La première seconde

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L'ère de Planck

Quelle est la plus petite masse que puisse avoir un trou noir, et qui soit compatible avec la mécanique quantique ? Celle-ci nous répond 20 microgrammes, et la relativité générale nous indique que sa taille sera de 10-33 cm. Cette longueur est connue sous le nom de longueur de Planck.
Oui, mais d'après le principe d'incertitude d'Heisenberg, cette masse ne peut pas être localisée à mieux que 10-33 cm !
Il y a donc un conflit entre la mécanique quantique et la relativité générale. Faute d'une théorie adaptée qui concilie ces deux extrêmes (c'est le but de la théorie des supercordes, mais celle-ci n'en est qu'à ses débuts) nous sommes contraints d'avouer que pendant l'ère de Planck, qui correspond à un temps inférieur à 10-43 seconde, nos connaissances s'effondrent.

En fait, pendant l'ère de Planck, des paires de particules-antiparticules de Planck, de masse 20 microgrammes, correspondant à une énergie de 1028 eV, soit une température de 1032 K (appelée température de Planck), apparaissent et disparaissent continuellement, déformant sans arrêt la trame de l'espace-temps.

Nous ne pouvons donc rien dire de ces tous premiers instants de l'univers. En fait, d'après nos théories physiques, l'espace et le temps n'apparaissent qu'à l'issue de ce temps de Planck.
Notons en passant que c'est durant cette période que les quatre forces de la nature ont pu être unifiées.

 


La perte des symétries

Passé ce temps de 10-43 s, l'univers naît réellement : il commence à gonfler, et donc à se refroidir.
L'univers n'est alors qu'un plasma de particules élémentaires, quarks et gluons, électrons et positrons.

Au bout d'un temps de 10-35 s, la température est tombée à 1028 K : la force nucléaire forte se différencie alors de la force électrofaible.

Cette différentiation des forces correspond à un changement de phase de l'univers, et à une brisure de symétrie.
Faisons le parallèle - très simplificateur au demeurant - avec l'eau : lorsqu'elle est liquide, l'eau est parfaitement symétrique : quelque soit le sens où on la regarde, elle a le même aspect.
Lorsque la température décroit, elle finit par se transformer en glace. C'est ce que l'on nomme un changement de phase. Mais les cristaux de glace ne sont pas complètement symétriques, ils ne présentent pas le même aspect selon l'axe suivant lequel on les observe.
Ce changement de phase s'accompagne donc d'une perte de symétrie, et la situation est semblable pour l'univers lorsque les forces se séparent.
Nous verrons au chapitre suivant l'impact de ces changements de phase sur l'évolution de l'univers.

Le refroidissement continue ainsi jusqu'à la température de 1015 K : à ce moment là, les forces électromagnétiques et faibles se différencient à leur tour.

Lorsque la température sera encore un peu refroidie, vers 1012 K, les quarks vont commencer à se trouver confinés, formant ainsi des hadrons, et permettant l'apparition des nucléons, protons et neutrons.

Vers 1010 K, l'univers est âgé d'une seconde : il est alors composé d'un nucléon pour trois milliards de photons, et d'un électron pour un proton.

La première seconde de l'univers

 


D'où vient la matière ?

Nous venons de voir le scénario qui a conduit à la création des nucléons, qui sont la base de la matière telle que nous la connaissons.

Oui, mais... d'après le modèle standard, il devrait se former autant de particules que d'antiparticules. Or le monde qui nous entoure est composé de matière exclusivement, et tout les observations actuelles incitent à croire qu'il en est de même du reste de l'univers.

En fait, certaines considérations de physique théorique laissent à penser que les particules et les antiparticules ne se conduisent pas rigoureusement de la même manière, permettant ainsi à la matière de l'emporter, de très peu, sur l'anti-matière : typiquement dans un rapport de un milliard plus un quark pour un milliard d'anti-quarks.
C'est cet infime supplément qui a suffit.