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A l'origine de tout

 
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The Lion
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MessagePosté le: Jeu 27 Déc - 19:40 (2007)    Sujet du message: A l'origine de tout Répondre en citant

A l'origine de tout




L'origine, le début, la première seconde, depuis que l'homme s'est doté d'un bagage intellectuel, il a essayé de comprendre dans quel environnement il vivait. Bien des hommes se sont posés cette question. Quel fût le commencement. Par quelles étapes la matière fût elle obligée de passer pour que nous puissions observer la nature d'aujourd'hui. Nous savons et c'est la science qui nous le dit que notre Univers est gouverné par quatre forces fondamentales. La première, la gravitation: vous savez ! La théorie de Newton, deux corps s'attirent en raison inverse du carré de leur distance et en raison du produit de leur masse. C'est la force que l'on perçoit le mieux, celle qui gouverne notre proche environnement, du marteau qui tombe de l'établi sur le bout de notre pied en nous faisant pousser un cri de douleur. C'est encore elle qui fait tourner la Lune autour de la Terre et pour finir c'est elle qui gouverne l'Univers aux grandes échelles. La deuxième, l'électromagnétisme est plus subtile à percevoir, de l'aimant qui attire la limaille de fer en passant par les électrons que l'on met en mouvement dans un circuit électrique ou encore des ondes électromagnétiques comprenant la lumière visible, les transmissions radio ou les rayons X. Laissant les physiciens du 18 et 19ème siècle dans des controverses ondes- particules. L'unification des phénomènes ainsi décrit dans une théorie de l'électromagnétisme firent considérer à la fin du 19ème siècle cette théorie comme le couronnement de la physique classique. Comme nous venons de le voir ces deux forces sont assez bien comprises par le commun des mortels car ils peuvent en éprouver ou en vérifier par l'expérience quotidienne la mesure quantifiée sur la nature de l'environnement qu'ils observent. Les deux autres forces sont bien moins connues du grand publique. Elles font appel à une physique plus complexe, la physique des particules, une branche de la mécanique quantique. L'interaction nucléaire faible est la troisième force fondamentale, elle est de portée très faible car son action est confinée à l'intérieur des noyaux atomiques et ses effets sont de très faible intensité. Une des manifestation les plus courantes de l'interaction nucléaire faible est la radioactivité bêta: exemple le fameux carbone 14 très connu pour la datation des objets archéologiques. Une autre manifestation de l' interaction nucléaire faible dans l'Univers: les étoiles. En effet, l'énergie utilisée par les étoiles pour briller provient principalement de la combustion de l'hydrogène en hélium. Or, cette combustion nécessite tout d'abord la production d'hydrogène lourd ou deutérium, par fusion de deux atomes d'hydrogène ordinaire. Cette fusion n'est possible que par la désintégration bêta de l'un des deux noyaux d'hydrogène. L'interaction nucléaire faible contribue donc aussi à faire briller toutes les étoiles de notre Univers. L'unification de l'interaction nucléaire faible et de l'électromagnétisme aux hautes énergies ( force électrofaible ), a ouvert la voie à la prédiction d'une théorie du tout qui va me permettre de remonter avec vous les premiers instant de l'Univers. Enfin la quatrième, l'interaction nucléaire forte est responsable de la liaison des protons et des neutrons dans les noyaux atomiques. Son intensité est considérable et elle dominerait toutes les autres forces de la nature si son rayon d'action n'était pas aussi minuscule ( de l'ordre de la taille des noyaux atomiques, soit moins de 10Pui-14 mètre ). L'unification de la force électrofaible avec l'interaction nucléaire forte ( force électronucléaire ou dite encore théorie de la grande unification GUT en anglais ) reste encore à démontrer. Elle prédit la désintégration du proton symbole de la stabilité de la matière. Le proton aurait une durée de vie limitée, cette durée de vie serait de 10Pui31 ans, sachant que l'Univers est né il y a 10Pui10 ans il reste de la marge. D'énorme piscine d'eau pure détecteur de désintégration de proton ont été construite. Pour le moment aucun résultat n'est venu valider cette théorie GUT. Ce qui la rend moins solide que la théorie électrofaible.

L'unification du modèle standard de la physique des particules et de la cosmologie permet de proposer des scénarios de différenciation des quatre forces fondamentales qui sont décrites plus haut. A savoir, la gravitation, l'électromagnétisme, l'interaction nucléaire faible et l'interaction nucléaire forte.

Immédiatement après le big bang, toutes les interactions et les particules étaient indiscernables, l'Univers à ses débuts était gouverné par une seule interaction. Cette superforce va se briser au fur et à mesure que la température va décroître en quatre interactions distinctes. Des déroulements physiques appelés transitions de phase* vont convertir la force unique en deux interactions ( gravitationnelle et électronucléaire ) puis en trois ( electrofaible, interaction nucléaire forte, gravitationnelle ) et enfin en quatre ( électromagnétisme, interaction nucléaire faible, interaction nucléaire forte et force gravitationnelle ).
Imaginons, nous allons parcourir à rebours et en accéléré les grandes étapes du schéma proposé ci-dessus. Nous allons franchir un à un les événements successifs en allant crescendo vers la création de la matière, environ 100 secondes après le Big Bang. Tout d'abord, quand faire débuter notre histoire ? On parle souvent de création de l'Univers, ce qui tant a mettre la pendule de l'horloge cosmique à l'instant zéro où tout aurait commencé. Mais la notion de " temps zéro " n'a aucun sens physique. D'une manière générale, la mécanique quantique démontre en effet que le temps ne peut être défini d'une manière infiniment précise. Le temps a toujours une certaine " épaisseur ", appelée temps de Planck, que l'on peut d'ailleurs évaluer au moyen des trois constantes G, c, h. A savoir la constante gravitationnelle, la vitesse de la lumière et la constante de Planck. Ces trois constantes traduisent les propriétés naturel de l'Univers et conduisent à une valeur d'environ 10P-43 secondes. Il s'‘ensuit que lorsque l'on remonte à l'envers l'histoire de l'Univers, il arrive un moment où l'échelle de temps considérée est du même ordre de grandeur que l'incertitude sur la mesure du temps.

Avant le temps de Planck.
C'est le domaine de la gravité quantique ( théorie hautement spéculative ), encore très mal connu. Les quatre interactions sont unifiées. L'espace et le temps subissaient des distorsions, l'espace pouvait devenir le temps et le temps devenir l'espace. Il existait d'ailleurs peut être de nombreuses autres dimensions, comme semble l'indiquer la théorie des supercordes ( théorie spéculative ). Ces dimensions se seraient ensuite " enroulées " sur elles mêmes pour laisser l'Univers évoluer selon les quatre dimensions d'espace et de temps que nous connaissons actuellement. Le vide n'était pas vide ( vide quantique* ): il comprenait de nombreuses particules de matière et d'antimatière qui apparaissaient et disparaissaient comme des bulles de savon. Notre Univers actuel est peut être issue de l'une de ces fluctuations quantique du vide. Cette période mystérieuse, non temporelle a débouché sur l'émergence de l'espace et de la flèche du temps. Le temps, tel que nous le connaissons, acquiert alors une réalité. C'est le temps de Planck auquel on peut associer une longueur, en le multipliant par la vitesse de la lumière, soit environ 10Pui-35 mètre.

L'horloge affiche: 10Pui-43 seconde.
Au temps de Planck, la température était de 10Pui32 K° et l'énergie par particule de 10Pui19 GeV ( giga électronvolt ). Cette extraordinaire énergie n'est cependant qu'un milliardième de l'énergie de masse d'un être humain. A ceci près que dans l'Univers de Planck, cette énergie est celle d'une seule particule. C'est notre première transition de phase.
L'interaction gravitationnelle se sépare des trois autres interactions. Ses aspects quantiques deviennent négligeables sauf dans des cas extrêmes, tel qu'aujourd'hui dans les collisions d'étoiles à neutron ou dans les explosions de supernovae. Dans notre monde actuel, l'interaction nucléaire forte s'applique à une famille de particules appelées baryons, dont font parti les composants des noyaux atomiques ( neutron et proton ). Plus précisément, elle relie entre eux les quarks par l'intermédiaire d'un autre vecteur le gluon. L'interaction nucléaire faible, quant à elle ne s'applique qu'aux leptons, qui comprennent les électrons et les neutrinos.
Dans une réaction nucléaire, le nombre de baryons et celui de leptons après la réaction sont le même qu'avant la réaction. On dit qu'il y a conservation du nombre de baryons et du nombre de leptons. Cette loi de conservation ne valait pas lorsque ces interactions étaient unifiées, des baryons pouvaient devenir des leptons et inversement des leptons pouvaient devenir baryons. Ces échanges d'états se produisaient par l'intermédiaire de particules très lourdes, appelées bosons X et de leur antiparticules, les X'. Ces bosons, dont l'énergie de l'ordre de 10Pui15 GeV, étaient formés à partir de quarks et de leptons. La fin de cette période de grande unification qui correspond à la séparation de l'interaction nucléaire forte avec les trois autres, se produit précisément lorsque les particules X cessent d'exister en équilibre dans le milieu. La composition de notre Univers suit d'une manière générale des règles tout au long de son évolution, lorsque l'énergie moyenne est supérieure à l'énergie de masse d'une particule, celle-ci existe en équilibre dans le milieu. Dés que l'énergie moyenne baisse en dessous de la masse de la particule existante, cette dernière disparaît presque entièrement, ne laissant qu'un reliquat gelé dans l'Univers en refroidissement. Ainsi, a l'époque qui nous intéresse ici, des particules de toutes sortes existent, de même que leurs antiparticules.



L'horloge affiche: 10Pui-35 seconde
Le thermomètre cosmique affiche environ 10Pui28 K° et l'énergie moyenne par particule est de 10Pui15 GeV. C'est notre deuxième transition de phase.
On assiste à ce moment précis à la séparation de l'interaction nucléaire forte avec les deux autre interactions encore unifiées, c'est à dire l'interaction électrofaible. Il n'y a pratiquement plus d'échange entre les baryons et les leptons. La partition des interactions a verrouillé les portes entre les deux types de particules. La disparition des boson X et X' est probablement à l'origine de la création de la baryogenèse ( création de la matière ). C'est à dire la très faible dissymétrie entre matière et antimatière. En effet, dans un Univers en évolution, par un processus complexe de physique des particules dû à nouveau à la violation d'une interdiction, La désintégration des X et X' laisse un tout petit peu plus de quarks que d'antiquarks.

L'inverse aurait été aussi possible mais comme notre monde est dominé par la matière, c'est le premier scénario qui s'applique. On peut calculer pour expliquer l'Univers actuel, l'excédant de quarks qui a prédominé sur les antiquarks. Les estimations donnent 1 quark supplémentaire pour 30 millions, c'est à dire que pour 30 millions d'antiquarks il y avait 30 millions de quarks plus 1 quark . Nous sommes les descendants de ce quark supplémentaire. Qui plus est, nous sommes nés de la transgression d'une interdiction au moment de la partition de l'interaction nucléaire forte.
La séparation de l'interaction nucléaire forte avec la force électrofaible entraîne une brisure de symétrie et changement de l'énergie du vide. Cela a une répercussion immédiate sur l'Univers qui se dilate en 10Pui-32 seconde d'un facteur 10Pui27, soit 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. C'est l'inflation cosmologique, qui se décompose en deux phases. La première entraîne un refroidissement soudain et rapide de l'Univers. La température décroît brusquement, jusqu'à des valeurs extrêmement basses entraînant en même temps, l'accroissement des distances énoncés ci-dessus. Cette expansion rapide se termine bientôt et la température remonte pratiquement jusqu'à sa valeur d'avant l'épisode inflationnaire. La seconde phase, le réchauffement, dégage une énergie thermique considérable. La création d'une grande quantité de photons marque la fin de cet épisode inflationnaire. La température et les distances reprennent alors leur comportement habituel. Nous arrivons maintenant à des énergies de 300 GeV, aujourd'hui de telles énergies sont accessibles avec les grands accélérateurs de particules comme le LHC ( large hadron collider ) au Cern et donc aux expérimentations. Ces énergies correspondent à une température de 1 million de milliards de degrés, soit 10Pui15 K°.





L'horloge affiche: 10Pui-10 seconde
La densité du milieu, d'environ 10Pui26 grammes par centimètre cube, est encore très supérieure à la densité nucléaire. Il n'y a pas encore de protons et de neutrons, mais des quarks libres et des électrons. C'est alors que se réalise la séparation entre l'interaction nucléaire faible et de l'interaction électromagnétique. C'est notre dernière transition de phase. Cette nouvelle partition entre interaction entraîne une nouvelle brisure de symétrie et un nouveau changement d'énergie du vide, qui doit conduire en théorie à une nouvelle période inflationnaire. Les particules de l'interaction nucléaire faible, les bosons W+ et W- et le Z°, commencent à exister avec leurs masses respective de 80 GeV et 91 GeV. La découverte de ces particules au Cern par une équipe de physiciens à apporté la preuve de l'existence de cette transition électrofaible. En revanche, la théorie prévoit l'existence d'une autre particule, le boson de Higgs, qui n'a pas encore été détecté. Ce sera l'un des projets du futur LHC du Cern. Si se fameux boson de Higgs est détecté cela confirmera la théorie du modèle standard de la physique des particules.
L'horloge affiche: 10Pui-6 seconde
La température est maintenant de 3 x 10Pui12 et la densité d'énergie de 100 MeV par particule, les quarks se mettent trois par trois pour former les protons et les neutrons, qui restent en équilibre jusqu'a une seconde ( 1 Mev ), période ou un nouveau venu apparaît le neutrino qui se sépare de la matière. Si dans l'avenir il devient possible d'observer ces neutrinos cosmologiques, nous aurons une possibilité de sonder l'Univers jusqu'à cette période.



L'horloge affiche 100 secondes
C'est le début de la nucléosynthèse primordiale. Les noyaux atomiques vont s'agencer entre eux et former les premiers noyaux d'hydrogène et d'hélium. Le plasma ainsi créé va se refroidir pendant 380 000 ans, période de la recombinaison ou les électrons vont rejoindre les noyaux atomique pour former les premiers atomes et enclencher un processus de création de plus en plus complexe.



Transition de phase: les transitions de phases sont des phénomènes courants dans notre vie quotidienne, l'eau qui boue sur le feu, correspond à une transition de phase liquide-vapeur. Les transitions de phase solide-liquide-vapeur, appelées " transition du premier ordre " sont sujets aux phénomènes de surfusion, de l'eau très pure peut être refroidie à plus de 20° en dessous de zéro sans geler. Mais la moindre impureté la fera prendre immédiatement en glace. Considérons maintenant une bille au repos posé sur le cul d'une bouteille. Dans un premier temps la bille reste sur la bosse. Mais elle est en équilibre instable. Elle finit par tomber d'un côté ou de l'autre, au fond de la rigole. Il s'agit d'une transition de phase dite du " deuxième ordre ". La bille sur la bosse constituait un espace symétrique. Une fois tombée sur le côté, la symétrie est perdue. On dit qu'il y eu " brisure de symétrie". Par ailleurs la chute de la bille entre le sommet de la bosse et le creux de la rigole correspond à une diminution d'énergie potentielle. Une transition de phase du second ordre se produit avec une variation d'énergie du milieu. Ce processus de transition de phase avec brisure de symétrie permet de proposer une explication de la différenciation des interactions au cours de l'évolution de l'Univers. La bosse du fond de la bouteille représente une densité d'énergie de l'Univers appelée " faux vide " et la rigole de la bouteille correspond à un autre état du vide, de densité d'énergie moindre, appelé " vrai vide ".


Vide quantique: en physique quantique, le vide n'est pas un milieu inerte, il est le siège de fluctuations énergétiques qui produisent des effets observables.



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Le problème d'une théorie, c'est sont échafaudage. Le but d'une théorie, c'est de concevoir la nature des observations en les quantifiant et en les classifiant de manière scientifique et en utlisant tous les moyens possibles pour que cette théorie soit en symbiose avec les observations. La théorie du Big bang ( même si elle laisse percevoir des zones d'ombre ) a été corroboré par 75 années d'expérimentations. Basé sur la théorie de la relativité générale ( théorie géométrique de l'espace/temps ) qui servit de base a une première ébauche de l'atome primitif ( théories indépendantes de Alexandre Friedmann 1921 et George Lemaitre 1927 ) . En 1929 Edwin Hubble en découvrant l'expansion des galaxies apporta à la théorie du big bang un de ses piliers majeurs. D'autres découvertes prédites en théories furent à leur tour, l'objets de découvertes majeurs. A savoir: La découverte fortuite par Arno Penzias et Robert Wilson du rayonnement diffus cosmologique en 1965 basé sur les prédictions de George Gamow à la fin des années 40. Ainsi que la nucléosynthèse primordiale expliquant le taux des atomes légers présents dans l'Univers. Explications corroborées par le modèle standard de la physique des particules.

Faute d'un appui d'une autre théorie: La théorie de l'état stationnaire qui fût en son temps le modèle qui supplanta le Big bang, a été jetée aux oubliettes. Le futur satellite de l'agence spatiale européenne " Planck " sera t'il le détracteur ou bien confortera t'il le modèle big bang. Nous le serons en 2008.

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MessagePosté le: Jeu 27 Déc - 19:40 (2007)    Sujet du message: Publicité

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