Lumière et matière après le Big Bang
La théorie du Big Bang, initiée en 1927 par le physicien et chanoine Georges Lemaître, décrit l’origine et l’évolution de l’Univers. À l’instant initial, il y a 13,7 milliards d’années, avant son expansion fulgurante, on admet que l’Univers était réduit à un point de la dimension d’une tête d’épingle et extrêmement chaud.
L’astronome Edwin Hubble, en 1929, confirme l’expansion de l’Univers. Les objets célestes s’éloignent d’autant plus vite les uns des autres que la distance qui les sépare est grande. Cela signifie que tout ce qui compose l’Univers fut jadis effectivement concentré en un point unique.
La découverte, par hasard, du fond diffus cosmologique en 1965 par Arno Penzias et Robert Wilson confirma la validité du modèle standard du Big Bang. Ce rayonnement thermique observé ne nous fait pas remonter à la singularité originelle, mais à environ 380.000 ans après le Big Bang correspondant au moment du découplage entre la lumière et la matière.
Ce que fut l’Univers durant sa première seconde d’existence, domaine de la physique des très hautes énergies, devrait à jamais rester voilé.
On admet généralement que les théories physiques actuelles permettent de comprendre ce que fut notre Univers après une seconde d’existence.
Des photons de lumière à très haute énergie entrèrent en collision pour produire la matière sous forme de particules (électrons) et d’antiparticules (positrons). Lorsque ces particules et antiparticules se heurtent dans un processus extrêmement violent, elles disparaissent dans une gerbe de lumière. De nouvelles paires de photons sont produites.
Dans la période dite de recombinaison qui s’étend de quelques minutes jusqu’à 380.000 ans après le Big Bang, les électrons libres s’associent aux noyaux atomiques pour former des atomes, puis des molécules. Après cette expansion de l’Univers et donc son refroidissement jusqu’à 3000 degrés environ, les photons, n’eurent plus l’énergie nécessaire pour se transformer en paires d’électron-positron. Ils sont restés sous forme de photons interagissant beaucoup moins avec la matière. Les photons de lumière auparavant captés par les électrons libres purent se libérer et se propager dans tout l’Univers, lequel devint opaque.
Néanmoins, les électrons, les positrons et d’autres particules de matière ont continué d’entrer en collision afin de produire de plus en plus de photons. Les photons de lumière, sans masse, purent dès lors traverser l’Univers en toute liberté.
Pour en savoir plus sur
l’Univers primordial
De la matière à la lumière
Paul Dirac, en 1928, met en évidence qu’à chaque type de particule est associée une antiparticule de même masse. Par exemple, un électron possède une charge électrique (-). L’antiparticule de l’électron, le positron, a la même masse que l’électron et une charge électrique opposée (+). Lorsqu’une antiparticule rencontre une particule, les deux particules se dématérialisent et se transforment en rayonnement électromagnétique constitué de photons ; il y a annihilation de la matière au profit de la lumière.
La théorie d’Albert Einstein de la relativité montre que la matière et l’énergie peuvent s’échanger selon la célèbre formule E = mc2.
La collision d’une particule et de son antiparticule émet une quantité d’énergie donnant naissance à deux photons. L’énergie totale transportée par les photons correspond à l’énergie de masse contenue dans le système avant collision. La transformation de la matière en lumière est un fait courant avéré.
De la lumière à la matière
En 1934, Gregory Breit et John Wheeler ont proposé une transformation inverse à celle de Dirac, c’est-à-dire la création de matière à partir de la lumière. Deux photons de lumière pourraient s’associer brutalement pour produire deux éléments massiques : un électron et un positron. C’est une des recherches les plus audacieuses de l’électrodynamique quantique.
Les expériences qui nécessitent une énergie considérable sont peut-être proches d’aboutir. Ainsi serait mis en évidence un des processus majeurs du Big Bang, lorsque l’Univers n’avait pas encore atteint une seconde d’existence.
La relativité restreinte et la vitesse de la lumière
Pour Isaac Newton, le temps et l’espace n’étaient pas intimement liés. Une information se transmettait à une vitesse infinie. L’attraction gravitationnelle entre deux corps distants, comme les planètes, se propageait ainsi instantanément. Ceci n’était guère raisonnable ni compréhensible. Newton lui-même en avait conscience.
Avec en particulier Maxwell, Lorentz, Poincaré et Einstein, la vitesse de tous les phénomènes physiques avait une limite : la vitesse de la lumière (300 000 km/s). Il faut un certain temps pour transmettre une information d’un point de l’espace à un autre. Le temps et l’espace sont donc intimement reliés, d’où la notion d’espace-temps.
En relativité restreinte, toute interaction (et toute information) est transmise au maximum à la vitesse de la lumière qui est la même dans tous les référentiels.
Dans un référentiel Galiléen, on a besoin de trois dimensions d’espace (x,y,z) auquel on ajoute un temps absolu (t). En relativité restreinte, l’espace-temps a quatre dimensions intimement reliées (x, y, z, t).
Le Paradoxe des Jumeaux de Langevin
En mécanique classique, pour le passager d’un bateau en régime établi et pour une estivante restée sur la plage, le temps s’écoule de la même manière. Pour Galilée et Newton, le temps est absolu.
En relativité restreinte, le temps s’écoule moins vite pour le passager que pour l’estivante. Les différences sont certes infimes et non mesurables mais elles deviennent très importantes lorsque l’on se rapproche de la vitesse de la lumière.
Le paradoxe des jumeaux de Paul Langevin (1911) est une expérience de pensée qui illustre la révolution introduite par la relativité restreinte. Un des jumeaux effectue un voyage à bord d’un vaisseau capable de se déplacer à une vitesse proche de la lumière. Lorsqu’il revient sur terre, il aura moins vieilli que son jumeau resté à terre. Et la différence, selon les conditions, peut se chiffrer en années. Ce paradoxe, qu’il faudrait discuter, sera validé par la relativité générale.
La relativité générale et la gravitation
La théorie de la relativité restreinte était faite pour accorder l’électromagnétisme de Maxwell avec la mécanique de Newton revisitée, basée sur les repères en mouvement relatif uniforme. Cependant cette nouvelle théorie ne s’accordait pas avec les lois de la gravitation et les repères en mouvement relatif accéléré.
La gravitation semblait se transmettre de manière instantanée. Or, d’après le principe de relativité restreinte, il n’est pas possible de transmettre un signal quelconque à une vitesse supérieure à celle de la lumière.
En 1907, Einstein eut une révélation, en voyant paraît-il un couvreur tomber d’un toit. Pendant sa chute, ses outils plongent à la même vitesse que lui ; l’homme n’a pas l’impression d’être dans un champ de gravité.
Dans un repère uniformément accéléré (lors d’une chute libre), toutes les lois de la nature sont localement les mêmes : c’est la généralisation aux repères uniformément accélérés du principe de relativité de Galilée applicable aux repères en vitesse uniforme.
Einstein introduit, en 1915, un espace-temps courbe, gauchi par la distribution des masses qu’il contient. Le soleil, par exemple, déforme l’espace-temps autour de lui, ce qui entraîne même une déviation des rayons lumineux passant à proximité.
En relativité générale, les forces d’attraction entre planètes n’existent pas.
Les astres tournent autour des planètes à cause de la distribution des masses dans l’espace-temps. Einstein révolutionne alors la physique en introduisant la géométrie courbe de l’espace-temps.
Déformation de l’espace-temps par un corps massique. Représentation de la relativité générale.