'Univers se compose alors des noyaux d'atomes suivants:
75'hydrogène H
25'hélium He
des traces de Li-7 (lithium à 3 protons et 4 neutrons) et d'isotopes tels que Deutérium (H-2), He-3, He-4...
99e la matière actuelle de l'Univers se forme à cette lointaine époque. Le 1estant, non encore apparu, est constitué de tous les atomes ayant plus de 2 protons dans leur noyau, parmi lesquels les atomes de carbone, d'azote et d'oxygène dont nous sommes constitués. Tous ces atomes complexes seront formés dans les réactions thermonucléaires du coeur des futures étoiles à naître...
A cette époque, les électrons sont toujours libres car très énergétiques. Ils ne se lient donc pas encore aux noyaux pour former les atomes H (hydrogène) et He (hélium).
De 3 minutes à 300 000 ans... l'Univers devient transparent
Température = 10.000 °K
Jusque là, les photons étaient continuellement émis et aborbés par les particules environnantes. Puis, avec la chute de température et de densité de l'Univers, les photons vont cesser d'interagir avec la matière : ils vont pouvoir enfin traverser l'Univers sans obstacle: il y a découplage entre les photons et la matière: l'Univers devient subitement transparent. Cette lumière libérée et provenant de tout point de l'espace peut être actuellement captée par nos astrophysiciens: c'est ce qui est appelé le fameux "rayonnement fossile" à 3°K de l'Univers, vestige du big bang.
300 000 ans et après... la formation des premiers atomes
300 000 ans après le big bang, les électrons vont enfin pouvoir être captés autour des noyaux d'hydrogène et d'hélium présents. Les premiers atomes naissent enfin.... et l'interaction électromagnétique peut enfin jouer pleinement son rôle.
Ces évènements ultra-rapides de la naissance de l'Univers se sont déroulés il y a environ 15 milliards d'années. Certaines découvertes astrophysiques récentes pencheraient même pour un âge de l'Univers plus récent, de l'ordre de 10 milliards d'années.
Toujours est-il que la suite de l'évolution de l'Univers est marqué par les évènements suivants:
- 12 milliards d'années: formation de notre galaxie.
- 4,6 milliards d'années: formation de notre Système Solaire et de la Terre
- 3,4 milliards d'années: apparition de la Vie
- 1,4 milliard d'années: premieres cellules eucaryotes à noyau
- 350 millions d'années: les premiers vertébrés quittent l'eau
- 4,5 millions d'années: les premiers hominidés
- 5 300 ans : naissance de l'écriture
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