De l’infiniment grand à l’infiniment petit

Du Big-Bang à la photosynthèse, découvrez comment la lumière nous permet de percer les secrets du monde qui nous entoure.

L’héritage d’Einstein (1879-1955)

On lui attribue la paternité de la bombe atomique. Cela ne nous empêche pas de nous souvenir de lui en savant sympathique, qui tire la langue comme un enfant facétieux. La bombe, la grimace et E=mc2 : voici Albert Einstein.

Son apport à la physique est immense et 1905 a constitué un tournant dans sa carrière comme dans l’histoire des sciences : en quatre articles publiés cette année-là, Einstein amorce la rupture avec la physique de Newton. 1905 s’ouvre avec une proposition inédite sur la nature de la lumière : dans un premier article, Einstein étudie l’effet photoélectrique et confirme les travaux de Max Plank en proposant le concept de particule de lumière. Cette particule, que Plank a baptisé quanta, prendra plus tard le nom de photon.

La théorie de la relativité restreinte vient conclure cette brillante séquence de l’année 1905 en offrant un nouveau modèle pour décrire l’Univers (et la fameuse équation E=mc2). Dix ans plus tard, Einstein découvrira avec scepticisme la théorie quantique. Il n’acceptera jamais certaines de ses implications… même si elle découle directement de ses propres travaux sur le photon !

Notions clés

Le photon est la particule de la lumière. C’est une particule élémentaire : le photon fait partie des composants fondamentaux de l’Univers, apparus avec le Big-Bang et qui ne résultent pas de l’interaction d’autres éléments plus petits.

Le photon appartient à la famille des bosons, particules élémentaires qui transmettent les interactions. Il  transmet l’interaction électromagnétique : la lumière est un exemple d’onde électromagnétique (voir Notion clé : Dualité onde-particule).

Le Big Bang est un modèle décrivant la formation de notre Univers, il y environ 14 milliards d’année.

Le terme de Big-Bang suggère une explosion : cette représentation n’est pas exacte, car elle laisse entendre l’existence d’un avant/après, d’un instant initial. Rien pour le moment ne permet de l’affirmer.

Ce que décrit le modèle du Big-Bang, c’est plutôt une période d’expansion très rapide à partir d’un état de départ très dense et très chaud.  Notre Univers est actuellement toujours en expansion.

Regarder l’espace, c’est contempler le passé : la lumière qui nous parvient de certaines régions très éloignées de l’Univers nous renseigne sur sa physionomie au moment de sa formation. C’est aussi grâce à la lumière que nous pouvons déterminer les mouvements des planètes et leur vitesse de déplacement.

La dualité onde-particule est un des concepts clé de la physique quantique. C’est un principe selon lequel tous les objets physiques peuvent présenter des propriétés soit d’onde, soit de particule. Ces propriétés ne dépendent pas que de l’objet physique en lui-même, mais aussi de l’observation et des outils de mesure. Ce phénomène ne s’observe qu’à des échelles microscopiques.

La nature de la lumière a été source de nombreuses interrogations au cours des siècles. Newton avait eu l’intuition de sa nature corpusculaire, mais il a été démenti par les savants de son temps. Plank puis Einstein lui donneront raison en établissant que la lumière nous parvient de manière discontinue, sous forme de petits paquets d’énergie que Plank a baptisés quanta et qui seront plus tard rebaptisé en photons.

On peut se représenter la dualité onde-particule avec la métaphore du cylindre. Si on projette son ombre suivant son axe, son ombre a la forme d’un cercle ; si on la projette perpendiculairement à son axe, elle a une forme de rectangle. C’est donc faute de pouvoir représenter la réalité de manière plus exacte que nous adoptons, selon le cas, un des deux modèles alors qu’ils paraissent contradictoires !

La physique quantique est un ensemble de théories physiques élaborées au XXe siècle. Elle décrit le comportement des atomes et des particules, ce que la physique de Newton ne permettait pas de faire : les lois de Newton deviennent inopérantes à l’échelle de l’infiniment petit.

Le monde de l’infiniment petit se comporte très différemment de l’environnement auquel nous sommes habitués. Cela donne aux principes de la physique quantique un aspect déroutant, voire absurde qui rend cette science fascinante et difficile d’accès… au point que certains physiciens ont pu affirmer que personne n’y comprend rien, même les spécialistes !

La physique quantique n’en est pas moins une des théories scientifiques majeures du XXe siècle et a ouvert des horizons insoupçonnés dans notre compréhension du monde. Des études récentes en biologie semblent d’ailleurs indiquer que le vivant, aux très petites échelles, obéirait lui aussi à des règles quantiques !

Infiniment grand : la lumière, historienne et géographe de l’Univers

Avec la relativité restreinte puis la relativité générale, Albert Einstein a dépassé le modèle de description de l’infiniment grand élaboré par Isaac Newton. Ses calculs l’ont même conduit à conclure que l’Univers est en expansion… mais il les “corrigera” ensuite, car la communauté scientifique de son temps était d’accord sur un modèle d’Univers stationnaire. La lumière nous apprend qu’Einstein avait raison malgré lui !

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