Association lyonnaise Pierre Teilhard de Chardin

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Marcel COMBY / Naissance et déploiement du cosmos
1- La cosmo genèse
Les galaxies s’écartent progressivement les unes par rapport aux autres avec une vitesse proportionnelle à leur distance. Plus un amas de galaxies est éloigné, plus son mouvement de récession est rapide. Ce phénomène s’appelle l’expansion de Hubble (1929). A partir des vitesses des amas de galaxies et des distances de celles-ci par rapport à nous, il est possible de calculer qu’à un moment extrêmement éloigné dans la passé (13,7 milliards d’années) la totalité de la matière de l’Univers devait être concentrée en un point. Il y eut une gigantesque explosion : le Big Bang censé être le commencement de cet Univers. Une explosion aussi violente a dû engendrer une boule de feu ultra chaude. Effectivement, les vestiges refroidis de cette gigantesque boule de feu ont été détectés en 1966 par Arno Penzias et Robert Wilson. Il s’agit de ce qu’on appelle : le rayonnement cosmique fossile qui se situe dans le domaine des micro-ondes. En plus de cela, il a même été possible de calculer la composition chimique à laquelle il faudrait s’attendre pour de la matière émergeant du Big Bang : des éléments les plus légers, hydrogène et hélium dans un rapport massique de 3 pour 1, assortis de très peu d’autres éléments. Telle est la composition du gaz interstellaire, matière première à partir de laquelle les étoiles se sont formées par la suite.

 

La question primordiale qui se pose est la suivante : jusqu’à quelle proximité temporelle du Big Bang serons-nous capables, selon toute vraisemblance, de pousser nos investigations ?
Observer des objets éloignés revient à remonter le temps sachant que la lumière se déplace à vitesse finie. Plus le dit objet est éloigné de nous, plus les faits observés sont anciens. On ne peut aller de ce fait au-delà de 300 000 ans après le Big Bang en raison des phénomènes liés aux interactions entre particules et photons à très haute température qui rendent l’Univers non transparent vis-à-vis de la lumière.
On peut faire mieux en considérant les neutrinos (particules qui n’interagissent avec quoi que ce soit) Avec des appareils sophistiqués, on peut cependant les détecter. Cela offre la perspective de pouvoir détecter les neutrinos qui auraient pénétré le brouillard radiatif initial et qui pourraient ainsi révéler ce qui a dû se passer à des époques plus anciennes : aller, par exemple, 1 seconde après le Big Bang. On peut encore utiliser des ondes gravitationnelles dues à l’accélération d’objets massifs. On pourrait explorer jusqu’à l’instant du Big Bang, mais ces ondes sont très difficiles à détecter.

Une autre question se pose quant à l’homogénéité et l’isotopie de l’Univers qui font que les propriétés physiques de celui-ci seraient identiques dans toutes les directions, ce qui suppose que le rayonnement fossile est uniforme à travers le ciel à l’échelle des micro-ondes. Quelle que soit la direction d’observation, le spectre présente le même profil de longueurs d’ondes, indiquant une température identique (3 kelvins).
(Le kelvin est la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau (H2O), et une variation de température d'1 K est équivalente à une variation d'1 °C. Toutefois, à la différence du degré Celsius, le kelvin est une mesure absolue de la température qui a été introduite grâce au troisième principe de la thermodynamique. La température de 0 K est égale à -273,15 °C et correspond au zéro absolu (le point triple de l'eau est donc à la température 0,01 °C). La dite homogénéité de notre Univers, si elle confirmée, a pour les physiciens un aspect tout-à-fait étrange. En 1980, Alan Guth (cosmologiste américain qui pense que la taille de l'ensemble de l'univers est d'au moins 1023 fois supérieure que celle de l'univers observable. L'univers existe également parmi d'innombrables autres univers avec de nombreuses différentes lois physiques) émit une hypothèse selon laquelle il y a du avoir à l’origine une période comparativement calme, juste après l’instant du Big Bang, de sorte que l’uniformisation des températures a pu se faire. Ce n’est qu’après cette période infiniment courte que l’expansion survint, un phénomène d’une intensité fulgurante appelée : inflation cosmique débutée 10 -36 seconde après le Big Bang. Elle aurait duré 10 -32 seconde avant de s’apaiser pour en revenir au rythme plus majestueux de l’expansion de Hubble.
Mais on n’a pas de preuve de l’inflation cosmique !

En outre, il y a une énorme différence entre le fait de préciser à quoi ressemblait l’Univers une infime fraction de seconde après le Big Bang et le fait de pouvoir dire ce qu’il était à l’instant même de cet événement cosmique. La totalité de l’Univers devait se résumer en un point, un espace de volume nul dont la densité a donc dû être infinie. On se trouve en présence d’une réalité que les scientifiques appellent singularité. Stephen Hawking imagina même que le temps lui-même pourrait changer de nature lorsqu’on se rapproche de l’instant primordial, ce qui induit que la notion même d’ « instant primordial » serait dénuée de sens ! Et, de même, il serait faux de dire que l’explosion cosmique a projeté un gigantesque flux de particules dans l’espace en raison du fait qu’à l’instant primordial, l’espace n’existait pas.
Ce qui est raisonnable de penser est que le temps et l’espace sont nés avec le Big Bang ce qui interdit toute spéculation de nature anthropomorphique sur une réalité qui est plutôt d’ordre métaphysique. Se greffe alors cette question fondamentale : Pourquoi, dans l’absolu, existe-t-il un monde ?
Nos ancêtres avaient une image statique de l'Univers. Dans la cosmologie judéo-chrétienne, Dieu a créé l'univers, les étoiles, le Soleil et les planètes tels que nous les observons, Dans ce décor il a mis les animaux et les plantes selon les espèces que nous connaissons. Puis, l'Homme fut placé par Dieu dans la Création pour dominer toutes les autres créatures. Cette Création, dans la Bible, n'est âgée que de quelques milliers d'années Aujourd'hui, la Science nous offre une image radicalement différente, celle d'une Cosmo genèse, d'un Cosmos en genèse continue depuis le Big-Bang originel, partant d'un univers très condensé, à très haute température, suivi d'une expansion et au refroidissement qui l'accompagne La Cosmogénèse s'inscrit dans une évolution qui place tous les phénomènes dans une histoire, Les atomes, les plantes, les animaux, les hommes et leurs sociétés, un jour, sont apparus. Ils n'ont pas toujours existé. Remplacer le Cosmos par la Cosmogénèse est une révolution de la pensée humaine scientifique, philosophique et théologique dont beaucoup de nos contemporains ne sont pas conscients. Le mathématicien Alexandre Friedmaun pose, en 1923, les fondements de ta cosmologie moderne en introduisant les modèles dits du «Big Bang originel » modèles qui prévoient une explosion à partir d'un point de densité infiniment élevée. En 1927, le chanoine Georges Lemaître est le premier à envisager un Univers en expansion dans le cadre de la Relativité Générale. Il formule en 1931 «l'hypothèse de l'atome primitif ». Edwin Hubble découvre le déplacement vers le rouge des raies de la lumière émise par des galaxies lointaines et il l'explique en appliquant aux ondes lumineuses l'effet Doppler observé pour les ondes sonores. Hubble fournit ainsi, en 1929, une base expérimentale aux modèles cosmologiques de Friedmann et Lemaître. En 1965, la découverte d'un «bruit de fond» cosmique de rayonnement confirma le modèle du Big-Bang accepté, depuis, par la grande majorité de la communauté scientifique. Le Big-Bang est un modèle mathématique décrivant l'évolution de l'Univers en partant de conditions initiales telles qu'il atteigne aujourd'hui l'état que nous observons. Les paramètres définissant l'état initial sont le résultat d'une projection rationnelle vers le passé s'appuyant sur les informations que nous possédons sur l'univers et sur les lois de la physique que nous connaissons. Ces lois permettent un enchaînement déterministe entre les conditions initiales et l'état actuel de l'univers.
2- La taille du cosmos
Tous les amas de galaxies s’étendent à perte de vue, ce qui pose la question de l’étendue véritable de l’Univers. Je rappelle qu’il faut 4 années pour que la lumière émise par l’étoile la plus proche nous atteigne à la vitesse spectaculaire de 300 000 km à la seconde. A titre de comparaison, la lumière met 100 000 années pour traverser d’un bout à l’autre notre galaxie : la Voie lactée. On perçoit des objets dont la lumière a pu nous rejoindre en moins de 13,7 milliards d’années. Ceci impose une limite à l’étendue de l’Univers observable. Celui-ci est immensément grand, tel est l’état actuel des théories admises. L’absence de limite montrerait que l’Univers est infini. Mais qu’entend-on par infini ? On observe en mathématiques que deux infinis n’ont pas nécessairement même puissance, autrement dit même ordre de grandeur. Il existe une hiérarchisation dans les différents infinis. NICOLAS DE CUES ELABORE AU XVE SIECLE UNE METAPHYSIQUE DE LA SINGULARITE A PARTIR DE L’INFINITE DU PRINCIPE ET DE SON EXPRESSION DANS LE FINI. CEPENDANT CE PROCESSUS DE SINGULARISATION UNIVERSEL NE VA PAS SANS SOULEVER DES DIFFICULTES. COMMENT LA SINGULARITE DE LA CREATURE PEUT-ELLE S’OUVRIR A L’INFINI ? COMMENT LES CREATURES SINGULIERES PEUVENT-ELLES FORMER UN MONDE COMMUN ET SE RAPPORTER A LEUR PRINCIPE SANS PERDRE LEUR DISTINCTION ?
En physique fondamentale, il n’est pas toujours possible d’expliquer les phénomènes en termes d’analogie familière que l’on puisse aisément représenter. Les explications exigent plutôt une formulation mathématique.

En ce qui concerne le rôle de la courbure : plus la densité de matière et l’énergie dans l’Univers sont grandes, plus la courbure de cet Univers est importante (d’après la théorie de la relativité). Il doit alors exister une densité dite : densité critique, dont la valeur est telle que si la densité réelle devait lui devenir supérieure, il s’ensuivrait que l’espace s’incurverait sur lui-même, ce qui en ferait un Univers fermé. Or en additionnant tout ce qu’on connait, on n’arrive même pas à 5% de la valeur critique. Lorsqu’on examine comment les étoiles tournent par rapport au centre de leur galaxie, on découvre que celles-ci évoluent beaucoup trop vite et qu »elles ne pourraient pas être maintenues ainsi sur leur trajectoire par la seule gravité exercée par le reste de la matière visible de la galaxie en question. La matière que nous sommes donc capable de voir n’est qu’une fraction du total. Le reste est appelé la matière sombre (celle qui n’émet pas de lumière). On sait d’ailleurs faire une estimation de la quantité de matière sombre par le calcul. Il existe également de la matière sombre entre les diverses galaxies. En totalisant toutes les sortes de matière sombre, on atteint environ 25% de la densité critique. Il faut préciser ici que l’on ne sait pas encore de quoi est constituée la matière sombre.
Lorsqu’on additionne la matière sombre et la matière observable, il subsiste toujours un déficit de 70% correspondant à de l’énergie invisible. Le mécanisme d’inflation cosmique implique la création de matière nouvelle. La majeure partie de la matière observable aujourd’hui autour de nous n’a pas été formée à l’instant du Big Bang. Celle-ci a été créée une fraction de seconde plus tard. La quantité de matière ainsi produite a du être telle que la densité globale puisse atteindre exactement la valeur critique.

3- La nature de l’espace cosmique

En ce qui concerne le Big Bang, il s’agirait d’une explosion au sein de laquelle l’espace lui-même se serait dilaté en emportant avec lui les amas de galaxies. Mais que représente cet espace : le vide ou tout simplement le néant ? La Terre évolue sur son orbite autour du soleil en raison de la force gravitationnelle. De même une station spatiale évolue en orbite autour de la Terre à cause de la force de gravité exercée sur celle-ci par notre planète. Imaginons un astronaute sortant de la station spatiale pour se laisser emporter en orbite à ses côtés. Mais l’astronaute possède une masse beaucoup plus faible que le vaisseau de sorte qu’il faut moins de force pour le maintenir en orbite qu’il n’en faut pour maintenir le vaisseau. Alors la force de gravité se comporte comme si elle « savait » exactement distinguer la nature des objets en mouvement suivant la même trajectoire. La réponse à cette question se trouve dans la théorie de la relativité générale. La Terre déforme en réalité l’espace environnant ; on dit aussi qu’elle le courbe ou bien le gauchit. Ce qui fait que, par exemple, le vaisseau spatial et l’astronaute se déplacent sur des trajectoires incurvées différemment. On peut imaginer ce phénomène en considérant une piste de vélodrome qui ne serait pas absolument plane afin d’y accueillir des coureurs cyclistes de niveaux physiques très différents. On dit que la Terre crée une fossette dans l’espace tri dimensionnel et le soleil crée une fossette bien plus importante de sorte que la Terre ne puisse quitter son orbite. Il en va de même pour le soleil qui décrit une orbite circulaire autour du centre de la Voie lactée, ceci étant dû à une fossette gigantesque causée par les quelques 100 milliards d’autres étoiles dont est composée notre galaxie. La théorie d’Einstein est préférable à celle de Newton qui ne fait intervenir que des formules mathématiques. Mais cela induit le fait que l’espace n’est pas le néant, mais un quelque chose de mystérieux dont la potentialité est d’être éventuellement « courbe ». On reconnait ce qui se passe dans le vide quantique, à savoir que l’espace n’est pas un vide absolu. La matière n’est qu’une forme particulière d’énergie de sorte que des particules, qui n’étaient pas là auparavant, aient soudainement pu apparaître. Cette affirmation est contraire à l’ancienne loi de Lavoisier : « La matière ne peut être ni créée ni détruite ». La matière peut être convertie en d’autres formes d’énergie, l’énergie peut être utilisée pour produire de la matière. L’énergie et la masse sont équivalentes comme le montre la célèbre formule d’Einstein : E = m. c2 où c désigne la vitesse de la lumière. L’état actuel des connaissances scientifique comporte encore beaucoup d’interrogations. Ainsi on a beaucoup à apprendre au sujet du vide, de la matière et de l’antimatière, de la conservation de l’énergie, de la division de l’espace en distances de plus en plus petites, etc. Le but final serait d’arriver à concilier la physique quantique et la relativité générale et à formuler une théorie unifiée. Celle-ci dépendrait étroitement de trois constantes fondamentales :
- La constante gravitationnelle G
- La vitesse de la lumière c
- La constante de Planck h qui contrôle les fluctuations d’énergie
Le physicien allemand Max Planck (prix Nobel 1918) fut un des créateurs de la théorie quantique et il découvrit qu’il y avait une manière assez exceptionnelle de les combiner de sorte à pouvoir définir une quantité ayant le profil d’une longueur : Ip = 1,6 x 10 -35 mètre.
C’est la longueur de Planck. On définit également le temps de Planck : tp = 5,3 x 10 -44 sec
C’est le temps mis par la lumière pour parcourir la longueur de Planck.
Ainsi, pour donner une idée de l’état de la recherche actuelle, la distance la plus petite explorée expérimentalement correspond à 10 -18 mètre. Le temps le plus petit atteint correspond à 10-16 sec
Au-delà de ces nombres infiniment petits, le secret de la nature reste insaisissable pour des raisons pratiques.

4- Relation entre espace et temps

Elle fut étudiée essentiellement par Einstein.
Rappelons que la vitesse de la lumière dans le vide est c = 300 000 km/s et qu’elle est inférieure dans la traversée de l’eau et du verre. La lumière est constituée d’ondes électromagnétiques qui se déplacent à travers l’espace (études réalisées par Clerk Maxwell). Dans la mesure de cette vitesse, on trouve la même valeur quel que soit l’observateur à condition qu’il se déplace d’un mouvement uniforme : principe de la relativité.
De façon générale au sein de notre macrocosme, la vitesse d’un mobile est obtenue en divisant une distance parcourue par le temps que cela a nécessité. Alors il y a un problème lorsqu’on aborde le cas de la lumière dont la vitesse est une constante pour tout observateur.
C’est à la suite d’une telle considération qu’Einstein a élaboré sa théorie de la relativité restreinte publiée en 1905. La théorie de la relativité générale aborde non seulement la question de la lumière mais également les effets additionnels de la gravité (concept d’espace incurvé). Le principe fondamental est que le temps peut être affecté par le mouvement. Dans un vaisseau spatial lancé de la Terre à grande vitesse vers une autre planète, tout fonctionnement de l’électronique du vaisseau ainsi que le rythme respiratoire et cardiaque des astronautes ou encore des processus qui font vieillir ou penser, sont, pour un observateur fixe lié au sol terrestre, ralentis. C’est le principe de la dilatation du temps. Ainsi, à une vitesse de 0,9 c tout événement est ralenti par un facteur proche de ½. Il en résulte qu’il existe aussi une contraction des longueurs. Les distances entre les objets du vaisseau se contractent dans le sens du mouvement tandis que les distances à angle droit par rapport au mouvement restent inchangées. A une vitesse de 0,9 c la distance Terre – Planète, selon l’astronaute, vaudra la moitié de celle fixée par un observateur au sol.
L’astronaute n’a mis que la moitié du temps pour faire un voyage car il n’a parcouru que la moitié de la distance. Tout mouvement est relatif. Le vaisseau se déplace par rapport à la Terre mais la Terre se déplace par rapport au vaisseau. C’est comme cela qu’il faut envisager les choses. D’ailleurs rien n’est fixe dans le cosmos. Tout observateur, qu’il soit lié au vaisseau ou lié à la Terre ou à toute autre réalité astrale, possède son propre système de cohérence quant à l’évolution de sa situation. Celui lié au vaisseau considère que le temps se déroule sur Terre à la moitié de sa vitesse normale. Les observateurs fixes par rapport à la Terre et mobiles par rapport celle-ci n’ont ainsi pas la même façon de concevoir les choses. Attribuer une valeur à une distance où à un intervalle de temps ne peut se faire que dans le contexte d’un observateur précis dont le mouvement relatif au phénomène observé a été précisé.
En 2002, Giovanni Amelino-Camelia proposa une variante de la théorie appelée théorie de la relativité doublement restreinte selon laquelle les longueurs qui sont proches de la longueur de Planck pourraient ne pas être sujettes à la contraction habituelle. Mais il s’agit d’une hypothèse purement spéculative. Le problème du crayon dont la longueur apparente varie suivant l’angle sous lequel il est observé donc suivant la perception visuelle qu’on en a, constitue une métaphore d’un problème plus général. Dans le cas du crayon, sont associés deux réalités de natures différentes : une distance et un angle. Dans le cas de la relativité, les paramètres distance et temps ne sont que des apparences c’est-à-dire des projections d’une propriété donnée dans notre manière de percevoir le monde. Ces paramètres ne sont pas des entités séparées. Ces entités regroupées constituent un ensemble bien structuré dénommé : Espace – Temps à quatre dimensions. Toute distance entre deux éléments est donnée par une formule mathématique simple découlant du célèbre théorème de Pythagore et incluant le temps. La difficulté pour nous est d’admettre que l’on ait le droit d’additionner des mesures portant sur des objets n’étant pas de même nature. L’idée même d’une intrication étroite entre l’espace et le temps semble invraisemblable. Où se situe donc la cohérence ?

En fait, le Big Bang correspond à la naissance simultanée de l’espace et du temps. Ce qui est réel, ce ne sont pas les distances spatiales ni les intervalles de temps que nous manipulons, mais une entité semblable aux particules subatomiques qui possèdent une double nature. Cette entité créée au tout début du monde, présente des aspects à la fois spatiaux et temporels, ce qui n’est pas représentable pour notre cerveau limité. On lui donne le nom d’événement localisé qui représente la vraie distance définie dans l’Espace – Temps.
Einstein déclara un jour : « Désormais nous devrons nous intéresser à une réalité à 4 dimensions et pas à une réalité tri dimensionnelle évoluant dans le temps ! ». Chaque événement de cet Espace – Temps ne représente-t-il pas un élément de notre vie terrestre capable de se mouvoir du passé vers le futur en passant par le présent. Ne fait-on pas là finalement, grâce à notre cher Einstein, un saut dans la métaphysique ?

Conclusion
La recherche scientifique n’en finira pas de nous étonner et de nous poser de nouveaux points d’interrogation. En fait, que savons-nous de la réalité du Big Bang ? C’est l’effet Doppler – Fizeau fondé sur l’étude des ondes lumineuses qui, vers 1850, permit de conclure à l’expansion des galaxies. Le principe est que l’éloignement des objets lumineux produit un décalage vers le rouge du spectre obtenu sur les appareils d’observation. Or il s’avère que ce décalage peut avoir une autre cause mise en évidence récemment par un physicien français qui se base sur ce qu’on appelle l’effet CREIL.

" Ainsi les galaxies ne s'éloigneraient plus de nous. L'Univers ne serait plus en expansion. Cet effet CREIL fut découvert par le professeur français Jacques Moret-Bailly.
L'effet CREIL se produit dans le vide de l'espace. Ce vide est plus vide que le meilleur des vides que l'on sait créer sur terre, mais il contient un gaz ténu, constitué principalement d'hydrogène. Ce gaz, très transparent, est parcouru par la lumière "chaude" venant des étoiles et par le rayonnement thermique à 2.7 kelvins popularisé par les prix Nobel Penzias et Wilson (lumière "froide"). Comme dans un laser, certaines molécules du gaz interagissent avec les lumières, sans provoquer de déviation des faisceaux donc sans troubler les images des étoiles. Cette interaction transfère de l'énergie de la lumière "chaude" vers la lumière "froide". Il en résulte une légère baisse globale des fréquences de la lumière chaude et une hausse pour la lumière froide. Il est équivalent d'écrire que le spectre de la lumière des étoiles est décalé vers le rouge, et celui de la lumière froide vers le bleu. Cet effet, banal pour un spécialiste des lasers, a été négligé jusqu'à présent par les astrophysiciens. La matière gazeuse étant répartie assez uniformément dans l'univers (en dehors des astres), l'effet étant cumulatif, le décalage vers le rouge est en gros proportionnel à la quantité de matière traversée, donc à la distance.
Plus le spectre d'un astre est décalé vers le rouge, et plus l'astre est éloigné : c'est la loi de Hubble, expliquée désormais par l'effet CREIL et non par l'effet Doppler qui introduit une expansion de l'Univers. L'effet Doppler n'intervient plus que comme conséquence de mouvements locaux des astres. Les conséquences de cela sont révolutionnaires en astronomie, car sans expansion de l'Univers, le big-bang est remis en question, et avec lui, toutes les audacieuses constructions qui s'y rattachent. "

 

Mardi 27 Août 2013 18:40