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Le BIG-BANG est-il une réalité ou seulement une théorie ?

 

 

 

"Le Big-bang est-il une réalité ou seulement une théorie ?"


I   Qu'est-ce qu'une théorie scientifique ?

 

II   La théorie du Big-bang

- Einstein et son refus d'un Univers en expansion
- Friedmann et ses deux types d'Univers en expansion
- Lemaître donne naissance à une nouvelle théorie grâce au RedShift d'Hubble
- Gamow, nucléosynthèse et hypothèse d'un rayonnement radio
- Le fond diffus cosmologique
- Trois problèmes sans réponse jusqu'à…
- …l'inflation
- La masse manquante de l'Univers et l'énigme de l'antimatière
- La théorie des supercordes
- Conclusion

 

III   La contre-théorie

- La théorie de l'univers statique de Fred Hoyle
- Le temps des critiques


IV   Le Big-bang est-il une réalité ou seulement une théorie ?


Lexique

Bibliographie

 

Un Dossier préparé par

Amaury Langella

 

Nicolas Vitale

vitale.n@wanadoo.fr

 

Cyprien Pouzenc

cyprien.pouzenc@laposte.net

 

http://cyprien.pouzenc.free.fr


Reproduit avec l'aimable autorisation des auteurs

 

 

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 gjavaux@wanadoo.fr


 

 

I   Qu'est-ce qu'une théorie scientifique ?

 

 

Stephen Hawking (1), dans "L'Univers dans une coquille de noix" a évoqué l'existence de "bonne théorie scientifique". Selon lui toute théorie scientifique saine qui traite du temps ou de tout autre sujet doit reposer sur "l'approche positiviste" proposée par Karl Popper (2) : une théorie scientifique est un modèle mathématique qui décrit et codifie les observations. Une théorie est "bonne" lorsqu'elle explique une série de phénomènes à partir de quelques hypothèses et postulats simples et permet de faire des prédictions qui sont, par la suite, vérifiées. Si ces prédictions sont justes, la théorie survit sinon elle doit tout simplement être abandonnée ou modifiée.

 

Chaque théorie est l'aboutissement d'un ensemble d'hypothèses. Henry Poincaré (3), dans "La Science et l'Hypothèse", les a classées en trois catégories :


- Les "naturelles" (ou les "incontournables"). Elles sont les fondements de toutes les théories mathématiques (exemple : la relativité générale, la théorie quantique, …). Elles sont essentielles et ne peuvent être négligées. D'après Poincaré : "ce sont les dernières que l'on doit abandonner".

 

- Les "indifférentes" : elles ne sont pas nécessaires mais elles permettent de faciliter la démonstration. Elles ne sont que des artifices de calcul ou des images pour concrétiser des idées complexes. "Dans la plupart des questions, l'analyste suppose, au début de son calcul, soit que la matière est continue, soit, inversement, qu'elle est formée d'atomes. Il aurait fait le contraire que ses résultats n'en auraient pas été changés ; il aurait eu plus de peine à les obtenir, voilà tout".

 

- Les "générales" : à l'exemple de la théorie du Big-bang, elles sont sans cesse attaquées/défendues, démontées/confortées mais surtout confirmées ou infirmées par des expériences.

 

Voici un exemple de théorie confirmée par l'observation d'un événement prédit par celle-ci :

Albert Einstein (4), grâce à sa théorie de la relativité générale dont il finit l'élaboration en 1916, put prédire la courbure de la lumière provenant des étoiles apparemment proches du soleil. Pour le vérifier, la Société astronomique royale de Londres organisa en 1919 deux expéditions comprenant les meilleurs astronomes britanniques, dont Arthur Eddington (5). Le 29 mai 1919, pendant une éclipse totale de soleil observée à partir de deux points (Sobral, au Brésil et l'île Principe, en Afrique occidentale), Eddington et ses collègues prirent des photographies d'une extraordinaire précision qui mirent en évidence la courbure prévue. Ce résultat n'était pas acquis d'avance. Si les astronomes britanniques n'avaient pas observé la déviation des rayons lumineux, la théorie d'Einstein aurait été réfutée.

 

 

II   La théorie du Big-bang

 

 

L'Homme a, de tout temps, voulu connaître ses origines. Il a élaboré de nombreuses théories (plutôt des mythes) tout au long de son histoire. On ne connaît pas de peuple qui n'ait son récit racontant l'origine du monde, du temps, et de son espace environnant. Certains d'entre eux s'inventèrent des Dieux et des légendes matérialisant leurs idées du monde alors que d'autres réfléchissaient à des concepts scientifiques plus plausibles et concrets se basant sur des faits expliqués et connus. C'est alors qu'apparut la physique qui se développa et s'améliora au cours des âges. Mais celle-ci connaîtra un renouveau avec les nouvelles théories d'Einstein (en particulier la relativité générale) donnant alors naissance à la cosmologie moderne.
 
En 1916, Einstein finit d'élaborer la théorie de la relativité générale et, depuis, on possède un moyen capable de décrire un univers à quatre dimensions (trois d'espace et une de temps) déformé par les masses et les énergies qui s'y trouvent. Toutes ses équations laissent penser que l'Univers est courbe : donc soit que celui-ci est en expansion soit en contraction mais en aucun cas immobile. Cependant Einstein, porté par les idées de l'époque (depuis le philosophe grec Aristote qui vivait vers 350 av JC) qui prônaient un univers limité en taille, stable et immobile, se refusait à croire à ses résultats : "Non, impossible ! L'univers ne peut pas gonfler ! Il doit être immobile ! J'ai dû me tromper quelque part". Il se résolut alors à triturer ses équations, leur ajouta un coefficient, une sorte de contrepoids qui balance les effets de la gravitation. Celui-ci fut nommé constante cosmologique de symbole ?. Sans la force répulsive, l'univers redevient donc immuable, sans commencement ni fin. "Ce terme ? est nécessaire seulement dans l'objectif de rendre possible une distribution de matière quasi statique, exigée par la faible vitesse des étoiles".

 

Cependant le jeune Alexandre Friedmann (6) en mal de défi, décide de se débarrasser de la constante cosmologique introduite par Einstein, qu'il juge superflue.
Il obtint deux résultats aboutissant à deux types d'Univers :

 

- L'Univers "pulsant" : celui-ci gonfle jusqu'au moment où la gravité l'emporte sur l'expansion. Il se contracte alors puis s'effondre sur lui-même. Toute la matière se concentre en un point de volume nul, de densité et de température infinie : c'est le "Big-Crunch". A ce moment là, l'Univers "rebondit" et entame un nouveau cycle d'expansion-contraction.

 

- L'expansion éternelle : cette théorie prône un univers né de rien et en expansion continuelle.

 

Friedmann, seule personne convaincue par ses calculs, les publies en 1922 dans "Zeitschrift für Physik". Ses idées étaient tellement utopiques pour l'époque que les scientifiques, et surtout Einstein, rejetèrent la possibilité de l'existence d'un Univers tel que le décrivait Friedmann.

 

Einstein répondit immédiatement, et dans la même revue, à l'article publié par le scientifique soviétique en ces termes : "Il y a erreur de calcul. L'Univers à taille variable est incompatible avec la relativité générale".

 

Friedmann envoya une lettre à Einstein lui expliquant ses calculs. Ce dernier répondit publiquement à l'écrit précédemment reçu :  "C'est moi qui ai fait une erreur de calcul. Les solutions de monsieur Friedmann sont justes". Mais il ne fut pas pour autant convaincu de l'existence de tels Univers. "Ce ne sont que des maths sans significations physiques". Einstein avouera tout de même, peu avant sa mort, que la constante cosmologique fut "la plus belle erreur" de sa vie.

 

Peu après, une autre personne, nommée Georges Lemaître (7), confirmera les dires de Friedmann et, plus encore, sera la première personne à donner une explication au "RedShift" (8), découvert par Hubble et qui sera plus tard un des piliers de la théorie du Big-bang.

 

Ce jeune abbé jésuite va très vite s'intéresser à la science, et plus particulièrement aux mathématiques et à la physique. Dès qu'il fut ordonné prêtre, Lemaître entama un véritable voyage scientifique. Tout d'abord il se rendit en Grande-Bretagne afin de devenir l'élève de Arthur Eddington, le plus grand astronome de son époque. C'est ici qu'il apprit le rôle prépondérant de l'observation en cosmologie. Par la suite, Lemaître prit connaissance des équations de Willem De Sitter (qui avait imaginé un univers en mouvement mais vide de matière). Or un physicien d'origine polonaise, Ludwig Silberstein, introduisit un nouvel élément dans cet univers : si on ajoute des étoiles en mouvement, elles émettront une lumière décalée vers le rouge (explication ultérieure).

 

Ceci amena Lemaître aux États-Unis. Il y fera la connaissance de Edwin Hubble (9) et de ses travaux. En effet, grâce à ses très nombreuses observations de "nébuleuses" (il prit plusieurs milliers de photos), en 1922, il affirma que l'univers est formé par des millions de galaxies (qui étaient alors jusque là considérées comme des nébuleuses).

 

Plus tard, Hubble parvint à mesurer la distance entre la Voie Lactée et la galaxie d'Andromède : un million d'années-lumière (maintenant grâce à des moyens de mesures plus perfectionnés nous savons que la galaxie d'Andromède est en fait deux fois plus éloignée que les estimations d'Hubble). Cette mesure permit tout de même de multiplier le volume résultant de l'univers par 1000 !

 

Mais c'est en 1929 qu'il fera sa plus grande découverte qui sera, par la suite, appelée "loi d'Hubble" : toutes les galaxies lointaines s'éloignent de nous avec une vitesse proportionnelle à la distance qui sépare ces galaxies de la nôtre.

 

Cette loi fut élaborée grâce à l'étude des spectres (décomposition de la lumière) émis par les galaxies. En effet, après leur analyse, Hubble découvrit un décalage vers le rouge (RedShift) qui est une conséquence de l'effet Doppler-Fizeau (10).

 

Exemple de conséquence de cet effet :

 

lorsqu'une voiture arrivant à toute vitesse se rapproche d'un observateur, le son perçu par celui-ci est plus aigu (fréquence plus élevée : longueur d'onde raccourcie). Alors que, lorsqu'elle s'éloigne, le son paraît plus grave (fréquence plus basse : longueur d'onde allongée). Si la voiture était restée immobile face à l'observateur, le son perçu par celui-ci n'aurait pas varié.

 

En effet lorsqu'une source émettrice d'ondes (voiture ou galaxie) se rapproche de nous, les ondes se "tassent" dans le sens du mouvement, par conséquent leur fréquence augmente et le son devient plus aigu ou, dans le cas des galaxies, la lumière se décale vers le bleu (BlueShift (11)).

 

Inversement si la source s'éloigne de nous, la lumière "fuit", par conséquent sa longueur d'onde augmente et le son paraît plus grave ou, dans le cas des galaxies, la lumière se décale vers le rouge (RedShift).

 

La "loi d'Hubble" était née.

 

Elle porte une équation extrêmement simple : la vitesse est égale à la distance séparant la galaxie étudiée de la Voie Lactée multipliée par le "paramètre d'Hubble" (noté H).

La théorie du Big-bang a trouvé son premier pilier. En effet Lemaître, après avoir découvert les travaux de Friedmann, va donner un explication à ce décalage vers le rouge : l'univers "gonfle" avec le temps.


Einstein lui, de son coté, va rejeter une nouvelle fois ces idées d'Univers en expansion: "Vos calculs sont justes, Monseigneur, mais votre intuition physique est abominable".
Nous pouvons constater que c'était une des rares fois où Einstein contredisait quelqu'un sans argument à l'appui, ce qui le rendait peut crédible et inentendu.

 

Ce n'est que trois ans après, lorsque Eddington tomba sur les travaux du prêtre belge, que l'article de Lemaître fit triomphe.

 

En 1931, celui-ci publia dans la revue scientifique Nature un second article révolutionnaire : si l'on remonte dans le temps, toute la matière de l'Univers était concentrée en un énorme "atome primitif" de 100 millions de kilomètres de diamètre.

 

Toujours d'après Lemaître, c'est cet atome, en explosant, qui donna naissance à toutes les galaxies et aux autres composants de l'Univers.

 

Le Monde a donc eu un commencement !

 

C'était la première fois que quelqu'un imagina cette hypothèse. Et celle-ci mettra beaucoup de temps à s'inscrire dans une véritable théorie scientifique et à rentrer dans les mœurs.

 

Jusque là, personne n'avait émis d'argument en faveur de l'expansion originelle. C'est Lemaître qui donna le coup d'envoi de la bataille entre ceux qui croyaient en elle et ceux qui s'y opposaient. Force est de constater qu'au cours du temps, les opposants à la théorie du Big-bang eurent de moins en moins d'arguments alors que ses défenseurs les multiplièrent.

 

Pendant les 17 années qui suivirent, la théorie du Big-bang n'évolua pas.

 

Ensuite, en 1948, un ancien élève de Friedmann, George Gamow (12), réussit à décrire les réactions qui se sont produites lors des toutes premières minutes qui ont suivi la naissance de l'Univers : c'est la nucléosynthèse (13).

 

En effet Gamow, qui s'intéressait autant à l'infiniment grand (cosmologie) qu'à l'infiniment petit (physique nucléaire qui n'en était alors qu'à ses premiers balbutiements), croyait, contrairement au noyau primitif froid de Lemaître, que l'Univers, à ce moment-là, ne contenait pas de "matière", plutôt une "soupe primordiale" dont il ne connaissait pas exactement la nature mais qui était noyée dans une température excessivement élevée.

 

De plus, il estima que cette "soupe primordiale" possédait la capacité d'engendrer les proportions de matière présentes aujourd'hui, c'est à dire 92% d'hydrogène et 7% d'hélium (le 1% restant étant composé des éléments dits "lourds" : fer, carbone, oxygène, …).

 

C'était d'ailleurs le gros point faible de la théorie proposée par Gamow. Car, celui-ci explique très bien comment sont apparus les éléments "légers" (99 % de la matière) mais n'avait aucune idée de quelle manière sont "arrivés" les éléments "lourds", et cela rend très bancale sa théorie de la nucléosynthèse.

 

Aujourd'hui, on sait "exactement" comment s'est passé la nucléosynthèse.

 

La soupe de particule est en fait constituée d'un mélange de photons (14), neutrinos (15), électrons (16), protons (17) et neutrons (18) à très haute température. Or, dans ce milieu, les neutrinos jouent un rôle de très grande importance. Absorbés et réémis sans cesse par les nucléons (protons et neutrons), ces particules transforment continuellement les protons en neutrons et vice-versa.

 

Mais avec la chute de la température, l'énergie des neutrinos diminue et ils deviennent incapables d'interagir avec les nucléons.


Les neutrons peuvent alors soit se désintégrer en un proton, un électron et un neutrinos soit s'associer avec un proton grâce à la force nucléaire forte pour former les noyaux de deutérium. Les protons solitaires forment les noyaux des atomes d'hydrogène.

Lorsqu'un proton s'associe avec le deutérium précédemment créé, cela forme le noyau d'un Hélium 3, etc…

 

De cette manière, en trois minutes, de nombreux noyaux d'atomes sont formés (les différents isotopes de l'hélium, du lithium, etc…).

 

Mais, à cause de la chute de la température due a l'expansion continuelle de l'Univers, la nucléosynthèse s'arrête là. Les protons qui ne se sont pas associés durant cette phase (92 % d'entre eux !) restent seuls pour former de très nombreux noyaux d'atomes d'hydrogène. C'est pourquoi l'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'Univers.

A cet instant, l'Univers n'est pratiquement constitué que d'éléments "légers". Les éléments "lourds" seront, en partie, créés plus tard.

 

Paradoxalement c'est Fred Hoyle (19), le plus fervent opposant de la théorie du Big-bang qui, en 1957, publia un article expliquant justement comment ont été créés tous les éléments "lourds". Ce qui renforça, à son grand regret, la théorie de la naissance de l'Univers.

 

Ce dernier explique que ces éléments furent créés par deux mécanismes.

Le premier se passa lors la nucléosynthèse, lorsque les protons et les neutrons s'assemblèrent pour former des noyaux atomiques. Divers éléments furent créés, y compris des éléments "lourds". Mais comme le noyau de ces éléments sont constitués de plus de particules, cela les rend plus facilement "destructibles" et comme les contacts entre les divers composants de la soupe primordiale ont été très fréquents, ces noyaux d'atomes "lourds" ont été détruits juste après avoir été créés.

 

Mais lorsque la nucléosynthèse s'arrêta (à cause de la baisse de la température) il restait quelques élément "lourds" (très peu) à ne pas avoir été détruit. Cette quantité de noyaux d'atomes "lourds" représentait une partie du 1 % des éléments dont Gamow ne connaissait pas l'origine.

 

Hoyle expliqua le deuxième mécanisme formant les éléments "lourds" comme étant les réactions thermonucléaires se passant au cœur des étoiles et qui transforme les éléments légers en éléments "lourds" par fusion nucléaire.

 

Hoyle, grâce à ses explications, confirma la théorie de Gamow, ce qui l'éleva au rang de seconde preuve et de grand pilier de la théorie de l ‘expansion originelle.

 

Cette "expansion originelle", ou "naissance de l'Univers" était, à cette époque, au centre de tous les débats scientifiques. Mais, bizarrement, personne ne lui avait donné de nom spécifique car sa découverte s'est faite petit à petit, en des dizaines d'années, par plusieurs scientifiques. Et aucune de ces personnes n'osait lui donner de nom de peur que l'on pense qu'elle se l'approprie car ce serait endosser une trop grande responsabilité.

 

Mais elle trouva finalement un nom, et son auteur n'était pourtant pas celui qu'on attendait !

 

Le Big-bang ("Grand boum") fut baptisé ainsi ironiquement par Fred Hoyle en 1950, lors d'une émission de la BBC. Il voulait ridiculiser George Gamow et, usant une nouvelle fois de malchance, était alors très loin d'imaginer que le terme qu'il employa ferait un jour le tour du monde.


Lors de la nucléosynthèse, la température était assez basse pour que les noyaux se forment mais trop élevée pour que les électrons s'y lient.

 

Gamow, après avoir expliqué exactement la nucléosynthèse, avait émis l'hypothèse que, suite à la chute continuelle de la température, les électrons, qui étaient alors libres, s'associeraient avec les noyaux des atomes formés lors de la phase précédente.

Les photons, qui étaient présents depuis le début, ne pouvaient se déplacer librement car ils se heurtaient inévitablement aux électrons. Mais dès l'instant où ces derniers furent capturés par les noyaux, les photons purent se mouvoir sans se "cogner" aux électrons. A ce moment-là, il y eut comme un "flash" de 3000 Kelvins, tous les photons furent "libérés" et plongèrent l'Univers dans la lumière.

 

Mais l'hypothèse présentée par Gamow tomba dans l'oubli…

 

Ce n'est qu'en 1965, que deux jeunes ingénieurs, Robert W. Wilson et Arno Penzias tout juste sortis de l'université, viennent apporter une nouvelle pierre à l'édifice, et pas la moindre !.

 

En effet positionnant dans n'importe quelle direction leur antenne radio très sensible, destinée à recevoir les signaux d'un satellite ECHO, ils détectent un bruit parasite plus fort que celui prévu. Les 2 ingénieurs pensent tout d'abord à un défaut de l'antenne mais, après avoir tout vérifié, le bruit persiste.

 

C'est en discutant avec un de leurs collègues que Penzias va prendre connaissance d'une théorie qui prédit l'existence d'un rayonnement radio apparu il y a 300 000 ans après le Big-bang et qui aujourd'hui, après avoir vieilli de 15 milliards d'années, doit posséder une température proche des 10 K. Tout de même surpris, ce dernier va contacter Robert Dicke qui était justement en train de construire une antenne afin de détecter ce signal qu'il attendait depuis 10 ans ! Celui-ci confirma les soupçons de Penzias et Wilson et, en 1965, parut dans le Times : "Des astronomes ont découvert l'explosion qui a donné naissance à l'univers".

 

Ainsi fut découvert le rayonnement cosmologique qui constitue le troisième pilier de la théorie du Big-bang. Cette découverte est d'autant plus importante qu'elle fut une prédiction de la théorie vérifiée par les observations (à l'image de la relativité vérifiée par l'éclipse du soleil).

 

Le Monde venait alors de se former et tout ce qui va s'ensuivre devient alors pour les scientifiques plus simple à expliquer du fait qu'il peuvent s'appuyer sur des observations "directes" et visuelles alors que toute la théorie du Big-bang s'est formée par des suppositions et hypothèses qui ont mis des décennies à être vérifiées.

 

Désormais le Big-bang était solidement appuyé sur de nombreuses observations et constituait donc la meilleure théorie sur le passé de l'univers. Il fallait donc "distribuer" des prix Nobel à ses théoriciens mais Lemaître, Gamow, Hubble, Frieddman et Einstein étaient morts. Etant donné que ce prix est destiné seulement à des personnes vivantes, les Nobel furent attribués alors à Penzias et Wilson qui firent preuve une nouvelle fois d'un très grand opportunisme.


Depuis ce jour, le fond cosmologique a été très étudié. Aujourd'hui encore il suscite de vifs intérêts et est toujours observé, notamment par un satellite de la NASA nommé COBE ("Cosmic Background Experiment" : expérience du fond de rayonnement cosmique).

 

 

Ce satellite fut lancé en 1989 et mis en orbite à 900 km d'altitude. Emportant un radiomètre il put étudier précisément le fond diffus cosmologique. Lors de ces premières lueurs il observa tout d'abord une émission radio de 3K (2.7 exactement) identique dans toutes les directions, c'est-à-dire homogène et isotrope (20).

 

En effet en étudiant l'intensité du rayonnement en fonction de sa longueur d'onde (voir graphique) les scientifiques reconnurent le rayonnement émis par un corps "noir" de 3k dans n'importe quelle direction de l'univers.

 

 

Mais il restait un problème non résolu. Si, lorsque l'univers était âgé de 300 000 ans (date de l'émission du fond diffus cosmologique), il était homogène et isotrope, les galaxies ou toute concentration de matière n'auraient pu se créer.


Mais en 1991 lorsque le satellite avait augmenté ses données, le fond diffus cosmologique changea de visage.

 

 

Il apparut de très nombreuses fluctuations de température (30 millionièmes de degrés kelvin). Certes minuscules, ces contrastes mettent à jour des petites concentrations de matière qui formaient des sortes de "grumeaux" dans la soupe primordiale. Ces germes de galaxies attendaient que l'univers se refroidisse pour pouvoir se développer et former les structures que nous connaissons.

 

En 2000 une équipe franco-indienne a, grâce au VLT (21), mesuré le fond diffus cosmologique d'il y a 12 milliards d'années. La théorie prévoyait que les 3K actuels devaient être une émission de 9.5K à cette époque. Or les scientifiques ont mesuré exactement cette température. Le modèle du Big-bang s'en trouvait donc une nouvelle fois vérifié expérimentalement.

 

Mais le rayonnement diffus cosmologique peut nous révéler encore d'autres choses comme la masse de l'univers. En effet, s'il possède une densité supérieure à 3 atomes d'hydrogène dans 1 mètre cube, l'expansion est contrecarrée. Or, après l'envoi de deux ballons-sondes : Maxima et Boomerang, les scientifiques ont estimé en 1999 et 2000 que l'Univers possédait une densité proche des 3 atomes d'hydrogène par mètre cube et serait donc à peu près "plat". Cela signifie qu'il ne serait ni en expansion ni, inversement, en train de s'effondrer sur lui-même.

 

Mais le Big-bang n'avait pas répondu encore à tous les problèmes.

 

Tout d'abord il s'avère que le fond diffus cosmologique témoigne que la température des différents points de l'Univers à cette époque était à peu près la même. Or à ce moment-là (300 000 ans après le Big-bang) l'Univers mesurait théoriquement plusieurs milliards d'années-lumière. Sachant que rien ne peut aller plus vite que la lumière (1a.l. en 1 an), deux atomes situés à plus de 300 000 a.l. n'ont donc pas pu communiquer et s'équilibrer thermiquement. C'est le paradoxe de l'horizon.

 

Le deuxième problème venait du fait que l'Univers ne possède ni une courbure "positive", ni une "négative" mais semble "plat" (c'est à dire qu'il contient juste la masse de matière qu'il faut pour que l'expansion ne soit ni freinée, ni accélérée). Mais il a été démontré qu'il était beaucoup plus "facile" de faire un Univers à géométrie "courbe" qu'un Univers à géométrie "plane". C'est-à-dire qu'il n'y a pratiquement qu'une seule chance sur un très grand nombre d'autres pour que l'Univers soit "courbe" et non "plat". En d'autres termes, il semble donc "à première" vue très improbable que l'Univers que nous observons "plat" le soit réellement. C'est le paradoxe de la platitude. Celui-ci est assez facile à expliquer par un autre exemple : on a longtemps cru que la Terre était plane, car elle est tellement grande que sa courbure est invisible. Par contre, la Lune était très bien imaginée comme une sphère. On peut donc imaginer que ce soit la même chose pour l'Univers : d'abord il est très difficile d'observer un milieu immense dans lequel nous nous trouvons (du fait de sa taille, comme pour la Terre), il est beaucoup plus évident d'observer et d'expliquer quelque chose qui est observé de "l'extérieur" (comme pour la Lune). De toute façon, on ne pourra jamais tirer de conclusion quant à la "forme" de l'Univers car la "fenêtre" qui nous est ouverte à lui est trop "étroite". Nous ne pouvons observer de l'Univers qu'une infime partie. Donc, si cette partie peut nous paraître "courbe" ou "plane" (peu importe) cela ne montre en rien la "forme" réelle de l'Univers car la forme que nous observons, quelle qu'elle soit, ne peut être qu'une "fluctuation" de l'Univers à cet endroit et non la forme "générale" de celui-ci.

 

Enfin, la théorie du Big-bang fait naître une autre énigme, issue de l'absence de rotation de l'univers. COBE a mesuré les déplacements de très nombreuses galaxies et son verdict est clair : l'univers ne tourne pas ou sa rotation est de l'ordre de 100 milliards d'années, soit pratiquement nulle. Il est donc une nouvelle fois étonnant que la vitesse initiale de toute la matière qui constitue l'univers était telle que la rotation globale soit nulle car, d'après les théories actuelles, l'Univers serait né avec une grande vitesse de rotation (ce qui expliquerait en partie la répartition des galaxies dans l'Univers). Mais là encore, on peut expliquer ce phénomène par quelque chose facile à se représenter. A l'image d'un patineur artistique, lorsque celui-ci entame une pirouette, il a les bras écartés. Lorsqu'il les rapproche près du corps, sa vitesse de rotation sur lui-même augmente, si ensuite, il les écarte à nouveau, sa vitesse diminue. On peut donner la même explication pour l'Univers. Si, à sa naissance, il tournait rapidement sur lui-même, le fait qu'il "gonfle" très rapidement le fait ralentir comme lorsque le patineur écarte les bras et sa taille est devenue telle que sa vitesse de rotation sur lui-même soit pratiquement nulle.

 

Pour donner une explication plus concrète et mathématique à tous les problèmes rencontrés, il va être imaginé, en 1980, un événement que le l'Univers aurait "subi" lors de sa naissance : l'inflation.

 

Il faut d'abord remonter en 1926, lorsque Heisenberg (22) inventa le "principe d'indétermination": il est impossible de connaître à la fois la vitesse et la position d'une particule. En effet pour connaître la position d'une particule il faut utiliser une onde très énergétique qui possède des "creux et des vagues" très rapprochés afin de la localiser précisément. Mais comme ces photons sont très énergétiques ils modifient grandement la vitesse de la particule. Inversement si on veut connaître sa vitesse, on utilise une onde à basse fréquence qui ne vas pas perturber la particule, possédant des "creux et des vagues" très distants, mais on ne pourra déterminer sa position précise.

 

Ce principe aura une conséquence très étrange : le vide n'est pas vide mais peuplé d'un étonnant bouillonnement de particules et d'antiparticules (23) qui, lorsqu'elles se "rencontrent" s'annihilent mutuellement et libèrent de l'énergie. Donc, le vide est vide de matière mais possède de l'énergie issue de l'annihilation de la "matière" et de "l'antimatière". Ce qui a pour conséquence que le vide à une masse !

 

L'antimatière avait déjà été découverte depuis un moment mais personne n'avait donné "d'explication" concrète quant à son existence. C'est en 1928 qu'un physicien nommé Dirac nota que la relativité d'Einstein et la physique quantique semblent s'ignorer. Or ces mêmes lois devraient aussi bien s'appliquer pour les électrons que pour les planètes. Pour essayer de corriger cela, Dirac mit au point une équation mêlant les deux principes.

 

A première vue elle lui parut très compliquée et rébarbative mais en analysant méthodiquement ses conséquences, l'équation proposa un frère à l'électron découvert depuis trente ans : l'anti-électron ou positron. Dirac stipula également que lorsque ces deux particules se rencontrent, elles s'annihilent en 2 photons.

 

Or en 1932, le physicien Carl Anderson détecta une paire de particules électron-positron en provenance de l'espace. Ceci vérifia donc d'une part la prédiction de Dirac et d'autre part qu'il est impossible de créer un électron sans créer en même temps son partenaire. Puis en 1956 on détecta également des antiprotons et antineutrons.

 

Toutes les particules possèdent donc un partenaire d'antimatière. On peut alors observer une parfaite symétrie entre matière et antimatière en laboratoire mais paradoxalement aucune dans notre univers.


A la fin des années 70, les scientifiques qui avaient imaginé l'inflation l'expliquèrent par l'hypothèse qu'il existe deux sortes de "vide" : le vide dit "fondu" et le vide dit "gelé".

 

D'après eux, voici comment s'est déroulé la naissance du Monde :

Rien n'existait encore, même pas la soupe de particules qui n'arrivera que relativement longtemps après. Même le "grand-boum" du Big-bang n'avait pas encore eu lieu, c'était vraiment le début de l'Univers. Il n'y avait rien. Seulement un tout petit peu de vide dit "fondu" et qui ne prenait pratiquement aucun espace. Voilà à quoi en était l'Univers que nous connaissons aujourd'hui. Pour essayer de se représenter le vide fondu, il faut s'imaginer que celui-ci est a une très grande "température"  (10^27K) et possède un volume quasi nul. Tout comme l'eau liquide, il était très homogène. Deux forces seulement régissaient l'espace : la gravité et la "superforce" qui était un regroupement de la force électromagnétique (24), de la force nucléaire faible (25) et de la force nucléaire forte (26).

 

En 1980, le physicien américain Alan Guth, après avoir étudié les équations de la relativité et de la mécanique quantique, va donner au vide fondu des caractéristiques étonnantes : par exemple, la gravité au lieu d'attirer la matière, va la repousser très fortement.

 

Donc le vide fondu, du fait de ses caractéristiques, va "grandir" à une très grande vitesse et, en l'instant de rien, prendre une place énorme : c'est l'inflation.

L'Univers, grandissant à une vitesse inimaginable, se "refroidit". Lorsqu'il passa au-dessous d'une certaine température, le vide "fondu" se "gela".

 

L'eau liquide, lorsqu'on la regarde, paraît être "partout pareille" alors que l'eau qui gèle forme des cristaux orientés, la symétrie est brisée. Le vide fondu, tout comme l'eau, en gelant est devenu hétérogène et asymétrique. A ce moment-là, la superforce qui existait alors se sépare en quatre : c'est le vide dit "gelé".

 

 

Tout comme l'eau (ou d'autres substances) qui libère de la chaleur en se solidifiant (phénomène de surfusion), une gigantesque quantité d'énergie va être libérée au moment du passage du vide fondu au vide gelé. Or, grâce au phénomène régi par l‘équation E=mc² découverte par Einstein, nous savons que cette énergie va se transformer en matière. Ce serait donc de cette manière que tout se serait créé.

De même, l'inflation peut résoudre une des plus grosses énigmes de notre temps : la masse manquante de l'univers.

 

En effet, après avoir observé la vitesse des étoiles tournant autours de notre galaxie ou la courbure de l'Univers, les scientifiques sont unanimes : 90 % de la masse de l'Univers est invisible à nos yeux et aux yeux de nos instruments scientifiques.


Or cette masse pourrait être l'énergie du vide. En effet grâce au principe d'Heisenberg et à l'équation d'Einstein, chaque mètre cube de l'univers possède une masse. Certes infime. Si nous devions faire des calculs sur quelques années-lumière, on pourrait largement négliger cette masse. Mais l'espace étant gigantesque, et très peu dense en matière, le vide est son majeur "constituant". Cette énergie du vide représenterait 70% de la masse de l'univers.

 

Toutefois ceci n'est qu'une supposition, car les physiciens des particules estiment que le vide devrait posséder 10^32 fois plus d'énergie. Cette différence est énorme mais les cosmologistes, tout heureux d'avoir résolu l'énigme d'une partie de la masse manquante de l'Univers, font la sourde oreille.

 

Un autre "défaut" de l'inflation vient du fait qu'elle repose sur la théorie de l'unification des forces électrofaibles et fortes qui forment la force électronucléaire. Or celle-ci n'a pas pu encore être vérifiée expérimentalement. Les prochaines générations d'accélérateur de particules viendront peut être apporter une preuve à cette unification.

La théorie de l'inflation n'ayant encore que trop peu d'arguments de son coté, deux programmes spatiaux lui sont en partie consacrés (les satellites MAP (27) et Planck (28)), les résultats obtenus seront donc décisifs pour son avenir.

 

Revenons au Big-bang : juste après l'inflation (et pendant) un nombre considérable de matière et d'antimatière sont créés (qui étaient à ce moment en nombre égal).

 

La température continue à chuter. Plus aucune particule élémentaire ne se forme.

A ce moment la température était telle que les particules pouvaient changer de catégorie. Par exemple les protons et antiprotons pouvaient devenir des électrons et des positons.

 

Mais, nous ne savons pas pourquoi, durant un court moment, la matière se trouva en plus grand nombre que l'antimatière (pas beaucoup plus, de l'ordre du 1/16 % près !).

La température continua de tomber. Les particules ne purent plus changer de catégories.

 

La température passa de 10^12 à 10^10K. Une gigantesque annihilation entre matière et antimatière commença alors. La maigre supériorité en nombre de la matière fait que toute l'antimatière disparaît et, lorsque plus aucune particule d'antimatière "n'existe", il ne reste plus qu'une infime partie de matière.

 

Le scénario du Big-bang est le plus probable mais il n'a pas encore été complètement vérifié.

 

Les théories actuelles (à savoir la relativité générale et la mécanique quantique) ne peuvent pas "remonter" avant le temps de Planck (10^-43 secondes après le Big-bang). En effet toutes nos lois physiques deviennent inapplicables de par la température trop élevée de l'univers.

 

Elles suggèrent une température et une énergie infinies. Or il n'est jamais bon de trouver un tel résultat en physique.

 

Ces théories sont limitées. Afin de pallier à cet handicap et de pouvoir remonter un peu plus loin vers le Big-bang, les physiciens et les mathématiciens essaient de mettre au point de nouvelles théories alliant à la fois la relativité et la mécanique quantique. Le but étant toujours de remonter plus dans le temps, la théorie des "supercordes" est la plus connue.


D'après elle toutes les particules sont des minuscules "cordes" de la taille de Planck (10^-32 cm) enroulées sur elles-mêmes ou pas et qui ont un rythme de vibration caractéristique de leur catégorie (ou "nature"). Les particules possédant alors une dimension, elles ne sont pas perturbées par les grands défauts de l'espace à très petite échelle qu'induit la mécanique quantique. La géométrie de l'univers redevient donc lisse comme le désire la relativité. Cette théorie suggère également que notre Univers ne possède non pas seulement nos quatre dimensions bien connues (une de temps et trois d'espace) mais 6 supplémentaires enroulées sur elles-mêmes (c'est pour cela que l'on ne les a jamais remarquées) en une forme géométrique appelée Calabi-Yau.

 

figure de Calabi-Yau

Mais cette théorie, qui a l'ambition d'être la théorie "finale" de la physique, n'en est qu'à ses premiers balbutiements, et les nouvelles générations d'accélérateurs de particules seront décisives.


Comme nous l'avons vu la théorie du Big-bang s'est construite tout au long du XXème siècle, sous l'impulsion d'un très grand nombre de scientifiques. Elle apparaît solidement appuyée par ses trois piliers : le fond diffus cosmologique, la fuite des galaxies (RedShift) et la nucléosynthèse. Elle a également su évoluer lorsque le besoin s'en faisait sentir avec, par exemple, la théorie de l'inflation. Mais certains points restent encore à être confirmé expérimentalement et les années à venir seront cruciales.

 

Mais bien qu'il soit le plus connu (et celui ayant le plus d'arguments en sa faveur), le Big-bang n'est pas le seul modèle cosmologique "racontant" la "naissance" de l'Univers.

 

III   La contre-théorie

 


L'esprit critique chez l'homme est inné. C'est pour cela que la théorie du Big-bang, bien que reconnu par la plupart des scientifiques, fut néanmoins contestée par une minorité "d'irréductibles". A leur tête : l'astrophysicien Sir Fred Hoyle qui d'ailleurs, comme nous l'avons dit précédemment, fut l'auteur de l'expression emblématique symbolisant cette théorie.

 

Quelques temps avant que la théorie du Big-bang soit largement diffusée et appuyée expérimentalement, Fred Hoyle soutenait celle de "l'univers stationnaire".

 

Dans les années 50, la théorie de l'univers stationnaire avait plus de succès que celle du Big-bang qui était encore très dérangeante avec sa "naissance à partir de rien".

 

Cette théorie, dans laquelle l'univers est éternel (il ne possède donc ni commencement, ni fin), se base principalement sur l'augmentation de l'espace dû à la récession des dimensions atomiques : ce n'est pas l'espace entre deux galaxies qui s'agrandit au cours du temps, mais la matière qui compose ces galaxies qui se rétrécirait.

En remontant dans le temps les atomes deviennent infiniment grand ce qui exclut le Big-bang.

 

L'augmentation de l'espace est compensée par la création continuelle de matière (à raison de deux atomes d'hydrogène par km3 et par an) de manière à maintenir la même densité.

 

Mais en 1953 avec la découverte du RedShift, la théorie de Fred Hoyle fut pour la première fois affaiblie en faveur de sa rivale.

 

Il trouva malgré tout une explication au RedShift étayant sa théorie : Le "rétrécissement" de la matière constituant deux galaxies, par exemple, engendre une augmentation de la distance entre celles-ci ce qui a pour effet de décaler le spectre vers le rouge.

 

Mais Hoyle, conscient que son explication est un "arrangement" et que le RedShift a été largement démontré comme la conséquence de l'expansion de l'Univers va, en 1993, proposer une variante de sa théorie.

 

Cette variante admet l'expansion de l'Univers en disant que celui-ci, après s'être "agrandi", se "rétrécit" puis entre à nouveau en phase d'expansion pour se "rétrécir" ensuite puis recommencer de manière cyclique suivant la quantité de matière créée.


Dans cette nouvelle théorie, la création continuelle de matière sert à compenser l'expansion de l'Univers, pour que la densité reste la même.

 

 

Une autre interprétation du RedShift suggère que ce décalage est dû à une perte d'énergie des photons au cours de leur long trajet à travers l'espace. Par conséquent plus les galaxies sont éloignées, plus leur spectre est flou et décalé vers le rouge.

 

Ensuite, pour répondre au fait qu'il y ait une grande abondance des éléments légers dans notre galaxie, les partisans de l'Univers stationnaire avancent une hypothèse fébrile face à l'explication donnée par la théorie du Big-bang : selon eux, "il est vrai qu'à notre regard l'hydrogène et l'hélium semblent former 99% de la matière existante, mais cela ne signifie pas qu'en dehors de notre univers observable ce soit la même chose".

 

L'argument "choc" de la théorie du Big-bang survint avec la découverte du fond diffus cosmologique.

 

En 1993, Fred Hoyle contre-attaqua cet argument en disant que le rayonnement diffus était issu d'explosions de supernovae qui, en "éclatant", envoient de fines particules métalliques opaques aux micro-ondes mais beaucoup moins en visible et en infrarouge, de nature à reproduire un rayonnement diffus à 3 K.

 

Étant un phénomène prédit par le Big-bang, ce fond diffus cosmologique fut malgré tout reconnu par Hoyle comme un sérieux soutien à cette théorie. C'est d'ailleurs à partir de ce moment que la théorie de l'Univers stationnaire va être progressivement abandonnée.

 

Mais même si la principale opposante du Big-bang disparaissait peu à peu, les points faibles qu'elle lui reprochait restent pour certains toujours sans réponses.

 

On l'accuse d'être une théorie "bricolée". En effet pour résoudre certains problèmes il a fallu lui appliquer quelques "pansements d'urgence".

 

L'inflation en est un exemple car même les scientifiques qui l'adoptent avouent le faire faute de mieux et regrettent de ne pouvoir la vérifier par l'expérience.

 

On lui reproche également de mal expliquer la formation des galaxies. Les suédois Alfven et Klein, quant à eux, proposent une autre interprétation.

 

Ils pensent que l'Univers actuel émergea d'une énorme galaxie, celle-ci étant très diluée et constituée de matière et d'anti-matière en quantité égale. Sous l'influence de la gravité et du champs magnétique intense elle se contracta annihilant ainsi matière et anti-matière. Cette réaction eut pour conséquence la libération d'une forte énergie (rayons gamma) et la division de la matière et de l'antimatière à chaque extrémité de l'Univers formant ainsi des galaxies constituées de matière d'un côté et des galaxies constituées d'antimatière de l'autre.

 

Il nous est impossible de trancher quant à la nature de telle ou telle galaxie du fait de la trop grande distance qui nous sépare d'elles. 


La théorie de l'Univers stationnaire était issue des pensées de l'époque. Elle fut peu à peu supplantée par la théorie du Big-bang qui s'appuyait sur des déductions et des observations. Mais bien que celle-ci soit bien ancrée scientifiquement, elle possède des lacunes qui furent exploitées par ses opposants. Ceux-ci s'efforcèrent à garder l'esprit critique face au Big-bang.

 

IV   Le Big-bang est-il une réalité ou seulement une théorie ?

 


Une théorie permet de prévoir et d'expliquer des faits observés. Pour établir ce modèle scientifique, il faut s'appuyer sur des observations et des expérimentations desquelles découlent des hypothèses permettant d'interpréter ces phénomènes observés. Lorsqu'une théorie prévoit un événement et que celui-ci est ensuite vérifié, la théorie est "bonne".

 

La théorie du Big-bang est née de suppositions et d'interprétations qui furent peu à peu vérifiées par des observations dont la théorie avait prédit l'existence.

 

En effet, le Big-bang vit réellement le jour lors d'une observation faite par Hubble (le RedShift) mais qui n'a été interprétée que plus tard par Lemaître comme révélant la fuite des galaxies donc l'expansion de l'Univers.

 

Puis Gamow, suivant l'hypothèse de la naissance de l'Univers exprimée par Lemaître, va donner une explication plus précise quant à la suite des événements qui succédèrent sa naissance : c'est la nucléosynthèse primordiale.

 

A partir de ce moment, le Big-bang devenait une véritable "explication" de l'origine de l'Univers.

 

Mais pour qu'elle devienne une véritable théorie il fallait qu'elle puisse prédire un phénomène expliqué par Gamow et ces acolytes mais hélas pas encore observé. Ceci étant nécessaire pour prendre le dessus sur sa théorie adverse de l'Univers statique.

 

Ce fut chose faite en 1965 lorsque deux ingénieurs en télécommunication captèrent par hasard un faible signal radio, le fond diffus cosmologique, que Gamow avait bien auparavant prédit en s'appuyant sur le modèle du Big-bang.

 

D'années en années, cette théorie expliqua de plus en plus de phénomènes et en prédit d'autres qui furent, ou sont en passe, d'être observés.

Le modèle du Big-bang devint alors la théorie dominante et la plus répandue autant dans les milieux scientifiques que populaires.

 

Malgré l'acharnement de Fred Hoyle, l'Univers statique fut de plus en plus contredit par les observations, et les interprétations données par ce dernier furent de moins en moins crédibles.

 

Désormais les opposants au Big-bang s'en tiennent à le critiquer sans proposer de nouveaux modèles très réalistes : l'inflation n'a pas été vérifiée expérimentalement, le RedShift peut avoir une autre origine que l'éloignement des galaxies, etc.

 

Au cours du XXème siècle, la théorie du Big-bang s'est forgée une réputation grandissante. Il y a peu de temps, cette théorie était dite comme la plus crédible et la plus plausible car elle explique précisément pratiquement toute l'évolution de l'Univers depuis sa naissance à aujourd'hui. Mais à partir de la découverte du RedShift et du fond diffus cosmologique, deux preuves quasi irréfutables, le Big-bang n'est plus vu comme une théorie expliquant la naissance du Monde mais pratiquement comme une "réalité" qui s'est déroulée il y a environ 15 milliards d'années.

 

Le Big-bang n'est plus "le modèle cosmologique le plus plausible aujourd'hui" mais bel et bien le début de l'Univers et du temps.

 

Malgré tout, certains points restent encore inconnus : le temps de Planck (avant 10^-24s), ou restent à prouver : l'inflation. Mais aucun de ces deux points ne saurait contrebalancer la théorie du Big-bang.

 

Lexique


1 : Stephen Hawking (1942), ce mathématicien et physicien britannique, est l'auteur de plusieurs recherches théoriques notamment dans la thermodynamique, la mécanique quantique et la relativité générale. Quand en astrophysique, il contribue fortement à l'étude des trous noirs. En cosmologie relativiste, il s'efforce d'y introduire la mécanique quantique de manière à gommer le caractère unique et irremplaçable de la théorie du Big-bang. Il contribue également à la théorie des supercordes.

 

2 : Sir Karl Raimund Popper (1902-1994), britannique d'origine autrichienne, philosophe des sciences.

 

3 : Il naquit en 1854 à Nancy d'une famille qui appartenait à la vielle bourgeoisie lorraine. Il fit d'excellentes études, fréquenta l'École polytechnique dont il sortit major de sa promotion en 1873, puis l'École des mines et enfin soutint brillamment une thèse de doctorat ès sciences mathématiques en 1879. Il fut nommé professeur à la Faculté des sciences de Caen puis à celle de Paris. Élu à l'académie des sciences à l'âge de 33 ans, il appartenait également à de nombreuses sociétés scientifiques tant nationales qu'étrangères. Savant universel, Henri Poincaré s'est particulièrement intéressé à la philosophie. Et c'est alors en 1902 qu'il publie la Science et l'Hypothèse. Il termina sa vie à Paris en 1912.

 

4 : Albert Einstein (1879-1955), grand physicien, mathématicien et astrophysicien de renommée internationale, connu principalement pour ses théories de la relativité restreinte et générale et pour sa célèbre équation E=mc². Né en Allemagne, et plus précisément à Ulm, il est très tôt envoyé en Suisse à l'âge de 16 ans pour terminer ses études. Il en sort diplômé de l'École de polytechnique de Zurich, il occupe d'abord un poste d'expert technique à l'Office de Berne. Par de nombreux articles théoriques rédigés vers 1905 portant sur l'effet photoélectrique ou encore sur l'électrodynamique des corps en mouvement qui n'est autre que la relativité restreinte, il commence à être reconnu dans le monde scientifique. Celle-ci donne lieu à la relativité générale de l'Univers en 1916 qui est à l'origine d'un renouveau. D'ailleurs, après cela, il sera comblé d'honneur : nommé professeur à Zurich puis à Prague et à Berlin et enfin lauréat du prix Nobel en 1921. En 1932, il fuit l'Allemagne hitlérienne pour les États-Unis dont il prendra la nationalité en 1940. Pour lutter contre le fléau nazi oeuvrant déjà sur la bombe atomique, Einstein décida de se joindre aux physiciens américains travaillant sur l'énergie nucléaire. Plus tard, après le drame de Hiroshima et Nagasaki, il combattit fermement la physique militariste. Il mourut à Princeton, dans son pays d'accueil. Einstein fut une figure majeure de la science contemporaine.

 

5 : Sir Arthur Eddington naquit à Kendal en 1882 (Grande-Bretagne). Il fut l'assistant principal de l'observatoire de Greenwich à partir de 1906. Ensuite élu en 1913 à la chaire d'astronomie et de philosophie expérimentale de l'Université de Cambridge, il devint l'année suivante directeur de l'observatoire. Ses premières recherches se portèrent sur les Mouvements stellaires et la Structure de l'Univers qui furent à la base de la dynamique stellaire. En 1926, il publia les résultats de ses recherches sur la constitution interne des étoiles qui mirent en évidence la relation constante qui existe entre leur masse et leur luminosité. En 1919, par l'intermédiaire d'une éclipse solaire, il put vérifier la courbure des rayons lumineux prévue par la théorie de la relativité générale d'Einstein. Lors de cette éclipse, il prit des photos sur lesquelles apparaissaient, à coté du soleil, des étoiles appartenant à l'amas des Hyades qui auraient dû être, en réalité, cachées. Cette théorie le fascina toute sa vie et, d'ailleurs, il en traita dans deux de ses ouvrages. Il mourut en 1944 à Cambridge. Son influence sur l'astronomie fut considérable tant par ses travaux que par ses réflexions.

 

6 : Friedmann Alexandre Alexandrovitch, astrophysicien et cosmologiste soviétique né à Saint-Pétersbourg en 1888. Friedmann entra en 1906 dans la section de mathématiques du département de physique et de mathématiques de l'université de Saint-Pétersbourg, où, encore étudiant, il obtint la médaille d'or de son département, dans lequel il fut nommé professeur en 1910. De 1918 à 1920, il fut professeur de mécanique théorique à l'université de Perm, puis dirigea le département de mathématiques de l'observatoire de physique de l'Académie des sciences de l'U.R.S.S. à Petrograd avant d'en être nommé directeur. Friedmann fut également l'auteur de contributions importantes à la théorie de la relativité générale et plus particulièrement à la solution du problème cosmologique. L'un des représentants les plus brillants de la science soviétique, Friedmann enseigna dans plusieurs institutions scientifiques de l'U.R.S.S. Il mourut de la fièvre typhoïde à l'âge de trente-sept ans en 1925.

 

7 : Georges Lemaître, astrophysicien et mathématicien belge né à Charleroi en 1894. Ses premières études l'emmenèrent à être ingénieur des mines. Mais ceci ne le passionna guère donc, à son retour de la première guerre mondiale, il décida de se tourner vers un enseignement mathématique et physique qu'il termina en 1920. Cette même année, il entra dans le séminaire de Malines, où il se prépara à devenir prêtre et parallèlement, étudia les ouvrages d'Einstein sur la relativité générale. Prêtre en 1923, professeur à l'université de Louvain, spécialiste des conséquences astronomiques de la relativité générale et de l'histoire des sciences physiques et mathématiques, il fut le premier, en 1927, à envisager un Univers en expansion en accord avec la théorie de la relativité d'Einstein. L'Univers qu'il imagina fut confirmé par les découvertes de Hubble. Il émit l'hypothèse "de l'atome primitif" en 1931. Passionné par les ordinateurs, pour les calculs numériques et l'expérimentation mathématique, il fit même venir à Louvain toute une série de machines à calculer et, en 1958, le premier ordinateur de cette Université catholique. Il mourut à Louvain en 1966. Considéré comme une figure marginale dans le milieu mathématique et parfois en désaccord avec Einstein, Lemaître fut l‘un des pionniers de la cosmologie en apportant des solutions originales à certains problèmes de mécanique céleste ou encore de calculs numériques.

 

8 : Le RedShift (noté "z") est le décalage du spectre (vers le "rouge") émis par les galaxies trahissant leur fuite par rapport à la Voie Lactée. Plus la galaxie étudiée est lointaine de la Voie Lactée, plus le RedShift est grand. Le plus grand RedShift actuellement connu est celui d'un quasar nommé "SDSSp J103027.10+052455.0" avec z=6,28.

 

9 : Edwin Powell Hubble naquit à Marshfield dans le Missouri (États-Unis) en 1889. Il effectua ses recherches astronomiques à l'observatoire de Yerkes en 1914 et au mont Wilson de 1919 à 1948. Il participa malgré tout aux deux guerres mondiales. Tout au long de sa vie, il prit de nombreux clichés de "nébuleuses" ce qui lui permettra d'expliquer, en 1922, que les "nébuleuses" ne sont en fait que des galaxies. L'année suivante, il découvrit dans la galaxie d'Andromède une céphéide (étoile à luminosité variable) lui permettant d'établir la distance entre la galaxie d'Andromède et la Voie Lactée (ou tout du moins jusqu'au système solaire). Et il écrivit finalement, en 1929, dans les Proceedings of the National Academy of Science la loi dite d'Hubble. Celle-ci s'appuie sur le rougissement systématique (en grande partie. Mais la galaxie d'Andromède et toutes les galaxies satellites de la Voie Lactée montrent un BlueShift et non un RedShift) du spectre des galaxies, interprété comme un effet Doppler-Fizeau. Hubble formula dans cette même loi que les galaxies s'éloignent les unes des autres à une vitesse proportionnelle à leur distance. Ainsi, il conforta l'idée d'expansion de l'Univers. Il mourut en 1953 à San Marino en Californie.

 

10 : L'effet Doppler-Fizeau est un phénomène se produisant lorsqu'une source de vibrations (sons, ultrasons) ou de rayonnement électromagnétique (lumière, ondes radio, par exemple) de fréquence donnée est en mouvement par rapport à un observateur et qui se traduit pour celui-ci par une modification de la fréquence perçue. Cet effet est fondamental en astrophysique puisqu'il permet la mesure du décalage des raies spectrales d'un astre par rapport au spectre émis sur Terre et qui servira de référence. Appliqué à certaines relations physiques, il permettra de déterminer la vitesse radicale d'ensemble d'astres (en particulier celle des étoiles proches) et d'étudier leurs mouvements internes. L'interprétation de cet effet au niveau des galaxies se traduira par le RedShift ou plus précisément l'expansion de l'Univers. Ce phénomène naturel reste néanmoins à la base de certaines mesures réalisées par des systèmes spatiaux de localisation ou de navigation.

 

11 : Contraire du RedShift.

 

12 : George Anthony Gamow naquit à Odessa en Russie en 1904. Ce physicien américain d'origine russe reprit et développa en 1948 l'hypothèse de l'expansion de l'Univers en y ajoutant l'idée d'une explosion Primordiale ou "Big-bang". Il énonça même les réactions de nucléosynthèse qui se sont produites dans les premières minutes. Il mourut en 1968 à Boulder dans le Colorado.

 

13 : 1 seconde à 3 minutes après le Big-bang : les protons et les neutrons s'assemblent pour former les premiers noyaux d'atomes d'hydrogène (1 proton), de deutérium (1 protons et 1 neutron) et d'hélium (2 protons et 2 neutrons). On sait aussi que c'est à partir de ce moment que l'Univers est devenu observable. Aujourd'hui l'Univers a 15 milliards d'années, notre univers observable possède donc un rayon de 15 milliards d'a.l.

 

14 : Plus petit "paquet" de l'interaction électromagnétique, c'est à dire plus petit "grain" de lumière.


15 : Particule élémentaire électriquement neutre, de très faible masse, qui est sujette seulement à l'interaction nucléaire faible.

 

16 : Particule élémentaire de charge négative élémentaire que l'on trouve généralement en orbite autours des noyaux d'atome.

 

17 : Particule chargée positivement composée de 3 quarks (2 up et 1 down), que l'on trouve avec les neutrons dans les noyaux des atomes.

 

18 : Particule électriquement neutre composée de 3 quarks (1 up et 3 down), que l'on trouve avec les protons dans les noyaux des atomes.

 

19 : Il naquit en 1915 à Bingley. Cet astrophysicien et mathématicien britannique a étudié la nucléosynthèse à l'intérieur des étoiles entre 1954 et 1957, et a été du même coup l'un des pionners de l'astronomie nucléaire avec W.A. Fowler (astrophysicien américain). Pour contrer la théorie du Big-bang, il avança l'idée d'un Univers stationnaire en 1948, aujourd'hui abandonnée par la plupart des scientifiques. Puis avec J.V Narlikar (astronome indien), il essaya d'élaborer un Univers sans expansion où le décalage vers le rouge des galaxies s'applique par un changement de la masse des particules subatomiques au cours du temps, qui proposait, en 1993, une nouvelle alternative au Big-bang. Avec un autre astronome indien (C.Wickramasinghe), il émit l'hypothèse, en 1978, que la vie venait de l'espace et plus précisément des comètes (panspermie). Il mourut en 2001.

 

20 : Un rayonnement qui possède des caractéristiques identiques dans toutes les directions.

 

21 : "Very Large Telescope" Télescope européen du Chili (de Paranal) composé de 3 miroirs de 8.2m qui pourront travailler en interférométrie ce qui reviendra à un télescope de 100m de diamètre.

 

22 : Werner Karl Heisenberg naquit en 1901 à Würzburg . Il étudia à l'université de Munich sous l'égide d'A. Sommerfeld puis il soutint sa thèse en doctorat en 1923. Il fut l'assistant de M . Born à Göttingen puis passa trois ans à Copenhague à l'institut que dirige Niels Bohr. Il est nommé professeur de physique de l'université de Leipzig en 1927 et ensuite à celle de Berlin en 1942 . Il collabora activement sur les études atomiques avec l'Allemagne nazie et en 1946 , il est nommé professeur à Göttingen. C'est l'un des fondateur des théories quantiques (en 1925, il publie à Copenhague un article qui jette les bases de la théorie quantique) .Il déploie une formidable ingéniosité pour réaliser des "expériences par la pensée" dans des situations où elles sont impossibles . Il oeuvra également à l'écriture d'ouvrages de vulgarisation et de réflexion . Il mourut en 1976 à Munich.

 

23 : Une antiparticule est la même chose que la particule mais symétriquement opposée de par ses caractéristiques. Par exemple, l'électron est de charge élémentaire négative et tourne sur lui-même dans un certain sens. Le positon (l'anti-électron) est de charge élémentaire positive et son axe de rotation est l'inverse de celui de l'électron.

 

24 : La force électromagnétique est celle qui repousse 2 particules chargées de même signe et attirent celles de charges opposées. A 10^15K, elle est identique avec la force faible avec qui elle forme la force électrofaible.

 

25 : La force nucléaire faible est responsable de la radioactivité: elle transforme les protons en neutrons. A 10^15K, elle est identique avec la force électromagnétique avec qui elle forme la force électrofaible.

 

26 : La force nucléaire forte est celle qui contre la force électromagnétique et permet de "coller" les protons dans le noyau. A 10^27K, elle devient identique à la force électrofaible avec qui elle forme la force électronucléaire.

 

27 : Microwave Anisotropy Probe, satellite de la NASA lancé le 30 juin 2001 et qui doit étudier le fond diffus cosmologique.

 

28 : satellite de l'agence spatiale européenne qui doit également étudier le fond diffus cosmologique et qui sera lancé dans quelques années.

 

 

 Bibliographie


- "L'Univers dans une coquille de noix" de Stephen Hawking.

- "Dernières nouvelles du cosmos" d'Hubert Reeves.

- "La première seconde" d'Hubert Reeves.

- "L'univers élégant" de Brian Greene.

- "L'imposture scientifique en dix leçons" de Michel de Pracontal.

- "La Science et l'Hypothèse" de Henry Poincaré.

- "Le Nouveau Monde de M. Tompkins" de George Gamow et Russell Stannard.

- Divers "Science et vie" et dont le hors-série n°189 : "Le Big-bang en questions". Mais aussi des "Science et Avenir" ou "Pour la science".

-  Dictionnaire de l'astronomie et de l'espace par Philippe de la Cotardière et Jean-Pierre Penot.

-  Dictionnaire biographique des inventeurs et des scientifiques.

-  Diverses encyclopédies : Larousse, Universalis, Encarta, etc…

-  Divers sites Internet, notamment le forum de Ciel et espace www.cieletespace.fr.

 

 

 

"Le Big-bang est-il une réalité ou seulement une théorie ?"

Dossier préparé par :

Amaury Langella

Nicolas Vitale vitale.n@wanadoo.fr

Cyprien Pouzenc cyprien.pouzenc@laposte.net

http://cyprien.pouzenc.free.fr

 

 

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Contact : Gilbert Javaux