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¤¤¤Pensées¤¤¤

Aimer c'est souffrir, pour eviter de souffrir,on doit ne pas aimer, mais alors on souffre de ne pas aimer! c'est pourquoi,aimer c'est souffrir. ne pas aimer c'est souffrir et souffrir c'est souffrir......
être heureux c'est aimer, être heureux c'est donc souffrir mais souffrir rend malheureux.....
En consequence pour être malheureux,on doit aimer,aimer souffrir et souffrir d'être trop heureux.....
j'espére que vous me suivez......
(woody allen)

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Le Big Bang
--> non non pas un titre mit en métaphore d'une chose arrivée dans ma vie lol mais la vraie théorie du Big Bang :p^^

Au commencement était l’énergie. Elle donna naissance à l’espace-temps et se condensa pour devenir matière et êtres vivants capables de s’interroger. Voilà une version poétique et résumée du Big Bang fondée sur des acquis scientifiques sommaires.

Depuis l'époque de la mythologie, la cosmologie a toujours incité la réflexion des hommes religieux puis des scientifiques. A l'heure actuelle, cette genèse de l'Univers connaît un grand succès et s'attache les noms de nombreux scientifiques prestigieux (astronomes, physiciens et astrophysiciens). 

La théorie du "big bang" est née d'un ensemble d'observations qui semblent converger vers une même interprétation et le besoin, pour l'esprit humain, d'associer à tout phénomène : une cause.
L'existence de l'Univers peut être perçu comme un phénomène complexe qui selon le principe de causalité doit avoir une cause.Logique hein^^. Cette exigence épistémologique de la pensée humaine a amené les astrophysiciens a bâtir une théorie de la naissance de l'Univers. Un tel projet peut paraître prétentieux ou à la rigueur voué à l'échec car hors de portée de l'Humanité. Pourtant, un faisceau de faits majeurs tend à montrer, comme nous l'avons dit, que notre Univers a peut-être effectivement eu un commencement.

La théorie du big bang repose donc sur l'hypothèse que l'Univers se trouvait, il y a environ 15 milliards d'années, dans un état hyper-dense (plusieurs milliards de milliards de milliards de tonnes par cm3) et qu'il aurait alors "explosé".A la suite de quoi il se serait "dispersé" et étendu. L'état de l'Univers avant le big bang ne peut être appréhendé par la physique actuelle car il échappe totalement à toute forme d'expérience.

L'écho d'un grand "boum"

Introduite en 1927 par l'abbé Lemaître, nous avons vu que la théorie du Big Bang fut affinée par Gamow qui l'énonça en 1948. Comme le faisait remarquer l'abbé Lemaître, il ne faut pas considérer ce grand "boum" comme une explosion traditionnelle; elle ne s'est pas produite dans une enceinte. Le terme "Big Bang" n'est pas approprié pour décrire le phénomène physique qu'il représente car l'Univers se contenait lui-même.

Gamow propose qu'il y eut un état singulier, où tout l'Univers était concentré et dans lequel la matière n'existait pas. La relativité générale démontre que lorsque la densité d'un corps est infinie et sa taille est réduite à un point, on obtient une singularité. Einstein écrivit en 1950 que sa "théorie n'est qu'une approximation, très inadéquate lorsqu'on à affaire à de très fortes densités de matière"[10]. Cet état ne peut-être expliqué sans faire appel à la physique quantique. Mais même dans ce cas on obtient des nombres infinis sauf en usant des stratagèmes comme l'Instanton de Hawking et Turok.

Dans les années 1940, R.Feynman, J.Schwinger et F.Dyson apportèrent un début de solution grâce aux renormalisations. Leur théorie permet d'obtenir des résultats finis dont les valeurs sont exacts jusqu'à la dixième décimale. A ce jour seule la théorie de l'électromagnétisme accepte de telles corrections. Les autres interactions s'y opposent, soit que la loi des probabilités ne s'y applique pas (interactions fortes), soit que l'énergie en jeu est indétectable (gravitation) ou l'approximation trop peu précise (interactions faibles). Mais grâce à la théorie de supersymétrie, les physiciens ont trouvé une voie qui devrait conduire à une théorie renormalisable de la gravitation quantique.

Le concept de Big Bang impose également l’idée qu’à cette époque primordiale le rayon de courbure de l’Univers tendait vers zéro, si bien que dans cet espace-temps homogène il y avait des singularités en chaque point de l’espace-temps. Mais cela ne signifie pas que la dimension spatiale de l’Univers était nulle. Il pouvait en effet avoir une dimension spatiale infinie. De même que l’Univers peut avoir une courbure positive, nulle ou négative, être en contraction ou en expansion dans le temps, il peut malgré tout être fermé spatialement (toujours vrai dans le cas sphérique) !...

C'est Roger Penrose et Stephen Hawking qui ont démontré en 1970 que la théorie de la relativité générale imposait un phénomène de Big Bang avec une singularité à l'origine de l'Univers. Mais récemment Hawking s'est rallié à l'idée exprimée par Linde et Guth qui ont supprimé la singularité. Si l'Univers est né de "rien", les mathématiques permettront peut-être de remonter l'échelle de Planck dans un temps imaginaire, mathématiquement parlant.

La radioastronomie vint alors supporter la conception du Big Bang, lui apportant une preuve complémentaire indiscutable. En 1965 Penzias et Wilson[11] découvraient le rayonnement fossile à 2.7 K. Les découvertes du satellite COBE démontrèrent qu'il s'agissait bien de l'émission exacte d'un corps noir comme le prévoyait la théorie.

Echo d'une "explosion" primordiale qui se répandit dans tout l'Univers, cette lumière s'est détendue au rythme de l'expansion de l'Univers. Cette énergie fossile s'est refroidie, se dégradant graduellement d'une fréquence lumineuse en un faible rayonnement radio et isotrope, mais il prouve que l'Univers fut autrefois très chaud. Une autre observation confirme cette fournaise : l'abondance de l'hélium. Entre 20 et 28% de la matière visible est composée d'hélium (~10% calculé en nombre d'atomes), dont 4% seulement ont pu être produits par les étoiles. Selon l'idée la plus répandue, la majeure partie de cet hélium dut apparaître lorsque l'Univers était très chaud (plusieurs milliards de degrés), environ trois minutes après le Big Bang. Il en est de même pour le deutérium et le lithium qui sont tous deux des éléments fossiles abondants qui témoignent de l'existence d'une phase initiale très chaude de l'Univers. Cela dit les récents développements des théories inflationnaires n'imposent pas que le Big Bang lui-même soit chaud. Selon les calculs d'Andrei Linde et son collègue Jun'ichi Yokoyama dans ce cas le scénario inflationnaire ne fonctionnerait pas conformément aux observations (régime adiabatique incompatible avec les hautes températures, etc).

Ces mises au point étant faites, emboîtons le pas de Weinberg et retraçons la genèse de l'Univers en gardant bien à l'esprit que nos lois ne sont que des approximations. 

L'expansion de l'Univers
 
La première observation remarquable a été notée par .
Hubble a découvert que les galaxies s'éloignaient de nous avec une vitesse proportionnelle à la distance qui nous sépare d'elles .
A première analyse, ce résultat est étonnant car il pourrait réveiller les vieilles tentations du géocentrisme (théorie qui affirme que la Terre est située au centre de l'Univers et qui a été mise à défaut par Copernic, Képler, Galillée et Newton) et même de l'anthropocentrisme. 
Mais les physiciens ont appris à relativiser les observations et à ne pas tirer de conclusions trop simplistes ! Comme la Terre n'a, a priori, aucune raison de se trouver au centre de l'Univers, Hubble proposa, pour interpréter sa découverte, que l'Univers était partout en expansion. Cette hypothèse est une solution possible des équations de la théorie de la relativité générale et avait même était déjà étudiée.
Pour bien comprendre ce que cette expansion signifie, il faut imaginer l'espace-temps comme constitué d'une "substance" élastique pouvant s'étirer ou se contracter. Nous avons déjà vu que cette "substance" pouvait se tordre et se distordre étant ainsi à l'origine de la gravitation. Il faut admettre qu'elle peut également s'allonger et se rétrécir comme un élastique.

L'image traditionnelle qui illustre bien cette idée est celle d'un ballon de baudruche que l'on gonfle. En se gonflant, la surface du ballon s'étire uniformément. Si l'on repère des points sur cette surface en dessinant des points avec un stylo feutre, on remarquera que ces points s'éloignent tous les uns des autres pendant que le ballon se gonfle.  Aucun point ne possède de position privilégiée par rapport aux autres. Notamment, aucun d'entre eux n'occupe de position centrale et pourtant, chacun pourrait affirmer que tous les autres points s'éloignent de lui, comme s'il se trouvait effectivement au centre. Il est intéressant de noter également que les vitesses d'éloignement des points les uns par aux autres sont proportionnelles aux distances qui les séparent. Bref, nous avons retrouver les caractéristiques de la découverte de Hubble.

Lorsqu'il est question d'expansion ,on doit alors prendre en compte le facteur Temps.

L'échelle du temps

Dans l'échelle ordinaire, linéaire et chronologique des événements que nous allons relater, nous plaçons le début de l'Univers au temps t=0.
Cette notion perd son sens si nous acceptons l'idée d'un Univers qui crée son propre espace "au départ" d'un phénomène de Big Bang. Car chercher à savoir ce qu'il y avait "avant" devient un non sens physiquement parlant.
Pourquoi ? Parce que ce principe peut être gommé si nous alignons en parallèle une échelle logarithmique du temps. Lorsque nous remontons dans le passé, au moment où l'espace prenait forme il y a environ 15 milliards d'années, toute une série d'événements se sont produits à un rythme toujours plus accéléré jusqu'à se multiplier à l'infini.
L'échelle logarithmique nous permet de mieux saisir ces événements toujours plus accélérés dans le passé. Cette échelle facilite également la comparaison avec la notion d'Univers en équilibre thermique qui se dilate.

En bonne approximation, l'échelle du temps est multipliée par deux , chaque fois que l'Univers double de volume, tandis que sa température baisse de moitié. Ainsi, par convention le temps présent vaut 0 ( nous comparons les temps passés à l'époque actuelle).
 Au temps t =1 l'Univers présentera un rayon deux fois plus grand qu'aujourd'hui, soit 30 milliards d'années lumiére.
A t=2 il aura encore doublé (60 milliards d'a.l.) et ainsi de suite.
De l'autre côté de l'échelle, les valeurs prennent le signe négatif.
A t=-1 l'Univers était deux fois plus petit, il faisait 7.5 milliards d'a.l.
Lorsque t =-2, l'Univers était 4 fois plus petit qu'aujourd'hui. Le rayonnement fossile est apparu lorsque l'Univers était 1000 fois plus petit,
à t =-1000; l'hélium apparut lorsque l'Univers était 1 milliard de fois plus petit,
à t=10-9 les quarks ont formés les nucléons
à t =10-12....etc....
La limite inférieure du temps logarithmique vaut "moins l'infini", qui cette fois représente plus logiquement le déroulement chronologique des événements. Avec des limites posées à l'infini nous ne sommes plus tenté de savoir ce qu'il y avait "avant" et nous évitons de tomber dans un piège métaphysique voir poétique  ;).

L'Univers : un système en équilibre

Pour rendre compte des différents phénomènes qui vont se produire au cours de l'expansion de l'Univers, deux autres lois doivent encore être connues :

- Tant que la densité d'énergie du rayonnement est supérieure à la densité d'énergie de la matière, on peut considérer l'Univers comme un système gazeux en équilibre dans lequel la température T est une fonction du temps t :

T (K)  = 1010 K / Ö¯t

Ainsi 1 seconde après le Big Bang la température était de 10 milliards de kelvins.

- La densité de l'énergie du rayonnement vaut :

re =  106 / t²

Ainsi, 1 seconde après le Big Bang, la densité de l'énergie était de l'ordre du MeV[9] ou 106 gr/cm3.
De façon générale, rappelons que la densité d'énergie du rayonnement (des photons) s'élève comme t4 alors que l'énergie de la matière s'élève proportionnellement à la température.

C'est deux relations sont importantes pour comprendre avec plus de clarté le rôle des seuils d'énergie.

Le rayonnement micro-ondes de fond

En 1964, deux chercheurs des Bell Laboratories (USA), Penzias et Wilson, découvrirent, par hasard, l'existence d'un rayonnement électromagnétique de fond isotrope (possédant les mêmes propriétés dans toutes les directions) situé dans le domaine des micro-ondes et qui remplit tout l'espace. Le rayonnement électromagnétique peut être assimilé à de l'énergie (voir chapitres suivants sur la physique quantique) et l'énergie à de la chaleur. On peut donc mesurer l'énergie d'un rayonnement par des unités de température. La température du rayonnement de fond découvert par Penzias et Wilson s'élève à environ 3,5°K (c'est-à-dire 3,5° au dessus du zéro absolu qui a pour valeur -273,15° C) ou -269,5° C.

Le rayonnement de fond de l'Univers présente deux caractéristiques essentielles :

il est isotrope, c'est-à-dire identique dans toutes les directions d'observation,
son spectre (la répartition des fréquences) est absolument identique à celui d'un "corps noir" élevé à une température de 3,5°K.
Qu'est-ce qu'un corps noir ? Lorsque l'on chauffe un objet métallique, celui-ci émet de la lumière. Plus sa température augmente, plus la fréquence de la lumière croît (d'abord infra-rouge, puis rouge, jaune, blanche, etc. ). Un corps noir est le modèle physique qui permet d'interpréter ce phénomène. On peut concevoir un "corps noir" comme une cavité résonnante dans laquelle résonne ntdes ondes électromagnétiques. Max Planck, en 1900, a établi une loi qui permet de calculer avec exactitude le spectre du rayonnement d'un objet que l'on chauffe en fonction de sa température.

 Le fait que le spectre du rayonnement de fond soit identique à celui d'un corps noir chauffé à 3,5°K signifie que l'univers se comporte comme une immense cavité résonnante, comme un objet en soi porté à une température de 3,5°K - de la même façon qu'un objet métallique chauffé.

Selon la loi de Planck, le produit du volume d'un corps noir par le cube de sa température est une constante ce que l'on peut exprimer mathématiquement par : VT3 = Constante. Puisque l'Univers s'étend, son volume augmente et donc sa température décroît. On en conclut alors que dans le passé, l'Univers était plus chaud !

Nucléosynthèse des éléments légers

En remontant le temps, l'Univers aurait donc été plus chaud et plus contracté et donc plus dense. Sans entrer maintenant dans le détail de l'histoire de notre Univers, un moment donné, les quarks qui se trouvaient à l'état libre ont été confinés dans les hadrons dont les protons et les neutrons. Cependant l'énergie ambiante trop élevée étaient suffisante pour empêcher les protons et les neutrons de fusionner. Toutefois, l'Univers poursuivant son expansion et son refroidissement, à un moment donné, l'énergie ne fut plus suffisante pour éviter cette fusion. Les protons et les neutrons, en fusionnant, donnèrent naissance aux éléments légers comme le deutérium (D), l'hélium 3, l'hélium 4 et le lithium. Les théories actuelles permettent de prédire la proportion de ces éléments. Les estimations fournies par les mesures opérées par les astrophysiciens donnent des valeurs en bon accord avec la théorie.

Formation des galaxies et des structures à grande échelle

Pendant environ 10.000 ans selon la théorie du big bang, l'énergie contenue dans l'Univers était essentiellement constituée, en proportion, par du rayonnement (de la lumière). L'univers, en s'étendant toujours davantage, la densité de rayonnement a baissé au point de devenir inférieure à celle de la matière. La matière a alors prédominé dans l'Univers. Ce phénomène eut pour conséquence que les forces gravitationnelles devinrent plus significatives et commencèrent à prendre le dessus sur les forces électromagnétiques. De ce fait, toute petite variation de densité de matière dans l'Univers fut accentuée par la gravitation. Dix milliards d'années plus tard, les galaxies et des structures à plus grande échelle encore comme les amas de galaxies, sont le résultat des infimes variations qui sont apparues pendant la "prime enfance" de l'Univers.

Le télescope spatial Hubble a mesuré avec une très grande précision l'intensité du rayonnement de fond dans toutes les directions. Il a relevé d'infimes fluctuations de cette intensité d'une région de l'espace à une autre comme le montre la photographie qui suit (expérience COBE). Ces infimes fluctuations observées aujourd'hui seraient le reliquat des variations qui seraient apparues 100.000 ans après le big bang (soit quinze milliards d'années dans le passé).

 
Ainsi, le modèle du "big bang" - car il ne s'agit que d'un modèle, les physiciens n'ont pas la prétention d'avoir compris dans sa totalité la genèse de l'Univers - permet d'expliquer très aisément les quatre phénomènes précédemment décrits : l'expansion de l'Univers, le rayonnement de fond, la nucléosynthèse des éléments légers et la formation des galaxies.


Ecrit par Jessica H., le Mercredi 16 Février 2005, 15:13 dans la rubrique "Philo-delire".
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