L’Univers à portée de main

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Phrase-résumée de “L’Univers à portée de main” : Ce roman vous fera voyager à travers le temps et l’espace, l’infiniment petit et l’infiniment grand, pour mieux comprendre notre Univers et tout ce qui nous entoure.

Par Christophe Galfard, 2016, 603 pages.

Titre original : The Universe in Your Hand – A Journey Through Space, Time, and Beyond

Note : Cette chronique est une chronique invitée écrite par Laura et Marion du blog Astronomie Pratique.

Chronique et résumé de “L’univers à portée de main” :

Dans l’Univers à portée de main, Christophe Galfard nous emmène à la découverte de l’Univers et de tous ses mystères.

Qui est l’auteur ?

Christophe Galfard est un physicien et écrivain français. Pendant ses études il a été l’élève du très célèbre Stephen Hawking.

Parmi les questions auxquelles il répond dans ce livre, on peut citer :

  • De quoi l’Univers est-il fait ?
  • Quelle est son histoire ?
  • Quel est l’origine de l’espace et du temps ?
  • Que se passe t-il à proximité d’un trou noir ?
  • Qui y a t-il en dehors de l’Univers ?

Vous en apprendrez davantage notamment sur l’immensément petit et l’immensément grand, les trous noirs, la lumière, la gravitation, le temps, et plein d’autres sujets passionnants ! Pour vous convaincre que ce livre est à la portée de tous, dans l’avant-propos l’auteur nous fait part de sa profonde conviction que la connaissance scientifique est accessible à tous.

Voici son ambition : « Que personne ne se retrouve perdu en lisant ce livre. »

Ici, pas d’équation ou de langage scientifique complexe. Du moins pas sans l’avoir expliqué avant. Non, juste une histoire pour mieux comprendre le monde dans lequel nous vivons et tout ce qui nous entoure.

Sans plus attendre, plongeons dedans ensemble.

Partie 1 : La fin de l’humanité

Dès les premières pages, le lecteur est aspiré dans le corps, et surtout l’esprit d’un personnage se trouvant en vacances avec des amis sur une île. Nous allons donc vous retransmettre un peu de ce voyage dans cette chronique.

Tout commence sur une plage. Vous attendez vos amis censés vous rejoindre pour la soirée. En patientant, vous levez les yeux au ciel et contemplez la voûte céleste. C’est ici que le voyage débute… Vous êtes assailli de questions sur les étoiles quand soudain vous voyez passer une étoile filante. Vous décidez alors de faire un vœu. Instantanément, vous vous retrouvez projeté 5 milliards d’années plus tard dans le vide de l’espace.

Perdu dans cette immensité silencieuse, vous êtes témoin d’un spectacle effrayant : la mort du Soleil… Celle-ci est violente et entraîne par la même occasion l’éradication de notre très chère planète.

Revenu brutalement sur la plage loin de ce spectacle, vous prenez alors conscience que pour empêcher le Soleil d’entraîner dans sa chute la Terre et donc l’Humanité, vous devez développer vos connaissances.

C’est le point de départ d’un long voyage, au cours duquel Christophe Galfard nous fait découvrir les merveilles de l’Univers.

Partie 2 : Le Cosmos

Cette première grande partie nous plonge doucement dans l’espace en commençant par nous initier aux éléments les plus basiques de l’astronomie.

Nous partons ainsi à la découverte de la Lune, du Soleil et des planètes qui tournent autour de celui-ci, puis de notre galaxie toute entière.

La Lune

Après votre saut vertigineux 5 milliards d’années dans le futur, vous voilà revenu dans le présent sur votre île. Mais pas pour longtemps.

Comme par magie, vous vous retrouvez d’un coup propulsé sur la face cachée de la Lune. Vous découvrez alors la grande différence entre notre satellite et notre planète : il n’y a pas d’atmosphère sur la Lune. Par conséquent : pas de ciel bleu, il fait nuit tout le temps. Autre différence : depuis la Lune les étoiles ne scintillent pas. Là encore, à cause de l’atmosphère inexistante de notre satellite.

Brusquement, un flash vous fait apercevoir la naissance de la Lune.

Il y a 4 milliards d’années, alors que la Terre était encore en formation, une autre planète ayant environ la taille de Mars percute violemment la Terre.

La collision est d’une violence inouïe.

Une partie de la Terre est arrachée et éjectée dans l’espace. Au fil des milliers d’années suivantes, tous ces débris vont se regrouper pour former la Lune.

Soudain, vous apercevez un point bleu dans l’espace. C’est la Terre. Vous prenez alors conscience de la beauté de notre planète, et de la place minuscule qu’elle occupe dans cet espace qui semble infini.

Cette vision remet en perspective votre vie. Vous vous sentez minuscule et insignifiant face à cette immensité. Mais en même temps, vous prenez conscience de la chance que vous avez d’habiter cette magnifique planète si propice au développement de la vie.

Bon, notre satellite est bien sympathique, mais il est maintenant temps de partir un peu plus loin et d’aller rendre visite à notre Soleil.

Le Soleil

mieux comprendre le monde et le soleil

Crédit Image : NASA/SDO

Le Soleil est gros. Très gros.

Pour que vous puissiez vous imaginer à quel point, l’auteur le compare à une pastèque. Eh bien, si la Terre se trouvait à côté de lui, vous auriez besoin d’une loupe pour pouvoir la voir !

Impressionnant n’est-ce pas ?

Pour comprendre un peu le Soleil, il faut savoir ce qu’est une étoile et comment cela fonctionne.

Malheureusement, ce serait bien trop long à vous expliquer ici. Cependant, il existe des principes de bases importants.

En effet, ce qui fait d’une étoile ce qu’elle est, c’est ce que l’on appelle la nucléosynthèse stellaire. C’est ce phénomène qui lui permet de briller et qui la différencie d’une planète par exemple.

En son cœur, une étoile crée de nouveaux atomes en en fusionnant des plus petits.

Sans rentrer dans les détails, ce processus libère énormément d’énergie notamment sous forme de particules appelées photons, les constituants de la lumière. L’auteur nous entrainera par la suite à la découverte de ces derniers.

Pour finir sur les étoiles, toute la matière qui nous entoure, vous et nous, sommes faits de poussière d’étoiles.

En effet, lorsqu’une étoile meurt elle expulse dans l’Univers tous les atomes qu’elle a créés tout au long de sa vie. Et ce sont ces derniers qui se sont assemblés pour former la matière.

Allons maintenant rendre visite aux autres planètes de notre Système solaire.

Les planètes

histoire des planètes

Alors que vous vous baladez tranquillement dans le Système solaire, vous découvrez deux types de planètes différentes.

Les 4 plus proches du Soleil (Mercure, Vénus, la Terre et Mars) sont des planètes rocheuses, c’est-à-dire possédant un noyau solide et une couche rocheuse.

Puis, 4 autres planètes (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune) dites géantes gazeuses. Vous vous en doutez, car elles sont bien plus grandes que les précédentes et sont essentiellement composées de gaz.

Après avoir fait un tour rapide de ces planètes, vous continuez votre périple en passant par la ceinture de Kuiper, au passage vous faites un petit coucou à Pluton (qui a perdu sa dénomination de planète il y a quelques années), puis traversez le nuage d’Oort.

Vous voilà désormais en dehors du Système solaire et bien loin de notre planète bleue. Votre prochaine étape est l’étoile la plus proche de notre Soleil : Proxima du Centaure.

Proxima du Centaure

Vous venez de parcourir une très grande distance. Mais grande comment d’après vous ?

Eh bien Proxima, qui est l’étoile la plus proche du Soleil, se situe à environ 4 années-lumière de nous. Cela signifie qu’en voyageant à la vitesse de la lumière, soit 300 000 km/s, il vous faudrait 4 ans pour y parvenir ! Oui, c’est très très loin… Mais en même temps, à l’échelle de l’Univers, cette distance est minuscule.

Proxima du Centaure est ce que l’on appelle une naine rouge. C’est donc une étoile plus petite que le Soleil (environ 7 fois plus petite pour Proxima), et de couleur rouge évidemment.

D’après les astrophysiciens, les naines rouges constituent la majorité des étoiles que nous connaissons.

Autour d’elle gravite au moins une planète découverte en 2016 dans un observatoire au Chili. C’est ce qu’on appelle une exoplanète, c’est-à-dire une planète se trouvant en dehors du Système solaire.

Proxima étant plus petite, son espérance de vie est bien supérieure à celle du Soleil. Eh oui, plus une étoile est petite et plus elle vit longtemps.

Nous continuons notre voyage pour aller découvrir ce qu’il se passe au centre de notre galaxie. Et vous allez voir que vous n’allez pas être déçu…

Trou noir supermassif

Nous imaginons que vous avez déjà vu le mot « trou noir ». Il qualifie un monstre dévoreur d’étoiles. Mais savez-vous vraiment de quoi il s’agit ?

Pour faire simple, il s’agit d’un objet minuscule ayant une masse gigantesque, et donc exerçant une attraction gravitationnelle énorme.

Cette particularité a pour conséquence directe que, passé une certaine limite (appelée l’horizon des évènements), rien, y compris la lumière, ne peut plus échapper au trou noir.

La lumière ne pouvant plus sortir, elle est prisonnière, raison pour laquelle on appelle cela un trou noir.

 

livre scientifique trou noir

Les chercheurs en astrophysique pensent qu’il y en a un au centre de chaque galaxie. La nôtre n’y fait pas exception, et celui qui se trouve au centre de la Voie lactée se nomme Sagittarius A* (prononcé « Astar »).

Sa masse est d’environ 4 millions de fois celle du Soleil !

Imaginer un peu ce que cela peut représenter… Enfin non… Vous pouvez tenter de l’imaginer pendant longtemps, en réalité il nous est malheureusement impossible d’appréhender des valeurs aussi énormes.

Les trous noirs sont les objets célestes les plus mystérieux que l’on connaisse. Bien que nous ne sachions en réalité pas grand-chose sur eux. Ils fascinent donc de très nombreux astronomes ou rêveurs.

Laissez-moi rapidement vous emmener à proximité de l’un d’eux pour voir ce qu’il se passerait. Parmi les phénomènes étranges qui se passent près d’un trou noir, en voici deux :

  • Le temps ralentit, à tel point que vous assisteriez à la mort du Soleil, et bien plus loin encore.
  • Vous vous étireriez et vous transformeriez en spaghetti géant.

Eh oui, nous parlons bien de science, et non de science-fiction. Mais vous allez voir tout au long de cet article que la science dépasse parfois la science-fiction…

Nous prenons maintenant un peu de hauteur pour nous situer au-dessus de notre galaxie afin de mieux l’étudier.

La Voie lactée

Mais au fait c’est quoi une galaxie ?

Avant de continuer, voyons un peu ce qu’est une galaxie.

Voici une définition simple : une galaxie est un ensemble d’étoiles, de poussières (eh oui le ménage n’est pas fait très souvent) et de gaz. Avec, comme nous l’avons vu juste avant, un trou noir en son centre dans la plupart des cas.

Maintenant étudions un peu notre galaxie, la Voie lactée.

Notre galaxie

La Voie lactée comprend environ 300 milliards d’étoiles. Elles sont toutes unies par la gravité du trou noir que nous venons d’explorer.

Elle est composée d’un centre et de 4 bras qui forment une spirale.

Vous pouvez alors vous demander : mais où nous situons-nous dans tout cela ?

Eh bien nous nous trouvons sur l’un des bras. Plus proche de la périphérie que du centre.

voie lactee galaxie

Crédit Image : NASA/Adler/U. Chicago/Wesleyan/JPL-Caltech

Ne nous cherchez pas, vous ne nous trouverez pas !

D’après vous, quelle place a la Voie lactée dans notre Univers ?

Vous pensez peut-être que 300 milliards d’étoiles c’est déjà énorme et que notre galaxie est la seule. Eh bien détrompez-vous ! La Voie lactée n’est qu’une galaxie parmi des milliards

Nous vous laissons compter le nombre d’étoiles que cela peut représenter. Ou encore plus nombreuses, les planètes…

Cela donne le vertige n’est-ce pas ?

Revenons un peu sur Terre. À votre avis, toutes les étoiles que nous observons la nuit s’étendent jusqu’où ? Voyons-nous celles d’autres galaxies ?

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La réponse est non. Toutes les étoiles que vous pouvez contempler en levant les yeux au ciel ne sont que les étoiles les plus proches de nous. Donc qu’une toute petite partie de notre galaxie.

Cependant, d’autres galaxies sont observables à travers un télescope, même amateur. Et en réalité, notre plus proche voisine (dans la même catégorie que la Voie lactée) est même visible à l’œil nu ! Son nom est la galaxie d’Andromède.

Il est maintenant temps de commencer une seconde partie, tout aussi passionnante, consacrée cette fois aux lois qui régissent notre Univers.

Partie 3 : Les lois de notre Univers

La gravitation

Nous supposons que vous connaissez déjà la loi de la gravitation. On la ressent constamment. C’est elle qui vous tient assis sur votre chaise, ou peu importe l’endroit où vous vous trouvez.

Cette partie s’attarde sur comment deux hommes l’ont « découverte » et ont ainsi révolutionné notre manière de voir le monde.

D’abord Newton en 1687. Ce qu’a fait Newton, c’est décrire précisément les effets de la gravitation. Il a énoncé trois lois fondamentales permettant de décrire le mouvement d’un objet. Cependant, même si ses lois sont correctes et ont servies pendant plus de deux siècles sans poser de problème et servent encore aujourd’hui, elles n’expliquent pas pourquoi elles fonctionnent.

En effet, la gravitation restait une force mystérieuse dont on ne comprenait pas bien l’origine. On sait grâce à Newton comment elle fonctionne et les conséquences qu’elle a sur la matière mais on ne connaît pas ce qui la provoque.

Il faudra donc attendre dix-huit décennies pour qu’un autre physicien très célèbre nous explique ce qu’est en réalité l’attraction gravitationnelle.

Ainsi en 1915, Albert Einstein rédige un article intitulé Fondements de la théorie générale de la relativité publié en 1916.

Ce que nous dit Einstein c’est que, contrairement à ce que l’on pensait depuis Newton, la gravitation n’est pas une force mais plutôt une déformation de l’espace-temps.

Pour mieux comprendre, imaginez que vous tendiez un drap entre deux poteaux. Pas trop non plus, il faut qu’il puisse se mouvoir sous l’effet du vent.

Maintenant prenez un objet et placez-le sur ce drap. Il y a un creux qui se forme là où l’objet se trouve. Et, si vous preniez une petite bille et que vous la placiez suffisamment proche de cet objet, vous la verriez glisser dans le creux formé par l’objet.

Eh bien, ce que nous apprend Einstein c’est que l’Univers est constitué de ce qu’il appelle l’espace-temps, et celui-ci joue le même rôle que le drap.

Maintenant, on place dans cet Univers des astres, des étoiles, des planètes etc. Eh bien, ces astres déforment chacun un peu la trame de l’espace-temps. Ils forment des creux, des courbes plus ou moins importants en fonction de leur taille et de leur masse.

En effet, imaginez que vous posiez une balle de tennis sur votre draps et un peu plus loin une boule de bowling. Vous vous rendez sûrement compte que la balle de tennis déforme beaucoup moins le drap que la boule de bowling.

C’est exactement la même chose avec l’Univers. Le Soleil déforme plus l’espace-temps que la Terre. Par conséquent, il attire vers lui des objets plus éloignés. À une certaine distance de lui, les objets se trouvent donc en haut d’une pente et ont tendance à « tomber ».

C’est donc cela qui provoque l’attraction gravitationnelle décrite par Newton 228 ans plus tôt.

Bon, vous vous en doutez c’est quand un même un peu plus compliqué que cela, mais l’idée essentielle est là.

Sauf qu’on ne voit pas le drap et qu’il s’agira plutôt d’un tissu cosmique déformable en 3D, voire même en 4D.

La lumière

La vitesse de la lumière est d’environ 300 000 km/seconde.

Par exemple, comme le fait remarquer l’auteur, le temps que vous lisiez cette phrase la lumière a déjà fait 26 fois le tour de la Terre…

Cela doit vous paraître extrêmement rapide. Et encore le mot est faible… Mais en même temps, au vu des distances dans l’Univers, cela est en réalité très lent.

Voir dans le passé

Pour illustrer, la lumière du Soleil met environ 8,5 minutes à nous parvenir. Donc, lorsque nous « regardons » le Soleil, nous le voyons comme il était il y a 8,5 minutes.

Ainsi, plus vous observez un objet lointain, plus sa lumière aura mis de temps à vous parvenir.

Eh oui, cela signifie donc que lorsque vous observez les étoiles, vous remontez le temps.

« Regarder loin, c’est regarder tôt. »

voir dans le passé infini

Mais ce n’est pas le seul prodige que la lumière nous permet.

Déterminer la composition des objets célestes

En effet, la lumière nous permet de déterminer la composition des objets lointains comme les étoiles, les nuages de gaz ou encore l’atmosphère des planètes.

Il serait trop long d’expliquer ici comment ce miracle est possible mais sachez que l’auteur explique très bien le processus.

Nous allons néanmoins vous montrer un peu le concept.

La lumière est composée de plusieurs longueurs d’ondes qui correspondent chacune à une couleur. Nous n’en percevons qu’une partie qui va du rouge au violet mais il existe également les infra-rouges et les ultraviolets par exemple.

On peut ainsi décomposer la lumière blanche, émise par une étoile, en un spectre de ce type :

spectre electromagnetique lumiere

Quand elle traverse un élément, celui-ci absorbe une certaine partie de cette lumière. On obtient alors des raies d’absorption.

Et ces raies sont caractéristiques de chaque élément. En observant le spectre d’absorption d’un objet, on peut ainsi déterminer ce qui le compose.

Voyez par exemple ici le spectre d’absorption de l’hydrogène qui présente quatre raies d’absorption. Ce spectre est caractéristique de ce type d’atomes.

spectre absorption hydrogene

On peut ainsi déterminer la composition des astres.

Les ondes gravitationnelles

Il est possible que vous ayez déjà entendu ce nom. Eh oui, on en a beaucoup parlé il y a quelques années.

En 2015 plus exactement. En effet, le 14 septembre 2015, étaient détectées pour la première fois des ondes gravitationnelles.

Avant de vous expliquer comment elles ont pu être détectées, voyons rapidement ce que sont ces ondes.

Une onde gravitationnelle est une fluctuation périodique de la courbure de l’espace-temps, vous vous souvenez le fameux tissu qui est à l’origine de la gravitation ?

Cette fluctuation se propage sur de longues distances à partir de son point de formation. Vous pouvez l’imaginer comme une vague.

Elles seraient produites par des astres massifs dont le mouvement s’accélère. Ces ondes peuvent provenir par exemple d’une collision entre deux trous noirs.

Elles ont pu être détectées grâce au LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), constitués de deux capteurs situés dans deux états américains différents : l’un en Louisiane et l’autre dans l’état de Washington.

laser ligo et theories univers comprendre notre monde

Pour faire simple, disons simplement que ce sont des capteurs extrêmement précis permettant de mesurer une très très faible variation de distance pouvant être causée uniquement par les ondes gravitationnelles.

Le LIGO a donc été conçu et sert précisément à détecter des ondes gravitationnelles. Il a été créé suite à des prévisions d’Einstein. Mais il pensait qu’on ne pourrait jamais les observer nous-mêmes car cela était trop complexe.

Malgré cela, des chercheurs en astrophysique se sont lancés dans le projet et des années plus tard ont réussi cet exploit que même Einstein pensait impossible.

Retenez que si des personnes ont pu réussir un projet que même Einstein pensait impossible, cela est également possible pour votre projet, quel qu’il soit… !

Cette fameuse date du 14 septembre 2015 est donc une date très importante pour l’astrophysique car c’était la première fois que l’on percevait un signal autre que de la lumière.

La loi de Hubble

L’étude de la composition des étoiles à partir de la lumière nous a également permis de faire une autre découverte astrophysique importante. Vous vous souvenez des spectres obtenus avec les raies caractéristiques de certains éléments ?

Eh bien, en les étudiant on s’est rendu compte que les raies d’absorption caractéristiques des éléments étaient toutes décalées vers le rouge. Encore plus troublant, plus les objets observés sont éloignés, plus leur spectre est décalé vers le rouge.

Mais alors comment est-ce possible ? Qu’est-ce qui est à l’origine de ce décalage ?

Eh bien tenez-vous bien, cela est tout simplement dû au fait que notre Univers est en expansion.

L’auteur n’en parle pas et c’est dommage mais cela vient de ce que l’on appelle l’effet Doppler. En effet, Doppler nous dit que lorsqu’un objet s’éloigne de nous, la lumière qui nous parvient possède une longueur d’onde plus élevée que s’il était immobile. Et inversement, si un objet se rapproche de nous, la longueur d’onde diminue. Cela se traduit en terme de couleurs par un décalage vers le rouge lors de l’éloignement et vers le bleu lors du rapprochement.

D’où la conclusion que notre Univers s’étend car les galaxies s’éloignent les unes des autres.

Sachez également qu’à partir de cette découverte on peut également savoir à quelle vitesse un astre s’éloigne simplement en étudiant le décalage présent sur son spectre.

D’ailleurs, en 1929 Edwin Hubble énonce une loi, qui porte son nom, qui relie la vitesse d’éloignement des galaxies à leur distance.

Cela nous mène a une conclusion assez simple : si l’Univers s’agrandit au fil du temps, cela signifie qu’il était plus petit auparavant… Vous serez d’accord.

Eh bien cela nous mène tout droit à la fameuse théorie du Big Bang.

Big Bang

Selon cette théorie, l’Univers tout entier aurait été compris en un seul point au commencement, il y a 13,8 milliards d’années. Ce point minuscule contenait à la fois l’espace et le temps.

C’est vrai, imaginer tout notre Univers comprimé en un minuscule point est un concept difficile à appréhender. Mais admettons.

Comment sait-on que le Big Bang s’est produit il y a 13,8 milliards d’années ? Avons-nous des preuves de ce phénomène ou est-ce simplement une théorie ?

Pour répondre à la seconde question, oui nous avons des preuves. L’une d’elles se nomme le fond diffus cosmologique et a été découvert un peu par hasard en 1965.

Deux physiciens américains étaient chargés d’installer une antenne destinée à recevoir des ondes radios. Mais ils se retrouvèrent face à un problème : un bruit inconnu faisait grésiller leur antenne et brouillait leur signal. Ne trouvant pas la cause du souci, ils accusèrent les oiseaux et se mirent à nettoyer et re-nettoyer leur appareil. Mais rien n’y faisait, le bruit était toujours là. Ils finirent donc par appeler d’autres scientifiques pour les aider. Ce qu’ils découvrirent fut stupéfiant…

Le bruit qu’ils entendaient ne venait pas d’un problème de leur appareil. Non, en réalité il venait de l’espace.

Ce bruit était là depuis près de 13,8 milliards d’années (ce qui répond à la première question). Il était d’ailleurs l’une des conséquences prévues par les équations d’Einstein.

Ce bruit, appelé fond diffus cosmologique, correspond donc à « l’image » du Big Bang, que voici.

big bang l'univers à portée de main

Crédit Image : ESA et the Planck Collaboration

Sachez également qu’avant cette découverte, la théorie du Big Bang semblait complètement absurde pour de nombreux astrophysiciens. Le phénomène est maintenant largement admis par la communauté scientifique.

Après avoir plongé à la découverte de l’infiniment grand, il est temps de s’intéresser à ce qui le compose, l’infiniment petit.

Partie 4 : Le monde quantique

Avant de partir pour un voyage dans l’infiniment petit, l’auteur nous propose de nous préparer psychologiquement.

Il nous explique que nos sens sont limités, qu’ils sont adaptés à notre échelle, pour vivre dans notre monde.

Par conséquent, il nous est impossible d’appréhender tant les notions de l’immensément grand que celles de l’immensément petit.

« Nos sens sont nos fenêtres sur le monde, mais ce ne sont que de minuscules hublots donnant sur une immense mer qui nous est inconnue. »

Vous l’avez donc compris, nous ne pouvons pas uniquement nous fier à nos sens pour comprendre notre Univers. N’essayez donc pas d’appréhender les notions qui viennent avec vos sens, ou avec quoi que ce soit que vous connaissez dans le monde à notre échelle.

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Qu’est-ce que le monde quantique ?

Comme nous venons de le dire, il s’agit du monde de l’infiniment petit. Celui dans lequel naissent et évoluent les particules élémentaires, comme la lumière par exemple.

Il est absolument partout. Dans le sol, dans l’eau, dans l’air, dans l’espace, dans vous et dans moi… Bref partout.

Mais il est bien caché.

Cela nous a pris beaucoup de temps pour le découvrir. Mais aujourd’hui, même s’il est encore rempli de mystère, nous savons qu’il existe.

Si vous ne comprenez pas tout (voir rien du tout) à ce qui va suivre, c’est complètement normal !

Einstein aurait lui-même dit à ses étudiants en physique quantique (science qui tente d’expliquer le monde de l’infiniment petit) :

« Si vous m’avez compris, c’est que je n’ai pas été clair. »

Ou encore Richard Feynman, prix Nobel de physique :

« Je crois pouvoir affirmer que personne ne comprend vraiment la physique quantique. »

Une petite dernière de Niels Bohr, lui aussi prix Nobel de physique :

« Ceux qui n’ont pas été sous le choc quand ils ont découvert la théorie quantique ne peuvent l’avoir comprise. »

Il faut donc que vous abordiez ce qui va suivre sans à priori, même si cela vous paraît complètement fou. Nous vous rassurons encore une fois, c’est pareil pour tout le monde, même les scientifiques qui travaillent dans ce domaine…

Maintenant que vous voilà préparé, allons-y, entrons ensemble dans le terrier du lapin d’Alice au Pays des Merveilles.

Le champ quantique

Nous l’avons vu, les atomes composent la matière. Mais de quoi ces atomes sont-ils composés ?

C’est ce que nous allons voir tout de suite.

Nous sommes à présent dans le monde quantique, un monde dans lequel notre réalité n’a aucun sens et où les lois de la physique telles que nous les avons vues n’ont plus cours.

Un atome est composé de deux parties chargées : le noyau et une sorte de nuage qui gravite autour.

  • Le noyau est chargé positivement, il se compose de particules appelées protons (et également de neutrons qui sont neutres).
  • Autour de ce noyau, se trouvent des électrons qui forment une sorte de nuage. Ces électrons sont chargés négativement.

Ils forment le champ électromagnétique, le premier des champs quantiques.

champ electromagnetique

Il existe trois champs quantiques : le champ électromagnétique, le champ de l’interaction forte et le champ nucléaire faible.

Le champ de l’interaction forte est ce qui stabilise tous les noyaux d’atomes de l’Univers. On parle d’interaction forte car il s’agit du champ quantique naturel le plus puissant que nous connaissions.

Il y aurait bien sûr beaucoup à dire sur ce champ mais ce serait bien trop long ici. Nous vous laissons le soin de le découvrir en lisant l’Univers à portée de main.

En ce qui concerne le champ nucléaire faible, contrairement aux deux premiers champs, c’est une force destructive. Comme son nom l’indique, il s’agit d’une force nucléaire. Elle intervient uniquement sur les constituants des noyaux atomiques.

Vous l’aurez sans doute compris, cette force est beaucoup moins puissante que sa cousine l’interaction forte. Mais elle a néanmoins le pouvoir de détruire ce que cette dernière produit. En effet, cette interaction a le pouvoir de provoquer la désintégration d’un noyau atomique. Elle est responsable de ce que l’on appelle la radioactivité, qui, vous n’êtes pas sans le savoir, est extrêmement dangereuse.

Ainsi, ces trois champs nous entourent, ils sont partout. Ce qui nous apparaît comme étant vide est en fait composé de milliards de particules comme celles que nous venons de voir.

Vous venez de faire vos premiers pas dans un monde fait de particules élémentaires, le monde quantique. Il est temps de partir un peu plus profondément à la découverte de ce monde.

Les particules

Nous venons de voir que ce qui nous apparaît comme étant vide est en réalité composé de différentes sortes de particules.

Voyons maintenant un peu plus en détail ces particules. Pour cela, nous allons prendre l’exemple d’un électron. (Mais sachez que ce que nous allons voir s’applique à toutes les particules élémentaires, pas uniquement les électrons.)

Nous vous conseillons de bien vous accrochez, cela risque de vous secouez un peu !

Les électrons ont plusieurs comportements très étranges.

Alors que tout ce que l’on connait à notre échelle ou bien plus grand, est soit une onde, soit une particule, l’électron lui est à la fois onde et particule.

Ce principe est appelé la dualité onde-corpuscule.

Vous comprenez donc qu’on ne sait pas exactement comment représenter un électron. Mais ce n’est pas le plus déroutant vous allez voir…

D’après des formules mathématiques, lorsque nous connaissons la vitesse d’un objet, nous connaissons également systématiquement sa position. Et inversement.

Eh bien, ce principe ne fonctionne pas pour l’électron. C’est ce qu’a découvert le physicien Werner Heisenberg en 1927, et a nommé le principe d’incertitude.

Mais ce n’est pas fini !

Téléportation

On arrive ici à l’un des concepts les plus perturbants et les plus difficiles à concevoir : les électrons peuvent se téléporter… !

Pour une particule, le phénomène est en réalité appelé effet tunnel ou saut quantique.

Il reste maintenant une dernière notion, extraordinairement bouleversante, mais aussi fondamentale en mécanique quantique, présentée dans l’Univers à portée de main. On va donc s’arrêter un peu dessus.

« Une particule emprunte littéralement tous les chemins, possibles ou non, imaginables ou non, dès l’instant que personne ne l’observe. »

Qu’est-ce que cela signifie exactement ?

Imaginons une particule qui se trouverait en position A. Elle pourrait aller en position B, C, D, E, etc. Où irait-elle d’après vous ? Eh bien la réponse est partout à la fois. Du moins, tant que personne ne l’observe.

C’est un comportement qu’il est impossible de reproduire dans notre vie de tous les jours. Mais une particule qui n’est pas observée, se trouve partout, en même temps.

Vient maintenant une question intéressante…

Vous savez que, comme tout le reste, vous et moi sommes constitués de particules. Alors pourquoi ne pourrions-nous pas nous aussi vivre toutes les vies possibles et imaginables en même temps ?

Imaginez. Vous seriez en même temps heureux et malheureux, riche et pauvre, marié et célibataire…

Mais vous savez que ce n’est pas ce qu’il se passe. Mais alors pourquoi ?

Attention, la réponse des scientifiques va vous surprendre…

Eh bien en réalité ils l’ignorent. Cela fait partie des grands mystères de la science actuellement. Nous ne sommes pas en mesure de savoir pourquoi la réalité que nous observons ne correspond pas au monde quantique.

Revenons maintenant sur « dès l’instant que personne ne l’observe », qui est peut-être la partie la plus perturbante.

Le rôle de l’observateur

Reformulons pour que cela soit bien clair : dès qu’un observateur est présent, la particule change de comportement. Elle ne se trouve plus partout, mais bien à un endroit précis, là où elle a été détectée.

Vous pouvez imaginer cela comme le jeu des enfants, 123 Soleil. Quand l’enfant est retourné et qu’il ne regarde pas, tous les autres enfants s’agitent. Dès qu’il se retourne, tout le monde se fige.

Alors, qu’est-ce que l’on considère comme étant observateur ? D’après les expériences réalisées, les observateurs peuvent être des machines, des détecteurs, des caméras… Ou l’oeil humain.

Bon, qu’une particule se trouve à plusieurs endroits à la fois paraît déjà incroyable. Mais que son comportement change dès qu’on l’observe, c’est encore plus absurde non ?!

Personnellement, cela nous fait beaucoup penser au principe de la loi d’attraction.

On pourrait aussi dire cela de cette manière : la réalité change dès qu’on la regarde.

D’ailleurs, certains scientifiques se penchent sur le rôle de notre conscience dans tout cela.

« D’autres estiment, pour leur part, que notre conscience joue un rôle dans tout cela, que l’acte même d’expérimenter ou de seulement penser, gèle la réalité qui nous entoure dans un état unique, et le crée donc. »

La phrase « nos pensées créent notre réalité » prend soudain tout son sens.

Bien sûr, il s’agit là de pures hypothèses et d’avis personnels de personnes étant simplement passionnées de science et de développement personnel.

Nous fermons la parenthèse sur le rôle de notre conscience ici.

Si vous doutez de tout ce que nous venons de voir dans ce chapitre, sachez que plusieurs expériences ont été faites, et elles nous ont toutes menées à cette conclusion.

Partie 5 : Aux origines de l’espace et du temps

Le chat de Schrödinger

L’expérience du chat de Schrödinger est une expérience très connue permettant d’essayer de reproduire le phénomène du monde quantique à l’échelle humaine.

Nous allons reproduire cette expérience ensemble.

Pour commencer, prenez un chat, et mettez-le dans une boîte que vous scellez avec :

  • Une substance radioactive qui a 50% de chance de se désintégrer
  • Un détecteur de radiation
  • Un marteau
  • Une fiole de poison mortel

Personne ne doit pouvoir deviner ce qu’il se passe à l’intérieur de la boîte.

Là vous vous dites, ça sent pas bon pour le chat… Et vous avez raison. Mais continuons si vous le voulez bien.

Le marteau ne tombera sur la fiole et ne libèrera le poison, que s’il détecte des radiations émises par la substance radioactive. Vous l’avez donc compris, le poison a 50% de chance de se propager et le chat 50% de chance de mourir.

Venons-en maintenant à la question qui nous intéresse.

Le chat est-il mort ou vivant ?

Vous serez d’accord pour dire qu’il est impossible de le savoir tant que vous n’ouvrez pas la boîte.

Dans la vie réelle, vous ouvrez la boîte et le chat est soit mort soit vivant. Mais dans ce cas précis, les deux réponses sont fausses.

Eh oui, il y a des effets quantiques qui entrent en jeu dans la désintégration radioactive. Les lois du monde quantique doivent donc être respectées. Et c’est là tout l’intérêt.

Dans le monde quantique, tout ce qui peut arriver arrive. La désintégration, ainsi que la non-désintégration se produisent donc.

Enfin, vous vous souvenez, tant que personne n’observe. Et puisque la boite est fermée et que personne ne peut voir ce qu’il se passe à l’intérieur, on peut effectivement dire que personne n’observe.

La réponse est donc : le chat est mort et vivant, en même temps.

Effectivement, cela parait absurde.

Vous êtes soudain pris de panique et ouvrez la boîte pour vérifier. Le chat s’échappe d’un coup, complètement indemne, donc bien vivant.

Mais alors était-il vraiment mort et vivant avant que vous n’ouvriez la boîte ?

Pour commencer, lorsque vous avez ouvert la boîte, vous avez observé, et donc comme le dit les lois quantiques, à partir de ce moment-là, il n’existe plus qu’une seule possibilité et non une infinité de possibilités.

Schrödinger a conçu cette expérience en 1935. Nous devons aussi vous préciser qu’il s’agit là bien d’une expérience de pensée. Aucun chat n’a heureusement été victime de cette expérience.

Pendant des années cela a été une énigme non résolue pour les scientifiques. Jusqu’à ce que deux physiciens, Serge Haroche un français, et David J. Wineland, un américain réalisent l’expérience mais en réel cette fois. Nous vous rassurons tout de suite, ils n’ont pas utilisé de chat, mais des atomes et de la lumière. Ils ont pu constater que les particules existent bel et bien simultanément. Les lois du monde quantique ne sont donc pas juste des théories de physiciens.

Pour répondre à la question précédente : tant que l’on n’ouvre pas la boite, le chat est bien mort et vivant à la fois.

Cela nous amène maintenant une autre question : où est passé le chat mort lorsque vous avez ouvert la boîte ?

Vous pensiez que ce que nous vous racontons depuis tout à l’heure est complètement absurde ?

Les lecteurs de cet article ont également lu :  Éloge de la masturbation intellectuelle

Eh bien accrochez-vous car cela ne va pas s’arranger…

D’après une théorie, au moment où vous avez ouvert la boîte, l’Univers tout entier s’est scindé en deux, un Univers parallèle est donc apparu.

Nous avons donc notre Univers dans lequel le chat est vivant, et un autre dans lequel il est mort.

Jusqu’ici vous n’avez probablement entendu parler d’Univers parallèles que dans des films de science-fiction. Et même là vous vous disiez que le scénariste avait un peu trop d’imagination…

Voyons donc un peu plus en détail cette histoire d’Univers parallèles.

Univers parallèles

Alors, comment en sommes-nous arrivé à des théories comprenant des Univers multiples ?

Rappelez-vous, d’après les lois du monde quantique, les particules sont partout à la fois.

Eh bien, selon le physicien Hugh Everett, il devrait exister une multitude d’Univers parallèles dans lesquels toutes les possibilités sont réalité.

Imaginez, vous hésitez entre deux choix : la Bretagne ou la côte d’Azur pour vos prochaines vacances ?

Au moment où vous prenez votre décision, un univers parallèle se crée dans lequel une réplique de vous-même fait l’autre choix. Il existe donc autant d’univers parallèles que de choix, pour que toutes les possibilités se réalisent.

Après avoir exposé son hypothèse, Everett a laissé tomber la physique car elle n’avait plus aucun sens pour lui. Et on peut le comprendre… Mais l’idée d’Univers parallèle n’a pas été abandonnée par la suite, loin de là. Nous verrons cela un peu plus loin.

À quoi sert la physique quantique ?

Non mais parce que c’est bien beau ces expériences, mais vous pouvez vous demander quel est l’intérêt de payer des scientifiques pour mener des expériences pareilles ?!

Eh bien, sachez que les découvertes du monde quantique ont des utilités pratiques. Beaucoup des objets qui vous entourent ont pu voir le jour grâce à ces découvertes.

C’est par exemple le cas de l’ordinateur ou du téléphone sur lequel vous lisez cet article, ou encore de beaucoup d’outils médicaux.

physique quantique recherches scientifiques

Revenons rapidement sur les nouvelles technologies. Les scientifiques planchent sur l’ordinateur du futur : un ordinateur quantique.

Il aura une puissance de calcul qui dépassera de très très loin les plus puissants ordinateurs d’aujourd’hui.

Cela sera possible en utilisant le phénomène quantique des particules qui se trouvent partout en même temps. Ce sera donc un peu comme si l’ordinateur se trouvait dans des milliards d’Univers parallèles en même temps.

Vous voilà désormais rassuré sur l’utilité des recherches menées dans le monde quantique.

Continuons notre voyage.

Matière noire et énergie sombre

La matière noire et l’énergie sombre sont deux éléments très intéressants et très étranges que nous n’arrivons pas encore bien à comprendre.

Voyons-les un peu plus en détail.

  • Matière noire

C’est l’astronome Jan Oort qui a le premier émis l’hypothèse de matière noire. Il s’agirait d’une matière qui se trouverait partout dans l’Univers, et qui n’interagirait pas avec la lumière (raison pour laquelle nous ne la voyons pas).

« La matière noire n’est pas de la matière. Ni de l’antimatière. C’est quelque chose d’autre. Mais personne ne sait quoi. »

De nombreux tests ont été effectués depuis les années 1930, et tous confirment la présence de matière noire.

Mais aujourd’hui encore, personne ne sait ce qui compose cette matière. Nous savons qu’elle est là, et connaissons l’endroit où elle se trouve, mais c’est tout.

Nous savons également qu’elle est écrasante : pour 1 kg de matière ordinaire, il existe 5 kg de matière noire !

Dans notre Univers il y a donc bien plus d’invisible que de visible. Et ce n’est rien de le dire, vous allez voir…

  • Énergie sombre

Pour l’énergie sombre, c’est un peu le même principe. Il s’agit de quelque chose que nous ne voyons pas mais dont nous savons qu’elle existe.

L’énergie sombre serait à l’origine de l’expansion accélérée de notre Univers. Il s’agirait d’une force antigravitationnelle, qui aurait pris le dessus sur toutes les autres forces de l’Univers, il y a environ 5 milliards d’années.

Cette énergie serait maintenant présente, et bien présente. Encore bien plus que la matière noire.

Pour vous donner une idée, voici une estimation de la répartition dans notre Univers, selon la NASA :

  • Énergie sombre : 72 %.
  • Matière noire : 23 %.
  • Matière que nous connaissons (y compris la lumière) : 4,6 %.

Eh oui, tout ce que vous connaissez, tout ce que l’on a vu jusqu’ici, ne représente que 4,6% du contenu total de notre Univers.

Le reste nous est totalement inconnu…

Singularités

Avez-vous vu le film Interstellar ?

Si non, il s’agit d’un film de science-fiction. C’est d’ailleurs notre film préféré. Bref. Si nous vous en parlons ici c’est que le terme singularité est utilisé dans le film. Peut-être vous en souvenez-vous ?

Une singularité se produit lorsqu’il y a trop de masse ou d’énergie dans un volume trop petit. L’infiniment grand et l’infiniment petit se rejoignent donc.

Alors dans une singularité, devons-nous utiliser la relativité générale ou la mécanique quantique ? Tel est le problème…

Oui, des singularités existent réellement dans notre Univers. Avez-vous une idée d’où elles peuvent se cacher ?

Eh oui, dans les trous noirs !

Dans un trou noir, le « tissu » de l’Univers dont nous vous parlions plus haut se déchire. Cela signifie également que les notions d’espace et de temps, comme nous les connaissons, n’ont plus aucun sens.

Autrement dit, les équations d’Einstein et sa relativité générale ne fonctionnent plus.

Notre Univers est également né d’une singularité. C’est le Big Bang dont nous vous parlions juste avant.

Ce phénomène de singularité n’est donc pas du tout expliqué actuellement. Ce qui pose un problème que les chercheurs en astrophysique tentent actuellement de résoudre (c’est également l’objet de leurs recherches dans Interstellar).

La théorie du tout

Jusqu’ici nous avons vu deux modèles, deux théories. Celle de l’infiniment grand (la relativité générale), qui décrit la structure de notre Univers, et celle de l’infiniment petit (le quantique), qui explique tout ce qu’il contient.

Mais comme vous avez pu le constater, il existe des problèmes. En l’occurrence, ces fameuses singularités que nous venons de voir et que nous ne savons pas expliquer.

Les astrophysiciens se sont donc mis en quête d’une théorie du tout, une théorie qui puisse tout expliquer en une seule formule, qui puisse rassembler la gravitation et le monde quantique.

Une théorie pour les gouverner toutes…

Einstein lui-même a cherché une formule pour résoudre ce problème, mais il est mort sans la trouver.

Ces dernières années, plusieurs théories ont vu le jour. Et l’une d’elle s’est hissée au rang de candidate favorite.

Voyons un peu ce qu’elle contient. Mais attention, là encore, elle risque de vous surprendre et vous risquez de vous demander si les physiciens n’ont pas définitivement sombré dans la folie…

La théorique des cordes

Comme nous vous le disions, il ne s’agit là que d’une théorie parmi d’autres. Mais elle a tout de même beaucoup fait parler d’elle ces derniers temps.

Nous sommes d’accord que nous parlons bien d’une théorie qui n’est absolue pas validée. Nous ne pouvons pas rentrer en détail ici, mais vous vous doutez bien que si c’est la candidate favorite et que beaucoup de physiciens s’y intéressent, ce n’est pas pour rien.

La théorie des cordes remet beaucoup de choses en question, nous ne citerons ici que quelques exemples.

Comme son nom l’indique, la théorie s’appuie sur un principe de cordes. Des cordes quantiques plus exactement. Donc de minuscules, minuscules cordes, invisibles à notre échelle.

Vous pouvez vous imaginer ces cordes un peu comme des cordes de guitare, sauf qu’au lieu de donner une note de musique, elles donnent de la lumière.

univers et cordes, comprendre le monde

Ainsi, toutes les lumières qui atteignent vos yeux seraient des vibrations de cordes quantiques.

Il existerait des cordes fermées, qui donneraient la gravitation, et des cordes ouvertes d’où émanerait la lumière.

Bon jusqu’ici vous vous dites pourquoi pas après tout ?

Attendez ce n’est pas fini. Pour que ce modèle fonctionne, il faut changer quelque chose.

D’autres dimensions

Eh oui, ces cordes ne peuvent pas exister dans notre espace-temps en 4 dimensions. Non, il leur en faut plus… Beaucoup plus…

Quoi ? 5 dimensions ? 6 peut-être… ?

Vous êtes encore loin du compte. Non, ces petites cordes ont besoin de 10 dimensions… Oui, rien que ça !

Mais alors comment imaginer toutes ces dimensions supplémentaires ?!

Il faudrait que vous imaginiez des directions autres que en bas, en haut, à gauche, à droite, en avant, ou en arrière…

Pas facile n’est-ce pas ? C’est normal, nous n’avons même pas les mots pour ça.

Des dimensions supplémentaires, cela paraît complètement fou non ?! Mais c’est pas fini…

Finissons en apothéose avec une autre prédiction de la théorie des cordes.

Multivers

Notre Univers ne serait, lui aussi, qu’une « brane » (venant du mot « membrane », sauf qu’elle n’est pas plate), parmi beaucoup d’autres. Eh oui, revoilà le concept des Univers parallèles.

Et tous ces Univers (ou multivers du coup) ne pourraient être, à leur tour, qu’une minuscule partie de la réalité encore bien plus vaste…

Cela donne le vertige n’est-ce pas ?

Les trous noirs pourraient alors être un tube d’espace-temps déformé permettant de relier un univers à un autre.

Enfin, cette théorie expliquerait également le Big Bang comme étant la collision de deux branes.

C’est ici que s’achève notre voyage dans le cosmos.

Pour conclure, nous terminerons sur cette jolie phrase qui résume très bien la magie du cosmos : « nous ne sommes que de la poussière d’étoiles ».

Sachez que nous vous avons fait découvrir qu’une partie des phénomènes expliqués dans le livre. Parmi ceux que nous n’avons pas évoqués :

  • Les comètes
  • La limite de l’Univers visible
  • La dilatation du temps
  • La relativité restreinte
  • L’accélérateur de particules
  • Le boson de Higgs
  • L’antimatière

Et même pour les sujets que nous avons traités, nous ne vous avons présenté que la surface. L’Univers à portée de main va bien plus en profondeur dans les explications.

Conclusion de L’Univers à portée de main

Ce livre extrêmement bien écrit et très facile à comprendre, même pour quelqu’un qui n’y connaît rien, est pour nous LA base pour un débutant qui souhaite comprendre un peu mieux notre Univers et ses diverses lois.

Le niveau de complexité augmente progressivement au cours de la lecture. Certains passages, surtout vers la fin, demanderont certainement à être lus plusieurs fois pour être bien compris.

Personnellement, nous avons toutes les deux adoré ce livre et nous le recommandons fortement à toute personne s’intéressant à l’astronomie et à l’astrophysique.

Il nous a apporté une meilleure compréhension du monde et du fonctionnement des lois qui régissent notre Univers. Face à cette nature si puissante et si mystérieuse, nous ne pouvons qu’être humble.

Enfin, il est important de se rappeler que, la science, aussi puissante soit-elle, n’explique pas tout. Nous sommes loin, très loin, de tout comprendre. Rappelez-vous, nous connaissons moins de 5% de ce qui compose l’Univers.

Gardez la tête dans les étoiles et soyez curieux du monde qui vous entoure !

Laura et Marion du blog Astronomie Pratique.

Points forts :

  • Très complet
  • Accessible aux néophytes
  • Pas de formules mathématiques
  • Format roman

Points faibles :

  • Assez long
  • Quelques notions complexes à appréhender à la première lecture

La note de Laura et Marion du blog Astronomie Pratique :

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