mise à jour le 11 Mai 2006

 

 

CONFÉRENCE

«D'OÙ VENONS NOUS ? OÙ ALLONS NOUS?
Les grands défis cosmologiques du 21ème siècle»

Par Gabriele VENEZIANO Professeur au collège de France

Bibliothèque nationale de France
Organisée par le laboratoire APC

Quai François Mauriac Paris 13ème.

 

le samedi 6 Mai 2006 à 15H00

 

 

 

Photos : JPM.pour l'ambiance Les photos en haute définition sont disponibles sur simple demande pour ceux qui le souhaitent

 

À l'occasion de la création du laboratoire APC (astroparticules et cosmologie) la BnF organisait un cycle de 4 conférences exceptionnelles sur ce sujet. Voir présentation générale de cette manifestation.

 

LES VIDÉOS DES CONFÉRENCES SONT MAINTENANT VISIBLES SUR LE SITE DE L'APC.

 

 

 

BREF COMPTE RENDU

 

 

 

Gabriele Veneziano est considéré comme le père de la théorie des cordes, il est né à Florence (quelle ville merveilleuse!) et passa un doctorat en Israël puis se retrouve au célèbre MIT et enfin au CERN en 1977. Il est maintenant professeur au collège de France chargé de la chaire des particules élémentaires.

 

La théorie des cordes (String Theory en anglais) dont il est à l'origine est un vrai défi, car elle doit réunir deux mondes opposés : la mécanique quantique (MQ) de l'infiniment petit et la relativité générale (RG) de l'infiniment grand.

 

Il nous propose ces questions  sur d'où venons nous et où allons nous qui ont passionné l'homme depuis des siècles.

 

 

Voici le plan de sa conférence :

 

1.       Les grands défis cosmologiques

2.     Les cordes et leurs implications cosmologiques

3.     Les expériences en cours

 

 

LES GRANDS DÉFIS :

1.       D'où venons nous

a.      Le Big Bang

b.     L'inflation

c.      Scénario sans début

2.     Que sommes nous (composition de l'Univers)?

a.      Matière noire

b.     Énergie noire

3.     Où allons nous?

a.      Expansion éternelle ou

b.     Big crunch

 

 

D'OÙ VENONS NOUS?

 

La cosmologie moderne date de Hubble vers 1929 avec le redshift prouvant que l'Univers est en expansion; dans les années 1960 Penzias et Wilson montrent en découvrant le bruit de fond cosmologique (CMB) à 2,7K que l'Univers a été chaud et même très chaud dans le passé.

 

Ceci a donné naissance à la théorie ou au scénario du Big Bang : l'Univers est né avec le temps il y a approximativement 13,5 milliards d'années dans un état de très haute température et de très haute densité.

Depuis l'Univers a grandi , d'abord très rapidement (période inflationnaire) puis plus lentement (expansion).

Il se dilue et donc se refroidi.

 

La singularité du début nous empêche de savoir ce qui s'est passé "avant".

 

Le BB possède au moins un paradoxe :

 

L'Univers est homogène à grande échelle, la preuve la température de 2,7K est extrêmement constante (à 1/100.000° près!!!), pourquoi?

 

Or si il y a eut un début et expansion, l'Univers aurai toujours été trop grand pour pouvoir s'homogénéiser , la vitesse finie de la lumière n'aurait permis que d'homogénéiser une partie de l'Univers observable, alors??

 

Voici en bleu la taille de l'Univers en fonction du temps, le temps zéro étant dans la partie inférieure.

 

La ligne rouge est la distance parcourue par la lumière depuis le temps zéro.

Au début (époque de Planck) la taille de l'Univers est très grande par rapport à la taille lumière, il y aurait un nombre énorme (1090 ) de régions qui ne n'auraient pas pu entrer en contact les unes avec les autres, alors pourquoi ont elles les mêmes caractéristiques?

 

 

 

La théorie de l'inflation explique parfaitement cette homogénéisation de l'Univers primordial en faisant comme une inversion d'échelle, en faisant accroître l'Univers observable. La taille de l'Univers augmentant (photo de droite) dans des proportions énormes au début, devient plus grand que l'horizon. Il est donc devenu homogène.

 

Cette période inflationnaire explique aussi les structures de l'Univers telles les amas de galaxies.

 

 

Mais, sin on refuse l'idée de début de l'Univers et de début du temps, on peut aussi résoudre le problème de l'homogénéité, on peut imaginer que l'Univers aurait pu être homogène "avant", il en aurait eu le temps, c'est le scénario pré Big Bang.

Évidemment c'est un peu (?) choquant car cela fait intervenir un temps "négatif", mais enfin la science en a vu d'autres. C'est un axe de recherche actuelle.

 

Mais restons à l'inflation et acceptons là comme la plupart des scientifiques à l'heure actuelle.

Quelle en est la cause?

 

 

 

Einstein avait trouvé une réponse à cette question, en effet en 1917, le monde croyait en un Univers statique, or les équations d'Einstein donnaient un Univers dynamique , Albert tricha et rajouta un terme dans ses équations (la constante cosmologique) afin de rendre "son" Univers statique (c'était un tour de passe passe). Bien entendu quand quelques années plus tard, il se rendit compte de l'expansion des galaxies, il la supprima en prétendant que c'était la plus grande erreur de sa vie.

 

 

 

En fait, comme le dit G Veneziano, la cosmologie modern a vengé Einstein, en ré introduisant ce terme afin de tenir compte de l'accélération de l'expansion de l'Univers, et de cette force répulsive qui l'anime.

 

Cette force répulsive a au moins été utilisée deux fois dans notre scénario :

·        Au moment du Big Bang

·        À notre époque pour expliquer l'expansion accélérée.

 

 

 

 

 

 

 

QUE SOMMES NOUS?

 

L'étude de la rotation des bras de galaxies a mis en évidence que les vitesses ne suivaient pas les lois physiques, il semblait qu'il y ait de la matière invisible et non ordinaire autour de ces galaxies; elle fut vite baptisée matière noire (ou sombre, en anglais dark matter).

 

Des contraintes liées à l'abondance relatives des éléments dans le cosmos montrent que cette matière invisible représente approximativement 22% de la composition de l'Univers et qu'elle ne peut pas être faite d'atomes "ordinaires".

 

 

Mais ce n'est pas tout, l'expansion accélérée que l'on détecte et qui a pris naissance dans un passé récent (au sens cosmologique du terme bien sûr) ne peut être due qu'à une sorte de force répulsive agissant contre la gravité.

On l'a baptisé énergie noire ou sombre (dark energy en anglais).

 

OÙ ALLONS NOUS?

 

Pour être en accord avec les observations, il faut que cette nouvelle forme d'énergie représente approximativement 73% du total!!

 

Cette expansion accélérée provoque comme une sorte de "dilution" de toutes les autres formes d'énergies ou de matières.

 

Puis certains ont développé la notion d'inflaton énergie potentielle d'un champ scalaire correspondant, l'avantage de l'énergie potentielle, c'est qu'elle agit contrairement à l'énergie cinétique comme une force répulsive et accélère l'expansion.

 

 

 

 

LES CORDES ET LEURS IMPLICATIONS COSMOLOGIQUES.

 

 

1.       Brève histoire et postulat de base.

2.     Trois propriétés des cordes quantiques et relativistes.

a.      Taille finie

b.     Unification des interactions

c.      Dimensions supplémentaires de l'espace

3.     De nouvelles cosmologies inspirées par des cordes.

 

 

 

BRÈVE HISTOIRE DE LA THÉORIE DES CORDES ET POSTULAT.

 

Comment cette théorie a attaquer ces problèmes et a fourni de nouvelles idées.

 

Elle apparaît comme théorie du tout qui veut réconcilier MQ et RG, entre le micro et le macro cosmos.

 

Son postulat de base est simple : n'importe quelle particule vue auparavant comme un point est une corde vibrante ouverte ou fermée.

Une corde ouverte correspond aux vecteurs de force non gravitationnelles comme le Photon et une corde fermée au graviton ou tout autre vecteur de force gravitationnelle.

 

Elle est soumise aux lois de la relativité et de la mécanique quantique.

 

La taille des cordes Ls est définie par les lois de la MQ :

 

 

avec h = constante de Planck

c = vitesse lumière

T = Tension de la corde

 

 

 

 

Rappelons que :

Lp = longueur de Planck

Gn = Gravitation

 

Lp approx 10-35m

 

 

 

Cette théorie unifie les interactions fondamentales, et pour satisfaire aux lois de la MQ, cette théorie les cordes se déplacent dans un univers à plus de 3 dimensions, généralement 9.

 

La taille de ces dimensions n'est pas fixées, elles peuvent être microscopiques, mésoscopiques ou macroscopiques.

Dans ces deux derniers cas, seule la force gravitationnelle "voit" ces dimensions supplémentaires, on pourrait dire que notre Univers (branaire dans ce cas) serait une membrane immergée dans un espace plus grand.

 

 

Ces caractéristiques ont une influence cosmologique et impliquent des modifications profondes de la RG lorsque la taille de l'horizon (temps depuis l'origine) est de l'ordre de Ls, cette taille minimale des cordes limitent la densité et la température. Le Big Bang doit être remplacé par ….on ne sait pas encore.

 

 

Il y a des pistes que G Veneziano cite et que je recopie sans tout comprendre :

 

·        Une phase nouvelle remplace le BB et les concepts même d'espace et de temps (théorie de Hawking).

·        Cette nouvelle phase servirait de pont quantique entre notre ère et une autre ère d'où l'Univers aurait "rebondi" (Big Bounce).

·        Univers branaire : le BB serait le résultat du choc de deux membranes….

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EXPÉRIENCES EN COURS.

 

Y a t il des traces de ce Big Bang, des traces préhistoriques comme le dit notre orateur.

 

Ce pourrait être de la Science Fiction, amis en fait non si on pense au phénomène de "congélation" (freezing) d'un système dès qu'il dépasse l'horizon, car il ne peut plus communiquer.

 

On pense qu'on pourrait de cette façon détecter :

·        un fond diffus d'ondes gravitationnelles dans quelques années par des antennes très basse température et/ou interféromètres, c'est la base des projets LIGO, VIRGO et LISA

·        une source nouvelle d'anisotropie dans le CMB  satellite Planck

·        étude des champs magnétiques cosmiques.

 

Autres expériences en cours :

·        Super Nova Ia : identification de l'énergie noire : projets SNAP et SNLS

·        Distribution et identification de la matière noire (lentilles gravitationnelles) : détecteurs Atlas du CERN au LHC

·        Rayons cosmiques

·        Test du principe d'équivalence : projet STEP

·        La variation spatio temporelle des constantes

·        Etc…

 

 

 

 

CONCLUSION

 

La cosmologie est aujourd'hui le domaine de la physique où le plus grand nombre de défis sont apparus.

 

C'est une situation semblable à celle d'il y a quarante ans quand les physiciens des particules entamaient un processus devant les conduire au modèle standard des particules élémentaires actuel.

 

 

LA COSMOLOGIE = L'ULTIME FRONTIÈRE DE LA PHYSIQUE MODERNE.

 

 

 

 

Bravo Gabriele Veneziano pour ce brillant et clair exposé.

 

 

POUR ALLER PLUS LOIN.

 

 

La théorie des cordes par Florian Perrin de la SAF.

 

La théorie des cordes par P Binétruy, une vidéo des conférences de la cité des sciences.

 

The string theory, the official website (!) en anglais.

 

L'hypothèse de l'inflation par Norbert Rumiano, clair et bien expliqué.

 

La forme de l'Univers par JP Luminet, compte rendu sur ce site. (voir aussi la nombreuse liste de références Internet après le CR)

 

L'unification des lois de la physique par J Kounheier lors du congrès Einstein à l'Unesco sur ce site.

 

L'énigme de la matière noire CR de la conférence d'Alain Bouquet aux RCE 2004 sur ce site.

 

Brève introduction aux cordes, présentation Power Point PPT courte mais claire.

 

Einstein et la théorie des cordes présentation PPT de 5,8MB en anglais par J Feng de l'Université de Californie. J'aime!

 

Énergie noire qui es tu? ParPierre Astier du LPNHE (IN2P3) document pdf de 2MB, quelques formules de math, aspirine nécessaire mais un régal. (49 pages)

 

 

 

 

 

Les autres présentations de cette journée :

Cliquez sur l'icône correspondante.

 

 

14 h Jim CRONIN, Prix Nobel de physique, Université de Chicago
« L’observatoire AUGER : à la recherche des rayons cosmiques les plus énergétiques »

«The Pierre Auger Observatory: A new look at the highest energy cosmic rays»
Conférence en anglais

 

 

La nature et l’origine des rayons cosmiques les plus énergiques (1019 eV) est un mystère. Un nouvel observatoire aux dimensions exceptionnelles vient d’être construit en Argentine pour résoudre ce mystère. Les données ont commencé à s’accumuler au fur et à mesure de la construction. L’observatoire sera décrit avant de présenter les résultats préliminaires et les attentes futures.

 

 

Un petit break, tout le monde est obligé de sortir puis de ré-entrer (pourquoi??), bref on peut quand même se dégourdir les jambes, puis les deux dernières conférences arrivent.

 

 

17 h Jacques PAUL, Laboratoire APC Paris
« Violences cosmiques »
«Cosmic violence»
Conférence en français

Dans notre Voie Lactée, un trou noir dévore son étoile compagne en produisant des jets de matière, à une vitesse proche de celle de la lumière. Des éjections plus formidables encore sont le fait de trous noirs géants tapis au cœur des galaxies. Plus loin dans le cosmos, le cœur d’une étoile massive s’effondre et il s’ensuit un des événements explosifs les plus violents de l’Univers après le big bang. Ces événements constituent une nouvelle discipline est en train de se constituer, l’astroparticule, à la frontière de l’astronomie et de la physique des particules.

 

 

 

17 h 45 Stephen HAWKING, Université de Cambridge
« L’origine de l’Univers »
«The origin of the Universe»
Conférence en anglais

Le Professeur Hawking parlera des théories sur l’origine de l’Univers. Il expliquera comment le temps peut avoir un commencement et les progrès des cosmologistes dans un domaine qui a longtemps été celui des théologiens et des philosophes.

 

 

 

 

 

 

 

 

C'est tout pour aujourd'hui!

 

Bon ciel à tous

 

Jean Pierre Martin

http://www.planetastronomy.com/