Du paléolithique à nos jours, ce guide retrace de façon chronologique les différentes étapes qui ont jalonné la découverte et la connaissance de l’Univers. Il s’agit de l’extraordinaire odyssée de savants visionnaires, à la fois astronomes, philosophes et mathématiciens, qui depuis une dizaine de millénaires cherchent à se situer dans le Cosmos. De la relativité au Big Bang, d’Einstein à Lemaître, la physique n’a pas fini de nous surprendre.

Guy Louis-Gavet est docteur ès sciences en mathématiques et informatique de gestion. Longtemps directeur de recherche et professeur des universités de Lyon et Grenoble, il a aussi exercé comme consultant auprès des entreprises. Il est déjà l’auteur de Comprendre Einstein et de La physique quantique, dans la même collection.

Les découvertes

Les savants

Les phénomènes

Dans la même collection

Dans la collection Eyrolles Pratique

Einstein, Guy Louis-Gavet

La physique quantique, Guy Louis-Gavet

Du même auteur

Sachez maîtriser votre informatique et son budget, Editions LGE, 1990 - 350 pages

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Comment construire pratiquement un Réseau de Micro-Ordinateurs dans votre entreprise, Editions LGE, 1993 - 200 pages

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La Sécurité et INTERNET. Comment votre entreprise peut-elle se protéger et à quel coût, Editions LGE, 2000 - 70 pages

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La physique...

Guy LOUIS-GAVET

L’Univers

Éditions Eyrolles
61, Bd Saint-Germain
75240 Paris Cedex 05
www.editions-eyrolles.com

Mise en pages : Istria

En application de la loi du 11 mars 1957, il est interdit de reproduire intégralement ou partiellement le présent ouvrage, sur quelque support que ce soit, sans autorisation de l’éditeur ou du Centre français d’exploitation du droit de copie, 20, rue des Grands-Augustins, 75006 Paris.

© Groupe Eyrolles, 2013...

Sommaire

Introduction : L’Homme et l’Univers, une longue histoire

Première période : Du Paléolithique à Einstein

Chapitre 1 : Du Paléolithique à la Renaissance

Chapitre 2 : De la Renaissance à Einstein

Chapitre 3 : Einstein et le premier modèle cosmologique global de l’Univers

Seconde période : Du Big Bang à la description du système solaire

Chapitre 1 : Big Bang et expansion de l’Univers

Chapitre 2 : L’Univers actuel

Chapitre 3 : Notre système solaire

Index des noms de personnes

Index des notions

À tous ceux qui veulent comprendre le monde moderne dans lequel nous vivons.

Et, plus particulièrement :
à ma famille, à Grégoire et Alexia nés en ce début de XXIe siècle.

Beauté trompeuse

Il vous est certainement arrivé, par une splendide nuit d’août, de contempler avec émerveillement la voûte céleste. Les étoiles scintillent et la Voie lactée décrit majestueusement un arc-de-cercle délicatement enveloppé d’une sorte de brume légère. Quelques étoiles filantes plongent vers vous en silence et parfois se regroupent pour former un somptueux parapluie semblable à nos feux d’artifice.

Avec un peu de chance, vous apercevrez une comète étirer sa longue chevelure aux reflets changeants, zébrant le ciel nocturne d’une longue traînée lumineuse.

En cette nuit d’été, tout respire la sérénité, le silence et la quiétude : en un mot, la beauté.

Détrompez-vous : l’Univers qui nous entoure est un enfer.

Les planètes, à part la Terre, ne sont que des déserts de cailloux, de poussière,...

Naissance de l’astronomie

Des dieux nés des craintes

Bien avant notre ère, l’Homme du Paléolithique a essayé de comprendre le milieu dans lequel il vivait. Pour se rassurer tout en assouvissant sa curiosité naturelle, il a tenté de découvrir ce qui se passait au-delà de son horizon terrestre et d’interpréter les événements qui se déroulaient dans le ciel.

Au début de la civilisation humaine, l’Homme craignait certainement que cette boule lumineuse qui apparaissait le matin sur l’horizon, disparaissait le soir du côté opposé, et lui permettait de chasser, de manger des fruits et d’avoir chaud, ne réapparût plus le lendemain. Sa peur devait être tout aussi grande quand surgissait ensuite dans le ciel une grosse boule brillante évoquant un visage, avec de grands yeux sombres qui semblaient constamment l’épier. Il devait aussi s’étonner que cette tête change peu à peu de forme pour parfois disparaître, suivant un cycle immuable. De plus, impossible pour lui de comprendre la présence de tous ces points lumineux immobiles, accrochés la nuit dans le ciel. Sa peur devait atteindre son paroxysme lors des éclipses de Soleil, quand, en plein jour, à intervalles très irréguliers, la boule lumineuse disparaissait progressivement et que, peu à peu, la nuit s’étendait sur la Terre.

Bien qu’aucune trace matérielle ne puisse le confirmer, tous ces mystères firent sans doute le berceau des premiers rites religieux mettant en scène les divinités censées habiter le ciel, auxquelles les premiers hommes firent allégeance pour en obtenir leurs bonnes grâces. En témoignent les noms donnés aux cinq planètes visibles à l’œil nu : Mars (dieu de la Guerre), Vénus (déesse de l’Amour et de la Beauté), Jupiter (dieu du Ciel, de la Foudre et du Tonnerre), Saturne (divinité méchante chassée du Ciel par Jupiter), Mercure (dieu du Commerce et des Voyageurs).

Des observations rassurantes

L’Homme se rassura sans doute progressivement en observant que les trajectoires du Soleil et de la Lune étaient immuables, tout comme la position des étoiles restait quasi fixe. Le Soleil se levait à l’est et se couchait à l’ouest suivant une trajectoire presque identique. La nuit arrivant, sous la voûte céleste constellée d’étoiles plus ou moins brillantes, la Lune succédait au Soleil avec un certain retard, tout en changeant de forme régulièrement suivant une périodicité précise. C’est ainsi que, au cours de plusieurs dizaines de millénaires, l’Homme se familiarisa avec ces mouvements et changements d’aspect très réguliers du ciel. Une fois cette confiance acquise, il passa d’une phase purement observationnelle à une étape prévisionnelle.

Au premier stade, cela lui permit de jalonner sa vie en créant des périodes liées au temps : les notions de jour (grâce au Soleil), de mois (grâce à la Lune), de saison et d’année (de nouveau grâce au Soleil) étaient nées. En s’appuyant sur ces notions, il a pu prédire la migration des animaux, pour les chasser, et les moments de l’année où fruits et légumes arrivaient à maturité, pour les récolter. Au deuxième stade, en identifiant le cycle des saisons, et plus précisément les périodes où la durée du jour était maximale ou minimale (solstices d’été et d’hiver), il comprit à quel moment de l’année semer des graines et effectuer des récoltes. Ces pratiques agraires plus ou moins planifiées permirent l’émergence progressive de l’agriculture, dont la conséquence immédiate fut une plus grande...

À la Renaissance se fait une importante révolution culturelle et scientifique ; elle commence au XIIe siècle en Italie pour s’étendre à toute l’Europe et atteindre son apogée aux XVe et XVIe siècles, durant lesquels l’astronomie prend un essor considérable. L’Europe devient à partir de cette époque la première puissance scientifique de ce domaine. Elle l’est restée jusqu’à aujourd’hui, avec les États-Unis. Plusieurs raisons à cette révolution :

le déclin progressif des recherches scientifiques en Grèce, en Chine, en Égypte, chez les Aztèques et les Mayas,

l’invention de l’imprimerie moderne en 1440 par l’Allemand Johannes Gutenberg (1400-1468),

la traduction en latin des écrits de Ptolémée et d’Aristote et leur diffusion massive,

l’invention de la lunette astronomique en 1609 par l’Italien Galilée,

l’utilisation d’outils mathématiques adaptés à l’étude de l’Univers que les astronomes d’autres régions du monde ignoraient.

Cependant, ces événements, ces inventions et ces outils auraient été inutiles sans la naissance à cette époque de remarquables savants : Copernic, Brahe, Kepler, Galilée.

Copernic, le Soleil et la Terre

L’astronome, mathématicien et moine Nicolas Copernic (1473-1543) est né en Prusse, à cette époque province de la Pologne. À l’université de Cracovie, il suit des cours de mathématiques, d’astronomie et de médecine pour ensuite étudier le droit dans les universités italiennes de Bologne et Padoue. Après son retour en Pologne, il travaillera toute sa vie, parfois simultanément, dans tous les domaines étudiés. De plus, comme son oncle est évêque, il est intronisé chanoine.

Ayant appris le grec en Italie, il lit tous les écrits originaux d’Aristote et de Ptolémée et étudie en profondeur le système géocentrique. Ses propres recherches l’amènent à penser que ce système ne peut pas représenter la structure de l’Univers dans son ensemble : l’idée de la Terre au centre du monde lui paraît anormale, tant sont flagrantes les anomalies scientifiques qu’il découvre. Notamment, il ne trouve pas d’explication mathématique générale prouvant de façon irréfutable que les corps célestes (plus particulièrement pour la planète Mars) suivent des trajectoires circulaires et concentriques autour d’une Terre immobile.

La structure globale de l’Univers décrite dans le système géocentrique ne peut donc pas être conforme à la réalité ; il décide de l’améliorer en profondeur.

Une idée révolutionnaire

Il émet alors une idée toute simple mais révolutionnaire pour l’époque : il propose de mettre le Soleil à la place de la Terre, énonçant les deux hypothèses suivantes :

la Terre (perdant son statut de centre du monde) n’est pas immobile, elle tourne à la fois autour du Soleil, le centre du monde (immobile), en 365 jours, et sur elle-même en 24 heures. Elle devient alors une simple planète du Soleil,

la Lune tourne autour de la Terre, devenant alors une planète de celle-ci.

Cette nouvelle structure globale de l’Univers, le « système héliocentrique » (voir figure suivante), est plus logique et plus harmonieuse que celle d’Aristote et Ptolémée, vieille d’un millénaire et demi. Elle finira par la remplacer, et entraînera d’autres découvertes en astronomie. Copernic ne gardera du modèle géocentrique que les orbites circulaires des planètes, la position fixe des étoiles sur une sphère située au-delà des planètes et, grosso modo, l’ordre des planètes quant à leur distance par rapport au centre du monde : pour lui, le Soleil.

Le système héliocentrique de Copernic

En 1512, il décrit son système dans une courte publication manuscrite puis, après l’avoir entièrement étayé mathématiquement, il rédige son célèbre livre De Revolutionibus Orbium Coelestium, qui sera imprimé en 1543, peu avant sa mort.

Incompréhension et rejet

Les astronomes contemporains trouvent ses théories complètement farfelues, en totale contradiction avec le modèle géocentrique, et contraires à la réalité quotidienne visible par l’être humain : « Le Soleil se lève à l’est et se couche à l’ouest », ce qui implique avec certitude que le Soleil tourne autour de la Terre. Intervertir les places du Soleil et de la Terre ne change guère leur vision de ce qui se passe dans le ciel, d’autant que le modèle héliocentrique de Copernic est beaucoup moins intuitif que le modèle géocentrique. D’ailleurs, de nos jours encore, personne n’oserait dire : « Le matin, la Terre se lève sur le Soleil... ».

En effet, il n’est pas facile pour un être humain, observateur fixe situé sur la...

Un début de carrière éblouissant

Début 1917, un coup de tonnerre éclate dans le monde feutré des scientifiques : Albert Einstein (1879-1955) publie « Considérations cosmologiques sur la théorie de la relativité générale ». Non content d’avoir, en une décennie, complètement chamboulé la physique avec sa découverte du photon, celle de l’atome, et l’élaboration de ses deux théories relativistes (restreinte et générale), incompréhensibles pour la majorité des physiciens, il est convaincu de pouvoir expliquer l’Univers en une seule formule tensorielle. Il a eu l’audace, en s’appuyant sur sa théorie de la relativité générale, qui remplace la théorie gravitationnelle de Newton, de réduire tout l’Univers à une formule mathématique permettant de comprendre son évolution à la fois présente et future. Ce coup de génie fera de lui le père de la cosmologie scientifique moderne relativiste.

Pour comprendre ce mystère, revenons au tout début du XXe siècle.

En juillet 1900, tout juste diplômé du célèbre institut suisse Polytechnicum de Zurich, Einstein commence ses surprenantes recherches théoriques (voir notre ouvrage Comprendre Einstein, Eyrolles, 2009). En quelques années, il parviendra à :

découvrir, grâce à l’étude du mouvement brownien, que la matière est, à son niveau intime, constituée d’atomes,

démontrer, en s’appuyant sur les travaux de Max Planck, qu’un rayon lumineux (et plus généralement un rayonnement électromagnétique) est composé de quanta lumineux ou photons, démontrant en cela le caractère dual incompréhensible de la lumière (onde ou/et particule ?),

construire, en s’appuyant sur les travaux de Galilée, de Poincaré et de Lorentz, sa théorie sur la relativité restreinte. Elle lui permet d’affirmer à la fois :

l’inexistence de l’éther (sorte de fluide imaginé par les Romains dans lequel est censé baigner tout l’Univers),

la propagation limitée de la vitesse de la lumière (300 000 km/h), qu’aucun phénomène ne peut dépasser et qui devient donc une constante universelle,

l’abolition de la notion d’un temps universel, donc absolu (un des piliers de la théorie gravitationnelle de Newton), remplacée par un émiettement infini de temps relatifs disséminés dans tout l’Univers ;

concevoir sa célébrissime équation E = mc2 créant une équivalence entre la masse et l’énergie ; plus tard, elle-même permettra d’expliquer :

l’existence de nouvelles particules créées par des collisions entre d’autres particules dans les accélérateurs ou collisionneurs,

le fonctionnement des étoiles, fondé sur des fusions nucléaires successives,

les premiers instants de l’Univers.

En 1905, Einstein publie dans la revue scientifique Annalen der Physik trois articles résumant ses révolutionnaires découvertes (voir notre ouvrage Comprendre Einstein, op. cit.), qui comptent parmi les plus importantes du XXe siècle, sources de futures contributions majeures aux physiques classique et quantique et à la cosmologie.

Vers le premier modèle cosmologique global

Dès 1906, Einstein est persuadé que, pour créer le premier modèle cosmologique global de l’Univers, il doit d’abord remplacer la théorie gravitationnelle de Newton par une autre théorie, non liée à d’hypothétiques forces d’attraction existant entre deux corps célestes. Il argue d’ailleurs que Newton n’a jamais pu donner d’explication rationnelle de l’existence de ces...

Un prêtre belge et le Big Bang

Georges Lemaître (1894-1966), né à Charleroi, eut une destinée étonnante. Tout en veillant scrupuleusement à séparer ses convictions religieuses et ses découvertes scientifiques, il est, avec Copernic, l’unique astronome et mathématicien de renommée mondiale de l’histoire des Sciences à être aussi un ecclésiastique catholique.

Après une scolarité brillante, il suit des cours de géométrie analytique, d’algèbre, de physique (classique et relativiste), d’astronomie et de géodésie à l’école des Mines de Louvain. Ses études sont interrompues par la guerre de 1914-1918. En 1919, il les reprend pour préparer un doctorat de physique et de mathématique, qu’il obtient facilement. À vingt-six ans, il entre au grand séminaire de Malines. Commence alors une carrière de chercheur théoricien en astronomie, qui l’amènera en quelques années à devenir le père du « Big Bang », menée parallèlement à une activité religieuse : il sera prêtre, puis évêque !

En 1920, pour obtenir une bourse à l’étranger, il écrit un mémoire intitulé La Physique d’Einstein. Par une démarche scientifique personnelle, il retrouve l’équation tensorielle d’Einstein qui explique la structure globale de l’Univers, et démontre que la constante cosmologique est nécessaire pour que celui-ci reste statique.

La découverte de Lemaître

Lemaître, en partant de l’équation tensorielle d’Einstein et en étudiant sous un angle purement mathématique le modèle de De Sitter, émet par la suite l’hypothèse que l’Univers n’est pas statique et va bien au-delà de la Voie lactée. Il est conforté en cela par l’astrophysicien américain Edwin Hubble (1889-1953) qui, grâce au grand télescope du mont Wilson (construit en 1904), découvre en 1924 que la « nébuleuse » Andromède (en réalité une galaxie spirale) se situe beaucoup plus loin que la Voie lactée. On sait aujourd’hui qu’elle se situe à 3 millions d’années-lumière, soit trois fois plus que la distance de la Terre au centre de la Voie lactée. Cette affirmation bouleverse complètement la vision de l’Univers.

La chasse aux galaxies

Jusque-là, les astronomes pensaient que notre univers se résumait à notre Voie lactée, mais en fait, elle n’est qu’une galaxie parmi d’autres. Après la découverte de Hubble, la chasse aux galaxies extragalactiques, plus lointaines que la Voie lactée, ne s’arrêtera plus : leur nombre croît avec la performance des télescopes terrestres ou embarqués dans des satellites. Actuellement, on compte dans l’Univers plusieurs centaines de milliards de galaxies, regroupées, nous le verrons, dans plusieurs dizaines de milliards d’amas de galaxies !

En 1927, les recherches de Lemaître aboutissent à un nouveau modèle cosmologique où l’Univers (de densité homogène et isotrope) est, différence fondamentale avec celui d’Einstein, en constante expansion depuis son origine. Ainsi, les galaxies ne se déplacent pas d’elles-mêmes, c’est l’Univers qui les emporte dans son expansion, sans pour autant que la taille des corps célestes en soit modifiée. Pour calculer la vitesse de cette expansion, il trouve une loi linéaire très simple : V(itesse)= aR où a est lié à la variation du rayon R de l’Univers sphérique qui s’accroît en fonction du temps. Il calcule que la vitesse d’expansion de l’Univers est de 625 km/s (résultat remarquable, exact pour les galaxies les plus lointaines).

À partir de ces hypothèses plus que révolutionnaires, Lemaître a une autre idée géniale : il suggère que s’il existe une expansion de l’Univers, si l’on remonte le temps, l’Univers doit, il y a fort longtemps, avoir existé sous une forme compacte, rétrécie.

En 1927, il publie ses travaux de recherche dans les Annales de la Société scientifique de Bruxelles sous le titre « Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant, rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extragalactiques ». Comme toutes les découvertes scientifiques trop avant-gardistes, elle est ignorée par la majorité...

Les galaxies

Mesures de distance

La taille gigantesque de l’Univers le rend très difficile à visualiser. Les astronomes ont donc inventé des unités de distance leur permettant de mieux appréhender les distances existant entre les corps célestes et les événements se déroulant dans l’Univers.

La première unité fut l’année-lumière (rappelons qu’elle est équivalente à 10 000 milliards de kilomètres terriens). L’Univers observable a un rayon estimé à 13,7 milliards d’années-lumière, mais cette dimension est certainement inexacte : les astronomes ne peuvent la calculer avec exactitude, à cause de l’expansion continuelle et de la vitesse limitée de la lumière. Certains astronomes pensent que le rayon réel de l’Univers se situe aux alentours de 40 milliards d’années-lumière !

Les astronomes ont également inventé une unité de mesure appelée « parsec », l’équivalent de 3,26 années-lumière, mais ils utilisent le plus souvent le mégaparsec, qui vaut 1 million de parsecs (soit environ 326 millions d’années-lumière). C’est vertigineux, et incompréhensible pour notre cerveau !

Les grandes structures de l’Univers

Pour comprendre la structure globale de l’Univers, imaginez-vous un instant en dehors de lui. Vous pourrez ainsi appréhender la construction de ses grandes structures (superamas de galaxies, amas de galaxies, galaxies).

De votre position privilégiée, vous découvrez un Univers doté d’une structure très régulière qui évoque une sorte d’immense cage sphérique de 13,7 milliards d’années-lumière. À l’intérieur de cette cage, vous distinguez une infinité de cellules grillagées cubiques identiques dont les côtés ont une longueur de l’ordre de plusieurs millions d’années-lumière, soit quelques dizaines de parsecs (voir figure suivante : forme générale et approximative sphérique de l’Univers (a) ; une de ses cellules extraites (b) dont la forme cubique traduit en revanche assez bien la structure cellulaire de l’Univers).

Les grandes structures de l’Univers

Tout au long des « brins » formant une cellule cubique, vous observez des points lumineux de différentes grosseurs, très proches les uns des autres, qui se succèdent assez régulièrement, prenant un aspect de guirlande. De plus, vous constatez entre ces points lumineux la présence d’une sorte de brume. Bizarrement, vous remarquez aux huit angles de cette cellule une très grande densité de points lumineux occupant un volume beaucoup plus important, noyés aussi, par endroits, dans des zones brumeuses.

En fait, tous ces points lumineux de grosseurs différentes sont soit des étoiles isolées, soit des galaxies, qui dessinent dans l’Univers des filaments rectilignes appelés « intergalactiques ». L’ensemble de ceux-ci, reliant toutes les cellules cubiques, forme un réseau occupant tout le volume de l’Univers. En revanche, à l’intérieur de chacune de ces cellules, vous découvrez d’immenses zones vides de toute matière (actuellement inexpliquées). Cela n’est pas anormal : en moyenne, il existe dans l’Univers un atome de matière par mètre cube !

Amas et superamas

Aux nœuds de ce réseau de filaments intergalactiques, les très nombreux points lumineux sont dus à des amas de galaxies, maintenues ensemble par la gravité. Parfois, ces amas forment des superamas de galaxies, en s’assemblant très progressivement dans les angles des cellules cubiques durant des milliards d’années grâce au « glissement » (phénomène gravitationnel) des étoiles et des galaxies le long des filaments intergalactiques. Par exemple, notre galaxie, la Voie lactée, fait partie d’un amas de galaxies appelé « Groupe local », situé dans le superamas de la Vierge et regroupant environ 10 000 galaxies.

Zones brumeuses

Quant aux zones brumeuses (appelées « nébuleuses »), elles indiquent la présence de nuages de gaz (essentiellement d’hydrogène et d’hélium) et de très petites particules de matière...

Index des noms de personnes

A

Alpher, Ralph 101, 104, 106

Anaximandre 32-34, 36

Aristote 34-37, 41-43, 45, 50, 51

B

Bacon, Roger 51

Barnard, Edward 61

Bède le Vénérable, saint 37

Bessel, Friedrich 60

Bohr, Niels 12, 64

Brahe, Tycho 41, 45, 46, 53, 54, 58, 126

Broglie, Louis de 12, 106

Bruno, Giordano 45

C

Cassini, Jean-Dominique 58, 153

Champollion, Jean-François 23

Charlemagne 37

Cnide, Eudoxe de 34, 36

Copernic, Nicolas 33, 35, 41-46, 52, 53, 56, 58, 89

Crémone, Gérard de 37

E

Einstein, Albert 11, 12, 47-49, 53, 56-58, 61, 67-83, 89-91, 93, 97, 129-132, 137, 149

Ératosthène 35

Euclide 74, 75

F

Fraunhofer, Joseph von 62

Friedmann, Alexander 91, 93, 104, 105

G

Galilée, Galileo 11, 41, 45, 47-53, 55, 56, 58, 68, 71, 143, 156

Galle, Johann 61

Gamow, George 101, 104-106

Gauss, Carl Friedrich 73, 74, 77

Guth, Alan 97

H

Hall, Asaph 61

Halley, Edmond 30, 57, 59, 139, 163

Herschel, William 60, 158

Hewish, Antony 128

Hipparque 35, 36

Hoyle, Fred 92

Hubble, Edwin 90, 92, 93, 105, 159

Huggins, William 63

Huygens, Christian 57, 58, 153

J

Janssen, Jules 63

K

Kepler, Johannes 41, 45, 46, 51, 53-56, 58, 72, 82, 126, 131

L

Lemaître, Georges 11, 84, 89-93, 97, 104, 105

Le Verrier, Urbain 60, 61, 71, 72...

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