Sciences et Univers

lundi 17 décembre 2007
par  Roland Benz
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Tableau des notions et des activités
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1.1 Espace et temps dans l’Univers

Avec le film « Les puissances de dix », nous avons pris conscience des différentes dimensions des objets de l’Univers. Les plus petits qui soient connus, les particules élémentaires, comme par exemple les électrons, ont des dimensions de l’ordre 10-16 m, voire 10-17 m pour les quarks, composants des particules élémentaires.

A l’autre bout de l’échelle, les plus grandes distances que l’on ait pu estimer sont de l’ordre de 1025 m, soit 1 milliard d’années-lumière [1]. Ce sont les distances auxquelles se trouvent les plus lointains objets observés : les amas galactiques [2]. Ces grandes distances correspondent, pour ainsi dire, aux confins de l’Univers, lequel est en constante expansion. Ce qui signifie que chaque galaxie s’éloigne des autres à des vitesses d’autant plus grandes que les distances qui les séparent sont grandes.

L’échelle des dimensions « observables » est donc dans un rapport de environ 10 41 entre les distances les plus petites et les plus grandes, et l’être humain se trouve situé quasiment au milieu de cette échelle.

Considérons maintenant l’échelle des intervalles de temps. Les événements les plus rapides que l’on puisse estimer sont de l’ordre de 10-24 s. C’est par exemple le temps que met la lumière pour traverser un noyau atomique. A l’autre extrémité de l’échelle figure l’âge
de l’Univers soit environ 1018 s ou 15 milliards d’années, dans la mesure ou l’on accepte comme valable la théorie - aujourd’hui bien confirmée - du « Big Bang » [3], qui stipule qu’il y a eu un commencement à l’Univers.

Il y a donc un rapport d’environ 1042 entre les temps les plus longs et les temps les plus courts. Les intervalles de temps qui concernent la vie humaine s’étendent entre 10-1 s (temps de réaction) à 109 s (durée moyenne d’une vie humaine). Ils se situent aussi quasiment dans le milieu de l’échelle du temps.

1.2. Les différentes sciences

En parcourant les échelles d’espace et de temps, on peut remarquer que ce sont, à tous les niveaux, des objets et des phénomènes très différents qui se présentent.

La physique couvre, dans son étude, l’ensemble de l’échelle des dimensions spatiales et de celle du temps. Toutefois, les phénomènes et les théories physiques propres aux domaines atomique et nucléaire ne sont pas les mêmes que ceux que nous connaissons aux dimensions de l’être humain. Il y a certes un lien entre eux. Par exemple, le comportement d’un gaz ou celui d’une étoile - comme le soleil - ne se comprend bien qu’à partir des théories sur les particules élémentaires. Mais la connaissance de ce qui se passe au niveau microscopique (petit) ne suffit pas à comprendre le comportement des corps au niveau macroscopique (grand). Ainsi la physique et la chimie ne sont pas en mesure d’expliquer complètement les organismes vivants. Un être vivant est bien un ensemble de molécules ou d’atomes, mais il n’est pas que cela !

Le domaine de la biologie est relativement restreint quant aux dimensions spatiales, bien que très complexe au niveau des phénomènes. Il s’étend de la dimension des enzymes soit environ 10-8 m aux plus grands animaux 101 m, voire aux dimensions de systèmes écologiques, comme les forêts ou les mers.

La chimie, elle, s’intéresse plus particulièrement aux dimensions de l’atome et de la molécule, soit entre 10-12 m et 10-8 m, même si le chimiste manipule des produits aux dimensions bien plus grandes.

À ce stade, une chose est à signaler. Plus les objets considérés sont petits en dimension, plus les énergies d’interaction mises en jeu sont importantes : il suffit de quelques centièmes d’électron-volt [4] (10-2 eV) pour détruire une cellule, modifier une macro-molécule ou l’état cristallin ou liquide d’une molécule. Ce sont des dixièmes d’eV (10-1 eV) qui interviennent dans les liaisons moléculaires (domaine de la chimie), et quelques eV (101 eV) pour la structure atomique (13.6 eV pour ioniser l’atome d’hydrogène). Les interactions au niveau du noyau atomique font intervenir des
énergies beaucoup plus élevées, soit 106 eV. Quant aux interactions entre particules élémentaires, elles se situent dans une tranche allant de 106 eV à 1012 eV.

Si l’on ne tient pas seulement compte des dimensions spatiales, mais également du temps, notamment des longues durées, des sciences ou des domaines d’études particuliers paraissent. Par exemple : la géologie, la météorologie, la paléontologie, la cosmologie, les théories de l’évolution des espèces en biologie...

D’autre part, les trois grandes sciences expérimentales, physique, chimie et biologie, se subdivisent en de multiples branches suivant les domaines d’étude et d’application.

Et les mathématiques ? Elles sont construites à partir de deux concepts de base issus de notre expérience : le nombre et l’espace (éléments géométriques). Mais elles ne constituent pas une science expérimentale. Élaborées au moyen des règles de la logique, elles sont une construction purement intellectuelle. Elles constituent aussi un langage qu’utilisent constamment les scientifiques, surtout les physiciens. Einstein, mais déjà Galilée, n’aurait jamais pu élaborer ses théories sans un outil mathématique très raffiné. Toutefois en biologie, à part quelques calculs, le langage mathématique ne semble pas être le plus adéquat, pour le moment du moins.

Une remarque importante à la fin de ce premier chapitre : les sciences expérimentales n’ont pas le monopole de la logique et de la rigueur intellectuelle. Les sciences humaines, comme par exemple les sciences économiques, le droit, la sociologie, la linguistique, la psychologie, la philologie, l’analyse littéraire, etc..., utilisent souvent d’autres méthodes de recherches, mais n’exigent pas moins de rigueur et d’imagination. D’une façon plus générale encore, toute démarche intellectuelle, tout discours humain, même le plus poétique, pour être compréhensible, doit faire preuve de cohérence.


[1La vitesse de la lumière vaut c = 3 × 10-8 m/s = 300’000 km/s, une année lumière, distance parcourue par la lumière en 1 année soit 9.46 × 1015 m, c’est-à-dire environ 1016 m.

[2Un amas galactique est un ensemble formé de plusieurs millions de galaxies, et chaque galaxie, comme celle d’Andromède ou de la voie lactée, (notre galaxie), comprend environ 100 milliards d’étoiles comme le soleil.

[3Sorte de super-explosion d’une concentration de très grande énergie.

[41 électron-volt = 1 eV (charge d’un électron multipliée par 1 Volt) soit une énergie de 1.6 × 10-19 joule.