La nature de la lumière

Comment se fabrique la lumière

La lumière est émise par les atomes dans 2 cas :

• lors de la décomposition des atomes dans une réaction nucléaire : le cas du soleil
• lorsque l’atome reçoit de l’énergie, par exemple en le chauffant, il finit par émettre de la lumière afin de libérer le surplus d’énergie qu’il a reçu.

La lumière est également produite lorsque une particule et son antiparticule (Très rare sur terre difficile à produire) se rencontrent. Les particules, alors, disparaissent et se transforment en lumière.

La lumière. 

Elle sert aussi de médiateur entre particule chargée lors de leur interaction (Par exemple lors de l'attraction électrique de 2 particule de signes opposés) mais ceci n'est pas abordé ici.

C’est quoi la lumière ?

La lumière est un phénomène physique constitué de photons.

Les photons sont des objets quantiques. Ils ont donc à la fois le comportement d’une particule et d’une onde.

La photon n'a pas de masse mais transporte de l’énergie.

L'onde est du même type que les ondes radio qui servent a transmettre les signaux du téléphone portable mais leur fréquence est différente (C'est une onde électromagnétique). Les fréquences du signal des téléphones portables est situé entre 0,7 et 2,6 milliards de hertz, celles de la lumière visible sont situés entre 400 000  et  800 000 milliards de hertz.

Ces fréquences sont visibles car l’œil humains est sensible a ces fréquences. Ça tombe bien car c'est aussi la que le soleil émet le plus de radiations.

Elle se propage comment?

La lumière se comportant comme une onde électromagnétique se propage dans le vide. Elle peut se propager dans les matériaux transparents mais avec une vitesse différente de celle du vide. C'est dans le vide qu'elle se propage le plus vite et la sa vitesse est égale a la vitesse maximum prévue par la théorie de la relativité c'est a dire un peu moins de 300 000 km/s.

La lumière étant une particule, elle est déviée par les objets massiques dans l'espace temps relativiste. Cependant, à l'échelle de la terre, on peut considérer qu'elle se propage en ligne droite.

Et la couleur dans tous ça?

Chacune des couleurs de l'arc en ciel correspondent a une fréquence de l'onde lumineuse. Vers 400 000 milliards de hertz, la couleur est le rouge. Vers 800 000 milliards de hertz, la couleur est le violet.

La physique quantique

La physique classique ou même relativiste explique bien ce qui se passe dans le monde visible de la terre et de l’univers. Par contre beaucoup de phénomènes se produisant au niveau des atomes et des particules, ne peut pas être explique par la physique classique ni relativiste.

Au début du 20^e siècle, un certain nombre de scientifiques ont élaborés la physique quantique. Cette physique est un ensemble de lois qui ensemble permettent d’expliquer le comportement des atomes, des particules et des ondes électromagnétique.

On voit ainsi une fracture entre l’infiniment petit et le monde macroscopique. Pourtant le monde macroscopique est fait d’infiniment petit. Beaucoup de recherches travaillent à la réconciliation des théories des deux mondes mais aujourd’hui elles sont incompatibles.

Avant de commencer, il faut dire que vous allez être très perturbé par cette théorie car elle va contre a peut-prêt tout ce que vous avez appris. Je vous rassure, comme le dit un grand théoricien : « Je crois pouvoir affirmer que personne ne comprend vraiment la physique quantique ».

Ondes et particules

Les objets utilisés par la physique quantique, c’est-à-dire les atomes, les différentes particules, la lumière, etc. sont en fait constitué d’une particule et d’une onde. En fait dans la théorie quantique, l’onde et la particule sont indissociables. Dans le monde macroscopique, vous voyez la particule comme un petit grain de sable et l’onde comme les ondulations qui se produisent a la surface de l’eau lorsque vous y jeter un caillou. Pour la physique quantique, les 2 modalités (onde et particule) de l’objet quantique sont un seul et même  objet. Il n’est pas possible de les observer séparément. L’ensemble des propriétés de l’objet quantique sont appelées fonction d’onde. Cette fonction d’onde donne pour chaque propriété qu’elle contient non pas une valeur mais une probabilité pour chaque valeur possible de la propriété. Ceci est déjà très contraire au monde macroscopique ou chaque paramètre à une valeur et une seule.

Influence de la mesure sur le résultat

Donc les paramètres sont exprimés en termes de probabilité, ce qui signifie qu’avant de faire la mesure, il est impossible de prédire quel sera le résultat de la mesure.

Le monde quantique n’est pas déterministe comme l’est le monde macroscopique. Les astronomes peuvent prédire a quel heure et quel jour va se produire une éclipse de lune. SI la Lune était une particule je ne pourrais dire que, avec une probabilité donnée, il y aura une éclipse ce jour.

De plus, si j’essaie de mesurer un paramètre, la probabilité du résultat deviens 100% et modifie les autres paramètres (ce phénomène s’appelle la réduction du paquet d’onde). Une question se pose alors : est-ce que la valeur du paramètre existait avant la mesure ? La réponse est non, la valeur n’existait pas et c’est donc bien la mesure qui a créé le résultat. Ceci est bien entendu totalement le contraire de ce qui se passe dans le monde macroscopique.

Lors de la mesure, les autres paramètres sont modifiés et même plus, il est alors impossible de mesurer avec précision les paramètres conjugues. Par exemple, si l’on mesure la position d’un objet quantique, la précision de la mesure de sa vitesse est très mauvaise. SI j’avais mesuré la vitesse, c’est la position qui serait mesurée avec beaucoup d’imprécision. Cette particularité de la mesure est appelé principe d’indétermination de Heisenberg.

Evolution dans le temps des systèmes quantiques

Il est possible de prévoir l’évolution des systèmes quantiques comme en physique classique sauf qu’il ne fait pas oublier que ce qui évolue ce sont des probabilités et pas des valeurs certaines.

Ainsi, après évolution du système, la mesure d’un paramètre sera toujours aléatoire.

Principe de non localisation

Un couple particule-onde est caractérise par sa fonction d’onde. Cette fonction d’onde n’est pas localisée par définition puisque la position est un des paramètres probabiliste de la fonction d’onde. La conséquence est que la fonction d’onde est caractérisée dans tout l’espace et donc la particule a un moment donne peut être n’importe où dans l’univers. Ceci est totalement contraire au bon sens du monde macroscopique.

L’intrication quantique

Beaucoup de particule tourne sur elle-même. C’est ce que l’on appelle le spin.

Si l’on prend deux particules avec des spins opposes sont réunies et donc avec une somme des spins nulle, elles vont garder le souvenir de cette association même après dissociation. Ce phénomène est appelé l’intrication.

La conséquence est que les 2 particules séparées vont avoir un comportement commun même après avoir été très éloignées comme si elles communiquaient instantanément. Bien entendu, il n’est pas possible de communiquer à une vitesse supérieure à celle de la lumière. En fait, il faut considérer que les 2 particules continuent de former un seul système même si les particules sont à grande distance.

SI l’on fait une mesure sur une particule et que l’on a un certain résultat évidemment l’autre a le résultat oppose. Par contre une fois cette mesure faite, l’intrication est arrêtée et les 2 particules vivent leur vie séparément.

Les quantas

Historiquement, la physique quantique a commencé à naître à partir des questions sur la lumière. Ces analyses ont montré que les échanges lumière/matière se faisaient par paquet d’énergie. Le plus petit grain de ces paquets d’énergie est le quanta. C’est un peu comme pour le beurre au supermarché, vous avez le choix entre ½ livre ou une livre mais pas 20 grammes. Pour l’énergie c’est pareil, vous ne pouvez avoir que des quantas d’énergie.

Ceci s’applique à un certain nombre de paramètres dont l’énergie et pour tous les objets quantiques.

C'est gentil mais est-ce vérifié?

Tous les phénomènes décrits ci-dessus ont été vérifies expérimentalement. 

Le Big-Bang

La question de la création du monde

La question de la création du monde a toujours été une préoccupation des hommes, au moins depuis l’antiquité. Une seule grande exception, c’est le bouddhisme qui considère que savoir ce qui s’est passé au début n’est pas important et que la priorité c’est de bien se comporter maintenant.

Pour les 3 grandes religions (juive, chrétienne et musulmane), le monde a été créé à partir de rien par Dieu.

Pour certains, le monde a toujours existé, au moins sous forme de matière plus ou moins chaotique.

La science moderne propose une théorie connue sous le nom de Big-Bang. Ce n’est pas une théorie de la création mais une théorie de l’évolution du monde depuis son origine.

L’expansion de l’univers

N’imaginez pas le Big-Bang et l’expansion de l’univers comme une explosion et les galaxies des projections à partir du lieu de l’explosion.

Imaginez plutôt l’univers comme une toile élastique tendue à l’horizontal avec des cailloux parsemés dessus. On est plusieurs et on tire de toutes part en même temps sur la toile. La distance entre les pierres va s’agrandir, l’univers va être de plus en plus grand mais les pierres n’auront pas changé de dimensions. L’expansion de l’Univers c’est ça a l’échelle de l’espace-temps de la relativité.

Théorie du Big-Bang

La théorie du Big-Bang, c’est l’histoire de l’évolution de l’univers.

L’évolution de l’univers se décompose en plusieurs phases comme le montre la figure ci-dessous.

La théorie du Big-Bang part d’une soupe initiale constituée de particules de matière et d’antimatière. Elle est homogène et isotrope (La même dans toutes les directions). Cette soupe est très dense et très chaude. Dans cette soupe, les lois de la relativité ne sont plus valables. A ce moment, le temps n’est plus une notion pertinente. De ce fait, il est impossible actuellement de donner une durée pour cette première phase de l’Univers (On l’appelle l’ère de Planck). Dans cette phase les photons (grains de lumière), sont émis par les électrons et se recombine immédiatement. Aucune lumière ne sort de cette soupe.

Inflation cosmique

Apres l’ère de Planck se produit soudain une brutale expansion de l’univers que l’on nomme l’inflation cosmique. Elle se produit en une fraction de seconde. Son origine est mal connues mais semble le résultat de phénomènes quantiques. Cette inflation réduit la température et la densité de l’univers.

Synthèse des noyaux d’atome

Suite à l’inflation cosmique, un déséquilibre entre la matière et l’antimatière au profit de la matière. Les particules s’assemblent et finissent par donner naissance à des noyaux d’atome principalement d’hydrogène et d’hélium. 

C’est une période courte de l’ordre de 3 minutes.

A la fin de cette phase les photons émis par les électrons ont moins de chance de se recombiner immédiatement et peuvent ainsi se propager sur de plus grandes distances

Synthèse des atomes

Cette phase va durer 380 000 ans et verra la synthèse de tous les atomes de la matière qui commence progressivement à fixer les électrons et permettrons de libérer les photons et donc de diffuser la lumière dans tout l’univers. C’est cette première lumière que l’on appelle « le fond diffus cosmologique ». Nous verrons plus tard que ce fond est encore visible de nos jours.

Création de l’univers actuel

Pendant cette période qui débute 380 000 ans après le Big-Bang et dure depuis 13,4 milliards d’années. Suite aux inhomogénéités crée pendant l’inflation cosmique, les atomes se concentres en unités plus grandes et donnent naissance à des quasars, des étoiles et des galaxies en concentrant progressivement la matière (Gaz et poussières) sous l’effet des champs gravitationnels.

Notre système solaire quant à lui date de 8 milliards d’années.

Et avant le Big-Bang ?

La science actuelle a déjà du mal à s’imaginer la soupe initiale et ce qui se passe dans les premières secondes après le Big-Bang, elle n’a pas de réponse sur ce qui s’est passé avant.

Les théories de phases successives de concentration expansion ne sont pas communément admises.

Et l’avenir de l’Univers?

Jusques 1998, l’expansion de l’univers était considère comme au pire constant ou mieux en décroissance. Ceci permettait d’imaginer 2 scénarios :

Le Big Freeze : l’univers continu son expansion et fini par se désintégrer en petites particule et les lumières s’éteignent. C’est dans 1 million de milliards d’années, vous avez le temps et ce n’est pas le scénario privilégié.

Le Big-Crunch :

Il est possible, dans certaines conditions, que l’expansion s’inverse et que l’Univers se contracte jusqu’à un état "final" dense et chaud. Il est possible que ce scénario soit cyclique. Avec les découvertes actuelles sur l’accélération de l’expansion, ce scénario est peu crédible ou très lointain.

Le Big-Rip :

Dans ce scénario, le taux d’expansion de l’univers augmentera de façon illimitée. La vitesse deviendra si grande que les galaxies, les astres et même les molécules, les atomes et les noyaux se déchireront. C’est le scénario le plus probable actuellement. Je vous rassure ont est très loin des vitesses de déchirement.

Et comment on vérifie tout ça?

Comme souvent en science quand les mesures directes ne sont pas possibles, on émet des hypothèses, on tire des conséquences de ces hypothèses et si ces conséquences sont suffisamment vérifiées, on en déduit que nos hypothèses sont justes. C’est la seule chose que l’on puisse faire avec l’univers.

Un corps chaud émet de la lumière à une fréquence qui dépend de sa température. Comme au moment du Big-Bang la température était très élevée, il reste, 13,8 milliards d’années plus tard, de la lumière de cette époque qui n’est pas encore arrivée jusqu’à nous.Cette lumiere vient des régions les plus éloignées de notre univers. En 1964, des scientifiques ont mis en évidence l’existence de cette lumière (Ils ont eu le Nobel en 1978 pour cela)

Le scénario alternatif est celui des religions qui pensent que le monde a été créé en une fois et qu’il est figé depuis ce temps. Ceci a même induit une erreur dans la théorie présentée par Einstein. Il avait vu que si sa théorie était vraie, l’univers serait en expansion. Il a donc artificiellement introduit un paramètre dans ses équations pour compenser cette expansion étant convaincu que l’univers était stable. Comme quoi même les grands hommes arrivent a se faire influencer par les charlatans.

Les trous du cosmos

Si vous avez vu ou lu de la science-fiction, les trous du cosmos ne vous sont pas inconnus, que ce soit trous noirs, trous de ver ou même trous blancs.

Cet article va vous expliquer simplement de quoi l’on parle dans ces romans et ce que l’on en connait actuellement.

Les trous noirs

Un trou noir est un objet extrêmement dense qui a la particularité d’absorber la lumière d’où son nom

Depuis plus d’un siècle, les scientifiques soupçonnent leur existence. Depuis le développement de la relativité générale, les scientifiques ont pu déterminer leurs caractéristiques.

Comme le trou noir n’émet pas de lumière, il n’est pas visible. Pour identifier, comme pour le vent sur terre, il faut regarder les objets autour et regarder leur comportement et voir s’il est en cohérence avec las caractéristique d’un trou noir.

Le premier trou noir  « découvert » l’a été en 1965, c’est Cygnus X-1. Il est couple avec une étoile normale et tourne tous les deux autour d’un centre commun comme les chevaux de bois sur un manège. C’est ce qu’on appelle un système binaire. Ces systèmes binaires se détectent facilement car les étoiles s’éloignent et se rapproche périodiquement. Dans le cas du trou noir Cygnus X-1, on voit une étoile se rapprocher et s’éloigner mais on ne voit pas l’autre, c’est ce qui a permis de découvrir ce trou noir.

Comment expliquer ces trous noirs ?

Revenons à l’analogie de la toile tendue présentée dans l’article sur la relativité générale. Au lieu d’une pierre, mettons au centre de la toile une petite bille d’iridium(le métal le plus dense). Dans ce cas la déformation de la toile élastique va devenir presque un puits. C’est ce que produit un objet massif et dense sur l’espace-temps qui l’entoure. Il se produit alors au voisinage de l’objet dense une barrière qui retient la lumière par courbure de l’espace-temps sur lui-même. Cette barrière est bien définie par la relativité générale.

Il faut cependant noter l’existence d’un autre objet voisin des trous noirs mais sans barrière que l’on nomme singularité nue. C’est un objet prédit par la relativité mais dont l’existence physique possible st très contestée(En dehors de sa formation lors du Big-Bang. Aucune singularité nue n’a été mis en évidence à ce jour.

Que se passe-t-il si l’on s’approche du trou noir ?

Pour l’observateur qui s’approche du trou noir, il ne se passe rien et il franchi la barrière du trou noir sans rien remarquer sauf qu’il ne peut plus sortir du trou noir.

Pour l’observateur resté au sol, la vitesse de l’observateur qui s’approche du trou noir augmente continuellement et donc le temps ralentit jusqu’à s’arrêter, si bien que l’on verrait, peut-être en permanence, l’observateur proche du trou noir près de la barrière.

Cependant, un autre phénomène vient se superposé a la dilatation du temps c’est que la lumière émise par l’observateur se serait décalée vers l’infrarouge et au-delà et de toute façon, l’observateur ne serait plus visible.

Que se passe-t-il dans le trou noir ?

Par définition, on ne peut pas voir ce qui s’y passe et on ne le verra jamais. La relativité générale ne sait pas décrire ce qui s’y passe car pour elle, la gravitation y devient infinie, ce qui est impossible.

Les scientifiques tentent des explications à partir de la physique quantique mais aujourd’hui, on ne sait pas raccorder les explications quantiques et la relativité qui explique bien ce qui se passe jusqu’à la barrière du trou noir. C’est un domaine de recherches très abondantes mais qui n’a pas encore abouti.

Les trous blancs

Les trous blancs sont aussi appelés fontaines blanches, ca décrit mieux ce qu’est un trou blanc.

C’est quoi un trou blanc ?

En fait le trou blanc serait la barrière de sortie d’un trou noir vers le passé. Ainsi par cette barrière on ne peut faire que sortir. Par cette barrière la lumière sort. C’est pour cela qu’on l’appelle trou blanc.

Ce genre d’objet est prédit par la relativité.

Est-ce que ça existe ?

Les scientifiques s’accordent à dire que son existence dans le cosmos est impossible. Il n’y a pas de processus envisageable pour la création d’un tel trou.

Il pourrait y en avoir eu lors du Big-Bang mais les conditions de formation sont tellement pointues que la probabilité quelles eussent été réunies à ce moment-là est nulle.

 

Les trous de ver

Un trou de ver est un objet reliant un trou noir d’un cote et un trou blanc de l’autre.

Issus des calculs de la relativité, il existe théoriquement plusieurs types de trou de ver. Les plus intéressants sont constitués d’un trou noir et d’un trou blanc situé face à face dans 2 régions différentes du cosmos reliées par un tunnel spatio-temporel et permettant à la matière de passer d’un univers à l’autre et ce,  quasi instantanément. Les 2 trous sont mis en face par un repliement de l’espace-temps.

On peut imaginer, dans cette configuration, qu’un objet traversant le trou de ver va arriver plus vite que la lumière qui doit faire le tour. L’objet va plus vite que la lumière et que le temps. Il va donc arriver dans le futur.

Est-ce que ça existe ?

Il n’y a pas aujourd’hui de théorie permettant de croire en l’existence de tels trous.

Les calculs montrent que pour laisser ouvert le trou, il faut introduire de la matière à masse négative dans le trou. L’existence d’une telle matière n’a pas été, même théoriquement, mise en évidence à ce jour.

Et Intersetellar, Startrek, etc

C’est bien imaginé mais nous n’avons pas pu mettre en évidence la moindre trace d’un trou de vers (Appelé Vortex dans Startreck). C’est décevant car ce serait une belle aventure mais la réalité ne nous permet pas d’envisager ce rêve.