A l’assaut de l’origine de l’univers (rien que çà !)- Podcast Science

La Cosmogonie

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 transformation liée 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 propriété de 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 changer x 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

Origines secondaires

• 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.

Origine primaire

• 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

• 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).

• 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)

• 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.

• 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^-43 seconde après le Big Bang.
    • Le mur de Planck peut être calculé à partir de la constante de Planck, l’une des 3constantes 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^-43seconde),  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!

• La théorie des cordes (théorie des supercordes: 10 dimensions – théorie M: 11 dimensions).
• La théorie quantique à boucles (théorie de la gravitation quantique).

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.

• 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.

• 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!

• 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.

• 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 auquell’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 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.

• 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.

• Fabriquer des antiparticules:
  • il faut disposer d’un accélérateur de particules.
  • En projetant des particules accélérées à grande énergie sur des cibles métalliques, ontransforme 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.