Hubert Reeves

Le Seuil, collection « Science ouverte », 1994.
Édition de poche dans la collection « Points Sciences », octobre 2002.
Traduit en anglais.

« Ces dernières années, les recherches scientifiques sur le passé le plus lointain de l'univers ont été menées avec une grande vigueur.

Je me propose d'en présenter ici les résultats les plus marquants. La théorie du Big Bang s'impose comme la description la plus adéquate de l'évolution du cosmos.

Les arguments en sa faveur se sont accumulés.

Mais, en parallèle, un certain nombre de difficultés sont apparues.

Mon objectif est d'amener le lecteur vers les premiers temps de l'univers pour lui permettre d'estimer lui-même le degré de crédibilité de la théorie. Dans ce livre, nous remontons le temps jusqu'au moment où l'horloge conventionnelle marque “ une seconde ”.

(Un ouvrage ultérieur nous présentera ce que nous savons de l'univers pendant cette première seconde.)

Les affirmations de la théorie sont fondées sur une collection d'observations, les “ fossiles cosmologiques ”, qui nous renseignent sur l'état du cosmos à certains moments de son histoire. Nous donnons à chaque étape les arguments qui justifient nos reconstitutions de cette histoire. En même temps, nous auscultons la théorie pour en évaluer la cohérence interne. Ses “ pathologies ” sont énoncées et décrites. Elles ne sont pas nécessairement incurables. Des “ remèdes ” existent, mais leur pouvoir curatif paraît encore bien incertain. Le lecteur est ainsi conduit sur le front même de la cosmologie moderne, en quête de sa propre cohérence. Il constatera ainsi que les problèmes du Big Bang portent l'espoir de déboucher sur une vision nouvelle du monde. »

Hubert Reeves

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Table des matières

Mode d'emploi

Pistes vertes et pistes rouges
Les pierres d'achoppement
Message aux enseignants

1. La quête des origines

Un gros morceau à avaler
Une ascèse indispensable
Mythologiser
Génération spontanée

2. Cosmologies religieuses et cosmologies scientifiques

Cosmologies de création
L'œuf cosmique
Cosmologies d'éternité
L'influence d'Aristote
Les surprises de la cosmologie scientifique
Coincidences ou connivences ?
Le problème des « valeurs »

3. Explorateurs, préhistoriens et détectives

Les explorateurs du passé cosmique
Pénombres de connaissance
L'horloge conventionnelle
L'historien du cosmos
Fossiles cosmologiques
Regarder loin, c'est voir tôt
Les Sherlock Holmes du Big Bang
Le territoire du temps
Relevés de terrain

4. Les malaises de l'univers statique

L'éclat du ciel
Un écrivain visionnaire : Edgar Allan Poe
Les étoiles sont périssables
La stabilité des orbites planétaires
Message des équations d'Einstein
Naissance de la constante cosmologique

5. La fuite des galaxies

Du point de vue d'un raisin cosmique
Hubble découvre que le cosmos n'est pas statique
Apologie des démarches tordues
La théorie du Big Bang
Regarder loin, c'est voir un monde différent
Les quasars apportent leur témoignage
Regarder loin, c'est voir chaud
Quel est l'avenir du monde ?
Panorama des composantes de la matière cosmique
Les étoiles tournent trop vite
Les amas de galaxies semblent trop légers
Mirages gravitationnels
La densité critique
Une limite supérieure à la densité de l'univers
Sur l'âge de l'univers
Univers stériles et fertiles
Sur la courbure de l'espace
Sur la constante cosmologique
Questions variées

5R. La théorie du Big Bang

A. Les équations du modèle

Le modèle newtonien
Le modèle relativiste
La métrique de Robertson-Walker
Dynamique et thermodynamique du Big Bang
Observations du cosmos
La « constante » de Hubble
Les horizons cosmologiques
Chronologie des événements : âge de l'univers

B. Les composantes du modèle

La composante radiative
La conservation de l'entropie
Facteurs d'échelle et horizons
La composante matérielle
Vers le passé
La composante quantique
Densitologie cosmique
Le rayon de courbure de l'univers
La constante cosmologique

6. La plus vieille image du monde

Regarder loin, c'est voir « lumineux »
Le rayonnement fossile
Image du monde antique
Le message du spectre
Partout la même température
La granularité du ciel
La frange de la transparence et de l'opacité
Un précurseur : Andrew McKellar
Le mouvement de la Terre dans l'univers

6R. Les propriétés du rayonnement fossile

Isotropie
Isothermie
L'expansion conserve la distribution thermique
Thermodynamique et transition hydrogène-plasma
L'étude du rayonnement fossile

7. Particules et forces dans l'univers

Les neutrinos
Les forces de la nature
La portée des forces
L'intensité des forces
Les trois familles
Fermions et bosons
Particules et champs
Les forces et la complexité

8. L'origine des éléments légers

Trois fossiles nucléaires

Le deutérium
L'hélium lourd (ou hélium-4)
Le lithium-7

Neutrons et neutrinos
La nucléosynthèse primordiale
La densité nucléonique
Neutrinos et hélium
Un rayonnement fossile de neutrinos
Le temps et les lois

8R. La nucléosynthèse primordiale

Les échelles de temps
Les premières secondes
Les électrons quittent la scène
La formation des éléments légers
Les abondances observées

Observations du deutérium
Observations de l'hélium-3
Observations de l'hélium-4
Observations du lithium-7

La densité nucléonique
Implications cosmologiques
La demi-vie de la particule Z
Le nombre leptonique de l'univers
La constance des constantes
Hélium et constantes de couplage
Limites à l'accroissement de l'entropie cosmique depuis la nucléosynthèse primordiale

9. Le problème de l'origine des galaxies

L'origine des galaxies
Trop peu de temps
La matière sombre accélère la germination des galaxies
Des poches de neutrinos
La recherche de la matière exotique
Scénario de matière sombre

10. Les propriétés du cosmos primordial

Le problème des données initiales
L'isotropie du rayonnement fossile
Horizons et causalité
L'histoire de la Voie lactée
La planéité de l'espace
L'âge de l'univers
La rotation du cosmos
Entropie et trous noirs
L'entropie du cosmos
Si peu de trous noirs !
Cosmos et complexité
Coïncidences ou connivences ?
Hasard ou nécessité ?

Notes

Bibliographie

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Mode d'emploi (extrait)

Pistes vertes et pistes rouges

Le livre s'adresse à deux classes de lecteurs. Au premier niveau, il se veut « grand public ». Les faits et leur interprétation sont présentés simplement, sans équations. Les notions de physique y sont réduites au minimum. Introduites progressivement, elles sont souvent reprises. « Comprendre », c'est d'abord « se familiariser ».

Au second niveau, le livre s'adresse à un auditoire plus scientifique. Les lecteurs ont déjà une connaissance des notions fondamentales de la physique ainsi que du formalisme mathématique qui les sous-tend. Cette version est fondée sur des notes de cours destinées aux chercheurs en physique et en astronomie.

Pour atteindre tous les lecteurs, j'ai utilisé la stratégie des « pistes vertes » et des « pistes rouges » familière aux skieurs des Alpes. Le lecteur peu habitué au langage mathématique pourra se contenter de la piste verte qui comprend la plus grande partie du texte. Il saura pourtant que les propositions énoncées dans son parcours sont discutées plus longuement dans l'autre (les « pistes rouges » sont balisées par le signe dans la marge). Peut-être sera-t-il tenté d'y aller voir par lui-même. Peut-être aura-t-il le plaisir de découvrir en lui-même des capacités intellectuelles ignorées ou sous-estimées.

L'enseignement scolaire et universitaire ne s'intéresse trop souvent qu'à l'aspect formel des sciences. On lui a reproché d'en ignorer l'histoire. De négliger les implications philosophiques des connaissances scientifiques. De ne pas chercher à les intégrer dans la réalité du monde, de la vie et du moi. De ne pas promouvoir la réflexion sur leur impact sociologique. En un mot, de les avoir coupées de la culture.

L'étudiant en physique trouvera dans la piste verte certains éléments qui lui permettront de combler partiellement cette lacune. Ils l'inciteront, du moins je l'espère, à une réflexion personnelle sur les fondements et les implications culturelles de son activité professionnelle.