Les puissances de dix 10-16 1 1025

Échelle: 100 mètre = 1 mètre Échelle humaine Un étudiant se repose en attendant son cours d’astronomie d’observation sur le terrain du collège. C’est le début d’une après- midi paresseuse, un premier octobre. Commençons par une scène d’un mètre de large que nous voyons d’un mètre de haut.

Échelle: 101 mètres = 10 mètres = 1 décamètre Et il s’endort en pensant… On observe maintenant la scène d’une distance 10 fois supérieure et notre champ de vision est 10 fois plus large. Ce carré à dix mètres de côté.

Échelle: 102 mètres = 100 mètres = 1 hectomètre Le terrain du Cégep Sainte-Foy Cette image est centrée sur l’étudiant même s’il est invisible. 100 mètres, la distance qu’un homme peut parcourir en 10 secondes.

Échelle: 103 mètres = 1 000 mètres = 1kilomètre Le chemin Sainte-Foy ainsi que l’autoroute Du Vallon. Ce carré a 1 km de côté, la distance qu’une voiture de course peut couvrir en 10 secondes.

Échelle: 104 mètres = 10 kilomètres = 10 km La ville de QUÉBEC Dix kilomètres, la distance qu’un supersonique peut couvrir en 10 secondes. Nous voyons le fleuve Saint- Laurent.

Échelle: 105 mètres = 100 kilomètres = 100 km Le Québec métropolitain La distance qu’un satellite sur orbite couvre en dix secondes. Bien qu’aucune structure ne soit visible à cette altitude, c’est à cette distance que nous pouvons commencer à réaliser l’importance des réalisations humaines.

Échelle: 106 mètres = 1 mégamètre = 1Mm La province de Québec Sur cette image, quatre provinces sont visibles: outre le Québec, on remarque l’Ontario (Lac Ontario), la Nouvelle-Écosse ainsi que le Nouveau-Brunswick. Des dizaines de millions des gens s’affairent, mais aucuns signes visibles d'intelligence à cette altitude - au moins durant le jour. La nuit, il est possible de voir les lumières des principaux centres urbains.

Échelle: 107 mètres = 10 mégamètres = 10 Mm L’Amérique du Nord Nous pouvons maintenant voir toute la Terre. Dans cette photo, on peut reconnaître la baie d’Hudson et l'Amérique Centrale.

Échelle: 108 mètres = 100 mégamètres = 100 Mm La Terre La fenêtre mesure maintenant 108 m de largeur. On y aperçoit notre planète, la Terre, dans sa totalité. L’étudiant, bien qu’invisible à cette échelle, se trouve toujours en plein centre de l’image.

Échelle: 109 mètres = 1 millions de km = 1 gigamètre Le système Terre-Lune Avec un saut d’un facteur dix par rapport à la fenêtre précédente, la Terre n’est plus qu’un point et on aperçoit l’orbite de la Lune. Le système Terre-Lune met moins de dix heures pour traverser cette fenêtre. Une façon pratique de représenter les distances en astronomie consiste à calculer le temps que prendrait le voyage entre la Terre et on objet à la vitesse de la lumière, soit 300 000 km/s. De la Terre à la Lune il faudrait 1,3 seconde-lumière. Cette fenêtre correspond aux limites qui ont été explorées directement par des êtres humains à bord de vaisseaux spatiaux.

Échelle: 1010 mètres = 10 millions de km = 10 Gm Quatre jours en octobre La bande verte représente l'orbite de la Terre. À l’intérieur de cette bande, on peut apercevoir l ’orbite de la Lune (la bande blanche). À cette échelle, la Terre est plus petite qu'un simple pixel au centre de l'orbite de la Lune. La trajectoire choisie pour ce voyage fait paraître l'orbite lunaire plus elliptique.

Échelle: 1011 mètres = 100 millions de km = 100 Gm Vénus, la Terre et Mars Jusqu’à présent, les vaisseaux spatiaux lancés de la Terre n’ont réussi à se poser que sur trois planètes (et une lune). Mars a reçu la visite des deux Viking Landers ainsi que le Mars Pathfinder. Six missions Apollo ont réussis à se poser sur la surface lunaire. La ligne verte, qui représente l’orbite terrestre, est à peine assez large pour inclure l'orbite entière de la Lune. Notre Terre prend environ six semaines pour traverser la partie visible de son orbite.

Échelle: 1012 mètres = 1 milliard de km = 1 téramètre L’orbite de Jupiter La ceinture d’astéroïdes (qu’on ne peut détecter à cette échelle), sépare les planètes intérieures (Mercure, Vénus, la Terre et Mars) des planètes extérieures. L’orbite éloignée que l’on distingue dans la fenêtre est celle de Jupiter.

Échelle: 1013 mètres = 10 téramètres Le système solaire Ce saut nous fait découvrir plusieurs astres en orbite autour du Soleil, qui constituent le système solaire. À cette échelle, la Terre et le Soleil sont si proches qu’ils se confondent en un point au centre de l’image. La première orbite que l’on distingue dans la fenêtre est celle de Jupiter, suivie par ordre croissant de taille, des orbites de Saturne, d’Uranus, de Neptune et de Pluton. À ce jour, quatre sondes ont réussi à quitter le système solaire. L’exploration physique de l’Univers s’arrête donc à cette fenêtre.

Échelle: 1014 mètres = 100 téramètres Le système solaire (suite) Nous pouvons voir les orbites, de Saturne, Uranus, Neptune et Pluton. Pluton se trouve à 6,7 heures-lumière de la Terre. Depuis sa découverte en 1930, Pluton a parcouru seulement un quart de son orbite solaire. Pluton est récemment redevenu la planète la plus éloignée du Soleil. Durant les dernières années, l'orbite excentrique de Pluton l'avait placé devant Neptune.

Échelle: 1015 mètres = 1 pétamètre Système solaire (suite) Bien qu’invisible à cette échelle, nous savons maintenant qu’environ 0,05 % de la masse du système solaire (environ le tiers de la masse totale des planètes) se trouve au-delà de l’orbite de Pluton, sous la forme d’un nuage sphérique de petits astéroïdes, le nuage de Oort.

Échelle: 1016 mètres = 10 pétamètres = 10 Pm La limite du système solaire Dans cette fenêtre la taille du Soleil n’est qu’une indication de sa luminosité. À cette échelle, le système entier solaire est plus petit qu'un simple pixel. Nous avons atteint les bords de l'influence gravitationnelle du soleil, le Nuage Oort. On le croit que le Soleil possède un halo de particules de roches et de glace.

Échelle: 1017 mètres = 100 pétamètres Le Soleil et alpha du Centaure Dans cette fenêtre, le Soleil (ainsi que tout le système solaire) est au centre. La douzaine d’objets brillant sont des étoiles naines ou des systèmes d'étoile multiples et sont visibles uniquement parce que nous en sommes près. L'étoile brillante la plus proche au Soleil, Alpha du Centaure, se retrouve au coin supérieur gauche. Il s’agit d’un système d'étoile triple situé à 4,2 a.l. du Soleil.

Échelle: 1018 mètres = 1 examètre Les étoiles voisines Nous sommes maintenant à une distance de 200 a.l. du Soleil. Nous apercevons maintenant Arcturus (coin inférieur droit) ainsi que quelques étoiles de la Grande Ourse. L’étoile Arcturus est intrinsèquement plus brillante que notre Soleil.

Échelle: 1019 mètres = 10 examètres Les étoiles situées dans le bras Nous avons maintenant atteint le bord du disque aplani de la Voie lactée, d’environ 3 000 a-l d’épaisseur.

Échelle: 1020 mètres = 100 examètres Notre bras spirale Notre Soleil est situé près du bord intérieur d'un des bras spirale de la Voie lactée - le bras Orion - situé entre le bras du Sagittaire (à l'intérieur) et le bras de Persée (à l'extérieur). À cette échelle, le soleil est beaucoup trop faible pour être visible.

Échelle: 1021 mètres =1 zettamètre = 1 Zm La Voie Lactée Nous pouvons maintenant voir plus en détail la structure de la Voie Lactée. Cent milliard d'étoiles reliés par la force gravitationnelle, en rotation dans le sens des aiguilles d'une montre (vue du pôle nord galactique). Le rayon de la Voie lactée est d ’environ 50,000 années-lumière. Le système solaire se situe à environ 26 000 a.l. du centre de la Galaxie. Le soleil effectue une rotation autour du centre de la Galaxie en 250 millions d'années.

Échelle: 1022 mètres Amas local Ce disque plat circulaire est notre propre galaxie, la Voie lactée, montrant sa structure en spirale. Notre Galaxie se déplace dans l'espace avec plusieurs galaxies satellites - les galaxies irrégulières, en bas à gauche sont les nuages de Magellan, visibles en hémisphère sud. La Voie lactée est une galaxie de taille moyenne, contenant environ 100 milliards, ou 10 11 , étoiles.

Échelle: 1023 mètres Amas de la Vierge Dans cette image nous apercevons une petite partie de l’amas de la Vierge, notre Groupe Local. Afin de se concentrer sur le voisinage de la Voie lactée, le premier plan ainsi que les galaxies éloignées ont été omis. Notez la galaxie au bas à gauche du rectangle central. C'est la grande galaxie d’Andromède. Cette galaxie est située à 2,2 millions d’années-lumière de la Voie-Lactée. Lorsque nous regardons Andromède dans le ciel, nous ne la voyons pas telle qu ’elle est maintenant, mais plutôt telle qu’elle était il y a 2,2 millions d’années.

Échelle: 1024 mètres = 1 yottamètre = 1 Ym Superamas de galaxies À cette échelle, nous ne voyons que les galaxies les plus brillantes (ou les plus proches de notre point de départ situé à 200 000 000 années- lumières. Les galaxies sont gravitationnellement liées dans des amas contenant des centaines ou des milliers de galaxies. Notre galaxie, la Voie Lactée, demeure invisible au centre de l’amas de la Vierge (à l’intérieur du rectangle).

Les limites de notre connaissance Échelle: 1025 mètres Les limites de notre connaissance Ce dernier saut nous dévoile la dernière fenêtre de ce grand tour, qui s’étend sur un milliard d’années-lumière. La Voie Lactée est en plein centre, et on aperçoit plusieurs millions de galaxies semblables à la notre. Celles-ci ne sont pas distribuées uniformément dans l’espace: elles se concentrent en amas et en filaments, laissant de grands vides presque dépourvus de galaxies. Plus l’on regarde loin dans l’espace, plus on voit l’Univers jeune, et plus on se rapproche de l’état de haute densité initial.

Notre voyage retour vers le collège sera accéléré. Nous réduirons la distance qui nous sépare du centre de la Terre d’une puissance de dix toutes les deux secondes. Toutes les deux secondes, nous aurons parcourue 90% de la distance qui nous sépare de la Terre. Remarquez l’alternance entre grande activité et activité relative. Notre voyage vers notre prochain objectif, un proton dans le noyau d’un atome de carbone sous la main de l’étudiant endormi !

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Nous sommes de retour à notre point de départ.

Échelle: 10-1 mètre = 0,1 mètre = 1 décimètres La main Nous approchons la surface de la main. Bientôt, nous pénètrerons à l’intérieur de la peau.

Échelle: 10-2 mètre = 1 cm = 1 centimètre La peau Cette fenêtre nous montre la surface de la peau de cette main telle que vue par une loupe grossissante.

Échelle: 10-3 mètre = 1 mm = 1 millimètre Une pore dans la peau Nous traversons couche après couche jusqu’à un minuscule vaisseau à l’intérieur de cette main.

Échelle: 10-4 mètre = 100 µmètre = 100 micromètres Les micro-organismes Les couches de la peau disparaissent à leurs tours. On peut maintenant apercevoir une couche de cellules superficielles le collagène, le capillaire qui contient les cellules sanguines, ainsi qu ’un lymphocyte rugueux. L’épaisseur de la peau varie de 0,5 mm sur les paupières à environ 4 mm sur la paume de la main.

Échelle: 10-5 mètre = 10 µm = 10 micromètres Un lymphocyte Nous apercevons un globule blanc, appelée « lymphocyte ». Il s’agit d’une variété de globules blancs mesurant de 6 à 8 microns.

Échelle: 10-6 mètre = 1 µm = 1 micromètre Le noyau cellulaire Nous sommes tout juste à l'extérieur du noyau cellulaire et nous pouvons apercevoir la membrane nucléaire. Le noyau à l’intérieur renferme l’hérédité humaine dans les spirales de l’ADN.

Échelle: 10-7 mètre = 0,1 µm = 100 nm = 100 nanomètres Les liaisons de l ’ADN Cette fenêtre nous présente la double hélice une molécule qui ressemble à une double échelle torsadée dont les barreaux épèlent deux fois dans un alphabet de quatre lettres les mots du puissant code génétique.

Échelle: 10-8 mètre = 10 nm = 10 nanomètres La structure de l ’ADN En 1953, James Watson et Francis Crick ont déchiffré la structure de l’ADN. Chaque barreau de cette double échelle torsadée est constitué de nucléotides ordonnés - une substance constituée d'un phosphate, un sucre et une base azotée. C'est l'ordre particulier des bases qui déterminent la fonction d'un segment de d’ADN.

Échelle: 10-9 mètre = 1 nm = 1 nanomètre Les molécules d’ADN Nous nous centrons maintenant sur un groupe commun de trois atomes d’hydrogène reliés par des forces électriques à un atome de carbone. La chimie organique, ou « chimie de la vie », est la branche de chimie consacrée aux molécules carboniques-hydrogènes.

Échelle: 10-10 mètre = 0.1 nm = 100 picomètre = 100 pm Les électrons de surface Quatre électrons constituent l’enveloppe de l’atome de carbone lui-même juste au milieu de ces électrons de surface.

Échelle: 10-11 mètre = 10 pm = 10 picomètre Le nuage électronique intérieur Maintenant, nous arrivons sur les deux électrons intérieurs retenus dans un essaim plus dense. Nous nous dirigeons vers le centre atomique. Nous pénétrons dans un vaste espace intérieur. Si l’image que nous apercevons est floue, c’est que les électrons ne sont pas des particules bien définies, mais plutôt des distributions diffuses appelées « ondes-particules ».

Échelle: 10-12 mètre = 1 pm = 1 picomètre À l ’intérieur du nuage électronique Le cœur compact de l'atome commence à apparaître. Les électrons chargés négativement, sont attirés par la charge positive des protons dans le noyau, un noyau a tendance à capturer en orbite autour de lui un nombre égal d’électrons au nombre de protons qu’il contient. L’ensemble de l ’atome est alors neutre. Ainsi, notre atome de carbone contient 6 électrons, s’il est neutre. Le noyau est environ 10 000 plus petit que l’ensemble de l’atome.

Échelle: 10-13 mètre = 100 fm = 100 femtomètres Le noyau Nous commençons à peine à apercevoir le noyau massif de cet atome particulier de carbone composé de six protons et de six neutrons.

Échelle: 10-14 mètre = 10 fm = 10 femtomètres Le noyau carbonique La stabilité du noyau est due à la force nucléaire. Il s’agit d’une force attractive qui agit indistinctement entre les protons et les neutrons. Les six neutrons et six protons semblent se toucher. Avec ces douze nucléons, ce noyau de carbone-12 est l'isotope le plus répandu de carbone, il sert également d’étalon moderne de masse.

Échelle: 10-15 mètre = 1 fm = 1 femtomètre À l’intérieur d’un proton Au cours des trois dernières décennies, les physiciens des hautes énergies ont réussi à déceler, à l’intérieur des nucléons, des structures plus intimes appelées « quarks ».

Échelle: 10-16 mètre = 100 am = 100 attomètres Les quarks Le proton est constitué par la combinaison de 2 quarks de type u (pour « up ») et de 1 quark de type d (pour « down »). Pour le neutron, on parle de 2 d et 1 u. On connaît quatre autre espèce de quarks, nommés respectivement s (pour « strange »), c (pour « charmed »), t (pour « top » ou « truth ») et b (pour « bottom » ou « beauty »). Ces dénominations fantaisistes ne reflètent, bien sûr, que l’imagination facétieuse des physiciens.

Notre voyage nous a conduit à travers quarante puissance de dix. Si c’est l’unité de mesure, alors lorsque nous regardions plusieurs groupes de galaxies nous étions à 10 puissance 40 de distance, un et quarante zéros ! L’étudiant peut se réveiller….!