Que savons-nous du vide qui nous entoure? L’espace …

par Ccile · 19 octobre 2014

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L’espace est vide mais cela n’est pas rien : c’est quelque chose qui possède des caractéristiques aussi réelles que tous les objets de notre vie quotidienne. Il est si réel qu’il contribue à former tout ce qui nous entoure et constitue le tissus même du cosmos.

L’espace est un des plus grand mystère de la physique :

Il peut se courber

Il peut se tordre

Il peut onduler

Les découvertes liées à l’espace que nous pouvons découvrir dans ‘La magie du cosmos’ sont expliquées par le physicien Brian Green (Columbia University) et sont merveilleusement accessibles!

En voici mes notes :

´On ne peut pas comprendre le monde sans comprendre l’espace parce que le monde,

c’est l’espace avec des choses dedans’
Craig Hogan (Chicago University)

´On a rarement conscience de l’espace,
mais les poissons n’ont sans doute pas conscience de l’eau
alors qu’ils vivent dedans!’
S. James Gates, JR.

L’espace est partout, on peut dire que c’est ce qu’il y a de plus abondant dans l’univers, même les choses les plus petites comme les atomes sont presque entièrement faites d’espace vide.

Si on supprimait tout l’espace à l’intérieur des atomes d’acier, de la pierre et du verre
qui forment l’Empire State Building,
il resterait un petit machin pas plus gros qu’un grain de riz
mais pesant des centaines de million de kilos, le reste est simplement de l’espace vide !

Mais qu’est-ce que l’espace exactement?

Comment peut-on comprendre quelque chose qui ne ressemble à rien?
Nous recueillons des indices depuis des siècles et un des premiers indices vient de l’observation de la façon dont les objets se déplacent : même si on ne peut pas le voir, ni le sentir, ni le toucher, l’espace est suffisamment réel pour servir de repère à un certain type de mouvements.

Isaac Newton se représente l’espace comme une scène vide, passive, absolue, éternelle et immuable:

– L’action ne pouvait pas influer sur la scène et la scène ne pouvait pas influer sur l’action. Selon lui, c’est le cadre de tout ce qu’il se passe dans le cosmos

– Il a observé alors presque tous les mouvements et en a dégagé des lois capables de tout prédire : de la chute d’une pomme au trajet de la terre autour du soleil

– On se sert encore de ces lois pour lancer un satellite, faire atterrir un avion…

– Et elles reposent toutes sur une idée fondamentale: l’espace est réel.

Dans les premières décennies du XXème siècle, de nouvelles idées sont apparues qui ont ébranlées la scène de Newton : L’espace et le temps sont liés !

C’est ce qu’Albert Einstein découvre par sa recherche de la nature même de la lumière en étudiant sa vitesse.

Alors que pour Newton l’espace était passif,

pour Einstein : il est dynamique!
Il est intimement lie au temps et dicte la façon dont les objets se déplacent.

L’espace est un acteur et il joue un rôle majeur dans le spectacle cosmique.

Idée stupéfiante d’Einstein: l’espace et le temps sont liés!

– Toutes les mesures de la vitesse de la lumière sont identiques, que la source bouge ou pas (1079252850 km/h)

– L’espace et le temps s’ajustent l’un à l’autre pour que la vitesse de la lumière reste constante

– Ils ne sont plus rigides et absolus, ils fusionnent avec le mouvement pour former une unique entité qu’on a appellé : l’espace-temps.

– C’est la flexibilité du temps et de l’espace : la relativité

– Cette notion va résoudre un mystère: celui de la gravité.

Le secret de la gravité se cache dans la nature de l’espace-temps : Il peut s’étirer comme un tissus.
La lune reste en orbite non pas parce qu’elle est attirée par la terre par une force mystérieuse mais parce qu’elle roule le long d’une courbure crée par la terre dans le tissus de l’espace-temps. Les trous noirs sont des étoiles effondrées, des objets massifs réduits à une fraction de leur taille d’origine et Einstein pense qu’à proximité, la gravité est si forte qu’ il tord l’espace comme un morceau d’étoffe.

L’espace est non seulement réel mais flexible

‘L’espace est partout, il a un effet même dans le vide le plus vide de l’espace’

Joseph Lykken

‘L’espace possède des propriétés intrinsèques

dont on ne peut pas se débarrasser

et qu’on ne peut pas ignorer’.

(Fermilab – Fermi National Accelerator Laboratory)

Pour vérifier cette hypothèse, à la fin des années 50, un physicien du nom de Léonard Schiff a l’idée d’envoyer un gyroscope en orbite autour de la terre. Il pense que si l’espace est réellement comme un tissus, un gyroscope pourrait démontrer ce phénomène : l’axe d’un gyroscope pointe dans une direction fixe, mais si la terre entraîne l’espace dans son mouvement alors l’axe du gyroscope serait entraîné avec lui ce qui modifierait son orientation de manière mesurable.

Cette idée est à la base du projet : Gravity probe B (1959 ) une des expériences la plus longue de l’histoire !

– 40 ans de travail… 750 millions de dollars : lancer un télescope dans l’espace et fabriquer des gyroscopes parmi les plus parfaits jamais créés.

– En avril 2004: c’est le lancement , pendant plus d’un an Gravity probe B tourne autour de la terre, les scientifiques l’observent pour voir si notre planète va réellement déformer l’espace.

– Les gyroscopes présentent une infime oscillation imprévue et corriger les données couterâit des milliards de dollars.

– Un demi siècle de travail semble réduit à néant… Des subventions arrivent et en 2 ans le problème est résolu

– On constate alors que l’axe des gyroscopes s’est déplacé d’un angle presque égal a celui prédit par les équations d’Einstein

– C’est la preuve que l’espace est bel et bien réel, c’est une entité physique pareil a un tissus.

En même temps, un autre groupe de physiciens s’intéressait à l’univers à une échelle extrêmement petite où l’espace ‘à la Einstein’ était introuvable : dans le monde des atomes et des particules subatomiques ! A cette échelle, le monde obéit à des règles totalement différentes, celles de la mécanique quantique.

Selon ses règles, même si on essayait de supprimer jusqu’au dernier atome et jusqu’à la dernière particule,
on constaterait que l’espace vide est encore loin d’être vide!

En fait, il fourmille d’activités: les particules ne cessent d’apparaître et de s’évanouir,
elles surgissent du vide, s’anéantissent mutuellement et disparaissent!

La théorie le prédisait mais ce n’est qu’en 1948 qu’un physicien néerlandais appelé Hendrik Casimir a émis l’idée suivante :

– Même si on ne pouvait pas voir ces particules, elles devaient faire faire à l’espace vide une chose qui elle, serait bien visible.

– Il a prédit que si l’on prenait 2 plaques de métal ordinaire, et qu’on les plaçait extrêmement prêt l’une de l’autre, plus prêt que l’épaisseur d’une feuille de papier alors les particules dotées d’une certaine énergie se trouveraient exclues parce que d’une certaine façon, elles ne tiendraient pas entre les plaques.

– Comme il y aura alors plus d’activités à l’extérieur des plaques qu’à l’intérieur, Hendrik Casimir a postulé que ces dernières seraient poussées l’une vers l’autre par ce qu’on considère généralement de l’espace vide.

– Quelques années plus tard l’expérience a donné raison à Casimir, par l’espace vide, les plaques sont poussées l’une vers l’autre.

A l’échelle subatomique
l’espace vide n’est pas vide
il est le siège d’une telle activité
qu’il peut forcer les objets à se déplacer

Aujourd’hui, cette recherche continue avec l’expérience la plus coûteuse de l’histoire :

– 10 milliard de dollars : Le CERN : Accélérateur de particules à Genève le plus puissant du monde

– les pluies de débris issues des collisions de particules sont étudiées, les scientifiques y découvrent l’existence de particules étranges et exotiques !

– En ce moment, ils traquent l’une des particules les plus insaisissables: une particule dont on pense qu’elle est essentielle pour tout façonner depuis les atomes dont notre corps est fait jusqu’aux étoiles les plus lointaines.

– Si on la trouve, elle redéfinira notre vision de l’univers et marquera la fin d’une quête entamée il y a près de 50 ans !

En 1964, Peter higgs, un jeune physicien anglais, fait une hypothèse révolutionnaire : Les particules fondamentales de l’univers ont toutes une masse différente. Sans masse, ces particules ne pourraient pas se combiner pour former les atomes qui constituent tout ce que nous voyons autour de nous. Mais qu-est-ce qui créé la masse et pourquoi des particules différentes ont-elles des masses différentes ? Personne n’a encore pu répondre à cette question. Puis Peter Higgs conçoit une nouvelle vision de l’espace :

L’espace comme une sorte d’océan,
les particules sont immergées dans cet océan
et acquierent leur masse en se déplaçant à travers lui.
Plus ces particules ont du mal à passer
et plus elles interagissent avec l’océan
et plus elles acquièrent de la masse.

Aujourd’hui son idée que l’on appelle ‘le champ de Higgs’ est cruciale pour notre compréhension de l’espace. Il n’y a aucune preuve physique de l’existence du ‘champ de Higgs’, du moins pas encore mais c’est ce que cherche le CERN :

‘L’idée est que si l’on tape dans l’espace assez fort
on pourra faire sortir du vide une particule de Higgs’

(Fermilab – Fermi National Accelerator Laboratory)

Personne ne doute qu’on le verra un jour …

Le trouver voudrait dire que le plus vide des espaces vides
exerce un impacte sur la matière !

Mais il se trouve que l’espace contient un ingrédient bien plus insaisissable que tout ce que Higgs n’a jamais pu imaginer et qui pourrait détenir la clé de tous les plus grands mystères : L’avenir du cosmos.

Ce mystère est né il y a quelques 14 milliards d’années dans ce qu’on appelle ‘le Big bang’. En une fraction de seconde, l’univers a connu une violente tension faisant littéralement exploser l’espace et depuis, l’univers continue de s’étendre!

Pendant des dizaines d’années, les chercheurs ont pensé que cette expansion allait ralentir par l’effet exercée par la gravité :

Cela soulève une question : quelle est le destin du cosmos?
Son expansion se poursuivra t’elle indéfiniment
ou bien la gravité finira t’elle par l’interrompre
et provoquer un mouvement en sens inverse :
une contraction que l’on appelle ‘le Big crunch’ ?

Les astronomes mesurent alors le ralentissement de l’expansion à l’aide d’un outil : les supernovas, des étoiles qui explosent.

Ces explosions massives, éclatantes et uniformes devraient faire office de balises cosmiques ultra précises

– Cela permettra de calculer le ralentissement de l’expansion de l’univers au fil du temps

– Les résultats sont étranges, ils ne montrent aucun ralentissement au contraire, cela s’accélererait, comme une élasticité intrinsèque qui se dilate.

Il existe quelque chose qui empli l’espace et neutralise l’effet de la gravité
en faisant s’éloigner les galaxies les unes des autres
et en étirant le tissus même du cosmos.
Cette substance mystérieuse a été baptisée ‘l’énergie noire’

Elle a totalement bouleversé notre conception de l’univers. Si on fait une sorte de recensement de toute l’énergie présente dans l’univers, il s’avère que l’énergie noire en représente environ 70% c’est à dire que le poids de l’espace vide constitue 70 % du poids de tout l’univers, c’est à peu près le pourcentage de la surface terrestre occupée par les océans. C’est donc un peu comme si nous ne savions pas ce qu’est l’eau : Voilà où nous en sommes avec l’énergie noire…

Et la découverte de l’énergie noire renferme une autre surprise :

– Einstein avait prédit que l’espace lui-même pouvait exercer une force qui ferrait s’éloigner les galaxies,

– Il avait découvert que l’univers pouvait être soit en expansion, soi en contraction mais qu’il ne pouvait pas être stationnaire.

– Ettonné de ce résultat, il a repris ces équations et les a modifiées en y intégrant une sorte d’anti-gravité qui pousserait l’espace vers l’extérieur pour compenser l’attraction de la gravité afin de permettre à l’univers de rester inchangé : la constante cosmologique. (sans elle, il disait avoir fait sa plus grande erreur)

– Mais en réalité, il ignorait si cet anti-gravité existait vraiment

– En fait : les équations d’Einstein n’ont plus besoin d’être modifiées ! Ce n’étaient donc pas la plus grande erreur d’Einstein mais sa plus sublime idée !

Une dizaine d’année plus tard, l’astronome Edwin Hubble découvre que l’univers n’est pas statique !
il est en expansion à cause de la force explosive du Big bang

Les chercheurs sont convaincus qu’il y a quelque chose dans l’espace qui fait s’éloigner les choses.

(Il est possible que la constante cosmologique d’Einstein soit la clé pour comprendre l’univers aujourd’hui.)

Einstein imaginait la force de son anti-gravité comme une constante mais la force de l’énergie noire est-elle constante ou bien change au fil du temps ?

Pour le moment tout dans notre monde, des molécules qui composent mon corps à celles qui composent la lune, est maintenu ensemble par des forces qui s’opposent à l’expansion de l’énergie noire.

Mais cette situation pourraient ne pas durer toujours…

Selon un scénario, l’énergie noire continuera
à faire s’éloigner les galaxies les unes des autres
jusqu’à ce que pour finir, elles s’éloignent tellement
que l’univers deviendra froid, noir et désœuvré…

Selon un autre scénario, la force de l’énergie noire pourrait augmenter avec le temps
et devenir si puissante qu’elle déchirerait tout ce qu’il y a à l’intérieure
des galaxies aussi bien les étoiles que les planètes et la matière sous toutes ses formes…

Notre conception de l’espace a connu une incroyable évolution : à l’époque de Newton, l’espace n’était qu’un contenant, il ne faisait rien. Avec Einstein, il a commencé à influer sur le déplacement des objets. Ensuite avec Casimir, les objets ont pu littéralement être poussés par l’activité qui se déploie dans l’espace vide et aujourd’hui avec les idées de Higgs et l’énergie noire, l’expansion de l’univers pourrait être dû à l’énergie même de l’espace vide!

Personne n’aurait pu penser que l’espace ait un impact aussi profond sur la nature de la réalité.
Pourtant la notion de la scène figée n’est pas terminée…

De nouveaux indices surprenant semblent indiquer que tout,
vous et moi et même l’espace pourrait être en fait une sorte d’hologramme

C’est-à-dire que tout ce que nous voyons et ressentons,
tout ce que nous appelons notre réalité tridimensionnelle familière
pourrait être une projection d’informations stockées sur une fine surface bidimensionnelle très lointaine…

L’univers : un hologramme ?

C’est sans doute la remise en question la plus incroyable jamais proposée de notre vision de l’espace et de la réalité
et cette idée s’inspire de certains des objets les plus étranges de l’espace : les trous noirs…

‘Les données livrées par les trous noirs indiquent que la réalité est bidimensionnelle.
Que le monde tridimensionnel est une sorte d’image, d’un hologramme situé à la frontière de l’espace’

(Leonard Susskind – Stanford University)

Il semble qu’une copie de toutes les informations qui sont contenues dans les objets soit étalées et stockées à la surface du trou noir un peu comme les données enregistrées dans un ordinateur : il y a une version tridimensionnelle perdue à jamais à l’intérieur du trou noir et une version bidimensionnelle qui reste à la surface sous forme d’information.

‘ Le contenu informationnel, tout ce qui est tombé dans le trou noir
peut être intégralement exprimé sur la surface du trou noir.
L’idée est donc qu’on peut savoir ce qu’il se passe à l’intérieur rien qu’en se référant à l’extérieur. ‘

(Clifford Johnson – University of Southern Calofornia)

L’espace à l’intérieur d’un trou noir obéit aux mêmes règles que l’espace à l’extérieur d’un trou noir ou partout ailleurs. Donc, si on peut décrire un objet situé à l’intérieur d’un trou noir grâce aux informations stockées à la surface, il se pourrait que tout dans l’univers, les galaxies, les étoiles, vous et moi et même l’espace ne soit qu’une projection des informations stockées sur une lointaine surface bidimensionnelle qui nous entoure… Autrement dit, ce que nous prenons pour la réalité pourrait être une sorte d’hologramme…

‘le monde tridimensionnel est-il une illusion ?
de la même façon qu’un hologramme est une illusion, peut être que oui…
… la vraie réalité est la réalité bidimensionnelle à la surface de l’univers.’

(Leonard Susskind – Stanford University)

Cette idée est très nouvelle, mais de même que Newton et Einstein ont transformé notre vision de l’espace,
nous pourrions être à l’aube d’une révolution encore plus extraordinaire…

Nous sommes encore loin d’avoir découvert sa vraie identité…