 L’évolution du monde peut être comparée à un feu d’artifice qui vient de se terminer. Quelques mèches rouges, cendres et fumées. Debout sur une escarbille.

Présentation au sujet: " L’évolution du monde peut être comparée à un feu d’artifice qui vient de se terminer. Quelques mèches rouges, cendres et fumées. Debout sur une escarbille."— Transcription de la présentation:

1  L’évolution du monde peut être comparée à un feu d’artifice qui vient de se terminer. Quelques mèches rouges, cendres et fumées. Debout sur une escarbille mieux refroidie, nous voyons s’éteindre doucement les soleils et cherchons à reconstituer l’éclat disparu de la formation des mondes  Georges Lemaître (L’hypothèse de l’atome primitif) Galaxie spirale Messier 106 (Photo NASA) Ecole Supérieure de Commerce de Clermont-Ferrand (13 octobre 2009)  Dernières nouvelles de demain  de la Maison de l’Innovation (Conseil Général du Puy de Dôme) François Vazeille (CNRS) Laboratoire de Physique Corpusculaire Université Blaise Pascal-CNRS-IN2P3

2 Le Big Bang ? Tout le monde en a entendu parler … et le comprend à sa façon !

3 Univers Montage vidéo non accessible

4 Nous allons retrouver des mots cités dans le montage vidéo et aller plus loin encore. Univers froid en expansion Remonter le temps Big Bang Origine de l’Univers Le CERN et le LHC Feu d’artifices Particules et collisions Masse et énergie Protons et neutrons Force de gravité Science fiction ? Poupées russes Quarks et gluons Unifier les interactions L’infiniment petit et l’infiniment grand S’interroger sur l’Univers

5  Et maintenant, si nous parlions … d’avant le Big Bang ?  … qu’en est-il de l’expression  avant le Big Bang  ? Les expressions  le soleil noir  (Baudelaire) ou encore  Les dernières nouvelles de demain  (Maison de l’Innovation) sont des  oxymores  … question récurrente (qui se veut malicieuse) posée à chaque conférence pour embarrasser, voire  coller  l’orateur !

6 Nous allons aborder ce thème uniquement selon l’aspect scientifique - Ni considération métaphysique, religieuse, philosophique, … - Ni Science fiction. … et parler des deux infinis: l’infiniment grand et l’infiniment petit. Le monde de la Cosmologie Le monde des Particules élémentaires convergent dans notre interprétation de l’évolution de l’Univers.

7 Comment allons-nous procéder ? Nous allons montrer que  la rencontre des deux infinis  est le rêve ultime des physiciens d’accéder à la théorie ultime appelée pompeusement La Théorie du Tout Ce que n’aurait pas aimé Auguste Comte qui écrivait, en 1852, dans son  Catéchisme positiviste  « Du tout tu ne parleras pas ». Cette recherche a des conséquences curieuses: - Nous ne pourrons pas répondre à la question: que se passe-t-il à l’instant  zéro  ? - Mais par contre, proposer des solutions  possibles  pour … avant l’instant  zéro  !

8 Les mystères de la Gravitation et les 3 autres forces élémentaires Le Modèle Standard des particules élémentaires Le Modèle Standard de la Cosmologie Et maintenant, rapprochons nous du Big Bang La théorie des Supercordes Nous avons tous les outils pour parler enfin… d’avant le Big Bang Où en sont les tests expérimentaux de ces théories ? Conclusion … provisoire

9 Les mystères de la Gravitation et les 3 autres forces élémentaires Le Modèle Standard des particules élémentaires Le Modèle Standard de la Cosmologie Et maintenant, rapprochons nous du Big Bang La théorie des Supercordes Nous avons tous les outils pour parler enfin… d’avant le Big Bang Où en sont les tests expérimentaux de ces théories ? Conclusion … provisoire

10 Les mystères de la Gravitation et les 3 autres forces élémentaires

11 La Force de Gravitation et la Force Magnétique Une expérience très simple Matériel: une pointe, la Terre et un aimant 1 pointe La Terre 1 aimant

12 Masse de la Terre: 6 10 21 tonnes ou encore 6 10 9 10 9 10 9 grammes 6 Milliards de Milliards de Milliards de grammes Masse de l’aimant: 1 gramme Le petit aimant est plus fort que l’attraction de la Terre ! Masse de la pointe: 1 g

13 Question: pourquoi la Force de Gravitation est-elle si faible? pourquoi la Force de Gravitation est-elle si faible? … alors que les 2 lois (Gravitation et Electromagnétisme) ont la même forme Forces proportionnelles à  x ( Q 1 x Q 2 ) / r 2 - r est la distance entres les objets 1 et 2 - Q 1 et Q 2 sont les  charges  des objets 1 et 2 -  une constante caractéristique de l’intensité de l’interaction … alors qu’elle est responsable du ballet des grandes structures de l’Univers: - La Lune autour de la Terre - La Terre autour du Soleil - Les Galaxies - Les amas de Galaxies… et permet aux Australiens et aux Auvergnats d’avoir  les pieds sur Terre . r Objet 1Objet 2 soit 10 42 fois plus faible que la force électromagnétique: 0.0000000000 0000000000 0000000000 0000000000 01

14 L’explication complète de cette différence est probablement la clef donnant accès à l’unification des lois qui gouvernent l’Univers.

15 Quelles sont les 4 forces élémentaires de la nature ?  Désintégrations radioactives, énergie des étoiles…  La force  forte  :  La force  forte  : la première force  nucléaire , la plus intense  Cohésion des noyaux de l’atome et des nucléons (Protons, neutrons)…  La force  électromagnétique   Electricité, magnétisme, cohésion de l’atome, chimie, biologie…  La force  faible  :  La force  faible  : la seconde force  nucléaire   La force  Gravitationnelle:  La force  Gravitationnelle: la plus petite  La plus visible à l’échelle humaine: s’applique à l’Univers dans son ensemble mais pas encore au monde des particules. Intensité

16 Petit commentaire sur l’unification des lois physiques: Une quête permanente des scientifiques. L’unification de phénomènes (ou lois physiques) différents permet de généraliser et de mieux comprendre. Un exemple Depuis James Clerk MAXWELL (1864) ElectricitéMagnétisme sont les facettes d’un même phénomène: L’électromagnétisme. Nous allons rencontrer plusieurs fois cette recherche d’unification.

17 Le rêve des physiciens de tout unifier, de l’infiniment grand à l’infiniment petit Quel est le bilan du 20 ième siècle? Deux grands cadres théoriques qui marchent … mais qui s’ignorent Infiniment grand La Relativité générale Infiniment petit La Mécanique quantique Les grandes structures de l’Univers Le monde des Particules élémentaires

18 Les mystères de la Gravitation et les 3 autres forces élémentaires Le Modèle Standard des particules élémentaires Le Modèle Standard de la Cosmologie Et maintenant, rapprochons nous du Big Bang La théorie des Supercordes Nous avons tous les outils pour parler enfin… d’avant le Big Bang Où en sont les tests expérimentaux de ces théories ? Conclusion … provisoire

19 Le Modèle Standard des particules élémentaires

20 Les particules élémentaires … aujourd’hui Comme tout  édifice , l’Univers est constitué de  briques  et de  ciments  avec lesquels on peut bâtir tous les types d’atomes. u u d e L’atome le plus simple: Hydrogène - Un noyau (Charge +): 3 quarks. - Un électron (Charge -). Les  briques  sont les particules de  matière  : Exemples: les quarks et électrons. mais ici  briques  et  ciments  sont des particules élémentaires. Les  ciments  sont les  messagers des forces  qui les lient. Exemples: le photon, le gluon…

21 … illustration des forces Une jolie blonde et un petit brun dans des bateaux et qui jouent au ballon. Une distance augmentant avec le nombre de fois où les ballons sont échangés Une portée limitée par le poids du ballon Les ballons sont les médiateurs de la force à portée finie qui écartent les 2 bateaux

22 SPLASH … illustration des forces lors de la collision élastique de 2 électrons. Que s’est-il passé? (Différent des boules de billard) Les électrons ont échangé un photon qui est un Boson.  Le photon est le messager de la force électromagnétique. Exemple précédent de l’atome d’hydrogène: l’électron échangeait des photons avec le noyau.

23 … Bilan actuel des particules élémentaires  Briques  : Fermions  Ciments  : Bosons LeptonsQuarks e électron neutrino é µ muon neutrino µ u d haut bas c s charme étrange   tau neutrino  t b top beau g 8 gluons Interaction forte  photon Interaction électromagnétique Z 0 W + W - 3 bosons vecteurs Interaction faible G graviton H Boson de Higgs Interaction gravitationnelle A l’origine de la masse des particules 1 ère famille: matière ordinaire dite baryonique

24 Soit au total 38 particules: - 12 Fermions et 12 anti-Fermions (antimatière) - 14 Bosons Toutes découvertes … sauf le Higgs (pour très bientôt au LHC) et le Graviton (peut-être bientôt au LHC).

25 Les mystères de la Gravitation et les 3 autres forces élémentaires Le Modèle Standard des particules élémentaires Le Modèle Standard de la Cosmologie Et maintenant, rapprochons nous du Big Bang La théorie des Supercordes Nous avons tous les outils pour parler enfin… d’avant le Big Bang Où en sont les tests expérimentaux de ces théories ? Conclusion … provisoire

26 Le Modèle Standard de la Cosmologie

27 Regardons le ciel, et ses grandes structures: par exemple, les Galaxies. Qu’observons-nous ? (avec des bons instruments !)

28 Les Galaxies s’éloignent de nous, et aussi les-unes des autres

29 … et pourtant la force de Gravitation devrait les faire se rapprocher Mais ce n’est pas le cas: elles  fuient  ! Assimilons l’Univers à 3 dimensions à la surface d’un ballon de baudruche à 2 dimensions

30 Plaçons 2 Galaxies dans cet Univers (donc à la surface du ballon) La distance entre les Galaxies augmente parce que l’Univers est en expansion puis gonflons un peu plus le ballon Ce ne sont pas les Galaxies qui se déplacent, mais l’espace qui grandit

31 La représentation 2D (par la surface du ballon) de l’Univers 3D a des avantages et des inconvénients: ATTENTION  Avantages Une image concrète de l’inflation. Une illustration que l’Univers (la surface du ballon) est ici fini mais n’a ni centre, ni limite, ni bord.  Inconvénient Le ballon gonfle dans quelque chose: l’air de la pièce, et possède aussi un intérieur, alors que l’Univers ne grandit ni dans quelque chose (on verra plus loin…) ni dans rien (car rien n’est pas équivalent à  non existence  ) Cf Raymond Devos… Un calcul simple  Plus la Galaxie est loin, plus vite elle fuit, ce qui est vrai dans la réalité: la vitesse de récession suit la loi de Hubble.

32 Ainsi l’Univers n’est pas statique: il est en expansion. Si nous pensons au passé et passons le film à l‘envers: Il était donc moins étendu donc plus dense, donc plus chaud. Analogie avec la pompe à vélo: quand nous comprimons l’air, il s’échauffe.

33 Regardons de nouveau le ciel la nuit Qu’observons-nous cette fois-ci sans instrument ? Il est noir !

34 Si l’Univers était éternel, infini et rempli d’étoiles de façon uniforme, de la Terre le regard rencontrerait toujours une étoile  Le ciel nocturne serait aussi brillant que le ciel en plein jour. Or, ce n’est pas le cas (Paradoxe de Chéseaux-Olbers) !

35 Cette question:  Pourquoi le ciel est-il noir la nuit … du moins à nos yeux ?  préoccupe l’Homme depuis toujours Les explications les plus récentes montrent que cette observation n’est rien de moins qu’un témoignage de l’histoire et de la structure de l’Univers ! La réponse est en 2 parties: 1. Notre Univers a eu un début (Il na pas toujours existé). L’Univers observable ne permet de voir que les Galaxies qui ont eu le temps d’envoyer leur lumière (La vitesse de la lumière est finie). Cette partie observable est finie: le nombre de Galaxies n’est pas infini. 2. L’Univers est en expansion. L’énergie lumineuse se dilue dans un volume de plus en plus grand: l’arrivée de la lumière des points les plus éloignés ne compense pas l’expansion. La nuit va devenir de plus en plus noire (sur des milliards d’années).

36 Le Modèle Standard du Big Bang  C’est le modèle le plus communément admis, avec des variantes et des ajustements, et bien entendu quelques détracteurs très minoritaires partisans d’un Univers quasi stationnaire (avec des arguments très faibles).  Il fournit des prévisions qui sont vérifiées: ce qui lui donne du crédit … mais il n’explique pas tout.  La description du Modèle sera donnée en 2 parties:  Les 3 phases de l’expansion de l’Univers.  La création des 4 Forces élémentaires et de la Matière.  Puis nous apporterons quelques précisions.

37 Le Modèle Standard du Big Bang: Les 3 phases de l’expansion de l’Univers

38 Le temps Juste après le Big Bang Aujourd’hui X  Dimension  de l’Univers

39 Dimension de l’Univers observable (pas à l’échelle) Temps (pas à l’échelle) Aujourd’hui Milliards d’années Big Bang Nous voyons que l’Univers est en expansion,

40 Dimension de l’Univers observable (pas à l’échelle) Temps (pas à l’échelle) Milliards d’années mais cette expansion de l’espace a connu 3 périodes très différentes.

41 Dimension de l’Univers observable (pas à l’échelle) Temps (pas à l’échelle) Milliards d’années De 10 -35 à 10 -32 seconde après le Big Bang: une expansion fulgurante exponentielle appelée INFLATION (> vitesse de la lumière) La taille de l’Univers est multipliée en gros par un facteur 10 50. INFLATION

42 Dimension de l’Univers observable (pas à l’échelle) Temps (pas à l’échelle) Milliards d’années Puis l’expansion se poursuit à un rythme beaucoup plus lent, mais en diminuant, la matière domine et donc la gravitation contrecarre l’expansion: c’est la période d’ EXPANSION RALENTIE. INFLATION EXPANSION RALENTIE

43 Dimension de l’Univers observable (pas à l’échelle) Temps (pas à l’échelle) Milliards d’années Mais depuis 4 Milliards d’années environ, l’expansion est plus forte. (La Matière ne domine plus): C’est la période actuelle d’ EXPANSION ACCELEREE. INFLATION EXPANSION RALENTIE EXPANSION ACCELEREE

44 Le Modèle Standard du Big Bang: L’apparition des 4 Forces élémentaires et de la Matière.

45 Le temps Aujourd’hui X La température 13,7 Milliards d’années Juste après le Big Bang ~20°C dans cette salle mais… 2,7 K soit – 270,4 °C

46 X 13,7 Milliards d’années 10 -43 s 10 32 K2,7 K soit – 270,4 °C Le temps de PLANCK: 100 milliardièmes de milliardième de milliardième de milliardième de milliardième de seconde après le Big Bang Température de 100 000 milliards de milliards de milliards de degrés

47 X 20°C 13,7 Milliards d’années 10 -43 s Attention: rien n’est à l’échelle Nous allons  zoomer  sur cette région de façon démesurée Les Forces

48 10 -43 s Les Forces Attention: rien n’est à l’échelle 10 -35 s10 -11 s Faible Electromagnétique Forte Electrofaible Gravitation Electronucléaire Super- Force (inconnue) Un centième de milliardième de seconde après le Big Bang: les 4 forces élémentaires d’aujourd’hui étaient déjà séparées !

49 X 2,73K 13,7 Milliards d’années 10 -43 s La Matière … ordinaire Attention: rien n’est à l’échelle 10 32 K 10 -35 s Particules Antiparticules 10 28 K 10 -10 s Les particules acquièrent une masse 10 14 K  qq µs Protons, Neutrons 10 13 K  1 s Noyaux légers  10 10 K 3 min Atomes stables légers 380 000 a Découplage Lumière-matière 3000 K  qq 100 millions a Etoiles  1 milliard a Carbone, Oxygène… Galaxies…

50 Cette matière  ordinaire  constitue tous les éléments chimiques du Tableau périodique de Mendeleev  Façonnage de toutes les molécules des mondes inerte et vivant. Et il faut ajouter les rayonnements. Cette matière qui constitue tous les corps connus de l’Univers n’est pas grand chose: ~ 4% de l’énergie dans l’Univers (dont 0,005 % seulement sous forme de rayonnement) Ce qui manque nous échappe (pour le moment): - Une matière inconnue et pesante bien plus abondante: la  Matière noire . - Une énergie manquante encore plus abondante: l’  Energie noire . Mais il y a un sérieux problème

51 Le Modèle Standard du Big Bang: Quelques précisions

52 De quel Univers parlons-nous ? Miss Univers 2009: Stefania Fernandez (Venezuela) Ce n’est pas celui de  Miss Univers  qui devrait plutôt s’appeler  Miss Terre . Ce n’est pas non plus l’Univers complet, peut-être infini, mais ce n’est pas sûr, en tout cas beaucoup trop grand et inaccessible. C’est celui de l’Univers observable

53 Il est la limite du paysage observable, et dépend de l’altitude de l’observateur. Considérons l’Horizon terrestre Remarque en passant: L’horizon est plat (  horizontal  ), et pourtant la Terre est ronde ! ~1 km Nos sens nous trompent: il est plat car le rayon de courbure de la Terre est grand. 5 500 km

54 Distance parcourue: x 1 – x 0 à 300 000 km/s pendant le temps t 1. Photon émis il y a t 1 années à la position x 1. x1x1 x0x0 Reçu aujourd’hui sur la Terre. La distance maximum correspond à t 1 = 13,7 milliards d’années soit x 1 – x 0 = 1.3 10 23 kilomètres ou encore 130 000 milliards de milliards de kilomètres. On peut définir aussi l’Horizon cosmique qui est la limite de l’Univers observable C’est l’ Horizon cosmique: limite de l’ Univers observable.

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56 Photon émis il y a t 1 années à la position x 1. x1x1 x0x0 x2x2 Le point d’espace origine x 1 est positionné en x 2, soit la distance x 2 – x 1. On peut aussi dire que l’ Horizon cosmique correspond à la distance x 2 – x 0. … mais l’ Univers est en expansion, en gros un peu moins de 1% pour chaque 140 millions d’années. Les modèles cosmologiques les plus admis donnent 46,3 milliards d’années lumière ou encore 4,4 10 23 km: 440 000 milliards de milliards de kilomètres. Reçu aujourd’hui sur la Terre. Quant à l’Univers total, il est > 10 100000 cm … sinon infini.

57 Les mystères de la Gravitation et les 3 autres forces élémentaires Le Modèle Standard des particules élémentaires Le Modèle Standard de la Cosmologie Et maintenant, rapprochons nous du Big Bang La théorie des Supercordes Nous avons tous les outils pour parler enfin… d’avant le Big Bang Où en sont les tests expérimentaux de ces théories ? Conclusion … provisoire

58 Et maintenant, rapprochons nous du Big Bang du Big Bang

59 X 13,7 Milliards d’années 10 -43 s 10 32 K 2,7 K soit – 270,4 °C Au temps de Planck 100 milliardièmes de milliardième de milliardième de milliardième de milliardième de seconde Cet embryon a donné naissance à notre Univers observable.  Zoomons  de nouveau dans cette région en incluant le temps  zéro  La partie observable actuellement de l’Univers était réduite à une sphère de rayon 10 -35 m (Rayon de Planck).

60 10 -43 s Et remontons le temps avec les Forces sans atteindre le temps  zéro  Attention: rien n’est à l’échelle 10 -35 s10 -11 s Faible Electromagnétique Forte Gravitation Super- Force Electrofaible Electronucléaire Mécanique quantique Ère de Planck A cette époque, la Gravitation est aussi intense que les autres forces.

61 La théorie doit marier Gravitation et Mécanique quantique: La Gravitation quantique Il y a 2 grandes approches actuellement: - Partir de l’infiniment grand: la Gravitation (La Relativité générale)  aller vers l’infiniment petit (La Mécanique quantique)  Théorie de la Gravitation quantique en boucles. - Partir de l’infiniment petit: la Mécanique quantique  inclure la Gravitation  Théorie des Supercordes. Il existe cependant une approche qui évite la Gravitation quantique et ne fait appel qu’au vide… en esquivant certains aspects de la genèse physique. - La théorie la plus en vogue. - Celle des théoriciens des particules. Nous devons aller au-delà du Modèle Standard des particules:

62 Et l’instant t = 0 ? Plus on s’approche de zéro, plus l’Univers est comprimé et chaud et à t = 0: les quantités densité, température, pression, rayon de courbure tendent vers l’infini: nous sommes en présence de la  singularité  du Big Bang. Les théories physiques (Relativité générale, Mécanique quantique) ne fonctionnent plus ! Les théoriciens sont loin d’être d’accord sur certains aspects: - Pour certains: le Big Bang met en marche en même temps le temps et l’espace. - Pour d’autres: la notion de temps ne disparaît pas à la singularité.  Dans ce cas: il y aurait donc un avant Big Bang La théorie des Supercordes autorise une traversée temporelle du Big Bang.

63 Les mystères de la Gravitation et les 3 autres forces élémentaires Le Modèle Standard des particules élémentaires Le Modèle Standard de la Cosmologie Et maintenant, rapprochons nous du Big Bang La théorie des Supercordes Nous avons tous les outils pour parler enfin… d’avant le Big Bang Où en sont les tests expérimentaux de ces théories ? Conclusion … provisoire

64 La théorie des Supercordes Extra-dimensions

65 Etape ultime: Les Cordes et Supercordes  Recommandation d’une recherche sur Internet L’appellation officielle  Cordes  est la traduction maladroite du mot anglais…  Strings  et  Supercordes  … toujours en anglais…  Super-Strings   Pour une fois, ma préférence va vers la dénomination anglaise … mais c’est un pur problème d’  esthétique . Les particules élémentaires sont-elles élémentaires?

66 Il y a 2 ingrédients essentiels: Les  Supercordes  Les  Branes  (Abréviation de  Membranes  ) Les  Univers  à l’intérieur desquels les Supercordes peuvent s’accrocher. avec des conséquences alléchantes et surprenantes: - Bien que partant de l’infiniment petit, la Gravitation apparaît naturellement. - A l’espace-temps classique à  3 dimensions d’espace  et  une de temps , espace-temps à 11 dimensions. s’ajoutent 7 autres dimensions d’espace  espace-temps à 11 dimensions. Les théoriciens les plus réputés travaillent sur ces sujets depuis environ 20 ans. La taille ultime des  poupées russes  représentant les  particules .

67 Les  Supercordes  Les particules ne seraient plus  ponctuelles  mais des petits filaments d’énergie en vibration - sans épaisseur, - de longueur proche de la Longueur de Planck (10 -35 m). Un seul ingrédient: la Corde  Ses vibrations (Les  notes  émises) sont caractéristiques de chaque type de particule. Comme des petits élastiques ouvertefermée Plus la fréquence de vibration est élevée, plus la particule est massive. Le Graviton est une corde fermée.

68 Un espace-temps à 11 dimensions C’est difficile à imaginer! Ed Witten: la référence mondiale de la théorie des cordes  Je n’arrive pas à visualiser les dimensions supplémentaires, comme la plupart des gens  (CERN: juin 2009) En fait la notion de dimensions (ou de coordonnées dans l’espace) dépend de la distance de l’observateur/objet examiné et/ou du  grossissement  de son instrument d’observation. Une ligneUne surfaceUn volume

69 .. et nous au-delà de 3 dimensions, sommes-nous capables d’imaginer des dimensions cachées? En fait, elles sont si petites (Dimension de Planck) et enroulées: nous ne pouvons pas les voir. Comme pour le funambule On peut généraliser à un volume hexadimensionnel en chaque point de l’espace à 3 dimensions Espace de Calabi-Yau en chaque point … mais certaines dimensions peuvent cependant être infinies !

70 Les  Branes  (ou D-branes) Ce sont d’autres  objets  construits à partir des dimensions de l’espace. Membrane: surface à 2 dimensions ou 2-Brane puis, 3-Brane:  surface  à 3 dimensions. 4-Brane:  surface  à 4 dimensions. … 10-Brane:  surface  à 10 dimensions. Pas d’épaisseur Une 3-Brane flottant dans un espace à 7 + 1 dimensions 3 7 Et notre Univers à 3 dimensions ?

71 Les Supercordes dans le monde des Branes 3-brane Cordes piégées sur la  3-Brane  Gravitons libres Graviton piégé La  3-brane  est collante pour les extrémités des cordes ouvertes. Dimensions supplémentaires

72 Tous les Fermions et Bosons (sauf le Graviton) sont confinés sur la 3-Brane mais s’y déplacent librement. Analogie: électrons dans un câble conducteur, ou encore bille sur un flipper. Le Graviton peut se déplacer sur la  3-Brane  et en dehors. Analogie: marteau sur une plaque métallique  son sur la plaque et dans l’air. Conséquences:  Explication de la faiblesse de la Gravitation: son intensité se dilue dans les 10 dimensions. son intensité se dilue dans les 10 dimensions. Ici: débit dans chaque bras = débit initial divisé par 2. Analogie avec le débit d’un fleuve se subdivisant en plusieurs bras

73 Autre Conséquence: La théorie des Supercordes contient la Super-symétrie: Fermions Bosons - La super-symétrie implique des nouvelles particules dites Super-symétriques, très massives, créées peu de temps après le Big Bang et la plupart instables. (Cela fait plus que doubler le nombre de particules !) - Parmi elles: les plus stables et les plus légères sont les  neutralinos . Ils interagissent très très peu avec la matière. Les  neutralinos  seraient les meilleurs candidats à la Matière noire.

74 Les mystères de la Gravitation et les 3 autres forces élémentaires Le Modèle Standard des particules élémentaires Le Modèle Standard de la Cosmologie Et maintenant, rapprochons nous du Big Bang La théorie des Supercordes Nous avons tous les outils pour parler enfin… d’avant le Big Bang Où en sont les tests expérimentaux de ces théories ? Conclusion … provisoire

75 Nous avons tous les outils pour parler enfin … d’avant le Big Bang ? Nous allons nous limiter à 2 approches tirant partie: - la première: de l’énergie du  vide quantique  ; - la deuxième: de la théorie des Supercordes.

76 via le mariage forcé de la Relativité et de la Mécanique quantique ou encore l’effet boule de neige. Le  vide quantique  bouillonne de particules virtuelles qui se créent par paires, vivent un très court instant et s’annihilent en permanence. L’expansion de l’espace (en particulier durant l’inflation) peut étirer et finalement séparer les 2 membres d’une paire qui deviennent réelles. Cette matière nouvelle force l’espace à s’étendre plus, et ainsi de suite… Un Univers  auto-reproductif 

77 Ce phénomène de création de particules est local  Apparition d’Univers-bulles en expansion qui sont le siège à leur tour d’autres Univers clones.: notion de Multi-Univers ou Multivers. L’énergie du vide ne se dilue pas dans l’expansion (contrairement à la matière): elle est toujours potentiellement disponible. Ce scénario (soutenu par des théoriciens de renom) s’affranchit de l’instant  zéro  car c’est un phénomène auto-reproductif. Est-ce le moment de créer d’autres bulles? NON: en particulier, quelle est l’origine du vide quantique? A un moment ou à un autre, il faut passer à la Gravitation quantique.

78 Le recours aux Supercordes Notre Univers 3-Brane est peut-être situé dans un  étranglement  des dimensions supplémentaires ou encore dans une partie enroulée d’une  anse . Là aussi existent des Multivers

79 Scénario cyclique ou  ekpyrotique  Collision élastique de 3-Branes Big Bang Rebondissement: 2 Univers parallèles Etc.

80 Scénario moins catastrophique La collision de 2 Branes voisines transfère de l’énergie à notre Brane via les dimensions supplémentaires. Collision Notre Brane Analogie avec un condensateur: accumulation d’énergie entre les 2 plaques chargées de signes contraires. Inflation - Collision de Branes (exemples précédents). - Réarrangement des dimensions supplémentaires  Champ: moteur de l’’inflation. Deux explications envisagées.

81 Les Univers multiples … et notre Univers La théorie prévoit un très grand nombre de configurations possibles des dimensions supplémentaires, ce qui est appelées le  paysage de la théorie des cordes  : - Chaque configuration peut abriter potentiellement un Univers, avec des constantes physiques différentes. - La nature exploite toutes les possibilités: certains Univers réussissent (le nôtre par exemple), d’autres échouent. - La théorie estime à 10 1000 le nombre de possibilités: il y a une espèce de sélection à la Darwin, mais sans compétition, et ne subsistent que les Univers  viables .  Illustration d’un paysage: une boule représentant une grandeur physique (énergie potentielle par exemple) qui cherche une zone de stabilité.

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83 Les mystères de la Gravitation et les 3 autres forces élémentaires Le Modèle Standard des particules élémentaires Le Modèle Standard de la Cosmologie Et maintenant, rapprochons nous du Big Bang La théorie des Supercordes Nous avons tous les outils pour parler enfin… d’avant le Big Bang Où en sont les tests expérimentaux de ces théories ? Conclusion … provisoire

84 Où en sont les tests expérimentaux les tests expérimentaux de ces théories ?

85 Il y a 2 démarches expérimentales comme un enfant dans un magasin de porcelaine. Observer sans pouvoir toucher. comme un enfant dans un magasin de jouets. Manipuler et même casser! Celle de l’astronome et de l’astrophysicien: Celle du physicien des particules:

86  Les 2 approches se complètent et étayent les Modèles Standards.  Observation: Télescopes, radiotélescopes, satellites.  Collisions forcées de particules: Accélérateurs.  Pour aller plus loin, dans l’espace et dans le temps et tester des théories plus complètes: des instruments nouveaux sont maintenant disponibles. Quelques exemples: - Observation du ciel (pas seulement des photons) - Télescopes embarqués. - Rayonnement fossile: satellite PLANCK. - Rayonnement Gammas les plus énergétiques: Expérience HESS. - A travers la Terre: expérience ANTARES. - Se rapprocher du Big Bang: le Collisionneur LHC du CERN. Ces exemples sont montrés dans notre exposition …

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88 Les mystères de la Gravitation et les 3 autres forces élémentaires Le Modèle Standard des particules élémentaires Le Modèle Standard de la Cosmologie Et maintenant, rapprochons nous du Big Bang La théorie des Supercordes Nous avons tous les outils pour parler enfin… d’avant le Big Bang Où en sont les tests expérimentaux de ces théories ? Conclusion … provisoire

89 Conclusion … provisoire

90 Il existe un scénario convaincant et vérifié de l’évolution de l’Univers observable: celui du Big Bang, fondé sur l’expansion de l’Univers, à partir d’une époque extrêmement chaude et dense. Ce scénario fait appel à différentes disciplines qui relèvent de deux mondes, l’infiniment petit et l’infiniment grand: - la physique des particules, la physique nucléaire, - l’astronomie, l’astrophysique, et la cosmologie.

91 En l’état actuel des connaissances, l’instant  zéro  échappe au champ de la physique. Mais une traversée temporelle du Big Bang est envisagée par la  théorie du tout  la plus développée actuellement, celle des Supercordes et même par d’autres approches moins révolutionnaires. Il appartient aux expérimentateurs des deux mondes de trouver les indices qui s’accordent ou non avec les prévisions. La nature de la Matière noire et celle de l’Energie noire ne sont pas encore vraiment expliquées.

92 Le début du 20 ième siècle a connu 2 révolutions scientifiques: la Relativité et la Mécanique quantique. Le début du 21 ième siècle pourrait connaître à son tour une révolution dans notre compréhension de l’Univers.

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