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Le Temps de Planck et l'Ere de Planck
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par JJ Chevallier
Le temps de Planck et l'ère de Planck
Le temps de Planck
Le temps de Planck est la plus petite durée ayant un sens physique dans les théories actuelles.
Sa valeur est :
0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 05.39 S
C'est une durée tellement courte qu'il est difficile de l'imaginer. À titre de comparaison, l'âge de l'Univers est d'environ 13,8 milliards d'années, soit près de temps de Planck.
Le temps de Planck est calculé à partir de trois constantes fondamentales :
-
la vitesse de la lumière ,
-
la constante gravitationnelle ,
-
la constante de Planck réduite .
Il représente une frontière théorique : en dessous de cette échelle, nos connaissances actuelles ne permettent plus de décrire correctement l'espace, le temps et la matière.
L'ère de Planck
L'ère de Planck correspond à la toute première phase de l'histoire de l'Univers :
-
depuis le Big Bang,
-
jusqu'à environ seconde après celui-ci.
Durant cette période :
-
la température est immense ;
-
la densité est gigantesque ;
-
les effets quantiques et gravitationnels sont mêlés.
Nos deux grandes théories actuelles deviennent alors incompatibles :
-
la relativité générale d'Einstein ;
-
la mécanique quantique.
C'est pourquoi les physiciens pensent qu'une nouvelle théorie est nécessaire pour comprendre cette époque.
On parle parfois du mur de Planck, car il s'agit de la limite au-delà de laquelle nos modèles actuels ne peuvent plus remonter avec certitude.
La théorie des cordes
L'idée principale
Selon le modèle habituel, les particules élémentaires sont considérées comme des points sans dimension.
La théorie des cordes propose une idée différente :
Toutes les particules seraient de minuscules cordes vibrantes.
Ces cordes seraient incroyablement plus petites qu'un atome.
Une analogie musicale
La comparaison la plus simple est celle d'une guitare.
Une corde peut vibrer de plusieurs façons et produire différentes notes.
La théorie des cordes suggère qu'il se passe quelque chose de semblable dans l'Univers :
-
une vibration correspondrait à un électron ;
-
une autre à un photon ;
-
une autre à un quark.
Toutes les particules connues seraient donc différentes manifestations d'un même objet fondamental : la corde.
Pourquoi cette théorie est-elle importante ?
Les équations de la théorie des cordes font naturellement apparaître une particule hypothétique appelée graviton.
Cette particule pourrait transmettre la gravité.
La théorie des cordes constitue donc une tentative d'unifier :
-
la mécanique quantique ;
-
la relativité générale.
La théorie des cordes
L'idée principale
Selon le modèle habituel, les particules élémentaires sont considérées comme des points sans dimension.
La théorie des cordes propose une idée différente :
Toutes les particules seraient de minuscules cordes vibrantes.
Ces cordes seraient incroyablement plus petites qu'un atome.
Une analogie musicale
La comparaison la plus simple est celle d'une guitare.
Une corde peut vibrer de plusieurs façons et produire différentes notes.
La théorie des cordes suggère qu'il se passe quelque chose de semblable dans l'Univers :
-
une vibration correspondrait à un électron ;
-
une autre à un photon ;
-
une autre à un quark.
Toutes les particules connues seraient donc différentes manifestations d'un même objet fondamental : la corde.
Pourquoi cette théorie est-elle importante ?
Les équations de la théorie des cordes font naturellement apparaître une particule hypothétique appelée graviton.
Cette particule pourrait transmettre la gravité.
La théorie des cordes constitue donc une tentative d'unifier :
-
la mécanique quantique ;
-
la relativité générale.
Les dimensions supplémentaires
Pour fonctionner mathématiquement, la théorie nécessite davantage de dimensions que celles que nous observons.
Au lieu de :
-
3 dimensions d'espace ;
-
1 dimension de temps ;
elle en demanderait généralement :
-
10 dimensions ;
-
ou 11 dimensions selon certaines versions.
Les dimensions supplémentaires seraient extrêmement petites et donc invisibles à notre échelle.
Limites actuelles
La théorie est élégante et cohérente sur le plan mathématique, mais :
-
aucune preuve expérimentale directe n'existe actuellement ;
-
elle demeure une hypothèse sérieuse mais non confirmée.
La gravité quantique à boucles
L'idée principale
Cette théorie cherche à quantifier directement l'espace lui-même.
Aujourd'hui, nous imaginons généralement que l'espace est continu.
Entre deux points, on peut toujours en trouver un troisième.
La gravité quantique à boucles propose au contraire :
Et si l'espace était constitué de minuscules grains élémentaires ?
L'analogie des pixels
Lorsqu'on regarde une photo :
-
de loin, elle paraît parfaitement lisse ;
-
de très près, on découvre les pixels.
Selon cette théorie :
-
l'espace paraît continu ;
-
mais à l'échelle de Planck, il serait constitué de "pixels d'espace".
Pourquoi parle-t-on de boucles ?
Les équations décrivent l'espace comme un réseau de petites boucles reliées entre elles.
On peut imaginer :
-
un filet ;
-
une toile tridimensionnelle ;
-
un maillage extrêmement fin.
L'espace n'est plus un décor vide dans lequel les objets se déplacent :
ce réseau forme lui-même l'espace.
Le temps lui-même pourrait être quantifié
La théorie suggère également que :
-
le temps pourrait posséder une structure discrète ;
-
il existerait peut-être un plus petit intervalle possible.
-
Le temps de Planck représenterait alors cette échelle fondamentale.
Le Big Bounce
Dans la relativité générale classique, en remontant dans le temps, l'Univers atteint une densité infinie appelée singularité.
La gravité quantique à boucles propose une autre possibilité :
-
l'espace ne peut pas être comprimé indéfiniment ;
-
à très forte densité, des effets quantiques apparaissent ;
-
l'effondrement s'arrête ;
-
l'Univers rebondit.
Ce scénario est appelé :
Big Bounce ou Grand Rebond.
L'Univers actuel pourrait ainsi provenir de la contraction d'un Univers plus ancien.
Objectifs de la théorie
Elle tente notamment de répondre aux questions suivantes :
-
Que s'est-il passé avant le Big Bang ?
-
L'espace est-il continu ou discret ?
-
Les singularités existent-elles réellement ?
-
Comment unifier gravité et physique quantique ?
-
Conclusion générale
Aujourd'hui, les physiciens savent que l'Univers a traversé un état extrêmement chaud et dense peu après sa naissance.
Cependant, avant environ seconde, nos théories cessent d'être suffisantes.
Deux grandes pistes sont explorées :
-
la théorie des cordes, qui cherche la brique fondamentale de la matière ;
-
la gravité quantique à boucles, qui cherche à comprendre la structure fondamentale de l'espace et du temps.
Aucune de ces théories n'a encore été confirmée expérimentalement, mais elles représentent actuellement les tentatives les plus sérieuses pour comprendre ce qui s'est passé au voisinage du temps de Planck et, peut-être, à l'origine même de notre Univers.
Bibliographie et ressources
-
Wikipédia, Temps de Planck :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Temps_de_Planck
-
Wikipédia, Ère de Planck :
https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%88re_de_Planck
-
Futura Sciences, Temps de Planck : qu'est-ce que c'est ? :
https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-temps-planck-2003/
-
Mission Planck (CNRS), Ce que Planck nous a appris de l'Univers primordial :
https://public.planck.fr/la-mission/apports/312-ce-que-planck-nous-a-appris-de-l-univers-primordial
-
Archives JJ Chevallier.
-
Stephen Hawking, Une brève histoire du temps, Flammarion.
-
Carlo Rovelli, Par-delà le visible, Odile Jacob.
-
Carlo Rovelli, L'ordre du temps, Flammarion.
-
Carlo Rovelli, Et si le temps n'existait pas, Dunod.
-
Brian Greene, L'Univers élégant, Robert Laffont.
-
Kip Thorne, Trous noirs et distorsions du temps, Flammarion.
-
Sean Carroll, The Biggest Ideas in the Universe.
-
Lee Smolin, Trois routes vers la gravité quantique.
-
Roger Penrose, À la découverte des lois de l'Univers.
Ces liens et ouvrages permettent d'aborder progressivement les notions de relativité, de mécanique quantique, de cosmologie moderne et de gravitation quantique.