Le Big Bang

Blandine Pluchet

Préface d’Hubert Reeves

Le Big Bang pour les Nuls

« Pour les Nuls » est une marque déposée de John Wiley & Sons, Inc.

« For Dummies » est une marque déposée de John Wiley & Sons, Inc.

© Éditions First, un département d’Édi8, Paris, 2017. Publié en accord avec John Wiley & Sons, Inc.

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Fax : 01 44 16 09 01

Courriel : firstinfo@editionsfirst.fr

Internet : www.pourlesnuls.fr

ISBN : 978-2-412-02499-7

ISBN numérique : 9782412035207

Dépôt légal : novembre 2017

Correction et édition : Alexandra Chopard et Anne-Lise Martin

Couverture et maquette intérieure : KN Conception

Illustrations techniques : Fabrice Del Rio Ruiz

Illustrations des parties : Stéphane Martinez

Index : Muriel Villebrun

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Ce livre numérique a été converti initialement au format EPUB par Isako www.isako.com à partir de l'édition papier du même ouvrage.

Préface

L’astronomie nous fait découvrir les premiers chapitres de notre histoire. Elle commence, avec éclat, par le Big Bang.

Nul ne sait ce qu’il y avait avant, nos descendants le sauront peut-être.

Ce Big Bang est donc comme un acte de naissance. Et depuis cet événement fondateur, les chapitres de l’histoire du monde se succèdent et Blandine Pluchet joue à merveille l’historienne.

Elle éclaire le passé avec compétence et talent. Ce livre fait passer d’une ignorance supposée à la connaissance de notre passé. Les amateurs de généalogie seront comblés. Ils remonteront le temps au-delà des premiers hominidés dont ils descendent. Car nous devons la vie aux étoiles qui sont mortes, et à une étoile particulière bien vivante encore pour des milliards d’années : notre Soleil.

Le Big Bang pour les Nuls va devenir un ouvrage de référence, comme une bible précieuse dans laquelle puiser sans retenue.

Hubert Reeves

À propos de l’auteure

Diplômée d’un master en physique de l’université Louis Pasteur à Strasbourg et Diplom-Physikerin de l’université de Kaiserslautern en Allemagne, Blandine Pluchet décide, à la fin de ses études, de se consacrer au partage des savoirs.

Son goût pour l’écriture l’amène d’abord vers la littérature jeunesse. Elle publie la série Fisie Ka aux éditions Le Pommier – les aventures d’une petite fille qui découvre les lois de la physique à travers ses enquêtes. Traduite en sept langues, la série sera suivie de diverses collaborations auprès de la presse et de l’édition jeunesse.

En 2015, Blandine édite aux éditions Le Pommier l’album jeunesse Le quark et l’enfant, dans lequel une particule relate la grande histoire du monde, du Big Bang à la vie sur Terre.

Forte de son expérience en littérature jeunesse, de ses efforts pour trouver les images et les mots justes, c’est vers les plus grands qu’elle se tourne ensuite.

Remerciements

Merci à ma famille, mes enfants, mon mari et ma mère pour leur accompagnement dans cette aventure et pour leur patience lors des longues phases d’écriture en solo, ainsi qu’à mon père pour sa relecture et ses suggestions rédactionnelles.

Merci à Anne-Catherine et Dominique, amis chercheurs, pour leur aide et leurs précisions qui ont affiné mes connaissances et mon écriture.

Merci à tous les scientifiques qui vulgarisent leurs travaux et dont les lectures, les conférences et les blogs m’ont nourrie et inspirée. Ils m’ont permis d’écrire ce livre.

Merci en particulier à Hubert Reeves de m’avoir accordé sa confiance, de soutenir mon travail et de m’accompagner par ses écrits et ses mots depuis de nombreuses années.

Merci enfin à toute l’équipe des éditions First : Marie-Anne, Laurent, Marion, Alexandra, et enfin Laure-Hélène pour ses conseils avisés tout au long de la rédaction du présent ouvrage.

Introduction

Qu’est-ce vraiment que le Big Bang ? Malgré ce qu’en dit son nom, le Big Bang n’est pas un grand « boum ». Il est simplement le moment le plus éloigné de l’histoire de l’Univers que les scientifiques peuvent décrire. Et la théorie du Big Bang décrit avant tout l’évolution de l’Univers : cela signifie que celui-ci n’a pas toujours été tel qu’on l’observe aujourd’hui.

Et c’est là que se trouve certainement la source de la popularité de cette théorie, et qu’elle offre son plus grand intérêt : dire que l’Univers est en évolution, c’est dire qu’il a une histoire. L’histoire de l’évolution de l’Univers, c’est celle de tout ce qu’il contient, de la matière et de l’énergie qui le constituent, des objets célestes – galaxies, étoiles, planètes, etc. – qui s’y sont organisés et, plus loin encore, celle des êtres qui le peuplent. L’histoire de l’Univers, c’est celle qui engendre après plusieurs milliards d’années d’évolution la vie, et donc nous-mêmes. La théorie du Big Bang raconte ainsi notre histoire. Elle la raconte en remontant le passé de l’Univers, inscrivant nos vies dans un contexte cosmique.

Voilà une des raisons principales de l’intérêt porté à cette théorie : elle parle directement de nous. Elle vient à la rencontre des questions les plus fondamentales de l’existence – pourquoi et comment sommes-nous ici ? – et est donc source de débats scientifiques mais aussi philosophiques et religieux. C’est que, racontant une histoire, elle pourrait sous-entendre en connaître le début, ce qui n’est cependant pas exactement le cas. La confusion engendrée par une théorie qui s’efforce de décrire l’évolution de l’Univers sans pour autant prétendre en connaître l’origine est trop présente dans les esprits.

Le Big Bang est le nom donné à une théorie de la cosmologie, la branche de l’astrophysique qui étudie la structure et l’évolution de l’Univers dans son ensemble. La théorie du Big Bang propose donc un modèle cosmologique, c’est-à-dire un modèle qui décrit l’Univers dans son entier. On pourrait d’ailleurs aussi dire un scénario. Un scénario, oui, parce que la science n’est pas un domaine de certitudes : il peut toujours advenir une expérience ou une observation qui remette une théorie en question.

Au moment où j’écris ce livre, dans l’état actuel de nos connaissances, la théorie du Big Bang demeure néanmoins celle qui décrit le mieux l’Univers, celle qui colle le mieux aux observations astronomiques et aux expériences que les scientifiques en font.

Alors, prêts pour cette grande quête de connaissance en compagnie du Big Bang ? Je vous invite en voyage : nous allons parcourir ensemble presque 14 milliards d’années, regarder d’abord l’Univers évoluer tel que le dépeint la théorie, avant de rencontrer les hommes qui l’explorent depuis la nuit des temps et mettent au point des modèles pour le décrire. Enfin, nous verrons comment cette théorie peut changer notre regard sur le monde.

À propos de ce livre

Je me suis lancée dans la rédaction de cet ouvrage animée par l’envie de partager avec le plus grand nombre les connaissances autour de la théorie du Big Bang. Avant tout, je souhaite m’adresser à celles et ceux qui n’ouvriraient que très rarement un livre parlant de science ou, pire, de physique, parce qu’elles et ils se disent que c’est trop compliqué, qu’ils s’imaginent être trop nuls pour cela. Je dédie donc particulièrement ce livre à toutes celles et ceux qui, habités d’une étincelle de curiosité, ont pourtant osé l’ouvrir justement parce qu’il y avait écrit dessus « pour les nuls ».

La science devenue trop abstraite décourage, et cette abstraction occulte un aspect fondamental de la connaissance scientifique : nous permettre de mieux comprendre notre propre univers. La physique, discipline scientifique dans laquelle s’insère le Big Bang, est souvent mal aimée, mal comprise. Sa rencontre sur les bancs de l’école a même parfois laissé de mauvais souvenirs. C’est pourtant notre monde que les physiciens explorent à leur manière. Le Big Bang, peut-être plus que toute autre théorie, est un bon point de départ pour, si besoin est, se réconcilier avec la physique. Car cette théorie parle directement de nous, en décrivant l’évolution de l’Univers qui nous a engendrés et dans lequel nous vivons.

Loin des graphiques et des équations, je vais conter un chapitre de la physique, la rendre vivante, plus proche de nous. Je vais tenter de faire très simple, en commençant par le début, en racontant, surtout. Il suffit parfois de quelques images ou de mots bien choisis. Les idées sont à la portée de tous.

Tout en cherchant à être le plus fidèle possible aux dires de la science, ce livre contient certainement des approximations ou des omissions. Que ceux qui pourraient en être gênés veuillent bien m’en excuser ; c’est difficilement évitable dans un ouvrage de vulgarisation scientifique. En l’écrivant, je prends avant tout le parti d’introduire et de raconter, pour essayer de partager la connaissance avec tous. Je m’inscris donc modestement dans une démarche de passeuse de savoir, dans le sillage de nombreux autres avant moi.

Je vais raconter beaucoup, parce que c’est tellement passionnant, tellement captivant de mieux connaître le monde. De plus, chacun est un peu à la recherche de son identité, et la théorie du Big Bang nous en dit très long sur nous-mêmes. Elle nous inscrit dans un temps universel, dans lequel il fait bon se retrancher pour avoir du recul et prendre conscience du merveilleux de notre univers. On ne voit plus la vie de la même manière après cela.

Les conventions utilisées dans ce livre

Vous rencontrerez au fil de votre lecture un certain nombre de concepts qui méritent d’être définis plus explicitement. Cela sera fait tout au long du texte. Mais, au regard du grand nombre de concepts introduits dans le livre, et pour faciliter la découverte du lecteur peu habitué à utiliser ce langage plus scientifique, leurs définitions seront réunies dans un glossaire en fin d’ouvrage. Un astérisque sera apposé sur ces termes lors de leur première apparition dans le texte.

Comment ce livre est-il organisé ?

J’ai choisi de vous présenter le Big Bang en trois parties qui, selon moi, font bien le tour de la question. Chacune d’entre elles aborde la théorie sous un angle différent, les trois parties se lisant les unes indépendamment des autres. La première retrace l’évolution de l’Univers selon la théorie, la deuxième la replace dans l’Histoire et permet d’appréhender le travail des scientifiques. La troisième développe diverses idées autour du Big Bang, nous invitant à réfléchir. La quatrième partie, bien connue des habitués de la collection des Nuls, est la partie des Dix, offrant quelques dizaines de pauses récréatives, à lire au gré de son humeur.

Première partie : Le grand récit du monde selon le Big Bang

Dans cette première partie, je vous emmène en voyage. D’un claquement de doigts, nous allons remonter le temps pour nous retrouver face à un grand mur symbolique, celui qui limite la connaissance scientifique actuelle. C’est là que va commencer notre périple. Faisant connaissance avec les concepts de la physique, nous allons côtoyer les plus simples entités de matière au tout début de l’histoire de l’Univers, suivre leurs rencontres, leurs aventures, et découvrir comment la matière s’organise.

Tout ira d’abord très vite, puis l’Univers prendra peu à peu son temps. Tout au long du récit, nous ferons des allers-retours entre l’infiniment petit et l’infiniment grand : des atomes aux étoiles, des molécules aux planètes, des premières formes de vie à la conscience… Le récit de ce grand voyage, c’est la théorie du Big Bang qui nous le livre.

Deuxième partie : Le Big Bang dans l’Histoire

Comment les scientifiques ont-ils découvert l’histoire de l’Univers ? Comment sont-ils parvenus à mettre sur pied une théorie comme celle du Big Bang ? C’est ce qui nous occupera dans cette deuxième partie.

Depuis la nuit des temps, à travers le monde, des hommes se posent des questions relatives à l’Univers. De ces questions sont d’abord nés des mythes puis, avec les premiers scientifiques, des théories. Ces théories ne cessent d’évoluer au cours du temps. Les observations s’accumulent, la pensée évolue, les moyens techniques d’expérimenter le monde s’améliorent. Dans cette partie, nous irons à la rencontre de tous ces personnages de science, pour voir comment leurs idées se sont développées. Cela nous permettra de comprendre comment la théorie du Big Bang est née dans leurs esprits avant de s’imposer dans la description de l’évolution de l’Univers.

Troisième partie : Le Big Bang, un univers à penser

La troisième partie nous invite à réfléchir. Quelles sont les limites de la théorie du Big Bang ? Qu’y avait-il avant, qu’y aura-t-il après, quelles sont les énigmes qui hantent les laboratoires des physiciens ? À la croisée des chemins, cette théorie scientifique côtoie d’autres manières de penser le monde, comme la philosophie, la religion ou l’imaginaire. Nous discuterons la place de chacun face à certaines questions fondamentales. Enfin, nous tenterons de voir comment la théorie peut faire évoluer notre regard sur le monde. Comprendre l’Univers dans un contexte historique, développer la conscience cosmique et le sens de l’écologie, découvrir une nouvelle vision de la créativité.

Quatrième partie : La partie des Dix

L’incontournable partie des Dix, à déguster selon ses envies ! J’ai choisi, à travers des portraits, de présenter dix femmes extraordinaires et émouvantes, qui ne doivent cependant pas faire oublier toutes les autres que je ne peux citer ici. Ici se côtoient des histoires d’époques différentes : dix personnages féminins hors du commun, des femmes passionnées et érudites, qui se sont consacrées et se consacrent aujourd’hui à la recherche pour mieux comprendre l’Univers.

Les icônes utilisées dans ce livre

Il est certain que quelques passages du livre peuvent paraître plus ardus pour des non-initiés à la pensée scientifique. Croisant l’icône « technique », il vous faudra peut-être, le temps de quelques lignes, être un tout petit peu plus attentif dans la lecture, pour ensuite savourer la satisfaction d’avoir compris quelque chose qui aurait pu vous sembler difficile. Auprès de cette icône, vous goûterez aux plaisirs intellectuels des scientifiques.

La science, en trame de fond de la théorie du Big Bang, chamboule nos perceptions et notre regard sur le monde. Face à cela, il est parfois nécessaire de marquer une pause pendant ou après la lecture, juste histoire d’observer ce qu’il se passe en soi, et de bien prendre conscience de la portée de ces connaissances. L’icône « à méditer » signalera ces passages dans le texte.

Ce sont des hommes qui font la science, des gens comme vous et moi, consacrant leur vie à mieux comprendre le monde qui nous entoure, par la méthode scientifique. Faire connaissance avec ces personnages, dans le contexte de leur époque, nous permet d’appréhender le savoir scientifique d’une bien autre manière que par de simples équations. Cette icône signalera des portraits, pour faire connaissance avec l’humain en coulisse des laboratoires. J’ai également choisi d’utiliser cette icône pour présenter des instruments qui accompagnent les scientifiques dans leur travail.

La science est loin de détenir tout le savoir du monde. Les connaissances qu’elle nous livre sont sans arrêt sujettes à retouches ou remises en question. La science se confronte même à de nombreux mystères. Nous allons les côtoyer tout au long de l’ouvrage et vous les verrez apparaître avant même leur lecture grâce à cette icône.

Par où commencer ?

Vous souhaitez tout d’abord vous plonger dans le grand récit du monde selon le Big Bang ? Vous voulez connaître l’histoire de l’Univers dans laquelle la trame de votre existence s’insère ? Lire ce que nous en relate actuellement la science ? Commencez alors par la première partie.

Ou bien souhaitez-vous plutôt découvrir le développement de la théorie du Big Bang dans l’histoire des hommes ? Suivre l’évolution de la pensée scientifique à travers les âges et comprendre le rapport de l’humain à l’Univers ? Rendez-vous dans la deuxième partie.

Ou alors préférez-vous réfléchir autour d’une théorie scientifique ? Car le Big Bang nous amène à penser, son implication va bien au-delà de la seule compréhension de l’évolution de l’Univers. À la croisée des chemins de la science, de la philosophie ou de la religion, cette théorie vous donnera de quoi méditer sous bien des facettes. Clés en main, à vous de choisir.

Les trois premières parties de l’ouvrage se lisent indépendamment les unes des autres, chacune abordant le Big Bang sous un angle particulier. Les deux premières se lisent plutôt comme des romans, elles se déroulent chronologiquement au fil des pages. Pour faciliter une entrée de lecture par chapitre, une fiche « résumé » à la fin de chacun d’eux relatera les principaux épisodes passés. Des frises des temps cosmologiques et historiques se trouvent en annexe pour faciliter le repérage au cours de la lecture. La troisième partie, quant à elle, est un patchwork d’idées. À lire comme bon vous semble.

Certains préféreront parcourir l’ouvrage selon l’ordre que j’ai privilégié, d’autres se sentiront plutôt en affinité avec l’Histoire, la réflexion ou encore la science. Commencez comme vous le sentez, il y en a pour tous les goûts dans Le Big Bang pour les Nuls.

En ce qui concerne la quatrième partie, la fameuse partie des Dix, vous aurez peut-être envie de la feuilleter tout de suite, par curiosité, ou parce que vous la connaissez déjà bien : c’est une commode à tiroirs multiples, ici trois chapitres de portraits, d’anecdotes, de curiosités, tout un tas de petites choses sans lesquelles le livre n’aurait pas autant de piment. Vous y trouverez quelques dizaines de petites présentations, des grains de sel à parsemer au cours de votre lecture ou dans votre vie de tous les jours.

Pour accompagner votre lecture, de précieuses annexes sont d’autre part réunies en fin d’ouvrage : une frise des temps cosmologiques grâce à laquelle vous saurez toujours vous orienter lors de vos grands voyages dans le passé de l’Univers ; des repères historiques qui vous aideront à visualiser l’évolution de la science dans un contexte chronologique ; puis une bibliographie vous donnant l’occasion d’aller plus loin ; un glossaire vous permettant de retrouver la définition de nombre de concepts du monde scientifique rencontrés au fil de votre lecture ; trois tableaux essentiels à la compréhension de cet ouvrage ; enfin, l’index, incontournable voie d’entrée dans le livre.

Trêve de conseils, il est maintenant temps de partir à la découverte du Big Bang. Je bouillonne déjà d’impatience de vous y accompagner. Il y a tant à raconter. Prêts ? C’est parti, presque 14 milliards d’années nous attendent !

PARTIE 1LE GRAND RÉCIT DU MONDE SELON LE BIG BANG

DANS CETTE PARTIE :

C’est une drôle d’histoire que je m’apprête à vous conter, car c’est une histoire qui n’a pas de début. Elle commence simplement à l’horizon du savoir contemporain. Décrit par la théorie du Big Bang, cet instant que nous pensons souvent initial n’est en fait que la frontière de notre connaissance. Les astrophysiciens et les physiciens qui explorent l’Univers remontent le temps pas à pas, repoussant peu à peu les limites de la connaissance au fil de leurs observations, de leurs théories.

Pour bien comprendre la démarche des scientifiques, il serait peut-être plus juste de raconter l’histoire de l’Univers à rebours. De commencer par nous, puis de raconter ce qu’il y avait avant, et encore avant, et encore avant… comme un enfant qui recherche le pourquoi du pourquoi du pourquoi. J’ai pourtant choisi de vous conter un récit chronologique, qui se déroule au fil du temps tel que nous l’appréhendons : cela me semble plus à même de nous faire prendre conscience de la trame universelle dans laquelle notre histoire personnelle s’insère.

Voici donc le grand récit du monde, du magma primordial aux premiers atomes, des étoiles et des galaxies aux molécules, des planètes à la vie. L’Univers évolue, s’organise, préparant depuis presque 14 milliards d’années les ingrédients qui nous constituent aujourd’hui.

Chapitre 1 De l’horizon de notre connaissance aux premiers atomes

DANS CE CHAPITRE :

» Confrontation avec les limites de notre savoir

» Rencontre avec les concepts de la physique

» L’Univers pendant la première seconde

» Formation des premières structures : des nucléons aux atomes

Dans ce chapitre, nous allons parcourir les premiers instants de l’Univers*. Ici prennent sens les concepts de temps, d’espace, d’énergie, de matière : je vais vous les présenter les uns après les autres. Ici apparaissent aussi les briques de la matière et les premières structures qui composent l’Univers aujourd’hui.

Les connaissances qui se réfèrent à ces premiers instants sont encore floues, les scientifiques manquent de moyens et d’outils pour les vérifier. Pourtant la théorie* permet de dire déjà beaucoup de choses. Restons quand même prudents, beaucoup de prédictions théoriques n’ont pas encore été confirmées par l’expérience ou l’observation.

Avant de partir en voyage aux confins de l’Univers et de notre connaissance, marquez une petite pause et regardez vos mains : elles sont constituées de particules* apparues tout là-bas, des particules qui sont âgées de presque 14 milliards d’années... Pas trop le vertige ? La science, en ce qu’elle nous révèle, est fascinante.

Mais nous voici maintenant sur le départ, prêts à remonter des milliards d’années, pour aller arpenter bientôt les premiers instants de l’Univers, tels que décrits par la théorie du Big Bang.

L’horizon de notre savoir

Si nous regardons la mer, elle disparaît à l’horizon. Imaginons que nous n’ayons pas les moyens d’aller explorer au-delà de cet horizon, et que nous ne sachions rien sur ce qu’il s’y trouve. Qu’y a-t-il là-bas, nous interrogerions-nous peut-être : la mer encore, autre chose, rien du tout ? De même, le scientifique se demande ce qu’il pourrait bien y avoir de l’autre côté de l’horizon du Big Bang. Car les premiers instants que nous décrivons comme premiers instants de l’Univers sont en réalité les derniers que les théories de la physique moderne nous permettent de décrire. Au-delà, les physiciens se retrouvent face à un mur, un mur d’incompréhension, qu’on appelle le mur de Planck*. Ce mur n’est bien sûr qu’un symbole. Il marque une frontière, une limite, celle de notre connaissance.

Ces premiers instants de l’Univers au pied du mur de Planck seraient les derniers instants si on décidait de raconter cette histoire à rebours en s’inscrivant dans la démarche des scientifiques. Ce sont les derniers moments, les plus éloignés dans le temps, jusqu’auxquels les femmes et les hommes de science réussissent encore à théoriser. Ce qu’on trouve au-delà de ces instants, ce n’est pas le néant, mais bien le néant de nos connaissances, et un espace ainsi laissé libre à notre imagination.

Ce qu’il y a au-delà du symbolique mur de Planck, personne ne le sait. Cela reste un mystère. Au-delà de cette limite, les scientifiques ne peuvent tout simplement rien dire : les outils de la physique sont inutilisables. Les théories de la physique et leurs concepts – le temps, l’espace, la matière et l’énergie – ne fonctionnent plus. L’arrière du mur de Planck reste alors une énigme. De quoi aiguiser la curiosité et l’imagination des scientifiques, et ils s’en donnent à cœur joie comme nous le verrons dans le chapitre 9 de ce livre.

Faisons les présentations

C’est donc ici que commence notre histoire, au pied du mur de Planck, aux premiers instants de l’Univers que les physiciens peuvent décrire grâce à la théorie du Big Bang. L’exploration commence avec la présentation des différents protagonistes du récit, à savoir l’Univers, le temps, l’espace, l’énergie, la matière et, enfin, les forces.

L’Univers, au-delà de notre imagination

Au pied du mur de Planck, l’Univers est extrêmement chaud et extrêmement dense, mais aussi extrêmement grand.

Impensablement chaud

La température s’y mesure en kelvins*. Ceux-ci sont, au même titre que les degrés Celsius, une unité de mesure de la température. Cette échelle est plus communément utilisée par les physiciens pour parler de la température dans l’Univers. La conversion des kelvins en Celsius s’effectue simplement en retranchant 273 aux kelvins.

La température de l’Univers à cette époque est de 10³² kelvins. Or, 10³² kelvins, cela veut dire 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 kelvins, soit 1 avec 32 zéros, ou bien cent mille milliards de milliards de milliards de kelvins. Ici, les puissances de dix (voir encadré) sont un outil bien utile pour prendre la mesure de cette température gigantesque.

Car si s’imaginer une telle température s’avère difficile – cela dépasse l’entendement – les mathématiques viennent à la rescousse : le nombre de zéros peut nous permettre de nous faire une idée de la situation. Comme nous le verrons souvent dans la suite, l’intellect prend le relais de l’imaginaire pour nous permettre d’évaluer les phénomènes du monde tels que décrits par la physique moderne.

LES PUISSANCES DES MATHÉMATIQUES

Les puissances de dix sont un outil mathématique couramment utilisé pour décrire le monde de l’infiniment petit et de l’infiniment grand. Le monde de l’infiniment petit, c’est celui du physicien qui scrute les plus petites particules de matière : les entités étudiées sont minuscules, souvent de l’ordre du millionième de milliardième de mètre. Le monde de l’infiniment grand, quant à lui, celui de l’astrophysicien qui scrute l’Univers, les étoiles et les galaxies lointaines, se chiffre en milliards de milliards de kilomètres.

Pour éviter de manipuler des nombres trop longs à écrire, on utilise les puissances de dix.

Ainsi 10a représente un nombre avec a zéros après le 1. Par exemple 10⁴ = 10 000, 10⁹ = 1 000 000 000.

De même, 10-a signifie 1/10a et représente un nombre plus petit que 1 avec a – 1 zéros après la virgule précédant le 1. Par exemple 10⁻³ = 1/10³ = 1/1000 = 0,001 ou 10⁻¹² = 0,000000000001.

Inconcevablement dense

Au même titre que la température, la densité* de l’Univers à cette époque est elle-même incroyablement grande. Au pied du mur de Planck, le cosmos* (qui contient actuellement 100 milliards de galaxies) est condensé dans un volume minuscule : encore plus petit qu’un atome vu d’un atome.

Incroyablement grand

L’Univers est extrêmement chaud, extrêmement dense. Il est aussi immensément grand. Contrairement à l’idée reçue, il n’est pas réduit à un point. Les physiciens font en effet la distinction entre l’univers observable*, qu’on appelle aussi « cosmos » et qui est celui que nous sommes capables d’observer, et l’« Univers » dans son entier, avec un grand U, auquel nous n’avons pas accès par l’observation. Notre univers observable, le cosmos, contient aujourd’hui une centaine de milliards de galaxies* comme notre Voie lactée, et s’étend sur 46 milliards d’années-lumière*. Pour ma part, j’utiliserai tout au long de cet ouvrage, selon le contexte, les mots d’Univers ou de cosmos.

Au pied du mur de Planck, c’est donc le cosmos qui est condensé dans un minuscule volume. Au-delà, de l’autre côté de notre horizon cosmologique*, la limite au-delà de laquelle les astrophysiciens ne peuvent plus rien observer, il y a tout le reste de l’Univers, peut-être à l’infini (voir chapitre 9). Les physiciens le considèrent comme immensément grand, à ses tout débuts comme aujourd’hui. Et ils le supposent dans cette immensité extrêmement dense et chaud au début de notre histoire.

MAIS OÙ SONT PASSÉES L’ORIGINE ET L’EXPLOSION INITIALE ?

Vous aurez peut-être noté qu’il n’est dans ce début du récit nulle part question d’origine ou d’explosion fulgurante. C’est que la théorie du Big Bang ne raconte nullement cela. Les idées d’origine et d’explosion se rattachant au Big Bang sont des idées reçues qui s’inscrivent dans l’histoire de la théorie mais n’ont pas lieu d’être. La théorie du Big Bang peut seulement décrire l’état de l’Univers jusqu’à l’horizon de notre savoir, le mur de Planck. Le commencement qu’elle sous-entend n’est que la frontière de la connaissance scientifique. On ne peut donc ni parler d’origine, ni d’explosion initiale. Nous reviendrons sur ces notions dans le chapitre 10 où nous redéfinirons le concept de Big Bang au regard de la connaissance actuelle.

Au pied du mur de Planck, nous commençons à suivre l’évolution de l’Univers. Ce tout petit volume de cosmos entremêlant espace, temps et énergie débute son expansion dans tous ces endroits en même temps, comme tout le reste de l’Univers. Ce qu’il aurait pu se passer « avant », à supposer que ce mot ait un sens, reste un mystère. Car, encore une fois, c’est seulement une fois passé le mur de Planck que notre physique devient utilisable et que les concepts comme le temps, l’espace, la matière et l’énergie prennent sens.

C’est le moment de faire leur connaissance. Ces concepts sont interdépendants, nous le verrons. Mais je vais vous les présenter un à un. Allons à leur rencontre.

Le temps

S’éloignant du mur de Planck, les physiciens peuvent enfin mesurer le temps qui passe : les équations de la physique sont utilisables pour décrire l’Univers. On pourrait alors se représenter les physiciens, montre en main, prenant la mesure du temps qui s’écoule à présent. Certes, l’horloge qu’ils utilisent est beaucoup plus perfectionnée que la nôtre, mais le principe est là. Pourtant, quand il s’agit de décrire le monde le plus justement possible, on ne peut se fier à notre bon sens. Le temps, tel que nous avons l’habitude de l’appréhender dans nos vies quotidiennes, ne correspond pas à la réalité de l’Univers. Un dénommé Einstein est passé par là, et d’une certaine manière, a remis les pendules à l’heure (voir chapitre 6).

Nous avons la sensation que le temps s’écoule régulièrement, du passé vers le futur, traversant le présent qui nous file entre les doigts. Des secondes, des minutes, des heures, des jours ou même des années et des siècles sont les fils conducteurs de nos vies. Nous évoquons le passé ou le futur avec nos pairs, nous datons les événements. Notre bon sens ne remettrait pas cela en question : le temps s’écoule de la même façon pour chacun.

Le temps est comme un élastique

Au grand dam de notre compréhension directe et instinctive du monde, on sait maintenant que le temps est, d’une certaine manière, élastique. En réalité, il peut s’étirer, s’allonger. Il dépend d’abord de la vitesse de celui qui le mesure : plus nous allons vite, plus le temps ralentit. Ce ralentissement, imperceptible à des vitesses telles que celles vécues dans notre quotidien, devient clairement perceptible quand on s’approche de la vitesse de la lumière*, la plus grande vitesse observée dans l’Univers. Le paradoxe des jumeaux, introduit par les physiciens pour illustrer ces propos, peut permettre de mieux saisir cette affirmation : alors que l’un des deux jumeaux reste à terre, l’autre part en voyage pour quelques années à une vitesse proche de celle de la lumière. À son retour, selon les théories de la physique moderne, il sera plus jeune que son frère. Mais ce n’est pas tout. Car le temps est aussi ralenti par une force, que nous décrirons bientôt plus en détail : il s’agit de la gravité*, la force d’attraction qui nous retient sur la Terre. Tout objet massif exerce cette force et, par là même, ralentit le temps à son voisinage.

Dans notre vie de tous les jours, ces déformations du temps sont imperceptibles. Pourtant, elles sont bel et bien mesurées par les physiciens quand ils étudient des masses gigantesques ou des corps se déplaçant à des vitesses proches de celle de la lumière. Et toute la théorie du Big Bang repose sur ces considérations que les scientifiques doivent prendre en compte dans leurs calculs pour décrire l’évolution de l’Univers.

Le temps est relatif

L’élasticité du temps, que les physiciens appellent plus communément la relativité du temps, a une conséquence fondamentale : le temps n’est plus le même pour chacun. Le temps est relatif. Notre présent peut être le passé de quelqu’un d’autre, ou le futur d’une tierce personne, si nous sommes en mouvement les uns par rapport aux autres. Mais si le temps n’est le même pour personne, s’il dépend de la vitesse, des masses, comment alors le mesurer dans l’Univers, sur quelle référence peut-on s’appuyer ? Les physiciens, pour raconter l’histoire de l’Univers, pour mesurer le temps qui passe, s’appuient sur ce qu’ils appellent le temps cosmologique* : c’est celui de la Terre, du Soleil, des étoiles, celui du plus grand nombre d’atomes de notre univers observable.

LUMIÈRE !

La lumière nous permet de voir le monde. Suite à son émission par une source lumineuse (comme les étoiles), elle ne parvient pas instantanément à notre œil : il lui faut parcourir une certaine distance pour l’atteindre, ce qui prend un certain temps. Les scientifiques savent mesurer sa vitesse. Elle est d’environ 300 000 kilomètres par seconde dans le vide. Selon les lois de la physique, rien ne va d’ailleurs plus vite que la lumière. Ainsi la lumière du Soleil – ce dernier étant situé à environ 150 millions de kilomètres de la Terre – met un peu plus de 8 minutes pour nous parvenir. On dira alors que le Soleil est à une distance de 8 minutes-lumière de la Terre, et on introduit à cette occasion une nouvelle unité de mesure, très pratique pour mesurer les distances astronomiques de l’Univers : l’année-lumière. L’année-lumière représente la distance parcourue par la lumière pendant une année, soit environ 10 000 milliards de kilomètres. La lumière de la galaxie d’Andromède située à 25 milliards de milliards de kilomètres mettra quant à elle 2,5 millions d’années à nous parvenir : on dira alors qu’elle est située à 2,5 millions d’années-lumière. Notons au passage que la lumière nous parvenant aujourd’hui de cette galaxie est partie il y a 2,5 millions d’années : ce que nous voyons alors est l’image du passé, l’image de la galaxie telle qu’elle était il y a 2,5 millions d’années. Nous reviendrons ultérieurement sur cette précieuse information.

L’espace, inséparable du temps

On pourrait se représenter l’espace se déployant dans trois dimensions, à l’image des graphiques qui ont illustré nos cours de mathématiques (trois droites se croisant en une origine, l’axe des x, celui des y, celui des z). Mais qu’en est-il vraiment ? Devons-nous remettre en question nos perceptions, à l’instar de celles du temps ? La réponse est affirmative.

Fig 1-1 Graphe des 3 dimensions.

Encore une fois, notre bon sens est trompeur. Au même titre que le temps, l’espace est aussi élastique, il est relatif. Quand le temps ralentit, l’espace lui-même rétrécit. Reprenant le paradoxe des jumeaux introduit plus haut, la physique montre que le le jumeau voyageant à la vitesse de la lumière – pour lequel le temps ralentit – est aussi plus petit que son frère resté à terre.

L’espace et le temps sont intrinsèquement liés. Ils interagissent, ils se déforment mutuellement, on ne peut pas les séparer. La trame du monde selon la physique moderne n’est pas un espace à trois dimensions, mais à quatre, la quatrième étant le temps. Cet espace-temps* régit l’Univers, depuis le mur de Planck jusqu’à aujourd’hui.

L’élasticité de l’espace et du temps, qui n’était au départ qu’une théorie (voir chapitre 6), a été maintes fois confirmée et vérifiée par des expériences et des mesures. Les effets de l’espace-temps dans la vie courante sont imperceptibles parce que nous effectuons nos déplacements à des vitesses très inférieures à celle de la lumière.

Ainsi, pour décrire avec exactitude l’Univers, les physiciens doivent prendre en considération cette élasticité dans les calculs. Ce qui est imperceptible à notre échelle est incontournable quand ils étudient l’infiniment grand ou l’infiniment petit. C’est une grande révolution des idées que nous livre ici la physique. Bien loin de nos perceptions quotidiennes et pourtant plus proche de la réalité du monde. L’histoire de l’Univers, telle que nous la connaissons aujourd’hui, n’aurait pu être découverte sans cette nouvelle façon de comprendre l’espace et le temps.

L’énergie

Les physiciens considèrent que le vide n’est pas vraiment vide. Il est en réalité constitué d’une forme d’énergie qu’ils appellent énergie du vide*. Cette énergie, partout présente dans le vide de l’Univers, fluctue, comme des vagues sur une mer invisible qui ondulent dans la trame de l’espace-temps. Dans le lointain passé de l’Univers, au tout début de notre récit aux abords du symbolique mur de Planck – l’horizon de la connaissance – les fluctuations de l’énergie du vide feraient apparaître la matière. Car la matière n’est en fait qu’une forme d’énergie (voir encadré ci-dessous).

E=MC², LA PLUS CÉLÈBRE ÉQUATION DU MONDE

Cette équation, découverte par le physicien Albert Einstein, résume en quelques signes l’essence du monde. Dans l’équation mentionnée ci-dessus (qui est en réalité une version simplifiée de l’équation d’Einstein), E représente l’énergie, m la masse d’un objet, et c² la vitesse de la lumière au carré (c x c). Si on multiplie la masse d’un objet par la vitesse de la lumière au carré, on obtient la valeur de l’énergie qui lui correspond. Ainsi, toute masse a un équivalent énergie. La physique moderne nous révèle d’ailleurs que la masse n’est en fait qu’une forme d’énergie parmi d’autres. La stabilité des objets qui composent notre quotidien les empêchent de se transformer spontanément en énergie, mais les physiciens qui étudient le monde des particules, les plus petites entités de matière, observent ce genre de transformations tous les jours. De quoi leur donner une bonne idée de ce à quoi ressemblait l’Univers dans son lointain passé.

La matière nous est facile à appréhender, elle nous constitue, elle constitue le monde avec lequel nous sommes en interaction. La notion d’énergie, elle, est plus difficile à saisir. Pour fournir un effort, pour effectuer un travail, de l’énergie est nécessaire. Dans le langage du physicien, l’énergie est la capacité d’un corps à fournir un travail. Elle est aussi une sorte de monnaie d’échange des transformations dans le monde. Ainsi, l’énergie cinétique de l’eau d’une rivière devient énergie électrique en faisant tourner les turbines du barrage qui entraînent des électroaimants. L’énergie chimique stockée dans les aliments que nous ingérons deviendra énergie thermique dans notre corps et énergie mécanique permettant nos mouvements. L’énergie se présente donc sous diverses formes : chimique, mécanique, cinétique, thermique, mais aussi sous forme de masse*. La masse n’est autre qu’une des formes prises par l’énergie.

Les multiples facettes de la matière

La matière*, qui est donc une forme d’énergie selon la physique, est constituée d’un certain nombre de particules. Nous allons les introduire au fur et à mesure de leurs apparitions au cours de l’évolution de l’Univers. Toutes ces particules sont si petites qu’on ne peut pas les voir. Les physiciens savent pourtant les reconnaître grâce aux traces qu’elles laissent lors de leurs passages dans les accélérateurs* de particules, des instruments gigantesques permettant de les accélérer, de les faire entrer en collision, puis de les étudier.

La matière a une caractéristique étonnante : elle ne prend pas toujours l’apparence de particule. Imaginez une pierre qui tombe dans l’eau. Au point de contact, des ondes se propagent à la surface liquide : la pierre peut aussi être définie par ces ondes. La matière observée par les physiciens dans le monde de l’infiniment petit prend parfois l’aspect d’une particule, parfois celui d’une onde : onde et particule sont les reflets d’une même réalité. On appelle cela la dualité de la matière.

La matière est donc plutôt déroutante. D’abord, elle peut se transformer en énergie et inversement. Ensuite, elle se présente dans le monde de l’infiniment petit sous forme d’onde ou de particule et, comme nous l’avons vu précédemment, elle déforme l’espace-temps. Vue sous cet angle, la matière semble vraiment différente de celle que nous côtoyons quotidiennement. Pourtant, c’est bien cette matière qui nous façonne.

Encore une fois, ces phénomènes ne sont évidemment pas perceptibles à notre échelle. Mais, comme la relativité du temps et de l’espace, ils sont bien réels, mesurés et observés tous les jours par les physiciens dans leurs laboratoires. Sans cette manière d’aborder la réalité du monde, nous ne pourrions pas connaître l’histoire de l’Univers.

L’antimatière

Il existe une autre forme de matière que celle qui constitue notre monde : c’est l’antimatière*. Tenant un grand rôle dans nombre de romans de science-fiction de par ses propriétés surprenantes, l’antimatière existe pourtant bel et bien. Au tout début de notre récit, la matière et l’antimatière se partagent en effet à parts égales l’Univers. Des fluctuations de l’énergie du vide de l’Univers, les particules de matière naissent toujours par paires : une particule de matière et une antiparticule d’antimatière. La particule d’antimatière, l’antiparticule, ressemble comme deux gouttes d’eau à celle de matière, à une différence près : la charge électrique*, l’une des propriétés fondamentales des particules. Les charges électriques de la particule et de l’antiparticule sont opposées : quand une particule possède une charge négative, son antiparticule possède une charge positive. Les physiciens appellent « matière » les particules qui constituent notre monde et « antimatière » les particules opposées. Mais ce n’est qu’une question de nomenclature. L’appellation inversée serait aussi possible.

Les particules et les antiparticules ont la particularité de s’annihiler pour redevenir énergie lorsqu’elles se rencontrent. Au début de notre récit, l’Univers est extrêmement dense, et des particules et des antiparticules apparaissent sans cesse par paires, pour aussitôt s’annihiler et redevenir énergie.

Si l’antimatière se partageait l’Univers à égalité avec la matière dans ses premiers temps, elle est cependant devenue extrêmement rare. Les physiciens savent la recréer dans leurs laboratoires et l’observent aussi dans les rayons cosmiques*, ces rayonnements provenant de l’Univers. Pour autant, tous les objets de notre monde sont constitués de matière. La question de savoir comment la matière a pris le dessus sur l’antimatière reste encore une énigme pour la science.

Les forces fondamentales

Présentons enfin les forces fondamentales*. Parce qu’elles sont essentielles. Ce sont elles qui créent des liens entre les particules. Grâce à elles, la matière va s’ordonner et se structurer tout au long de l’Histoire. Elle va s’organiser en systèmes plus complexes. Des particules aux atomes, des atomes aux étoiles, des galaxies aux planètes, des premières formes de vie à nous.

Les forces sont les agents de cohésion de tout ce qui constitue notre monde, elles sont responsables de l’immense variété des phénomènes dans la nature. Au nombre de quatre, chacune exerçant son action à sa manière, les forces sont elles-mêmes véhiculées par des particules. Des particules spéciales, médiatrices de forces, qui les transmettent d’une particule de matière à une autre. Sans encore entrer dans le détail de leurs rôles respectifs, nous pouvons déjà les nommer : elles sont la force de gravitation, la force électromagnétique, la force forte et la force faible.

Pendant la première seconde

Dans les paragraphes qui précèdent, nous avons fait connaissance avec les concepts de la physique : l’espace, le temps, l’énergie, la matière et l’antimatière, les forces. Les décors sont à présent en place, les personnages aussi, et le premier acte peut commencer : l’Univers des premiers temps immensément grand, dense et chaud, est en expansion et débute son évolution.

À cause de l’expansion, la température et la densité de l’Univers diminuent peu à peu, inexorablement. Mais même si ce dernier se refroidit et se dilue, les températures qui y règnent restent toujours au-delà de notre imagination, et c’est encore le nombre de zéros défini par les puissances de dix qui nous permettra de nous en faire une idée.

Nous allons effectivement suivre attentivement l’évolution de la température de l’Univers, parce que c’est elle qui en gère l’organisation. Elle va nous guider dans ces premiers instants, contrôlant l’apparition des divers ingrédients de notre monde. Ainsi, nous n’allons pas suivre l’histoire des débuts de l’expansion de l’Univers en termes de temps (qui se chiffrent en minuscules fractions de seconde), mais en termes de température. Partant de 10³² kelvins, la température amorce une baisse inexorable.

LES PHYSICIENS ET LES SYMÉTRIES*

Des Grecs anciens à aujourd’hui, les physiciens cherchent à comprendre et à décrire le monde dans lequel nous vivons, guidés par des critères d’esthétique et de simplicité. Ainsi, entre deux théories pour décrire un phénomène, leur préférence ira à la plus simple et à la plus belle. La symétrie est un de leurs critères esthétiques. Les symétries sont partout dans la nature : symétries axiales dans les feuilles d’arbre ou sur nos visages, symétries par rotation dans les fleurs, les étoiles de mer, etc. Si vous regardez autour de vous, vous les retrouverez sans peine. Présentes dans notre environnement, elles se rencontrent aussi à l’échelle de l’Univers.