Site de vulgarisation scientifique d'Etienne Klein
"Il me plaît de penser que la physique est une sorte d’alpinisme intellectuel consistant à grimper jusqu’à des hauteurs himalayennes où le logos est rare et la vérité mutique."
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signature E. Klein

Y a-t-il eu un instant zéro ?

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D’où vient un univers ? Et d’où vient même qu’il y ait un univers ? Aura-t-il une fin ? Pourquoi les humains y sont-ils apparus ? Si ces questions nous obsèdent depuis toujours, celle de l’origine demeure la plus mystérieuse, d’où la profusion de discours – mythologiques, religieux ou philosophiques – qui tentent d’y répondre. C’est grâce à la science qu’on peut remonter l’histoire de l’univers à 13,7 milliards d’années, jusqu’à cette phase très dense et très chaude qu’on a appelée le big bang. Mais celui-ci n’est pas, comme on l’a imaginé, cette explosion originelle qui aurait créé tout ce qui existe. Cet instant zéro, peut-on le décrire, le penser, raconter d’où il peut bien provenir ? Et d’où serait venu l’univers d’avant le big bang ? Mystère ! […]

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L’origine de l’univers est-elle pensable ?

0:32 Deux problèmes fondamentaux pour les physiciens
5:39 Notions de relativité générale (publiée par Einstein en 1915)
7:15 Le statut de l’univers au XXe siècle et la naissance de la cosmologie
9:48 L’observation par Hubble du déplacement des galaxies et l’expansion de l’univers
13:01 L’extrapolation jusqu’à la singularité initiale ; l’origine de l’expression « Big bang »
16:10 L’origine de l’univers et la religion : anecdote avec Jean-Paul II et Stephen Hawking
18:06 Le big bang correspond-il vraiment à la création de l’univers ?
19:49 Limitations de la relativité générale à décrire l’origine de l’univers
21:40 Le mur de Planck
24:03 La Théorie du Tout ; la théorie des supercordes
26:55 La prédiction de la gravitation à partir des principes de la théorie des cordes
28:34 Impuissance de la théorie des cordes à décrire l’univers primordial
29:45 Prédiction de la théorie des cordes : la température dans l’univers n’est jamais infinie ; conséquence sur la singularité initiale
30:55 Par quoi est remplacé l’instant 0 ?
32:52 Théorie de la gravité quantique à boucles (Ashtekar, Rovelli) et ses prédictions sur l’origine de l’univers
35:51 Ce que l’on peut dire sur l’origine de l’univers
40:41 Peut-on penser la transition entre le néant et l’être ?
44:22 L’origine est un achèvement !
46:36 L’aporie sur l’origine de l’univers
48:15 Les mauvais discours sur la question de l’origine

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Discours sur l’origine de l’Univers

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D’où vient l’univers ? Et d’où vient qu’il y a un univers ? Irrépressiblement, ces questions se posent à nous. Et dès qu’un discours prétend nous éclairer, nous tendons l’oreille, avides d’entendre l’écho du tout premier signal : les accélérateurs de particules vont bientôt nous révéler l’origine de l’univers en produisant des « big bang sous terre » ; les données recueillies par le satellite Planck nous dévoiler le « visage de Dieu » ; certains disent même qu’en vertu de la loi de la gravitation l’univers a pu se créer de lui-même, à partir de rien… Le grand dévoilement ne serait donc devenu qu’une affaire d’ultimes petits pas ? Rien n’est moins sûr… Car de quoi parle la physique quand elle parle d’« origine » ? Qu’est-ce que les théories actuelles sont réellement en mesure de nous révéler ? À bien les examiner, les perspectives que nous offre la cosmologie contemporaine sont plus vertigineuses encore que tout ce que nous avons imaginé : l’univers a-t-il jamais commencé ?

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Du Big bang à nos jours

Les moments clés de l’histoire de l’univers

Y a-t-il eu un instant 0 ?

La Physique est impuissante à décrire l’Univers avant le mur de Planck. Dès lors, peut-on encore postuler l’existence d’une explosion originelle à l’instant 0, qu’on appelle couramment le Big Bang ?

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10-43 seconde
Le mur de Planck

Qu’est-ce que le mur de Planck ? Et comment peut-on l’escalader, alors que nos équations sont incapables de décrire l’univers avant le temps de Planck ?

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L’hypothèse de l’inflation

Cette hypothèse cosmologique, développée en 1981, suppose que l’univers primo-primordial – extrêmement dense – aurait connu une phase d’expansion furieusement accélérée, où les distances auraient été multipliées d’un facteur 1050 en 10-32 seconde !

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10-35 seconde

Tandis que les particules usuelles (quarks, électrons, neutrinos…) apparaissent, l’interaction forte (qui lie les quarks entre eux) et l’interaction électrofaible (union des interactions faible et électromagnétique) se séparent. Par la suite, l’énergie de la soupe chaude et dense de l’Univers primordial engendre sans cesse des paires particules/antiparticules, qui s’annihilent aussitôt.

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10-11 seconde

L’interaction électrofaible se divise en deux : l’interaction faible, responsable de la radioactivité bêta, et l’interaction électromagnétique, à la base de tous les phénomènes électriques, magnétiques, optiques, chimiques.

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10-6 seconde

Les quarks forment des hadrons, comme le proton et le neutron, et les antiquarks des antihadrons. Par la suite, le refroidissement « gèle » la production de paires hadrons/antihadrons, et celles qui existent encore s’annihilent. Cependant, un léger excès de matière demeure : plusieurs scénarios tentent d’expliquer cette domination de la matière sur l’antimatière, toujours mystérieuse.

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1 seconde
La nucléosynthèse primordiale

Trois minutes cruciales dans l'histoire de l'univers, pendant lesquelles se sont formés des noyaux légers tels que les noyaux d'hydrogène, de deutérium, d'hélium, de lithium et de béryllium.

La nucléosynthèse primordiale


Discours

[...]Lorsque la température était d’environ un milliard de degrés et la densité comparable à celle de l’air ambiant, l’univers était une sorte de grand chaudron cosmique, capable d’engendrer des bribes d’édifices matériels, mais se refroidissant au rythme de son expansion. Il y avait là les protons, mais aussi les neutrons, les électrons et les photons, tous très agités, filant dans tous les sens et se percutant sans cesse. Les photons, dont l’énergie était jusque-là suffisante pour briser systématiquement l’union d’un proton avec un neutron, finirent par devenir trop « mous » pour y arriver : les noyaux de deutérium, assemblages d’un proton et d’un neutron, purent donc commencer à se former. Dès leur apparition, ces noyaux de deutérium purent fusionner par paires, ou bien capturer à leur tour un proton, et ainsi former des noyaux d’hélium.
Les mariages de cette sorte allèrent alors bon train, mais ils n’étaient pas systématiques. Certains protons restèrent célibataires. Plus tard, ils servirent de noyaux à l’hydrogène, l’élément chimique le plus léger.
[...]Après seulement trois minutes de ce petit jeu – chocs, mariages et ruptures –, se trouvaient dans l’univers des noyaux d’hydrogène, de deutérium, d’hélium, de lithium et de béryllium. Mais rien d’autre : ni carbone, ni oxygène, ni noyaux lourds. L’ascension vers la complexité se trouvait soudainement bloquée. Il y a une explication à cela : l’univers était déjà tellement dilué par son expansion que les noyaux et les nucléons, trop éloignés les uns des autres, n’avaient plus la possibilité de se rencontrer et de former des noyaux plus gros. Plus de rencontres, donc plus de mariages.

Extraits du Discours sur l'origine de l'Univers

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380 000 ans
Le fonds diffus cosmologique

fonds diffus

Cartographie du fond diffus cosmologique par le satellite WMAP

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500 millions d’années

Tandis que des atomes plus lourds commencent à apparaître, se forment les premières étoiles et les premières galaxies.

Formation des atomes lourds


Discours

Les choses n’en sont évidemment pas restées là. Bien plus tard, la mise en route des étoiles a permis la formation des éléments plus lourds, du carbone à l’uranium en passant par le fer, progressivement synthétisés grâce à une succession de réactions nucléaires, dans les étoiles elles-mêmes ou au cours d’explosions d’étoiles massives.
Dans toutes ses phases (primordiale, stellaire ou explosive), la nucléosynthèse est donc partie d’ingrédients de base, les protons et les neutrons, qu’elle a structurés en noyaux de plus en plus lourds.

Extrait de Discours sur l'origine de l'univers

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9,3 milliards d’années
Apparition du système solaire

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Naissance du Soleil, de la Terre, et plus généralement du système solaire, résultant de la contraction d’une gigantesque nébuleuse sous l’effet de sa propre attraction gravitationnelle.

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Il y a 2 millions d’années
Apparition de l’Homme

Si le genre Homo est apparu il y a plus de 2 millions d'années, notre ancêtre le plus proche, à savoir l'Homo sapiens, n'est apparu qu'il y a seulement... 200 000 ans !

L'apparition de l'Homme


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La formation de la Terre a eu lieu il y a 4,45 milliards d’années, la vie y est apparue il y a 3,5 milliards d’années et l’apparition de l’homme ne remonte, elle, qu’à 2 petits millions d’années ! Mais que nous disent brutalement tous ces nombres ? Que des objets plus anciens que toute forme de vie sur terre ont bien existé dans le passé de l’univers ; que des événements innombrables se sont enchaînés, dont aucun humain n’a pu être le témoin ; que l’humanité, espèce toute récente en définitive, n’a pas été contemporaine de tout ce que l’univers a connu ou traversé. Loin de là : 2 millions d’années contre 13,7 milliards, cela fait un rapport de 1 à… 6 850 ! Il faut s’y résoudre : l’univers a passé le plus clair de son temps à se passer de nous !

Extrait de Y a-t-il eu un instant zéro ?

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13,7 milliards d’années

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Nous, aujourd’hui

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1915
L’univers devient un objet de science

Il aura fallu attendre près de trois siècles et l'élaboration de la théorie de la relativité générale par Einstein pour que l'idée scientifique de l'univers, déjà formulée par Galilée et reprise par Newton, cède sa place à l'univers en tant qu'objet physique, doté de propriétés spécifiques que l'on peut étudier scientifiquement.

La relativité générale et l'univers en tant qu'objet de physique


Discours

Le « physicien de génie », c’est bien sûr Albert Einstein, qui suggéra avec sa théorie de la relativité générale (1915) que la gravitation n’est pas une force au sens classique du terme, mais une manifestation locale de la déformation que la matière imprime à l’espace-temps de notre univers, qui lui-même dicte son mouvement à la matière : sous l’effet de cette interaction entre la matière et l’espace-temps, ce dernier peut se courber, se dilater ou se contracter.
[...] En fournissant les outils conceptuels permettant de décrire les propriétés globales de l’univers (et pas seulement celles de ses constituants, telles les étoiles ou les galaxies), la théorie de la relativité générale a ceci de révolutionnaire qu’elle fait de l’univers un authentique objet physique, précisément défini par sa structure spatio-temporelle et sa composition en matière, rayonnement et toute autre forme d’énergie. L’univers n’est plus seulement une idée : il devient une chose prosaïquement descriptible, un être dépoétisé qu’on peut mettre en équations. [...]
Il a donc fallu trois gros siècles pour passer d’une conception scientifique de l’univers à l’idée que l’univers, la « chose univers » est un possible objet de science. La conception galiléenne n’impliquait en effet nullement que l’univers pût être en lui-même considéré comme un objet physique, susceptible d’être mis en équations comme tous les autres, ni qu’on puisse bâtir une véritable cosmologie scientifique, c’est-à-dire une science qui aurait pour objet – pour seul objet – l’univers en tant que tel.

Extraits du Discours sur l'origine de l'Univers

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Hubble et l’expansion de l’univers

En 1929, Hubble observe les mouvements des galaxies et met en évidence une relation de proportionnalité (appelée loi de Hubble) entre leurs vitesses et les distances qui les séparent. Interprétées dans le cadre de la relativité générale, les observations de Hubble montrent que ce ne sont pas les galaxies qui bougent, mais l’espace-temps entre elles qui se dilate.

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Années 2000
L’expansion accélérée de l’univers

L'observation des supernovae et l'analyse de la lumière qu'elles émettent ont permis une découverte des plus étonnantes :

La découverte de l'accélération de l'expansion de l'univers


Discours

Les résultats [des analyses de la lumière émise par certaines supernovae] obtenus ont montré que ces supernovae sont plus éloignées que ce que prévoyaient les modèles cosmologiques « classiques » ! Ils ont permis de démontrer que l’expansion de l’univers, contrairement à ce qu’on avait imaginé jusque-là, est en phase d’accélération depuis plusieurs milliards d’années. Qu’est-ce à dire ? Dans le processus d’expansion, la gravitation, toujours attractive, fait office de frein : elle tend à rapprocher les objets massifs les uns des autres, de sorte que la matière ne peut que ralentir l’expansion. Mais ce que semblent montrer les mesures dont nous parlons, c’est qu’un autre processus s’oppose à elle en jouant au contraire un rôle d’accélérateur. Tout se passe comme si une sorte d’anti-gravité avait pris la direction des affaires, obligeant l’univers à augmenter sans cesse la vitesse de son expansion.
Quel est le moteur de cette accélération ? Personne ne peut répondre. Prudents, les physiciens parlent d’une mystérieuse « énergie noire » : noire parce qu’on ne la voit pas ; noire aussi parce qu’on en ignore la nature. Une énergie dont la contribution à la masse de l’univers croîtrait avec l’expansion, car elle occupe le moindre recoin de son espace.

Extrait du Discours sur l'origine de l'Univers

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Le pays qu’habitait Albert Einstein

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Albert Einstein, c’est l’audace intellectuelle alliée à une fraîcheur déconcertante, c’est l’imagination ardente soutenue par une obstination imperturbable. Mais comment approcher une façon de penser et de créer à nulle autre pareille ?
Étienne Klein est parti sur ses traces, il s’est attaché aux époques et aux villes où le destin d’Einstein a basculé : Aarau où, à seize ans, Einstein se demande ce qu’il se passerait s’il chevauchait un rayon de lumière ; Zurich, où il devient ingénieur en 1901 et se passionne pour la physique expérimentale ; Berne où, entre mars et septembre 1905, il publie cinq articles, dont celui sur la relativité restreinte qui révolutionnera les relations de l’espace et du temps, tout en travaillant à l’Office fédéral de la propriété intellectuelle ; Prague où, en 1912, il a l’idée que la lumière est déviée par la gravitation, esquissant ainsi la future théorie de la relativité générale. Puis Bruxelles, Anvers et, enfin, Le Coq-sur-Mer où, en 1933, Einstein se réfugie quelques mois avant de quitter l’Europe pour les États-Unis. Définitivement.
Albert Einstein (1879-1955), c’est une vie d’exils successifs, arrimée à la physique. C’est un art du questionnement fidèle à l’esprit d’enfance. C’est un mystère qu’Étienne Klein côtoie avec autant d’affection que d’admiration.

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Les secrets de la matière

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Des particules élémentaires à l’Univers, du big bang aux accélérateurs de particules, en passant par la radioactivité ou l’énergie atomique, Etienne Klein nous guide dans un fascinant voyage au coeur de la matière. Comment expliquer que des matériaux aussi différents que le fer, l’eau ou l’oxygène soient composés de particules identiques ? Qu’est-ce que la radioactivité ? Quels processus ont généré l’Univers tel que nous le connaissons aujourd’hui ? En répondant à ces questions, l’auteur nous fait comprendre les lois qui s’exercent au sein de l’atome aussi bien que celles qui régissent le mouvement des galaxies.

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Le facteur temps ne sonne jamais deux fois

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Chose déroutante, décidément, que le temps. Nous en parlons comme d’une notion familière, évidente, voire domestique, “gérable”. Nous parlons même d’un “temps réel” pour évoquer l’instantanéité, c’est-à-dire le temps sur lequel nous n’avons aucune prise. Les physiciens, eux, l’ont couplé à l’espace, en ont fait une variable mathématique, abstraite, qu’ils intègrent dans des théories audacieuses, spectaculaires, mais si complexes qu’elles sont difficiles à traduire en langage courant. Certains disent même avoir identifié le moteur du temps. Quant aux philosophes, ils ne cessent depuis plus de deux millénaires de soumettre le temps au questionnement : est-il une sorte d’entité primitive, originaire, qui ne dériverait que d’elle-même ? Ou procéderait-il au contraire d’une ou plusieurs autres entités, plus fondamentales : la relation (de cause à effet, par exemple) ? Le temps s’écoule-t-il de lui-même ou a-t-il besoin des événements qui s’y déroulent pour passer ? S’apparente-t-il au devenir, au changement, au mouvement ? Et au fait, le temps a-t-il eu un commencement ? Aucune discipline ne parvient à épuiser, à elle seule, la question du temps. C’est pourquoi nous avons croisé les regards des philosophes avec ceux des physiciens. Et que se passe-t-il ? Sans aucun doute de belles et troublantes choses…

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Il était sept fois la révolution

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Certaines révolutions sont lentes et ne font pas couler de sang. Entre 1925 et 1935, la physique a connu un tel bouleversement : les atomes, ces petits grains de matière découverts quelques années plus tôt, n’obéissaient plus aux lois de la physique classique. Il fallait en inventer de nouvelles, penser autrement la matière. Une décennie d’effervescence créatrice, d’audace, de tourments, une décennie miraculeuse suffit à un petit nombre de physiciens, tous jeunes, pour fonder l’une des plus belles constructions intellectuelles de tous les temps : la physique quantique, celle de l’infiniment petit, sur laquelle s’appuie toujours la physique actuelle. Originaux, déterminés, attachants, pathétiques parfois, ces hommes ont en commun d’avoir été, chacun à sa façon, des génies. Dispersés aux quatre coins de l’Europe, à Cambridge, Copenhague, Vienne, Göttingen, Zurich ou Rome, ils se rencontraient régulièrement et s’écrivaient souvent. Leurs travaux se faisaient écho, suscitant l’admiration des uns, la critique des autres, jusqu’à ce qu’ils constituent un édifice formel cohérent. Ce livre rend hommage à quelques-uns de ces hommes remarquables : George Gamow, Albert Einstein, Paul Dirac, Ettore Majorana, Wolfgang Pauli, Paul Ehrenfest et Erwin Schrödinger.

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Qu’est-ce que la relativité générale ?

0:00 La gravitation, une force mystérieuse
1:33 Qu’est-ce que le poids ? Différence entre masse et poids
2:41 La gravitation, une force extrêmement faible ; exemple de l’atome d’hydrogène
3:52 La gravitation vue par Newton, influence de Galilée
5:42 Contradiction entre la vision newtonienne et la relativité restreinte ; exemple de la théière
8:52 Rencontre d’Einstein avec Michele Besso
10:35 Mai 1907 : « l’idée la plus heureuse de ma vie » (Einstein) : la chute libre
14:34 Principe d’équivalence, géométrisation de la gravitation
18:25 Esquisse de la relativité générale : déformation de l’espace-temps, lien avec la matière ; exemple du système solaire
23:10 Anomalie d’Uranus et anomalie du périhélie de Mercure
29:30 Histoire officielle de la résolution du paradoxe du périhélie de Mercure
32:22 Nouvelle version de l’histoire : insuffisances de l’esquisse de 1913
36:50 Engouement pour la relativité générale : la pensée de la nouveauté et l’influence sur les futurs fondateurs de la mécanique quantique
42:19 L’univers vu comme un objet global doté d’une histoire ; métrique de Schwarzschild
45:23 Solutions statiques des équations d’Einstein ; introduction de la constante cosmologique
47:31 La constante cosmologique, une erreur ? Un candidat pour l’énergie noire ?
48:27 Observation des galaxies : dilatation de l’espace, expansion de l’univers et Big Bang

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