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Le multi-univers inflationnaire

 
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Marine
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MessagePosté le: Lun 22 Sep 2014 - 09:02    Sujet du message: Le multi-univers inflationnaire Répondre en citant

Vers le milieu des années 1900, un groupe de physiciens novateurs comprit que même en éteignant le Soleil, les autres étoiles de la Voie lactée et même les galaxies plus éloignées, l’espace ne serait pas noir pour autant. Certes à l’œil nu nous ne verrions que du noir, mais si nos yeux pouvaient voir le rayonnement dans le domaine des micro-ondes, nous verrions une lueur uniforme dans toutes les directions. Son origine ? Le commencement. Ce que ces physiciens ont découvert, c’est unfond de rayonnement micro-onde imprégnant tout l’espace, vestige de la création de l’univers. L’histoire de cette découverte retrace l’un des plus beaux succès de la théorie du big bang, qui mit aussi en lumière l’un de ses défauts de principe. Elle fut donc le terreau de la révolution suivante en cosmologie, après les travaux de Friedmann et Lemaître : la théorie inflationnaire.
La cosmologie inflationnaire modifie la théorie du big bang en introduisant une rapide salve d’expansion fulgurante durant les premiers instants de l’univers. Comme nous le verrons, cette modification explique très bien certains aspects (auparavant inextricables) du fond de rayonnement vestige du big bang. Mais surtout, la cosmologie de l’inflation occupe un chapitre clé dans notre récit, car les scientifiques se sont rendu compte petit à petit que les versions les plus séduisantes de cette théorie produisaient un vaste panel d’univers parallèles, susceptibles de dépeindre la réalité sous un tout autre jour.
Vestiges d’un commencement chaud bouillant
George Gamow, physicien russe plutôt imposant du haut de son mètre quatre-vingt-dix, connu pour ses importantes contributions à la physique quantique et nucléaire du début du XXe siècle, avait l’esprit aussi vif et enjoué qu’il avait eu la vie dure. En 1932 avec sa femme, il tenta de s’enfuir de l’Union soviétique en ramant sur la mer Noire, à bord d’un kayak bourré de vivres aussi sains que du chocolat et de l’eau-de-vie. Après que le mauvais temps eut ramené les deux fugitifs sur la côte,Gamow parvint à embobiner les autorités avec une histoire d’expérience scientifique ratée, qui devait se faire en mer. Dans les années 1940, une fois en poste à l’université Washington à Saint Louis après avoir réussi à se glisser de l’autre côté du rideau de fer (à pied sec mais sans chocolat), Gamow commença à s’intéresser à la cosmologie. Grâce à l’aide précieuse de son étudiant Ralph Alpher (extrêmement talentueux), les recherches de Gamow apportèrent une description précise et beaucoup plus vivante des premiers moments de l’univers que ce qui émanait des travaux antérieurs de Friedmann (qui avait été un des enseignants de Gamow à Leningrad) et Lemaître. Voici, remise au goût du jour, la théorie de Gamow et Alpher.
Juste après sa naissance, l’univers si extraordinairement dense et chaud fut la scène d’une activité bouillonnante. L’espace connut une expansion rapide qui le refroidit, et permit à la soupe de particules issue du plasma primordial de coaguler. Durant les trois premières minutes, la température chuta extrêmement rapidement, mais resta tout de même suffisamment élevée pour que l’univers puisse fonctionner comme un réacteur nucléaire cosmique, synthétisant les noyaux atomiques les plus simples : hydrogène, hélium et quelques traces de lithium. Mais en quelques minutes seulement, la température perdit 108 kelvins (K), soit environ dix mille fois la température à la surface du Soleil. Bien que toujours très élevée par rapport à nos repères quotidiens, la température de l’univers devint alors trop basse pour que se poursuivent les réactions nucléaires : la frénésie des particules fut calmée net. Et pour l’éternité à venir, il ne devait plus se passer grand-chose d’autre si ce n’est l’expansion de l’univers et le refroidissement du bain de particules.
Et pourtant, quelque 370 000 années plus tard, alors que la température de l’univers avait chuté à 3 000 K (la moitié de la température à la surface du Soleil), la monotonie cosmique connut un rebondissement décisif. Jusqu’alors, l’espace était rempli d’un plasma de particules dotées de charges électriques, principalement des protons et des électrons. Les particules chargées électriquement ayant la faculté de bousculer et rediriger les photons (particules de lumière), le plasma primordial était opaque : les photons, constamment ballottés par les collisions avec les électrons et les protons, ne pouvaient alors émettre qu’une piètre lueur diffuse, un peu comme la lumière des phares d’une voiture au travers d’un brouillard très dense. Une fois la température descendue à 3 000 K, les électrons et noyaux ralentirent suffisamment leur mouvement pour s’assembler et former les premiers atomes : les noyaux happaient des électrons qui se mettaient en orbite. Cela représentait un sacré pas en avant. Car protons et électrons ayant une charge électrique égale mais opposée, leurs unions atomiques sont électriquement neutres. Or, un plasma de composés électriquement neutres laisse passer les photons comme un couteau chaud dans une plaque de beurre : la formation des atomes a levé le brouillard cosmique et libéré l’écho lumineux du big bang. Depuis lors, les photons primitifs circulent librement dans l’univers.
Bon, il y a tout de même une mise en garde importante : bien que libérés des bousculades des particules chargées électriquement, les photons subissaient tout de même une autre influence importante. Avec l’expansion de l’espace, tout se dilue et se refroidit, même les photons. Toutefois, contrairement aux particules de matière, les photons refroidis ne sont pas desphotons ralentis. Étant des particules de lumière, les photons circulent toujours à la vitesse de la lumière. S’ils sont refroidis, c’est leur énergie et donc leur fréquence vibratoire qui diminue ; ils changent de couleur. Les photons violets vont se décaler vers le bleu, puis le vert, le jaune, le rouge, puis l’infrarouge (ceux-là sont visibles avec des lunettes de vision nocturne), puis les micro-ondes (ceux-là réchauffent la nourriture en parcourant nos fours à micro-ondes) et finalement le domaine des fréquences radio.
Gamow comprit – et Alpher et son collègue Robert Herman calculèrent avec beaucoup de soin – que dans la théorie du big bang, l’espace devrait être baigné, partout et de manière uniforme, de photons vestiges du commencement de l’univers, circulant dans tous les sens, dotés d’une fréquence vibratoire déterminée par le facteur d’expansion de l’univers et son refroidissement depuis les milliards d’années qui nous séparent de l’instant de leur émission. Les calculs montrent que ces photons devraient avoir refroidi jusqu’à une température proche du zéro absolu (0 K) et donc avoir des fréquences dans le domaine des micro-ondes. C’est pourquoi on parle de « fond cosmique de rayonnement micro-onde ».
J’ai récemment relu les articles de Gamow, Alpher etHerman qui, dans les années 1940, annonçaient et expliquaient ces conclusions. Ce sont de véritables prodiges de physique théorique. Bien que l’analyse mathématique ne nécessite guère plus que de bonnes bases en physique de niveau universitaire, les résultats sont fondamentaux. Les auteurs concluaient que nous étions tous immergés dans un bain de photons, héritage cosmique que nous aurait légué l’univers à sa naissance.
Sachant tout cela, nous pourrions nous étonner de ce que ces articles passèrent inaperçus. En fait à l’époque de leur parution, c’était le règne de la physique quantique et nucléaire. La cosmologie n’avait pas encore sa place comme véritable science mesurable, et la communauté des physiciens était moins réceptive à ce qui apparaissait comme des travaux théoriques en marge. Dans une certaine mesure, ces articles restèrent sur la touche aussi à cause du style badin de Gamow, inhabituel dans ce milieu (un jour il a modifié la liste des auteurs d’un article qu’il écrivait avec Alpher et glissé le nom de son ami Hans Bethe, futur Prix Nobel, uniquement pour que l’énoncé des auteurs de l’article, Alpher, Bethe, Gamow, ressemble aux trois premières lettres de l’alphabet grec) et probablement responsable du fait que certains physiciens ne s’intéressaient pas autant à lui qu’il le méritait. Gamow, Alpher et Herman eurent toutes les peines du mondes à attirer l’attention sur leurs résultats, sans parler de convaincre des astronomes de se consacrer à la détection de ce fond de rayonnement fossile qu’ils avaient prédit. Leurs articles tombèrent dans l’oubli.
Au début des années 1960, deux physiciens de Princeton qui n’avaient jamais entendu parler de ces travaux, Robert Dicke et Jim Peebles, suivirent un raisonnement semblable et comprirent eux aussi que l’héritage du big bang devrait se voir dans un fond de rayonnement ubiquitaire, imprégnant tout l’espace1. Contrairement aux membres de l’équipe de Gamow,Dicke était un physicien expérimental de renom et n’avait personne à convaincre pour chercher ce rayonnement dans le ciel : il pouvait le faire lui-même. En collaboration avec ses étudiants David Wilkinson et Peter Roll, Dicke imagina une expérience pour mettre en évidence ces photons vestiges du big bang. Mais avant même que son équipe de Princeton puisse concrétiser le projet, ils reçurent le coup de téléphone le plus célèbre de toute l’histoire des sciences.
Pendant que Dicke et Peebles faisaient leurs calculs, à moins de cinquante kilomètres de Princeton, dans les laboratoires Bell, les physiciens Arno Penzias et Robert Wilson étaient aux prises avec leur antenne de communication radio (coïncidence : c’était une antenne d’un modèle que Dicke avait conçu dans les années 1940). Malgré toutes leurs tentatives, l’antenne sifflait un bruit de fond continu dont ils n’arrivaient pas à se débarrasser. Penzias et Wilson étaient convaincus que leur matériel était défectueux. S’ensuivit une cascade de discussions qui ne pouvait mieux tomber. Tout commença par une conférence donnée par Peebles en février 1965 à l’université Johns Hopkins, à laquelle assista le radio-astronome Kenneth Turner, qui parla des résultats de Peebles à son collègue Bernard Burke, lequel se trouvait être en lien avec Penzias. Ayant vent des recherches menées à Princeton, l’équipe des laboratoires Bell comprit que leur antenne avait une bonne raison de siffler : elle avait capté les micro-ondes du fond de rayonnement cosmologique ! Penzias et Wilson rappelèrent Dicke, qui put leur confirmer rapidement qu’en effet, ils venaient de se heurter malgré eux à l’écho du big bang.
Les deux équipes convinrent de publier leurs articles en même temps dans le prestigieux Astronomical Journal. Le groupe de Princeton présentait sa théorie des origines du fond de rayonnement cosmologique, et le groupe des laboratoires Bell expliquait, dans le langage le plus traditionnel possible, sans aucune mention de cosmologie, leur détection d’un fond de micro-onde imprégnant tout l’espace. Aucun de ces deux articles ne mentionnait les travaux antérieurs de Gamow ,Alpher et Herman. Pour leur découverte, Penzias et Wilson reçurent le prix Nobel de physique en 1978.
Gamow, Alpher et Herman, absolument consternés, ont dû se démener, les années suivantes, pour faire reconnaître leur travail. Ce n’est que très progressivement et après de nombreux débats que la communauté des physiciens finit par rendre hommage à leur contribution dans cette découverte fondamentale.
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MessagePosté le: Lun 22 Sep 2014 - 09:02    Sujet du message: Publicité

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