Du Big Bang au Cerveau

Le photon   g 

Le Photon est la particule élémentaire originelle associée à un grain de lumière définie par un quantum d'énergie   E = hn   proportionnelle à la fréquence   d'une onde qui a une vitesse de propagation dans le vide toujours constante    c = 300.000 km/s     et une masse nulle.



Après l'exposé des théories physiques fondamentales dans leur complexité pour aborder l'évolution et une conclusion sur le temps et la simplicité de la Thermodynamique autour de la causalité il nous reste à voir toute la simplicité incluse dans l'origine du photon.

On rapelle que le principe de causalité énonce que tout fait a une cause, et que les mêmes causes dans les mêmes conditions produisent les mêmes effets. Il existe des causes premières à priori et ce seront des principes de base. Ces principes permettent de construire une théorie scientifique causale qui énonce un rapport de cause à effet à partir d'un minimum d'axiomes et de théorèmes déduits de propositions qui en découlent.

Les premières constatations scientifiques de base sont l'invariance des mesures de longueurs et du temps dans l'espace vide (ce qui suppose aucune interaction extérieure) au repos. L'espace temps est supposé uniforme et identique où que ce soit. La conséquence en est le théorème de Noether. 

Le théorème de Noether démontre bien ce rapport de cause à effet au niveau originel permettant de développer les différentes mécaniques.

Le théorème de Noether exprime l'équivalence qui existe entre les  lois de conservations et l'invariance des lois physiques  en ce qui concerne certaines transformations (typiquement appelées symétries).

Une remarque s'impose déjà avec l'invariance du temps dans l'espace uniforme qui entraine la loi de conservation de l'énergie. Temps et Energie sont fondamentalement liés. C'est ce que l'on retrouvera dans la relation de Nash et qui précise ce qu'est le temps.                                   

Les mesures de dimension et du temps s'effectuent avec comme étalon le photon comme on l'a déjà vu et précisé. Et, où que l'on soit dans l'espace il nous fournit une même valeur de la seconde et du mètre à partir de sa vitesse. Ces deux quantités étant invariantes indépendant du lieu et du temps.

Ceci se traduit dans la précision des mises à jour en 1983 des définitions même des unités de mesures à partir d'un photon d'un atome de Césium.

La seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes T de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux hyperfins F=3 et F=4 de l’état fondamental ⁶Cs_½ de l’atome de Césium 133.   

Le mètre est la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 de seconde à la vitesse constante c=299792458 m/sec.  

Cette radiation unique à la base de ces deux définitions est le photon. C'est un grain d'Energie  E = hn de fréquence n  avec h= 6,6260700400.10^-34Joule.sec .    Le photon n'a pas de masse et a toujours cette même vitesse ou célérité c.

Ceci permet une précision des mesures à 10^-12 près par extrapolation.

Notre axiome unique de départ de l'évolution est ici l'existence supposée d'une énergie initiale constituée pratiquement de Photons après un passage complexe et chaotique à travers une période d'inflation...où je suis dépassé. Les photons seront ensuite regroupés majoritairement en une densité totale d'énergie et en suivra une ère radiative qui s'imposera avant et avec la création de matière.

On se retrouve alors à un point Zéro vers l'instant t₀= 10^-12 secondes de notre ère où tout l'Univers pourrait être résumé et mesuré en un seul paramètre originel qui serait une énergie globale que nous pouvons concidérer comme étant un paquet de photons originels à la température moyenne de T₀= 10¹² °K degrés absolus E= k_BT dans un espace grand comme disons un système solaire.....

Ce que je fais là c'est aborder le problème de l'évolution de l'Univers plus sous une forme culturelle de compréhension globale, que purement scientifique, en tenant compte des incertitudes des mesures Physiques. Cette incertitude est évaluée à environ 10^-12 c'est à dire 12 chiffres significatifs 123456789012 qui situe l'origine à l'instant  0,000000000001seconde  après le Big Bang.

Schéma de la Diffusion d'un Photon sur un électron au repos

 C'est presque un grain d'énergie ondulatoire d'où sa représentation. 

Représentation d'un photon.

Le Photon est la particule élémentaire à l'origine de toute l'évolution de l'Univers. Il a un effet surtout ondulatoire caractérisée par une longueur d'onde   l = c.t    pour une période  t  et une très faible interactions inter photons.

On peut considérer que l'Univers à l'instant  10^-12s  est le point Zéro à 10^-12 près.

A ce moment initial l'Univers peut presque être considéré comme un ensemble simplifié à  un amas chaotique de photons dans un espace ayant les dimentions du système solaire actuel. Cette dimension est déduite à partir de son expension régulière de l'Univers pendant les 13,8 milliards d'années suivantes pour ateindre ses dimensions actuelles. Actuellement cette vitesse d'expansion serait environ de 68 km/s. Elle est déduite par décalage vers les grandes longueurs d'onde des raies spectrales et de l'ensemble du spectre telles que mesurées ci dessous.

Expansion de l'Univers qui gonfle comme une éponge avec le temps.

La métrique de l'Espace-Temps est un invariant s² = x² +y² +z² +(it)² = x² +y² +z² – t² (distance diagonale d'un cube obtenue avec le théorème de Pythagore de la somme des carrés des cotés).  Les variations de s sont nulles  Ds² = 0.   

Il en résulte que le segment de longueur au carré x² + y² + z²  de l'Espace se projette sur l'axe de la quatrième dimention le temps sur le segment  t².

Le Temps n'est donc que la mesure des variations des dimensions de l'Univers.

Il suit et accompagne les transformations qu'il mesure.

C'est une mesure de la perception des changements. 

Remarque sur la célérité du photon:

Tous les photons vont tous à la même vitesse c = 300.000 km/s dans le vide quelque soit la vitesse du repère, de l'émetteur, où de l'observateur, lorsqu'on effectue les mesures. Il y a là une contradiction avec la mécanique classique Galiléenne. C'est un véritable non sens et cet invariant imposera le développement de la physique relativiste moderne.

C'est un axiome vérifié expérimentalement sans autre explication.  C'est comme ça.

Remarque sur la distribution des photons:

C'est au départ le résultat de mesures qui est à est la base des développements de la physique des quanta du vingtième siècle. Ce sont ces courbes qui ont imposées la forme de la formule du rayonnement   L(l)   ci dessous sans autre explication que ça marche.  Si on utilise des unités logarithmiques pour représenter ces courbes loin du sommet on obtient pratiquement des droites qui permettent de préciser l'expression de l'exponentielle en fonction de l et de T.

La loi empirique de Planck se vérifie et s'impose expérimentalement mais ne se démontre pas.

Elle est formulée en 1900 bien avant la mécanique quantique qu'elle permet de développer vingt ans plus tard et décrit la répartition de l'énergie électromagnétique (ou la répartition de la densité de photons) rayonnée par un corps noir.

Rayonnement d'un corps noir.

Cette distribution exponentielle d'énergie appartient à la famille des distributions statistiques à l'équilibre thermique, telles que la distribution de Bose–Einstein, la distribution de Fermi–Dirac et la distribution de Maxwell–Boltzmann vérifiées expérimentalement.   D'un point de vue strictement théorique, il ne faut la considérer que comme une application de la distribution de Bose-Einstein. Elle mérite tout-de-même sa place au classement, du fait à la fois de son antériorité, du génie de la démarche et de son apport historique (et pas uniquement pour la physique statistique) et de sa large diffusion (car très utile en thermique, et cela même pour l'étude d'un système à l'échelle macroscopique).

Cette expression intervient dans l'expression du  rayonnement  sous forme d'une exponentielle d'un rapport d'énergie.

hc / (lk_BT) =  hn / k_BT 

où intervient l'énergie du photon hn relativement à l'énergie moyenne caractérisée par la Température T de l'ensemble des photons.

Ce paquet primitif de Photons à la Température initiale T = 10¹² °K va diffuser naturellement dans toutes les directions et s'étendre . Cette expension naturelle du volume dûe à la vitesse constante des photons entraine une diminution de leur densité et donc de la Température moyenne T.

On a donc un Univers d'une énergie totale Q constante qui s'étend dans l'espace et dont la Température T diminue.

Cette extension est due à une augmentation du rapport  Q/T  qui mesure l'Entropie du système dont les dimensions sont proportionnelles au temps t.

L'Entropie et le temps sont proportionnels et croissent avec l'Expansion.

Cette extension inéluctable du paquet originel de photons et la baisse de température qui en résulte va entrainer une cascade de condensations qui crée toute la matière avec sa masse et ses charges électriques et avec les forces d'attraction électromagnétique et gravitationelle ce qui régulera la vitesse d'extension initialement proche de celle de la vitesse de la lumière dans l'inflation initiale et qui décroit après l'apparition de la masse suite au boson de Higgs.

Le boson de Higgs, quantum du champs de Higgs, confère une masse non nule aux bosons de jauge de l'interaction faible, leur conférant des propriétés différentes de celles du boson de l'interaction électromagnétique des photons qui n'ont pas de masse.

Cette particule élémentaire, le boson de Higgs, constitue l'une des clefs de voûte du modèle standard de la physique des particules. Elle a été découverte le 4 Juillet 2012 au CERN avec une masse de 125 GeV⋅c^-2 après sa prédiction par Higgs  (ce qui correspond à une température de l'ordre de 10¹³ °K) ce qui est cohérant avec l'ordre de grandeur de la température où l'énergie doit se condenser en matière.

Condensations en cascade de l'énergie en matière.