9782212557329

BogdanovIgoR et gRIchka

Quy avait-il avant le big bang ?

Le mystRe du sateLLIte PLanck

Prface de Luis Gonzalez-Mestres, physicien, chercheur au CNRS

Groupe Eyrolles, 2013ISBN : 978-2-212-55732-9

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Table des matires

Prface ....................................................... 7

Introduction ............................................. 15

Chapitre 1 - Le Big Bang a-t-il laiss une trace dans le ciel? .............29

Chapitre 2 - Sur la piste de la premire lumire ...................................43

Chapitre 3 - Le bruit du Big Bang ..............55

Chapitre 4 - Le satellite rouge .....................61

Chapitre 5 - Quest-ce que la premire lumire? .................................69

Chapitre 6 - Quand lUnivers a-t-il commenc? ............................79

Chapitre 7 - Quel ge a lUnivers? .............95

6Le mystre du satellite Planck

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Chapitre 8 - LUnivers est-il rond? ...........105

Chapitre 9 - LUnivers est-il n par hasard? 131

Chapitre 10 - Lordre originel ...................147

Chapitre 11 - Avant le Big Bang? .............163

Conclusion ............................................. 177

Postface .................................................. 185

Bibliographie .......................................... 209

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Chapitre 1

Le Big Bang a-t-il laiss une trace dans le ciel?

Par ce beau matin du 13septembre 1946, les feuilles des grands marronniers com-mencent joncher le sentier qui traverse le parc de luniversit George Washington. Les chos mtalliques de la guerre seffacent lentement et lAmrique comme le reste du monde sapprtent entrer en douceur dans une longue priode de paix.

grandes enjambes, le bouillant savant russe George Gamow et son ami de tou-jours, le physicien hongrois Edward Teller, viennent dentamer leur promenade du jour.

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Le mystre du satellite Planck

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Gamow nest pas nimporte qui. luni-versit de Petrograd, ce grand blondinet, colonel de lArme rouge vingt ans, a t llve dAlexander Friedmann, le prcur-seur aujourdhui mythique de la thorie du Big Bang. Ds son arrive en 1923, Gamow a fait alliance avec les meilleurs. Des jeunes, surdous comme lui. Lev Landau, qui a pass son bac treize ans et calcule de tte comme personne. Matve Bronstein, qui, seize ans, connat la relativit mieux que ses professeurs. Dmitri Ivanenko, qui, l o les autres calent, trouve toujours une solution. Bientt, les quatre jeunes ne se quittent plus. Pour tous, ils sont les Quatre Mousquetaires . Tout comme Friedmann leur professeur, ils croient dur comme fer que lUnivers nest pas ternel. Quil a eu un commencement. Mais comment le prou-ver ? Les Quatre Mousquetaires se jurent dapporter un jour une rponse.

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Revenons Gamow. Il jongle avec les langues sans le moindre effort. Dessinateur

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gnial, il peut ridiculiser en trois coups de crayon ceux qui ne lui plaisent pas. Son ima-gination galopante na pas de limites. Il na que vingt-quatre ans lorsque, en 1928, les yeux noircis par les calculs, il perce le mystre de la radioactivit alpha. Dun seul coup, il met le monde de la physique thorique ses pieds. Le charismatique Niels Bohr (le pre de cette trange mcanique de linfiniment petit quest la thorie quantique) linvite au pas de charge le rejoindre dans son labora-toire de Copenhague, temple mondial de la physique thorique. Puis cest la conscra-tion avec son entre, tout juste vingt-sept ans, lAcadmie des sciences sovitique. Du jamais-vu.

Et Teller? Lui aussi est dun haut lignage scientifique. Mathmaticien prodige dans ses jeunes annes, incroyablement dou pour le piano, il passe une thse de docto-rat tincelante en 1930 sous la direction de Heisenberg, linoubliable pre du principe dincertitude de la mcanique quantique. Comme un succs en appelle un autre, le voil son tour invit cette anne-l par Niels Bohr dans son laboratoire Copenhague.

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Cest l quil rencontre pour la premire fois Gamow. Toujours lafft dides ori-ginales, le jeune Russe stait achet une moto surpuissante avec laquelle il entranait Teller, Landau et Bohr dans des chevauches endiables. Pour que le voyage soit plus saisissant, Gamow avait mme vid les pots dchappement, de sorte que la machine faisait un bruit denfer. Comment des liens pareils pourraient-ils tre un jour dtruits? Hlas, tout a une fin. En 1931, le visa de Gamow expire et il est contraint de retour-ner en URSS. Teller, lui, toujours attir par les mathmatiques, jette son dvolu sur luniversit de Gttingen, dont le flambeau, entretenu depuis une quarantaine dannes par lextraordinaire David Hilbert, brille toujours au firmament de la science. Deux annes dlicieuses dans les collines de Basse-Saxe o il rencontre les plus grands.

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Mais en 1933, tout bascule. Hitler arrive au pouvoir. Pour un Juif, vivre en Allemagne va vite devenir un cauchemar.

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Assez perdu de temps! Pour Teller, la seule solution est dans la fuite. Il sen est fallu de peu quil ne finisse broy dans les griffes des nazis. Quant Gamow, le climat nest gure plus enviable en Russie. Staline a progres-sivement limin tous ses opposants poli-tiques et il commence sen prendre aux intellectuels. Le jeune physicien sent que le rgime va se durcir et frapper en premier ceux qui, comme lui et ses amis, osent dfier le sacro-saint matrialisme marxiste. Sans demander son reste, il franchit le rideau de fer. La Russie est dsormais derrire lui et il ny retournera plus jamais. Condamn mort par les bolcheviques pour haute trahi-son, cest tout aurol de gloire quil arrive en 1934 luniversit George Washington. Il y dcroche trs vite un poste de professeur et, depuis, son toile ne cesse de monter.

Les deux jeunes savants se retrouveront en 1935, en Amrique. Gamow se souvient comme si ctait hier du jour o il a fait des pieds et des mains pour faire nommer ce jeune homme de vingt-sept ans professeur luniversit George Washington (avec le sa-laire royal de 5000dollars par an). Les deux

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immigrs ont troitement travaill ensemble jusquen 1941. Avec succs! Cest eux que lon doit la prcieuse rgle de Gamow-Teller, qui a permis llucidation des plus grands mystres de la radioactivit bta. Mais peu peu, Gamow a pris ses distances. Sans trop se poser de questions, son ami est entr dans lquipe du projet Manhattan. Il a mme fait suivre grands frais son piano dans le baraquement quil va occuper Los Alamos, au milieu du dsert. Et tout a ne plat pas Gamow. Dans son for intrieur, le jeune Russe nest pas favorable la bombe ato-mique. Le 16 juillet 1945, le sinistre engin de mort a explos pour la premire fois dans lhistoire humaine. 9 kilomtres de l, ensevelis au fond de leur bunker, les specta-teurs du dsastre ont t blouis par lclair atroce, malgr leurs paisses lunettes noires. Quarante secondes interminables se sont coules avant quils nentendent jusqu la moelle le grondement port par la dmen-tielle onde de choc. Pendant ce temps, len-tement, sans limites, en se tordant sur lui-mme, leffrayant champignon atomique a grimp vers les hauteurs bantes, plus de

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12 000 mtres, engloutissant tout dans les tnbres. Ce jour-l, livide, le regard brouill par les larmes, Robert Oppenheimer, le pre de lengin dtest, a balbuti les mots les plus terribles du Bhagavad-Gita, le pome sacr : Je suis la mort. Le destructeur des mondes.

Gamow grince des dents. Il y a encore pire. En aot1945, Hiroshima, la funeste bombeA tue dun coup 75000Japonais et rase entirement la ville ! Sur les 64 kilos duranium que contenait lengin de mort, un demi-gramme peine a t transform en nergie. Mais cela a suffi provoquer cette explosion de cauchemar!

Comment se remettre dune preuve pareille?

Tout en marchant dans lair matinal, les deux savants donnent de temps en temps des petits coups de pied aux marrons demi clats sous les feuilles. qui les enverra le plus loin. Teller suit, mal laise. Victime dun accident en Allemagne lge de vingt ans, il a t amput du pied droit et avance en claudiquant. Mais sil a fait leffort de venir de Chicago jusquici, cest quil a

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certaines questions poser Gamow. Des choses qui ne peuvent pas attendre. Car depuis quelques mois, le physicien hongrois sest lanc perdument dans ce qui allait de-venir la grande aventure de sa vie: la bombe hydrogne ! Une bombe mille fois plus puissante que celle dHiroshima!

*

Peut-tre est-ce en raison de cette sinistre ide fixe que le physicien Isidor Isaac Rabi, lui aussi dorigine hongroise et qui vient dobtenir le prix Nobel deux ans plus tt, en 1946, marmonne, furieux: Le monde serait meilleur sans Edward Teller! Peut-tre aussi se souvient-il que cest lui, Teller, qui en 1939 a servi de chauffeur aux deux physiciens Leo Szilard et Eugene Wigner (encore deux autres Hongrois!) pour rencontrer Einstein dans sa rsidence dt New York. eux trois, ils lont convaincu de signer la fameuse lettre qui a dcid le prsident Roosevelt lancer la fabrication de larme atomique. Quinze ans plus tard, dvast, Einstein dira quil regrette amrement davoir sign cette lettre. Pacifiste

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convaincu, Rabi mettra toute son nergie fonder le CERN (do mergera, bien plus tard, le clbre boson de Higgs) tandis que Teller dpensera la sienne jusquau bout de lui-mme dclencher le titanesque feu nuclaire.

En attendant, il en est encore loin. Pire ! Son modle est faux, ce qui est

sans doute lorigine du retard pris par les Sovitiques qui lont espionn et ont reco-pi aveuglment ses erreurs. Tout cela, Teller lignore. Mais Gamow, dont lintuition sur-plombe dune bonne tte celle de son ami, se doute que quelque chose ne va pas dans les calculs de son collgue. Les processus nuclaires nont que peu de secrets pour Gamow. Teller le sait et il sest jur de ne pas rentrer de sa promenade les mains vides. Peine perdue! Le Hongrois a beau le presser de questions, Gamow reste vasif, rpond ct et, agac, finit par hausser les paules. Dabord parce quil na aucune envie dclai-rer le chemin de son ami vers la bombeH. Bien au contraire. Mais aussi parce quil a autre chose en tte de bien plus important. Quoi donc? Il ne peut sempcher de serrer

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les poings denthousiasme. Car cest ce jour-l quest paru son fameux article dans la Physical Review. Et quel article ! Tout est dans le titre: Lexpansion de lUnivers et lorigine des lments1 . Pour la premire fois merge lide que loin dans le pass, plu-sieurs milliards dannes en arrire, lUni-vers tait chaud. Trs chaud. Des milliards de degrs. Et le scnario est dj l, dans cette seule phrase : Pour revenir notre problme de la formation des lments, lon voit que les conditions ncessaires pour les ractions nuclaires rapides nont exist que pendant un temps trs court. En effet, seu-lement quelques minutes aprs le Big Bang pour lhydrogne. Mais Gamow ne sarrte pas en si bon chemin. En filigrane apparat, l aussi pour la premire fois, lide dune trace laisse dans le ciel par cette formidable explosion primordiale. Le raisonnement de Gamow est simple. Si lUnivers rsulte bel et bien dune dflagration brlante lorigine, celle-ci a forcment laiss une empreinte visible quelque part ! Une lueur trs froide

1. 1. G. Gamow, Expanding Universe and the Origin of Elements , Physical Review, 70-572, 1946.

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doit subsister. Le fantme du Big Bang! Tout en coutant Teller dune oreille dis-

traite, Gamow calcule dans sa tte que la tem-prature de cette premire lumire doit tre denviron 7degrs au-dessus du zro absolu. Tandis quils rebroussent chemin, Teller se rend compte quil ne tirera rien de son com-pagnon de promenade. Et il ne saura jamais que cest ce jour-l, entre deux sentiers tapis-ss de feuillages, quest n le premier modle raliste du rayonnement fossile.

Deux ans plus tard, le 1eravril 1948, cette ide sera explicitement dveloppe dans le fameux article cosign par Gamow et son lve Ralph Alpher. Cette fois, tous les dtails y sont. Il ne restait plus qu obser-ver enfin la radiation primordiale pour tre vraiment certain que le Big Bang avait bel et bien eu lieu, sous la forme dune boule de feu, des milliards dannes en arrire.

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Cette preuve, Gamow lattendra pen-dant presque vingt ans. Entre-temps, Teller a russi faire exploser sa bombe

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hydrogne. Plusieurs fois, au dbut des an-nes1950, terr dans son bunker, le visage vid de son sang, le physicien hongrois a assist au dchanement dmentiel du feu quil a fait natre. Reste que la bombe donne une ide Gamow. Elle se comporte plus ou moins comme une sorte de Big Bang len-vers. Au lieu de dtruire lhydrogne, le Big Bang le fabrique ! Puisque, des mois aprs lexplosion, la radioactivit se fait toujours sentir, pourquoi nen irait-il pas de mme pour le Big Bang? Plus que jamais Gamow est certain que la trace fossile doit tre l, quelque part. Tout prs mme! On pourrait presque la toucher! Il le martle qui veut lentendre, dans ses cours comme dans les bars, entre deux verres de vodka. Et bien sr, il crit tout cela en dtail, dans ses articles et ses livres de vulgarisation.

Mais bizarrement, le flamboyant physi-cien a beau mailler ses exposs dexemples croustillants, multiplier les petites blagues et les rvlations choc, rien ny fait! Ses ides ne passent pas. Ni auprs de ses collgues ni mme auprs du grand public.

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Et cest tout le paradoxe. partir de 1948, la recherche de la premire lumire de lUni-vers aurait d dclencher une qute hale-tante. Mais cest loin dtre le cas. Les coups assens depuis Cambridge par Fred Hoyle, froce adversaire du Big Bang, commencent porter. On ne se bouscule plus aux conf-rences donnes par Gamow et ses lves, Alpher et Herman. Peu peu, la curiosit suscite par les ides du trio retombe. Dans la tranquille Amrique des annes1950, on pense de moins en moins au Big Bang. Tout compte fait, on prfre croire quaprs tout, rien ne bouge sous le soleil. Il est mme plus confortable dimaginer que lUnivers est ternel plutt que le contraire. Au fond, ces histoires de commencement (avec Dieu au milieu) compliquent tout. Rsultat : Gamow se dtourne peu peu de la cosmo-logie et finit par labandonner presque tota-lement vers la fin de la dcennie. Dsormais, cest vers la biologie que vont ses faveurs. Et Alpher? Il en a assez de lindiffrence de ses collgues. Sans parler de leurs mauvais jeux de mots sur le petit bang chaque fois quil dcapsule une bouteille de bire devant

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eux. Il va tourner le dos luniversit. Et au Big Bang. Quant Herman, il dserte les amphithtres et se lance dans lindustrie automobile, chez General Motors.

Pour les rares partisans du Big Bang, la fte semble finie. Les derniers lampions se sont teints dans lindiffrence.

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Pourtant, bien des annes plus tard, en 1964, le flambeau va se rallumer. O donc? L o on ne lattendait pas. Dans la loin-taine Russie, derrire le rideau de fer. L-bas, deux jeunes gens ils ont moins de trente ans nont rien oubli. Rien laiss au hasard. Ils ont lu et relu des dizaines de fois, ligne ligne, les articles de Gamow. Et ils se jurent de dmontrer que leur compatriote (quils nont jamais rencontr) a eu raison.

Mais leur serment ira encore plus loin que ce quils avaient prvu. Et va mainte-nant nous faire plonger dans linconnu.

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