Le « Big Bang », ta mère (Partie 1)

4 janvier 2015 , par Christophe Delattre

Difficile de parler d’astrophysique sans passer par la case « départ » (et là, je m’en veux déjà d’avoir employé la notion de « case départ »… mais on y reviendra).

Voilà un concept dont tout le monde a déjà entendu parler et que presque tout le monde pense avoir compris : une gigantesque explosion de matière, née, il y a bien longtemps, d’un point infiniment petit au milieu d’un espace infiniment grand et vide, et dont tout est issu (d’où le titre de cet article), y compris le moelleux au chocolat de votre maman et votre maman elle-même. Enfin bref, une méga explosion du feu de Dieu… ou du feu de rien, c’est selon.

Préambule

Retrouvez dans votre cerveau le dossier « Big Bang », et appuyez sur la touche [Del] ou [Suppr]. C’est bon ?… Ok, on repart de zéro.

Première étape : L’espace n’est pas ce que vous croyez

Il va falloir aborder un concept issu de la « théorie de la Relativité générale ». Non, ne fuyez pas !… Promis, pas d’équation obscure, pas de signe cabalistique, et quant à l’œuvre du génialissime Albert, nous aurons l’occasion de la découvrir plus en détails dans d’autres articles. Je vais ici me contenter de parler de l’une des conséquences de la Relativité générale. Et pour ce faire, je ne vais pas non plus user de termes scabreux. En toute intégrité scientifique, je devrais, par exemple, employer la notion d’espace-temps mais je ne vous parlerai ici que d’espace. Quand je dis « espace », c’est aussi bien celui qui vous sépare de votre clavier que celui existant entre la Terre et la Lune, qu’il corresponde à un verre de bière ou qu’il contienne une galaxie, qu’il soit « plein » ou « vide », avec ses trois dimensions indiquées dans votre catalogue de mobilier favori (longueur, largeur, hauteur). Bref, le théâtre de l’univers, là où se passe des choses, ou pas…

Jusque là, rien de sorcier. Et puisque l’on parle de dimensions et d’univers, vous pouvez même imaginer que cet espace soit infini. Vous aurez d’ailleurs plus de difficultés à l’imaginer fini (nous y reviendrons). Mais bon, en gros, vous voyez de quoi je veux parler quand je parle d’espace… Et c’est là que M. Albert Einstein vient mettre son grain de sel. Et c’est beau.

Vous souvenez-vous lorsque, dans votre enfance, vous pensiez que la Terre était plate (si vous le pensez toujours, commencez par un autre article sur le web)… Votre bon sens et tout ce qui vous entourait, prouvaient à l’évidence que la Terre était plate. Il vous a alors fallu faire un saut conceptuel pour que vous ayez enfin la sensation d’être collé à une grosse boule bleue. C’est un peu ce qui va, à nouveau, vous arriver ici.

Un espace « élastique »

L’espace tel que vous le connaissez, tel que vous le ressentez, est ce que l’on appelle un « espace euclidien » ou encore un « espace plat ». Cette dernière terminologie peut prêter à confusion car l’on parle bien d’un espace à trois dimensions et non deux comme une feuille de papier. Dans cet espace, ainsi que l’on vous l’a appris à l’école (élémentaire), deux droites parallèles ne se coupent jamais, la somme des angles d’un triangle fait 180°, et la circonférence d’un cercle divisée par son diamètre est toujours égale à Pi (3,1416etc.). J’aurais pu prendre des exemples avec des volumes, cela aurait été la même chose (sauf que j’aurais dû vérifier les formules et… bref).

L’avantage d’avoir choisi ces exemples est aussi que vous pouvez les expérimenter sur une feuille de papier posée à plat afin de vérifier que je ne dis pas que des inepties. Mais surtout, cela me permet de pousser le vice en vous demandant de plaquer cette feuille (que l’on imaginera un peu élastique) sur un ballon de baudruche. Puis d’y tracer un cercle avec un compas bien pointu sans crever le ballon (c’est ce que l’on appelle une expérience de pensée). On voit tout de suite que le diamètre, du fait de la courbure du ballon, sera un peu plus long que si la feuille avait été à plat. De ce fait, si l’on divise la circonférence par le diamètre, on trouve un résultat inférieur à Pi. Bref, nos belles formules ne marchent plus.

Et c’est un peu ce qui va arriver à notre « espace ». Vous l’imaginiez « plat », et Einstein nous démontre qu’il peut être « courbe », voire complètement « chiffonné ». Attention les qualificatifs qui sont utilisés ici (et qui sont utilisés partout) ne sont que des analogies avec l’exemple de la feuille et du ballon de baudruche. L’espace continue d’avoir trois dimensions spatiales. Et, même avec la relativité générale, il continue de n’en avoir que trois. Cette quatrième dimension dans laquelle il serait « courbée », n’est pas une dimension spatiale, c’est le temps. Et tout vient (depuis qu’Albert s’en est mêlé) des relations incestueuses qu’entretient cette dimension temporelle avec les trois dimensions spatiales. Ce qui fait que l’on a été obligé de créer un nouveau cadre en physique, nommé « espace-temps ». Mais ce n’est pas le cœur du sujet et, boudiou, je vous avais promis de ne pas en parler. Nous allons simplement dire que l’espace tel que vous l’imaginez, peut en fait s’étirer, se contracter, se tordre sous l’effet gravitationnel d’une masse ou d’une énergie (deux concepts qui n’en font presque qu’un depuis le fameux « E=mc² »… et que l’on verra aussi une prochaine fois).

Un exemple tout simple : selon la Relativité générale, la Terre ne tourne pas autour d’un Soleil qui l’attire. Elle file tout droit dans un espace qui, lui, est tordu – on dira courbé – par la masse du Soleil. C’est un peu comme ces motards cascadeurs qui, dans les foires, tournent à l’horizontale sur une piste formant un grand anneau. Ils vont bien tout droit mais c’est leur piste qui est courbée. Un exemple un peu plus théorique : tracez un cercle immense dans l’espace interstellaire, et imaginons qu’au sein de ce cercle, une zone de l’espace soit étirée ou contractée (je sais, c’est là que votre bon sens dérape… laissez-le déraper). Vous aurez beau patiemment mesurer le périmètre et le diamètre, au final, la division du premier par le second n’aboutira pas à Pi. Et vous en conclurez que ce morceau d’espace n’est pas ««« plat »»» mais qu’il est ««« courbé »»» (oui, avec plein de guillemets).

Bref, tout ça pour dire que l’espace n’est pas tout à fait ce qu’il paraît être. Il peut vous sembler être un cadre très carré (je devrais dire « cubique »), il se révèle en fait très élastique. Je sais, ce n’est pas intuitif. C’est encore plus difficile à ressentir qu’à expliquer… mais nous aurons besoin de cela pour la suite.