• JC Duval

Histoire des Premiers Atomes - Episode 1

L'histoire des premiers atomes est directement liée à celle de l’Univers. Quel rapport me direz vous ? L'Univers est du domaine de l'infiniment grand et l'atome celui de l'infiniment petit.

Pourtant comme nous allons le voir, depuis que nous savons que l’Univers a une histoire, il a été possible de remonter à ses premiers instants et découvrir comment sont apparus les premiers atomes …

 

Des anciens à aujourd’hui …

Depuis le début du XXe siècle, on sait scientifiquement que l’atome existe et qu’il est le composant fondamental de la matière visible.

Il est cependant divisible, composé essentiellement de vide et de quelques particules subatomiques. On sait aussi qu’il se transforme – on parle alors de transmutation.

Le monde microscopique dans lequel il interagit n’a rien de commun avec le monde macroscopique dans lequel nous évoluons. Pour le cerner, il faut oublier notre manière de voir les choses.

Actuellement la mécanique quantique est le modèle qui le décrit le mieux.

 

L'univers a une histoire


Encore au début du XXe siècle, on croyait à un Univers statique et éternel. De tout temps, il avait été ainsi, et de tout temps, il serait. Univers sans limite, sans début et sans fin, depuis toujours et à jamais le même. On pensait les cieux immuables.

Rien, au contraire, de plus changeant. Et c’est grâce aux observations de Hubble, à la fin des années 20 qu’on le réalisa. En observant un décalage vers le rouge du spectre de plusieurs galaxies, Hubble montra que celles-ci s'éloignaient les unes des autres à une vitesse proportionnelle à leur distance. Il venait de découvrir sa fameuse loi : plus une galaxie est lointaine, plus elle s'éloigne vite.


Mais on comprit rapidement que ce ne sont pas les galaxies qui s’éloignent les unes des autres, c’est l’espace qui les sépare qui se dilate.

Quelques années auparavant, Einstein avec sa théorie de la relativité générale avait déjà affublé à l'Univers un statut d'objet à part entière, désormais force était de constater que ce même objet devenait dynamique. L'Univers gonflait comme un soufflé aux pruneaux, les galaxies jouant le rôle des pruneaux.


Maintenant, imaginons passer le film de l'histoire de l’Univers "à l'envers"; on pourrait alors voir l’espace se contracter avec la matière cosmique, aujourd'hui dispersée, en train de se concentrer. On verrait les étoiles et les galaxies, se précipiter les unes vers les autres, toutes les molécules, atomes, particules ­ protons, neutrons, électrons, photons, s'agglutinant comme à l'approche d'un «début» de l'histoire.


Le passé de l’Univers converge bel et bien vers une singularité, ponctualité qui a eu lieu il y a 13,7 milliards d'années.

 

Par contre, la suite de l’histoire et l’avenir de l’Univers restent un mystère.

L’Univers continuera t-il à s’étendre, se refroidissant et ne laissant aucune trace de la matière qui le remplit ou se contractera t-il pour revenir vers la ponctualité qu’il avait à son début ?

 

Au début une seule interaction ...

 

Avant le mur de Planck

L’histoire de la matière commence donc il y a 13,7 milliards d’années avec le positionnement du curseur au point zéro baptisé «Big-Bang». Cette période originelle est aussi appelée l'ère de Planck.

Claude Aslangul - la naissance de l'univers


Elle est caractérisée par des densités d’énergie et des températures hors normes. En fait, les conditions sont tellement hors du commun que la physique actuelle ne possède pas de théorie capable de les appréhender. On ne sait rien de ce qui s'y est passé. Y a t'il eu la création ex-nihilo de notre monde ou sa naissance fait-elle suite à la fin d'un autre monde ? Personne ne sait ...


Ces difficultés sont en particulier liées au fait que les 4 forces fondamentales de la nature à savoir :

• l’interaction gravitationnelle,

• l’interaction électromagnétique et

• les interactions nucléaires forte et faible,

ne sont pas distinctes comme de nos jours, mais unifiées en une seule et même interaction que nous ne savons toujours pas décrire correctement.


Mais l’Univers est déjà en expansion et sa densité d’énergie décroît très très rapidement. Après 10^-43 secondes, la température a suffisamment baissé pour que l’interaction gravitationnelle se sépare des trois autres interactions.

C’est à partir de ce moment nommé "le mur de Planck", que la physique permet de comprendre les différents phénomènes qui se produisent.

La gravité sera dorénavant décrite par la théorie de la relativité générale et les 3 autres interactions par la mécanique quantique.

 

Les particules virtuelles

A cette époque reculée, l’Univers ne contient pas de matière au sens conventionnel du terme, mais il est peuplé de particules et d’antiparticules dites virtuelles, qui naissent du vide quantique pour disparaître presque aussitôt.


Ce fonctionnement est expliqué par la mécanique quantique. Ces particules apparaissent en empruntant à l’Univers une quantité infime d’énergie pendant un temps très court, avant de se désintégrer pour repayer leur dette.

Cette durée de vie très courte les distingue de la matière ordinaire, d’où le nom de particules virtuelles.

 

L’inflation et la naissance de la matière


Le premier événement significatif de l’histoire de la matière se produit entre 10^-35 et 10^-32 secondes.


La température, toujours en forte baisse, atteint un point où l’interaction nucléaire forte se désunie elle aussi des 2 autres interactions. Désormais, seuls l'électromagnétisme et l'interaction nucléaire faible restent liés sous le nom d'interaction électrofaible.


Cet événement est accompagné de l’injection d’une formidable quantité d’énergie dans l’Univers. Ceci provoque une accélération brutale de l’expansion, appelée l’inflation, durant laquelle les distances relatives dans l’Univers seront multipliées par un facteur 10^35. L’Univers atteint alors la taille d’une orange.


C’est également pendant l’inflation que l’événement fondateur de notre histoire se produit. Les particules virtuelles profitent de l’énergie qui vient d’être injectée. Elles s'en gavent, l’utilisent pour payer leur dette au vide, mais ne disparaissent pas pour autant et se métamorphosent ainsi en particules ordinaires.

 

Dissociation de l’interaction électrofaible


Quelque 10^-12 secondes s'est à peine écoulé depuis le début de cette histoire que déjà l’interaction électrofaible se dissocie :

• en interaction nucléaire faible et

• en interaction électromagnétique.


Les particules en profitent également pour devenir massives avec l’apparition du champs de Higgs.

 

Les 4 interactions fondamentales de l’Univers sont désormais différenciées tout comme elles le sont actuellement.

L’Univers a alors un rayon de 1 Unité Astronomique et notre horloge se trouve positionnée 1 petit millionième de seconde après le BigBang.


Le monde va désormais pouvoir se construire : les forces et les particules élémentaires sont prêtent ...


Les forces et les particules élémentaires.

Episode 2

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