Le grand tour

Bonjour

Je vous propose un voyage pour apprécier les dimention. Pour ce faire, nous allon explorer l'Univers en huit sauts, en débutant à l'échelle du noyau atomique, pour nous rendre jusqu'au confins de l'Univers observables.

- Du noyau atomique à l'atome (1 - sauts)
- De l'atome à l'échelle humeine (2 - sauts)
- De l'échelle humeine à la planète terre (3 - sauts)
- De la planète terre au système terre-lune (4 - sauts)
- Du système terre-lune au système solaire (5 - sauts)
- Du systéme solaire au soleil et alpha du centaure (6 - sauts)
- Du soleil et alpha du centaure a la voie lactée (7 - sauts)
- De la voie lactée au amas de galaxies et vide (8 - sauts)

Pour débuté notre voyage imaginon nous une fénêtre minuscule qui laisse voir un noyau d'oxigène. Un des élément chimique importants en astronomie. À chaque saut, on augmentra la largeur de notre fenêtre par le facteur approprié pour atteindre le niveau d'organisation suivant. Par exemple, pour passer de noyau atomique à l'atome lui-même, on doit grossir notre fénêtre imaginaire par un facteur dix mille. Puit, pour se rendre de l'échelle de l'atome à l'échelle humaine, on doit faire un saut immense d'un facteur un milliard. De même, le saut est d'un milliard entre l'échelle humeine et celle englobant la planète terre.

À partire de la quatrième fénêtre, on entre dans le domeine de l'astronomie proprement dite. De la terre au système terre-lune, le saut n'est que d'un facteur 10. Puis, en quatre sauts successifs d'un facteur 10 000 chacun, on passe au système solaire, au système d'étoiles le plus proche du soleil, alpha du centaure, à notre galaxie, la voie lactée, puis, finalement, à l'ensemble des millions de galaxies qui distribuent en amas et en filament séparés par d'immenses vide qui est la superstructure de l'univers.

DÉBUT DE NOTE VOYAGE


LE NOYAU ATOMIQUE

Notre première fénêtre imaginaire nous montre un noyau atomique. ll est utile de prendre le temps de comprendre les concepts reliés aux échelle nucléaire et atomique. En effet, plusieurs phénomènes astronomiques, en particulier la source d'énergie des étoiles, découlent de processus qui se produisent à ces échelles.

Ces le cas du phénomène bien connu de l'électricité. Le proton est une particule de charge électrique positive qui se trouve dans tous les noyaux atomiques. Le nom que les chimistes donnent à un noyau atomique est fonction du nombre de protons qu'il contient. Ainsi, tout noyau contenant 1 proton est un noyau d'hydrogène; tout noyau contenant 2 proton est un noyau d'héliume; 6 proton = Carbone; 7 proton = Azote; 8 proton = oxigène; 14 proton = siliciume; 26 proton = Fer; 92 proton = uraniume. Avec son noyau de 92 proton l'uraniume est l'élément le plus lourd qui se trouve dans la nature en quantités appréciables. Toutefois, on a réussi à produire en laboratoire des noyaux qui contiennent jusqu'à 106 protons; mais ces gros noyaux son instable et se désintègrent en une fraction de seconde.

La plupart des noyaux contiennent aussi des neutrons. Le neutron est pratiquement le jumeau du proton, sauf qu'il n'est pas chargé électriquement: il est neutre, d'ou son nom. Le neutron et le proton ont à peu près la même masse. ll y a environ dix mille milliards de milliards de proton et de neutrons dans une goutte d'eau!

d'après les principe élémentaire de l'électricité, il y a une force électrique entre des particules chargées électriquement. La force entre deux charges de même signe (deux charge positive et deux charge négative) est répulsive; entre deux charge de signe opposé, elle est attractive. Ainsi, tous les proton d'un noyau se repoussent mutuellement en raison de la force électrique. Mais alors, comment les noyaux peuvent-ils exister! Les neutrons ètant neutres, ils ne jouent aucun rôle sur le plan électrique. La stabilité du noyau est due à une autre force, que l'on nomme la force nucléaire. ll s'agit d'une force attractive qui agit indistinctement entre les proton et les neutrons et qui est environ 1000 fois plus intense que la force répulsive. C'est grâce à cette force que le noyau atomique, maintient sa cohésion.

Si la force nucléaire est beaucoup plus intense que la force électrique elle ne peut agir en revanche que sur des distences très courtes, contrairement à la force électrique, qui a une portée illimitée. Ansi, si on essayait de construire un noyau sensiblement plus gros que la largeur de la fenêtre de notre image, la force nucléaire ne pourait en maintenir la cohésion, et il se désintégrerait sous l'effet de la répulsion électrique.

Faisons un saut d'échelle d'un facteur dix mille. Le noyau atomique est maintenant invisible au centre de notre fénêtre, et nous apercevons un atome d'oxygène dans son ensemble. Un atome est un système composé d'un noyau central entouré de particules de charge électrique négative. les électrons, lesquels sont environ 2000 fois moins massifs que les protons ou les neutrons.

Si l'image que nous apercevons est floue, c'est que les électrons qui entourent le noyau ne sont pas des particules bien définies, mais plutôt des distribution diffuses que les physiciens appellent "" ondes-particules "" Cependent comme la dualité onde-particule des électrons n'est pas un aspect important dans l'optique de cette ouvrage, on pourra considérer dans ce qui suit que les électrons sont des particules dans le sens usuel du mot (petits objets localisés). Précisons en passant que toutes les particules fondamentales de la physique (proton, neutron, ect.) présentent la dualité onde-particule.

Les électron étant chargés négativement, ils sont attirés par la charge positive des proton du noyau. La charge de l'électron étant égale à la charge du proton, un noyau a tendance à capturer en orbite autour de lui un nombre égal d'électrons au nombre de protons qu'il contient. l'ens-
emble de l'atome est alors neutre. Ainsi, notre atome d'oxigène contient 8 électrons, s'il est neutre. Un atome n'est pas nécessairement neutre: si le nombre d'électrons ne correspond pas au nombre de protons, on qualifie l'atome d'ion.

Étant donné que les électrons sont 2000 fois mions massifs que les proton, la majeure partie de la masse d'un atome (environ 99,98%) se trouve dans son noyau. Or, le noyau est environ 10 000 fois plus petit que l'ensemble de l'atome, ce qui représente un dixième de milliardième de un pour cent de son volume: dans un modèle d'atome qui aurait les dimension d'un stade de base-ball, le noyau aurait la taille d'une balle de golf! Ainsi, chaque atome de matière contient un petit coeur massif entouré d'un vaste espace presque vide. Si on pouvait faire disparaître cet espace, on pourrait comprimer le matière de manière fantastique. Par exemple, si on enlevait tout l'espace vide qui se trouve entre les noyaux des atomes de la terre, notre planète, tout en conservant la même masse, aurait environ 1 KM de diamètre. c'est une réduction de taille d'un facteur 10 000.

Nous venon d'élargire la fénêtre par un facteur un milliard, et une image familire s'ofre à nos yeux: un verre d'eau contenant des glaçon. L'atome d'oxigçne est invisible au milieu de l'image. quelque part dans le haut du glaçon situé au centre.

En fait, cet atome d'oxygène fait partie d'une molècule d'eau. Une molécule est un regroupement de deux ou plusieurs atome liés par la force électrique. dans la molécule d'eau composée d'un atome d'oxygène et de deux atome d'hydrogène, le noyau de l'atome d'oxygène attire vers lui les électrons uniques de chaque atome d'hydrogène. Les chimistes écrivent la formule d'une molécule en indiquant le symbole de chaque atome présent, suivi d'un chiffre en indice qui représente son nombre.

À cette échelle apparaît la troisème grande force de la nature, la gravitation, ou force gravitationnelle. Elle se manifeste ici en maintenant l'erau à l'intérieur du verre. Quant à la force nucléaire, elle maintien ensemble la multitude de noyaux que contient le verre, mais elle passe inaperçur à l'échelle humaine. Pour ce qui est de la force électrique, elle continue de jouer un rôle de premier plan. En fait, à cette échelle, elle demeure la force la plus importante. C'est elle qui est reponsable de la cohésion du verre, de la solidité de la glace et de la fluidité de l'eau.

À la fenêtre précédente, nous avons vu que toute matière est faite essentiellement de vide. S'il en est ainsi, pourquoi un morceau de matière ne peut-il pas traverser un autre morceau de matière, à la manière d'un fantôme! et qu'est-ce qui permet à un morceau de quasi-vide de tenir ensemble! Dans les deux cas, il s'agit de la force électrique. Les parties positives d'une molécule peuvent attirer les parties négative d'une autre molécule et former des lien attractif. Ces liens sont responsables de la cohésion de la matière et de la solidité qu'on les objet de la vie de tous les jours.

A SUIVRE

Un autre saut d'un facteur un milliard et nous pénétrons enfin dans l'espace. On y aperçoit notre planète, le terre, dans sa totalité. La verre d'eau, bien qu'invisible à cette échelle, se trouve toujour en plein centre de l'image!

ll est intéressant de remarquer que le saut est à peu près le même entre l'atome et l'échelle humeine qu'entre celle-ci et l'échelle planétaire. Sur l'échelle des puissance de 10, le monde humain se situe donc à mi-chemin entre un atome et une planète. Ainsi, si on grossisait un objet de la taille de la fénêtre 3, dison une orange, jusqu'à la taille de la terre, chaque atome de l'orange initiale aurait à peu près la taille d'une orange.

La force électrique dominerait les phénomène de la fenêtre 3. À partir de la fen^tre 4, c'est la force gravitationnelle qui domine à tout les échelles. Paradoxalement, la gravitation est de loin la force la mions intense. Si elle finit par l'emporter sur les autre forces, c'est par défaut. On a déjà mentionné que la portée de la force nucléaire est très petite; elle ne compte donc pas ici. En revanche, la force électrique et la force gravitationnelle ont toutes deux une portée illimitée. Si la force électrique cesse d'être important à partir de l'échelle planétaire, c'est parce que les objets de taille astronomique (comme les plnanètes ou les étoiles) sont électriquement neutre: ils contiennent autant de charge positives que de charge négatives; les force électrique attractives compensent les forces électrique répussives, et l'effet net est nul. En revanche, la gravitation est seulement de nature attractive, et elle est produite par tout masse. Plus la masse d'un objet est grande, plus la forc gravitationnelle est grande. Ainsi, à partire de l'échelle planétaire, la gravitation règne en maître incontesté.

Lorsque la gravitation domine, les objet ont tendance à adopter la forme la plus compacte possible, celle d'une spère. Considérons le cas illustré, notre Terre. Le relief terrestre - montagnes et vallées - est imposant pour des créature de notre taille, mais, à l'échelle de la planète, il s'agit de plissement négligeable; en fait, proportionnellement, notre planète est plus lisse qu'une boule de billard!

A SUIVRE POUR L'IMAGE







A vec un saut d'un facteur de 10 par rapport à la fénêtre précédente, la terre n'est plus qu'un point, et on aperôit l'orbitte de la lune, le seul satellite naturel de la terre. La ligne. Au tournant du troisème millénaire, cette fénêtre correspond aux limites qui ont été explorée directement par des ^tre humains à bord de vaisseaux spactiaux. Et dire qu'il ne s'agit en quelque sorte que de la cour arrière de notre planète!

Si, d'un point de vu astronomique, la lune est située dans notre cour arrière, il en est autrement à l'échelle humaine. S'il y avait un autoroute entre la terre et la lune et qu'on y roulait jour et nuit à 100 Kilo/h, le voyage durerait presque que 6 mois! Les capsules Apollo ont pu atteidre la lune en quelque jours parce qu'elle voyageait à plusieur kilomètre par seconde.

Aussi bien s'y faire tout de suite: l'espace est extrêmenr vide, et les distance entre les objets astronomique sont de manère général extrêmement grandes par rapport à la taille de ceux-ci. Le cas de la terre et de la lune n'est même pas un cas extrême, car on peut assez facilement représenter à l'échelle leurs diamètres et la distance qui les sépare dans les limites d'une feuille de format courant.