Tout d’abord il faut bien comprendre que la physique n’est rien de plus qu’une description du monde qui nous entoure.
Actuellement la physique est régie par deux grandes théories :
La relativité générale et la mécanique quantique .
1.1. La relativité générale :
Ce que dit la théorie classique (selon Newton):
La physique classique repose sur le concept d’un espace et d’un temps fixe. Ainsi, si l’on synchronise deux horloges sur la Terre,
puis que l’on transporte l’une d’entre elles dans une galaxie éloignée, ces deux horloges resteront synchronisées. Le temps, en mécanique
classique est le même partout, dans l’univers. En mécanique classique, la mesure des distances est totalement indépendante de la position
et des déplacements des observateurs qui procèdent à cette mesure.
Toujours selon la théorie classique on serait amené à croire que si on voyait la lumière en un point tout en s’éloignant de ce point,
la lumière arriverait à ce point à une vitesse plus faible. Or, ceci est faux, car la mesure de la vitesse du rayon lumineux donne toujours
le même résultat : 300 000 km/s ! (quelque soit le déplacement de celui qui la reçoit). Irrémédiablement, les physiciens ont été amenés à
conclure que la lumière se déplace toujours à la même vitesse quelque soit la vitesse de l’observateur.
La relativité restreinte :
Le principe de relativité sur lequel repose la théorie de la relativité restreinte ne s’applique qu’à des corps ou objets se déplaçant avec
des vitesses constantes ( ou uniformes). En effet, la relativité restreinte prévoit que : les durées mesurées par l’observateur fixe sont plus
grande que celles mesurées par l’observateur mobile (c’est la dilatation du temps) et que les distances mesurées par l’observateur mobile
sont plus courtes que celles mesurées par l’observateur fixe (c’est la contraction des distances).
Ce qui veut dire que si l’homme un jour était amené a effectuer un voyage interstellaire pour aller dans une autre galaxie, en se déplaçant à la vitesse
de la lumière (la vitesse de la lumière ne peut être atteint pour un objet du fait de sa masse, car il faudrait pour l’atteindre une énergie infinie. Ceci
découle la théorie de relativité). Il se passerait le phénomène suivant :
Vu de la Terre cet individu, une fois qu’il aurait atteint une vitesse proche de celle de la lumière, semblerait vieillir plus lentement, mais aussi parler et
se déplacer plus lentement :
Cas d’un voyageur interstellaire
Ces phénomènes sont d’autant plus visibles que les vitesses mises en jeu sont proches de celles de la lumière.
Cette prévision est couramment vérifiée dans les accélérateurs de particules. En effet, certaines particules ont une durée
de vie très courte (très inférieure à la seconde). Comme ces particules sont accélérées au point d’atteindre des vitesses très proches de
celle de la lumière (99,999 % de la vitesse de la lumière), la durée de vie observée dépasse largement plusieurs heures !
La relativité générale :
Albert Einstein a tenté d’élargir le principe relativité des corps accélérés, donnant ainsi naissance à la théorie de relativité générale.
Une masse, et plus généralement une présence d’énergie, courbe l’espace-temps qui l’environne en créant une sorte de ²creux² en quatre
dimensions dans lequel ²tombent² les massent qui s’en rapprochent.
Représentation de l’espace temps
(voir :
http://perso.club-internet.fr/jac_leon/gravitation/article-francais/index.htm
)
figure a : espace temps euclidien ou "plat" en l’absence de masses
figure b : espace-temps courbé au voisinage d’une masse formant un "creux" dans l’espace-temps
"Science & Vie" n°1013, février 2002
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Si on reprend l’exemple du voyageur interstellaire, en prenant en compte cette fois la relativité générale. On observerait que
l’individu arrivée à destination a le même âge qu’il aurait eu s’il était resté sur Terre (et si la distance entre cette destination et la Terre est constante).
Car au cours de l’accélération et de décélération du vaisseau, le temps pour le voyageur s’écoulerait plus rapidement que sur Terre :
Cas d’un voyageur interstellaire
1.2. La mécanique quantique :
Contrairement à la relativité générale, la mécanique quantique, en général, ne prédit pas un état unique, bien défini pour une observation donnée.
Elle remplace tout cela par un certain nombre de résultats possibles et différents, et nous donne pour chacun d’eux leur probabilité d’existence. Cela veut
dire que, si l’on effectuait la même mesure sur un grand nombres de systèmes similaires, déclenchés chacun de la même façon, on trouverait un résultat de
mesure A dans certain nombre de cas, B dans un autre certain nombre de cas, et ainsi de suite. On pourrait être A ou B, mais on ne pourrait pas prédire
le résultat spécifique d’une mesure individuelle.
La mécanique quantique introduit donc un élément inévitable d’imprécision et de hasard dans la science. Einstein s’y opposa fermement en dépit
du rôle important qu’il joua dans le développement de ces idées. Einstein, prix Nobel pour sa contribution à la mécanique quantique, n’a jamais
admis cependant que l’univers soit gouverné par le hasard. Il a exprimé son sentiment dans la célèbre formule : “ Dieu ne joue pas aux dés. ” La plupart
des autres savants, toutefois, furent disposés à admettre la mécanique quantique, parce qu’elle s’accordait parfaitement avec l’expérience. La mécanique
quantique gouverne le comportement des transistors et des circuits intégrés, qui sont les composants essentiels des engins électroniques comme la télévision
et les ordinateurs, et c’est aussi la base de la chimie moderne et de la biologie. Les seuls domaines de la science physique dans lesquels la mécanique
quantique n’a pas encore été véritablement intégrée sont la gravitation et la structure à grande échelle de l’univers.
1.3. L’équation ultime ou théorie quantique de gravitation :
Aujourd’hui les chercheurs sont à la recherche d’une théorie qui unifierait la mécanique quantique et la théorie de la relativité générale
dans une seule et même théorie quantique de la gravitation, qui pourrait décrire n’importe quel phénomène de l’univers. Même si cette
théorie n’existe pas encore, on connaît quelque caractéristiques auxquelles elle devrait se soumettre.
Un nouvel élément pourrait bien faire avancer cette recherche de l’équation ultime :
Le LHC, cet accélérateur de particule en construction sur la frontière franco-suisse est 70 fois plus puissant que son prédécesseur le LEP
(opérationnel en 2006). Grâce à lui on va pouvoir accorder les diverses théories qui n’ont pas pu jusqu’alors être vérifiées
expérimentalement à l’expérience et peut-être découvrir des choses encore insoupçonnées.
(Voir "Science & Vie" n°1013, février 2002)
2. Antimatière-antiparticule :
Etant donné qu’il sera question d’antimatière et d’antiparticule par la suite, mieux vaut que ces notions aient été préalablement définies.
L’antimatière est constituée d’antiparticules. Une antiparticule a exactement la même masse que la particule correspondante mais elle a
des charges opposées. Par exemple, l’anti-électron a une charge électrique positive. En combinant des anti-protons, des anti-neutrons et des anti-électrons
il est possible de faire des anti-atomes. Des atomes d’anti-hydrogènes ont déjà été produits. Lorsqu’une particule de matière rencontre son anti-particule,
elles s’annihilent mutuellement en libérant la totalité de leur énergie sous forme de rayonnement. Les collisions particule-antiparticule sont couramment
utilisées dans les expériences de physique des particules. La durée de vie de l’antimatière dans notre environnement est très faible puisqu’elle rencontre
rapidement de la matière et s’annihile.
Il n’y a donc pas d’antimatière sur Terre ou dans le système solaire ni même dans notre galaxie. Il semble même qu’il n’y ait nulle part dans l’univers
d’antimatière en quantité importante, pouvant par exemple former des étoiles d’antimatière. Cependant on trouve des antiparticules à la limite entre notre
atmosphère et l’espace, lorsque les particules du rayonnement cosmique interagissent avec l’atmosphère et peuvent alors créer des antiparicules qui s’annihilent
immédiatement après leur création avec les particules présentes dans notre atmosphère.
3. Les trous noirs
"Science & Vie" n°1013, février 2002
Lorsqu’une étoile a consommé tout son carburant nucléaire, elle s’effondre sous sa propre gravité, et est piégée dans une région dont la
surface se contracte jusqu’à une grandeur égale à zéro. Toute la matière de l’étoile est alors comprimée dans une région de volume nulle, ainsi la densité
de matière et la courbure de l’espace-temps deviennent infinies. En d’autres termes, on aurait une singularité, (une singularité est un point où la courbure
de l’espace-temps devient infinie, où la notion de temps n’existe pas et l’espace a une dimension nulle, à ce point toute les théories de la physique
s’anéantissent) donc on aurait une singularité contenue à l’intérieur d’une région de l’espace-temps connue sous la dénomination de "trou noir". Tout corps
subissant un effondrement gravitationnel doit finalement former une singularité.
Ainsi si on inverse le temps, l’effondrement devient expansion. Ainsi l’argument du temps inversé, montre qu’un univers en expansion doit finir en singularité.
Pour l’instant laissons le commencement de l’univers et continuons sur les trous noirs.
Donc lorsqu’une étoile se contracte, la densité devient si forte, que la lumière ne peut plus s’en échapper, et c’est ce qu’on appelle le trou noir.
Sa frontière est nommée l’horizon des événements. Un objet ou un rayon lumineux ayant passé cette frontière ne peut s’échapper du trou noir,
puisqu’à ce moment là il lui faudrait une vitesse supérieure à celle de la lumière pour s’en échapper, ce qui est impossible.
Si jamais on observait un astronaute assez imprudent pour sauter dans un trou noir. Disons qu’il sera 24 heures quand il traversa l’horizon des
événements et entrera dans le trou noir. Quelque soit notre attente on ne verra jamais à sa montre, l’aiguille des secondes sur le 12, car plus l’astronaute se rapprochera du trou noir, plus on observerait l’aiguille des secondes ralentir, jusqu’à la dernière seconde, qui durera éternellement (c’est la conséquence de la dilatation du temps que prévoit la relativité restreinte et générale). Quand quelqu’un disparaît dans un trou noir, de l’extérieur, on a l’impression que le temps ralenti. Mais celui qui tombe dans le trou noir, celui bouge ou du moins qui croit bouger, qui parle ou du moins qui croit parler à une vitesse normale pour lui, semble se mouvoir au ralenti de l’extérieur, et pour finir il se fige dans une position particulière. Pour l’astronaute après une semaine de chute, il commencera à sentir son corps se pincer, s’allonger, à se comprimer, et au bout de 15 jours il est tombé en plein dedans et il est bien entendu mort. Et contrairement à la personne qui regarde la scène, la personne qui tombe dans un trou noir verrait les choses se produire à une vitesse croissante jusqu’à ce qu’il pénètre dans le trou noir.
"Science & Vie" n°1013, février 2002
Dans la longue histoire de l’univers beaucoup d’étoiles ont dû brûler tout leur carburant nucléaire et s’effondrer sur elle-même.
Le nombre de trous noirs est peut-être plus important que le nombre d’étoiles visibles qui est de l’ordre de 100 000 millions rien que dans notre
galaxie. De plus, on a la preuve qu’il existe un immense trou noir au cœur de notre galaxie.
On est tenté de croire que rien ne peut s’échapper d’un trou noir. Mais Stephen Hawking a démontré à l’aide de la mécanique quantique que
le trou noir devait avoir une radiation résiduelle. Selon la mécanique quantique, l’espace est rempli de particules virtuelles (c’est-à-dire une particule
qui ne peut pas être directement détectée, mais dont les effets ont une existence mesurable) et d’antiparticules qui se matérialisent constamment par
paires et qui se séparent, se réunissent et s’annihilent indéfiniment. A la surface d’un trou noir, un des éléments d’une paire de particules peut tomber
dans le trou noir, laissant l’autre sans partenaire et dans l’incapacité de s’annihiler. La particule abandonnée apparaît comme une radiation émise par le
trou noir. Donc les trous noirs ne sont pas éternels. Ils s’évaporent à une vitesse de plus en plus grande, jusqu’à disparaître dans une gigantesque explosion.
Ainsi l’effondrement gravitationnel n’est pas une fatalité.
4. Le big bang :
Edwin Hubble, en 1920, observera que la lumière qu’on percevait des galaxies lointaines tendait vers le rouge c’est-à-dire avec une période
d’oscillation de la lumière plus grande que celle que le soleil nous envoie. Tout comme le son que l’on perçoit lorsqu’un camion de pompier passe
devant nous et s’éloigne. Lorsqu’il se rapproche de nous le son est plus aigu que quand on s’éloigne. Ce fait est comparable avec ce qui se passe pour la
lumière. Ainsi, de cette perception de la lumière des autres galaxies, on a pu en conclure qu’elles s’éloignaient de nous ce qui signifiait que l’univers était en
expansion.
Bien sûr, il paraît plus naturel de considérer l’univers comme statique car ainsi il peut avoir été et continuer à être à jamais. Alors qu’un univers en expansion
suggère qu’il ait eu un commencement dans le passé. Si l’univers est figé on peut considérer que Dieu en a été le créateur, a n’importe quel moment dans le
passé. Mais si l’univers est en expansion il se peut que des lois physiques soient à l’origine de ce commencement. Un univers en expansion, n’exclut pas un
créateur, mais il limite dans le temps le moment où il aurait fait son travail. On peut conclure aussi, du fait de l’expansion de l’univers, qu’il finira soit en Big
Crunch, c’est-à-dire qu’il retournerait à son état d’origine dans une immense contraction, si sa vitesse d’expansion n’est pas assez importante ; soit il continuerait
à s’étendre indéfiniment.
Deux hypothèses pour l’avenir de l’univers ("Un brève histoire tu temps" de Stephen Hawking)
Si on remonte dans le temps on arrive à une singularité de type big bang où les lois de la physique s’anéantissent.
Mais il existe une autre direction du temps que l’on peut emprunter et qui évite toutes les singularités, qu’on appelle la direction
imaginaire du temps (le temps imaginaire est le temps mesuré avec des nombres imaginaires). Avec le temps imaginaire il n’y a nul besoin
de singularité qui donne un début ou une fin au temps. On a la faculté assez particulière d’avoir un maintenant, sans avoir nécessairement
une chaîne de moments passés. Si on remontait dans le temps jusqu’au big bang, au fur et à mesure qu’on s’en rapprocherait, on découvrirait
que la nature du temps change et que la composante imaginaire du temps devient de plus en plus imposante. Or avec le temps imaginaire
le commencement de l’univers devient possible.
Conclusion :
Ainsi, tant que l’univers avait un commencement avec le temps réel, on pouvait supposé qu’il avait un créateur.
Mais si l’univers se contient tout entier en lui-même sans avoir de frontières ni de bords, il n’a pas été créé dans cette hypothèse et
il serait simplement. Que serait la place d’un créateur ?… S’il y avait qu’une théorie unifié possible, qui permette l’existence de structures
aussi compliquées que l’être humain, lui-même capable de rechercher les lois de l’univers.
Cette théorie serait-elle si contraignante qu’elle engendrerait sa propre existence ? ou faut-il un créateur ; et le cas échéant qui l’a créé lui ?
Si nous trouvons un jour cette théorie complète de l’univers, nous pourrons alors porter tous nos efforts à la question pourquoi l’homme et l’univers
existe-t-il ? Si nous répondons à cela, se sera l’ultime triomphe de la raison humaine, car nous connaîtrons alors la pensée de Dieu.
Sources :
- “ UNE BREVE HISTOIRE DU TEMPS, Du big bang aux trous noirs ” de Stephen Hawking / Champs Flammarion,
Edition Août 1999. Et la vidéo du même nom.
- Magazine Science & Vie n°1013, février 2002
- Site du magazine "Québec Science" :
http://www.cybersciences.com
- Site de Jacques Léon sur la gravitation :
http://perso.club-internet.fr/jac_leon/gravitation/article-francais/index.htm
Benjamin Berhault
Dernière mise à jour : 27 février 2002
