dimanche 1 novembre 2009

D'un monde à l'autre

Beaucoup d'ouvrages de vulgarisation scientifique s'extasient devant l'infinité du monde : l'infiniment petit, grand, énergétique, etc.

Les ouvrages de vulgarisation scientifique sont souvent l'occasion de s'extasier devant l'immensité du monde. On nous fait rêver à coup de millions et de milliards... Pensez-y : la lumière fait plus de 7 fois le tour du monde en une seconde ! Un atome est un million de fois plus petit qu'un grain de sable, qui doit donc en posséder quelque milliers de milliards... Une galaxie mesure quelque 100 années lumières, elle contient des milliards d'étoiles. L'étoile la plus proche du soleil est à quelques années lumières, soit quelques milliers de milliards de kilomètres. Tout ceci est épatant.
On insiste souvent avec emphase sur le côté inconcevable de ces grandeurs, dans l'infiniment petit comme dans l'infiniment grand. J'aimerais pour ma part faire l'inverse et essayer de ramener tout ceci à quelque chose de parfaitement tangible.
Commençons donc par mesurer l'étendu de ce qui nous est concevable. Nous pourrions dire que notre monde sensible se situe à une échelle qui va du dixième de millimètre (un grain de sable fin, une poussière) au dixième de kilomètre (distance à laquelle on distingue nettement un être humain). Bien sûr nous voyons bien plus loin que ça, nous voyons les étoiles, mais c'est dans cet intervalle que les longueurs revêtent un aspect concret. En deça du grain de sable et au delà de la centaine de mètre, nous en avons une conception légèrement plus abstraite.
Nous sommes donc capables de concevoir de manière très concrète des distances qui diffèrent d'un facteur 1 million. Ce facteur qui semble déjà énorme est en fin de compte tout a fait tangible. Or on trouve exactement le même rapport entre la taille d'un atome de carbone et celle d'un grain de sable fin...

Ceci signifie basiquement que si nous étions un millions de fois plus petit, l'atome nous serait perceptible : il mesurerait la taille d'une poussière. Les petites molécules organiques, comme les sucres ou les acides aminés (qui sont en quelque sorte les matériaux de base du vivant) seraient pour nous de l'ordre du millimètre.
Les molécules un peu plus grosses, comme les brins d'ARN, les protéines et les enzymes (les ouvriers chimistes du vivant) mesureraient quelques millimètres en général, parfois plus d'un centimètre, la taille de petits insectes. Les virus sont également de cet ordre de grandeur, ainsi que les transistors de nos ordinateurs, avec en général quelques centimètres.

Les liquides comme l'eau ne nous apparaitraient pas liquide : ils seraient composées de petites molécules à peine plus grosses qu'un atome séparées entre elles chacune de plusieurs millimètres, et de même les gaz comme l'air seraient composés de molécules séparées de quelques centimètres.

A un niveau supérieur nous avons les bactéries et certains organes cellulaires, comme les mitochondries - ils auraient la taille de gros animaux, de l'ordre du mètre. Enfin les cellules, les usines du vivant, pourraient avoir une taille allant du mètre à plusieurs dizaines de mètres, soit la taille typique pour nous de différents types d'habitats. Notre grain de sable, lui, aurait la taille d'une petite colline...

Voici un lien intéressant qui devrait nous permettre de mieux imaginer tout ceci : http://learn.genetics.utah.edu/content/begin/cells/scale/

Nous voyons que le monde microscopique est tout a fait appréhendable. Par contre il ne faut pas s'imaginer qu'il soit semblable au nôtre. Il est bien sûr totalement différent. Les textures de chaque choses d'abord, puisque même les composés des gaz et des liquides seraient perceptibles. Peut être est-ce que ça nous donnerait l'impression que l'espace y est plus rempli ? En même temps l'opacité n'aurait pas le même sens, ni même sans doute la vision, puisque nous pourrions constater de quelle manière la lumière est absorbée ou émise par les molécules et les atomes au cours de réactions particulières, mais la plupart du temps les traverse.
Les forces en jeux seraient également différentes. Puisque nous sommes un millions de fois plus petit, supposons que le temps s'écoule un millions de fois plus lentement. La gravitation nous serait imperceptible : elle serait un million de fois plus faible. Fini les objets qui tombent : tout flotte plus ou moins dans l'infiniment petit... Par contre les forces électromagnétiques d'attraction et de répulsion, qui s'annulent globalement entre elles à notre échelle, seraient prédominantes.
On verrait souvent des objets en traverser d'autre, certains se combiner ou se casser puis se réparer, libérant de l'énergie et en absorbant sous forme de photons... Et puis bien sûr, aux petites échelles, nous verrions les effets quantiques. Il serait en fait difficile de déterminer exactement où se situent les atomes et quelle est la forme exacte des molécules...

Choisissons d'appeler un "monde" les objets qui se situent à une échelle donnée, avec un rapport de 1 million entre la plus petite et la plus grande distance envisageable. Nous venons d'explorer le monde microscopique. Passons maintenant à l'échelle supérieure. Le "monde d'au dessus" est un million de fois plus grand : c'est le monde de la planète. Ses distances vont de la centaine de mètre à 100 000 kilomètres, soit 10 fois le diamètre de la terre. Il est gouverné principalement par les forces géologiques et climatiques, l'érosion, la dérive des continents, sur une échelle de temps plus lente... Il nous est très familier puisque nous visionnons souvent des cartes du monde. Une ville ou une forêt y mesure quelque millimètres et un massif montagneux ou une mer peut aller jusqu'à quelques mètre.

Combien de "mondes" existent dans l'univers ? Si le monde "0" est le notre et le monde "-1" celui de la chimie, alors le monde "-2" serait le monde subatomique, celui des particules élémentaires. Si nous considérons la longueur de planck comme la plus petite longueur possible, il doit également exister un monde "-3", un monde "-4" et un monde "-5". Tous ces mondes sont quasiment inexplorés. Dans l'autre sens : le monde "1" est celui de la planète, le monde "2" est celui du système solaire, le monde "3" est le monde intra-galactique et le monde "4" a la taille de l'univers observable.

Voici de nouveau un lien qui peut nous aider à visualiser tout ceci : http://www.youtube.com/watch?v=17jymDn0W6U&feature=player_embedded


En fin de compte l'univers devient à peu près intelligible si on le découpe en 10 échelles différentes.

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