BOSON, BIG BANG ET ÉVOLUTION - HORS SÉRIE
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Bimestriel, ne paraît pas en août et septembre | HORS-SéRIE – AVRIL 2014 | éditeur responsable : Guy Severs – av. Latérale 17/1 – 1180 Bruxelles | Dépôt : Bruxelles X | N°d’agréation : P501094
boson, big bang e t é voluti
HORS
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SéRIE
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BC 10390
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1099 Bruxelles X
Belgique – België
E S I 2 0 1 s
5i nte r n at i onal
expo-scienc e
s 1 9 - 2 5.07.2015
b ru s s e l
M E E T IN G S
S IZ E D F O R
L’ESI 2015, sous le parrainage du Premier Ministre, Elio DI RUPO
préface
La remise du Prix Nobel à notre compatriote François Englert, fin 2013, fut un événement
particulièrement heureux. Heureux pour ce scientifique d’exception, bien sûr, mais heu-
reux également pour toute la communauté scientifique de Belgique. Cette consécration est
aussi une reconnaissance de la qualité de nos chercheurs, scientifiques et professeurs. Elle
constitue un formidable encouragement pour tous ceux qui pensent, et ils ont mille fois rai-
sons, que la science est indispensable au progrès humain.
La science, c’est énormément de travail et de rigueur. Mais c’est aussi la jubilation de com-
prendre les phénomènes et d’être à la source des changements, modestes ou majeurs, qui
feront avancer l’humanité. Je tiens donc à féliciter les Jeunesses scientifiques de Belgique
pour leurs efforts de pédagogie et de sensibilisation.
Notre pays aura toujours besoin de nouveaux talents et de nouvelles vocations. Étudiants,
chercheurs et jeunes scientifiques, vous représentez l’avenir de disciplines et de techno-
logies vitales pour notre développement et notre prospérité. C’est par notre capacité d’in-
venter sans cesse de nouvelles solutions que nous maintiendrons notre rang dans le monde
et notre grande qualité de vie. Dans de très nombreux domaines, qu’il s’agisse notamment
de physique, de biologie, de chimie, de médecine, d’informatique, d’aéronautique, d’archi-
tecture ou encore d’environnement, la plus-value scientifique et technologique fera demain
toute la différence. Si la compétition économique mondiale est rude, nous détenons, avec
nos chercheurs, un atout décisif.
Nous devons donc continuer à investir dans la recherche et le développement. La Belgique
participe activement aux projets des grandes institutions européennes, comme l’Agence
spatiale européenne (ESA) ou l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN),
Le Gouvernement fédéral soutient également les chercheurs. Nous avons par exemple faci-
lité leur embauche, qui coûte désormais moins cher pour les entreprises et les institutions.
De telles mesures sont résolument tournées vers l’avenir : en investissant dans ses talents
scientifiques, la Belgique investit dans l’économie créative de demain, celle qui nous per-
mettra de conquérir des marchés, de créer de l’emploi et d’assurer le bien-être de tous.
Je terminerai en lançant une fois encore un appel à tous nos jeunes : allez vers les sciences,
faites l’effort de dépasser vos craintes et découvrez le monde fabuleux de la connaissance.
Quelle que soit la discipline choisie, quelle que soit l’orientation privilégiée, vous vous
ouvrirez une voie royale vers un métier passionnant et gratifiant. Vous inscrirez alors vos
pas dans ceux de François Englert – qui est par ailleurs Président d’Honneur des Jeunesses
scientifiques – et de toutes ces personnalités éminentes qui depuis des siècles rendent notre
monde plus intelligible et surtout plus habitable. Opter pour les sciences, c’est façonner
notre avenir à tous !
Elio Di Rupo
Premier Ministre
3
biographie
Deux vies, une passion commune
Robert Brout et François Englert ont connu rationnelle de l’Univers qui ne saurait être révolutionnaire de la physique. En témoigne
de tendres jeunesses assez différentes. cloisonnée en domaines séparés » [2]. Jean-Marie Frère, actuel directeur du ser-
Scolarité de qualité mais adolescence diffi- vice de Physique théorique qui fut, au début
cile pour le jeune Englert. Ses parents juifs Robert Brout, amateur d’arts, ayant épousé des années 70, l’élève de François Englert
polonais ont eu la bonne intuition de s’éta- une Européenne, quitte les USA pour goûter à et Robert Brout [3] et aussi le moniteur de
blir en Belgique mais François a été caché la culture européenne et poursuivre sa colla- physique de l’auteur de cet article, aux Jeu-
pendant la seconde guerre mondiale sous boration avec son collègue et grand ami. Dès nesses scientifiques, au Centre Pour l’étude
l’attention bienveillante des parents qu’il 1961, leurs idées sur « le mécanisme de bri- de la Nature à Sivry,
ne verra plus qu’épisodiquement. sure spontanée de symétrie et son applica-
tion en théorie des particules élémentaires » La décennie 70 va, entre autres, les amener
Ensuite les études universitaires : à l’Univer- prennent de la consistance et, trois ans plus à développer quelques belles idées en cos-
sité Columbia pour Robert Brout qui obtien- tard, toute la cohérence de leur théorie sera mologie et à proposer des scénarios permet-
dra son doctorat en 1953. Expert en physique publiée dans la revue « Physical Review Let- tant de certifier scientifiquement que notre
statistique, il sera professeur associé à l’ Uni- ters ». Avant et indépendamment de Higgs, Univers a une belle et longue histoire. Cela
versité Cornell, où on rencontrait de grands ils ont proposé un mécanisme permettant de leur permettra avec Edgard Gunzig d’obte-
noms de la physique, par exemple Hans Bethe donner de la masse aux particules. Ce méca- nir le premier prix de la GRAVITY RESEARCH
(prix Nobel) qui a collaboré avec Richard nisme implique un champ avec des bosons FOUNDATION.
Feynmann, autre personnalité intense de la associés : c’est la théorie BEH.
physique théorique [1]. Dans les années 80, Englert et Brout créent,
Les belles avancées de leur travail scienti- à la Faculté des sciences de l’Université de
François Englert fera, à l’Université Libre de fique, mai 68, … amènent nos deux qua- Bruxelles, un nouveau service : celui de
Bruxelles, des études d’ingénieur avant de dragénaires à développer un enseignement
se consacrer à la physique théorique. Il fera
une thèse de doctorat en physique statistique
sous la direction du physicien Pierre Aigrain. FRANCOIS ENGLERT EXPLIQUE LE MéCANISME DE « BRISURE SPONTANéE DE SYMéTRIE »
C’est ce dernier qui va recommander le jeune
docteur François Englert au jeune professeur Considérons cette analogie : une table ronde est dressée de telle sorte que chaque verre
Robert Brout. se situe à égale distance entre chaque assiette. Or les convives sont ambidextres : pour
eux, se saisir d’un verre, plutôt que d’un autre, revient au même. L’ensemble forme un
Ensuite, il n’est pas évident de dissocier les système parfaitement symétrique. Pourtant, si une personne choisit de prendre le verre
biographies de Robert Brout et de François placé à sa droite, les autres devront faire de même pour disposer de leur propre verre.
Englert. La physique fut leur passion com- Ce résultat est le fruit du hasard. Et c’est exactement ce qui se produit dans les phéno-
mune. Ainsi donc, à partir de 1959, Brout et mènes physiques de brisure spontanée de symétrie. Ils se manifestent notamment dans
Englert travailleront ensemble pendant près les ferromagnétiques tels que le fer ou le nickel. Ces matériaux sont constitués de petits
d’un demi-siècle. D’abord sur des problèmes aimants microscopiques qui ont tendance à s’aligner parallèlement les uns aux autres. À
de physique statistique ensuite sur la « théo- haute température, ils s’orientent toutefois dans toutes les directions de l’espace sous
rie des champs » qui applique les concepts l’effet de l’agitation thermique. Lorsque la température diminue en dessous d’une valeur
de la mécanique quantique aux particules seuil, les aimants s’alignent dans la même direction et le matériau devient aimanté. Si le
élémentaires. Et ainsi, les deux grands amis matériau est suffisamment grand pour que les effets de surface soient négligeables et si
n’arrêteront pas d’explorer une multitude celui-ci n’est soumis à aucun champ magnétique extérieur, il est impossible de détermi-
de domaines de la physique car ils la consi- ner quelle sera cette direction : il suffit que deux aimants microscopiques interagissent
dèrent comme « une tentative d’intelligibilité et s’alignent pour que tous les autres fassent de même. Et la brisure de symétrie est bien
spontanée, car indépendante de toutes considérations énergétiques. Voir [2]
4
« Physique théorique » qui, depuis, a formé scientifiques prestigieuses et, ainsi, décro- de sa vision de l’enseignement des sciences
une belle jeune génération de physiciens. cher bon nombre de distinctions internatio- de la maternelle à l’université et, en particu-
nales. Le Nobel de physique a été attribué lier, des méthodes d’apprentissage du raison-
Pourtant, en 1982, dans son discours, lors en octobre 2013. Grande satisfaction pour le nement dans l’abstrait.
de la remise du Prix Francqui — le « Nobel Baron Englert mais tempérée par une grande
belge » —, on ressent de l’inquiétude chez tristesse due à la perte, en 2011, de son ami
François Englert : et complice.
Tout notre travail s'insère dans la perspec- Christian Vandercammen
tive générale du développement des connais- Quoi qu’il en soit, François Englert a multiplié
sances dont le champ d'application ne cesse les nouveaux défis : implications de l’exis-
de s'élargir. Mais j'éprouve un certain malaise tence du boson BEH dans d’autres chapitres
en terminant mon propos, parce que je crains de la physique des particules et de la cosmo-
qu'il ne contribue à entretenir l'illusion
que mon pays puisse participer longtemps
encore à ce développement et puisse béné-
ficier des résultats qui en découleront. Dès
lors, je ne puis taire, par un silence complai-
sant, la crainte précise que j'ai de voir mon
pays dépasser le point de non-retour vers un
sous-développement scientifique durable.
Le départ à l'étranger de presque tous les
jeunes chercheurs de grande valeur a réduit
notre potentiel de recherche fondamentale
en raison inverse de la médiocrité qui s'ins-
talle à l'intérieur de nos institutions scienti-
fiques. Il faut voir, dans cette dégradation
culturelle, non pas le résultat direct d'une
réduction de crédits disponibles, mais plutôt
celui de l'incompétence et du manque de cou- logie (antimatière, matière noire,…) en pas-
rage d'organismes de décision qui n'ont pas sant par la structure mathématique des virus.
pu sélectionner les nominations par le seul Ses préoccupations ne manquent pas. Mais le [1] « Quand un photon rencontre un électron :
critère qu'une institution de niveau universi- temps… oui ! Feynmann et l’électrodynamique quan-
taire soit en droit de prendre en considéra- tique », Miguel Angel Sabadell, Grandes
tion : la qualité. Vous savez, je n’ai pas l’habitude de recevoir idées de la Science, RBA, Paris, 2012.
le prix Nobel. Cela demande beaucoup d’or-
Cette réflexion pertinente a porté ses fruits, ganisation pour pouvoir répondre à de nom- [2] « Comment nous avons découvert le boson
dans une certaine mesure, puisqu’on constate breuses sollicitations et de gestion de la vie de Higgs ? », Entretien de François Englert
un regain d’activités dans les labos avec, quotidienne. dans « La Recherche » n°419, Mai 2008.
même, un certain retour d’exilés.
Nous lui en sommes que plus reconnaissants [3] « Des études à la recherche avec Robert
Pendant près de 20 ans, même arrivés à d’avoir pris en charge, depuis mars 2013, une (Brout) et François (Englert) », Jean-Marie
l’éméritat, Englert et Brout vont multi- Présidence d’Honneur des Jeunesses scien- Frère, www.ulb.ac.be/sciences/physth/
plier leurs publications dans des revues tifiques. Nous espérons beaucoup apprendre
5
explication
AGENDA
le boson de brout-englert-higgs
en quelques mots
La matière est constituée de particules dites Bien ! Et le boson BEH dans tout cela ? En conclusion…
élémentaires : les leptons et les quarks for-
mant la famille des fermions (d’après le nom Avant les prédictions théoriques de Brout, En 1964, Brout, Englert et Higgs décrivent
du physicien italien Enrico Fermi). Englert et Higgs, en 1964, les physiciens n’ar- un mécanisme dit « de brisure spontanée
rivaient pas à expliquer la masse des par- de symétrie » [3] permettant non seulement
Quand les particules interagissent, elles le ticules. Par masse d’un objet, on entend d’unifier deux interactions fondamentales,
font par des forces qui résultent de l’échange aujourd’hui, ce qui s’oppose à son change- la nucléaire faible et l’électromagnétique,
de particules médiatrices que l’on appelle ment de vitesse, en intensité ou en direc- mais aussi d’expliquer l’origine de la masse
bosons (d’après le nom du physicien hindou tion (la vitesse est un vecteur). des particules supposant l’existence d’une
Satyendranath Bose). particule médiatrice, le boson BEH, liée à un
La théorie de nos trois physiciens prévoit champ BEH. Le boson BEH a été décelé au
Par exemple, deux électrons se repoussent que, juste après le Big Bang, aucune parti- LHC du CERN, ce qui a valu à François Englert
par la force électromagnétique dont le boson cule n’avait de masse. On est à t = 10-10 s et et Peter Higgs le prestigieux Nobel de phy-
médiateur n’est autre que le photon (noté γ). à une température de l’ordre de 1015 degrés. sique. Cette découverte a suscité beaucoup
d’enthousiasme car elle rend notre Univers
L’Univers en expansion se dilate, la tempé- plus compréhensible sur un plan fondamen-
rature diminue. En dessous d’une tempéra- tal mais aussi parce qu’elle met en relief des
ture critique Tc, se forme un champ et des qualités humaines remarquables : l’imagina-
particules associées : les bosons BEH (voir tion, le pouvoir prédictif, la ténacité, l’au-
l’excellent article de la revue COSINUS [1]). dace et tout bêtement l’intelligence !
C’est de l’interaction entre ce champ réparti
partout dans l’espace que les particules vont
acquérir de la masse.
Christian Vandercammen
Dans son édition de février 2014, LA
Les bosons ont une masse en lien avec la RECHERCHE publie un entretien avec Peter
portée de la force. Plus la force a une grande Higgs [2] illustrant par une métaphore le
portée et plus la masse de la particule mécanisme BEH : Pour moi, l’explication
médiatrice sera petite. la plus acceptable est celle d’une célébrité
(symbolisant une particule) entrant dans une
Ainsi, le photon médiateur de la force élec- pièce remplie d’invités (imageant le champ
tromagnétique, de portée infinie, possède BEH) qui l’accostent : même si sa vitesse de
une masse nulle. À l’inverse, les gluons marche n’est pas réduite, la star zigzague, si
médiateurs de la force nucléaire forte bien qu’elle ne traverse pas la pièce aussi vite [1] Le vide quantique, Michel Benot, Cosinus
(entre protons par ex.) dont la portée est que si celle-ci était vide. Ainsi, sa progres- n°153, Octobre 2013.
très petite (taille des noyaux ~10-15 m), ont sion est d’autant plus freinée qu’elle interagit
une masse élevée. avec l’assistance. Tout comme une particule [2] Peter Higgs raconte l’aventure du boson,
devient d’autant plus massive qu’elle intera- Propos recueillis par Olivier Dessibourg,
git avec le champ BEH. La Recherche n°484, Février 2014.
[3] LHC : le boson de Higgs, Michel Davier, Le
Pommier, 2013.
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transferts
de technologie
du cern au quotidien
CHRISTIAN VANDERCAMMEN, Jeunesses scientifiques de Belgique
Avec l’attribution, en octobre dernier,
du prix Nobel de physique aux profes-
seurs François Englert (Université Libre
de Bruxelles) et Peter Higgs (Université
d’Edimburg), on a évidemment beaucoup
évoqué le LHC (Large Hadron Collider)
installé au CERN (Centre Européen de
Recherches Nucléaires), près de Genève.
En 2012, les expériences ATLAS et CMS,
au grand collisionneur de hadrons,
révèlent une nouvelle particule : le
BOSON BEH. Cette particule, prédite en
1964, par les Belges Robert Brout et Fran-
çois Englert, ensuite par le Britannique
Peter Higgs, est fondamentale dans le
sens où elle permet d’expliquer la masse
des particules (voir l’article «Le boson
BEH en quelques mots» ci-contre). La
détection du boson BEH est le fruit du
travail acharné de physiciens et d’ingé-
nieurs. Ensemble, ils ont développé des
technologies de pointe recelant une mul-
titude de pépites que l’on rencontrera,
tôt ou tard, dans la vie de tous les jours.
En voici quelques exemples…
7
L’AUTEUR LE BIG-BANG DU NUMéRIQUE
Chargé de cours à l’EPFC (Enseignement Pendant mes récentes vacances, je cherche via la TOILE (ou WEB, invention, en 1990, due à
de Promotion et de Formation Continue Tim Berners-Lee, physicien et informaticien au … CERN) une liste de titres de livres de science-
de l’Université Libre de Bruxelles et de la fiction (SF) publiés entre 1970 et 2010. Le moteur de recherches m’envoie vers un site réper-
Chambre de Commerce et de l’Industrie de toriant plus de 400 pages de titres et, rien qu’en format livre de poche, me suggère plus de
Bruxelles) 100 000 titres…
Membre du Comité National de Chimie (Aca- Gloups ! Me voici bien avancé, car comment exploiter efficacement une telle information …
démie Royale des Sciences, des Lettres et inexploitable ! Heureusement, solution il y a. Et elle proviendra notamment du CERN.
des Beaux-Art)
En effet, les expérimentateurs du LHC sont amenés à gérer non pas quelque 105 données mais
Membre du Conseil d’Administration des plus de 1015 informations. Des pétaoctets sont stockés, chaque année (voir encadré), sur envi-
Jeunesses scientifiques de Belgique ron 5 000 disques durs comme ceux que l’on trouve dans nos ordinateurs.
Concepteur et réalisateur des ateliers évo- Si le stockage, en soi, n’est pas un gros problème, comme l’enregistrement de ma liste de livres
lution (2011-2012) et Gastronomie molécu- de SF, il s’agit surtout de pouvoir exploiter une gigantesque masse de données en extrayant de
laire (2012-2013) des Jeunesses scientifiques l’information utile. Ainsi est née la Data Science (science des données) [1] que l’on peut sché-
de Belgique matiser de la manière suivante (cfr ci-dessous).
Xpo2pi (50 ans des Jeunesses scientifiques Voici donc la solution pour résoudre mon problème des prochaines lectures de livres de SF : il
aux Musées royaux d’Art et d’Histoire « suffit » de demander à mon moteur de recherches, en ciblant correctement mes desideratas
(2006-2007) (langue, genre, année d’édition, auteur, éditeur…), de croiser, à l’aide d’algorithmes d’une très
grande complexité, des bases de données qui me procureront d’excellents moments de lecture.
Membre des Jeunesses scientifiques de Bel-
gique depuis 1972
8
transferts
de technologie
Calculons les pétaoctets du L’échelle des octets
LHC
OCTET : unité égale à 8 bits, pouvant coder 28 = 256 caractères différents.
Dans le LHC, les faisceaux de protons se Le bit est un chiffre binaire, c’est-à-dire 0 ou 1. Il est donc aussi une unité
croisent et produisent cent millions de col- de mesure en informatique, celle désignant la quantité élémentaire d’infor-
lisions protons-protons. Une partie d’entre mations représentée par un chiffre du système binaire. On en doit l’inven-
elles ne produit pas de particules mais tion à John Tukey et la popularisation à Claude Shannon.
d’autres produisent une véritable cascade KILOOCTET : 103, 1000 octets (environ la page d’un livre) ;
de particules dont certaines sont instables et MEGAOCTET : 106, un million d’octets (environ un livre de 1000 pages) ;
se désintègreront en paires de particules qui GIGAOCTET : 109, un milliard d’octets (environ une bibliothèque communale contenant
seront détectées et enregistrées. Il y a envi- mille livres) ;
ron, par seconde, 108 collisions c’est-à-dire TERAOCTET : 1012, mille milliards de … l’Albertine ;
4 . 108 octets à enregistrer. En une minute, ce PETAOCTET : 1015, le salaire annuel brut des Belges pendant cent millions d’années ;
seront 60,4 . 108 collisions etc. En une année, EXAOCTET : 1018 octets, le nombre de grains de riz exportés par la Chine au 20e siècle ;
on aura ~5 . 1015 octets [2]. Lors de la remise ZETTAOCTET : 1021 octets, le nombre de grains de sable sur la plage d’Outsiplou-les-bains ;
en route du LHC, on estime qu’entre 2015 et YOTTAOCTET : 1024 octets,… 10 fois le nombre d’Avogadro, 6 x 1023 particules dans une mole
2018, on triplera le nombre de données, à de matière !
décortiquer, analyser et stocker.
Mais tout cela nécessite beaucoup de méga €.
Et n’est-ce pas, en définitive, un peu futile ?
Non, parce que la science est de nos jours
une grande dévoreuse d’octets !
Dans le domaine médical, on est confronté
à la difficulté de produire des connaissances
innovantes à partir d’une multitude de don-
nées accumulées par différents essais cli-
niques (centres hospitaliers, laboratoires
pharmaceutiques, ...). Et même si le nombre
de données à traiter est plus modeste que
celui produit au CERN, il n’en demeure pas
moins que les deux questions fondamentales
restent :
- Où trouver les informations pertinentes
dans un grand volume d’informations ?
- Sur quels critères va-t-on stocker les infor-
mations les plus utiles ?
Les réponses apportées par les informati-
ciens et ingénieurs, du CERN ou d’autres
entreprises, nécessitent des algorithmes
complexes, une logistique gigantesque afin
d’avoir du temps de calcul raisonnable et de
pouvoir croiser des informations concentrées
dans des bases de données distinctes [3].
9
L’UNION FAIT LE « WORLD COMMUNITY GRID » DéVELOPPER LA PHYSIQUE
MéDICALE
Alessandra Carbone, mathématicienne, directrice du laboratoire de Génomique (Université
Pierre et Marie Curie à Paris) étudie avec son équipe les interactions entre les 4000 protéines De la « Tomographie par Émission de Posi-
recensées susceptibles d’être à la base de maladies neuromusculaires [01]. tons » aux accélérateurs de particules desti-
nés au traitement de cancers, le CERN abrite,
Leurs travaux nécessitent des capacités de calculs et de stockage que « la GRILLE » est à même depuis peu, différentes activités visant à
d’offrir. De quoi s’agit-il ? développer les technologies actuelles ayant
trait aux accélérateurs, aux détecteurs et à
Sous l’impulsion du CERN, en 2006, environ 500 scientifiques se sont réunis lors d’une confé- l’informatique afin de les appliquer en méde-
rence internationale dédiée à la « Réalisation de Grilles pour la science en ligne » [3]. cine. Voyons deux exemples :
La Grille repose sur une idée commune avec celle de la Toile (WEB) à savoir mettre en com- n Le CLEARMet
mun des données entre ordinateurs distants. Mais contrairement à la Toile, la Grille partage,
en plus d’informations, des temps de calcul et des capacités de stockage. Les connaissances acquises lors de la mise au
point des détecteurs de particules pour le
Ainsi, A. Carbone et ses collaborateurs peuvent se connecter à la Grille depuis leurs ordina- LHC ont permis de créer un système de tomo-
teurs personnels (au labo, à domicile, à l’hôtel,…) pour accomplir des calculs pris en charge graphie par émission de positons permettant
par une multitude d’ordinateurs disséminés partout dans le monde. La Grille permet ainsi de un dépistage du cancer du sein hautement
réaliser des calculs complexes très « simplement » et rapidement. Un exemple concret du rôle performant. En effet, le CLEARMet, alliant
de la Grille fut celui de son utilisation lors de l’épidémie due aux virus H5N1 : 2000 ordina- la technique PETScan à celle de la mammo-
teurs se trouvant dans le monde entier, avec l’aide d’un logiciel développé au CERN, ont per- graphie, permet de déceler des lésions de
mis d’inhiber l’action du virus. En un mois, la Grille est parvenue à traiter autant de données l’ordre de 2 mm, soit des lésions 2 à 3 fois
qu’un seul ordinateur en … un siècle ! plus petites que celles décelées au TEP clas-
sique (voir encadré). Le CLEARMet [4] a com-
mencé les premiers tests cliniques auxquels
participent des chercheurs de la VUB (Vrije
Universiteit Brussel).
L’appareil a été mis au point par une colla-
boration internationale, CrystalClear, qui a
développé des cristaux pour les calorimètres
électromagnétiques placés dans les détec-
teurs du LHC [5].
LE PETScan ou TEPScan
En anglais, Positron Emission Tomography
et en français, Tomographie par Émission
de Positons.
Le PET est un examen diagnostic servant
à déceler des tumeurs cancéreuses et/ou
des métastases et à surveiller leur évolu-
tion. Une tumeur cancéreuse, c’est un amas
de cellules qui se reproduisent par mitose
de manière anarchique consommant beau-
coup d’énergie. Une tumeur ou métastase
concerne donc des cellules à haute activité
métabolique. Le PETScan permet de les
localiser avec grande précision.
Puisque les cellules tumorales consomment
beaucoup d’énergie, on injecte un produit
radioactif qui va se fixer sur les tumeurs
et/ou métastases. On utilise un dérivé de
glucose marqué avec l’isotope instable
du fluor, radioactif, capable d’émettre un
signal détectable et mesurable à l’extérieur
de l’organisme. Il faudra, à nouveau, utili-
ser des logiciels sophistiqués permettant de
localiser précisément l’origine de l’émission
pour recréer une image de l’intérieur de
l’organisme. Le FDG, fluorodésoxyglucose,
a une durée d’activité radioactive d’envi-
ron 2 heures [6].
10transferts
de technologie
Que pouvons-nous conclure ?
Le CERN n’est pas qu’un simple laboratoire
où ne seraient étudiés que les constituants
élémentaires de la matière, leurs interac-
tions, … On y développe des instruments,
accélérateurs, détecteurs de particules fai-
sant appel à des technologies souvent trop
complexes pour être produits par l’indus-
trie. Et donc, le CERN devient un grand pro-
ducteur de technologies transférées vers la
société civile. À domicile, chez nos méde-
cins, le CERN nous permet de vivre dans un
environnement plus fonctionnel et confor-
table. Ceci nous éloigne évidemment des
aspects peu reluisants de la physique
nucléaire (applications militaires bombes A
et H, ou civiles, catastrophes de Tcherno-
byl, Fukushima).
n Les cyclotrons
Inventés il y a 82 ans, les premiers cyclotrons
étaient de petite taille. Pour atteindre de
plus hautes énergies, leur taille a augmenté,
puis ils ont été supplantés par des synchro- Bibiographie
trons et des collisionneurs comme le LEP et
le LHC. Mais vu la nécessité d’obtenir des iso- [1] Leçon inaugurale au Collège de France.
topes de courtes durées de vie, on est revenu Sciences des données : de la logique du
à concevoir et construire de petits cyclotrons premier ordre à la Toile, Serge Abite-
prêts à être utilisés dans les hôpitaux. boul, Mars 2012 ;
Signalons au passage que Yves Jongen (Uni- [2] Les pétaoctets du LHC, Fairouz Malek,
versité de Louvain-la-Neuve) est, depuis près Pour la Science, n°433, Novembre 2013 ;
de 25 ans, un des pionniers mondiaux de la
production d’isotopes à usage médical. Ce [3] G
rid computing, Kate Kahle et Mélissa
sont les petits cyclotrons qui permettent aux Gaillard, CERN Courier, Volume 53 Num-
hôpitaux de produire de petites quantités ber 3, April 2013 ;
d’isotopes radioactifs 18F, 11C, 15O, 13N,…
qui serviront aux examens TEPScan. [4] Le CLEARPem améliore le diagnostic du
cancer du sein, Benjamin Frisch, CERN
Courier, Vol 53 Number 6, July-Augus-
tus 2013 ;
[5] L e défi technologique des détecteurs,
Daniel Fournier et Yves Sirois, La Recherche,
n°469, Novembre 2012 ;
[6] Le PET scanner : il voit vivre nos cel-
lules, Gabriel Martin, La Recherche, n°368,
Septembre 2003 ;
[7] Cyclotrons pour isotopes médicaux : un
air de déjà vu, Dewi M Lewis et Uno Zet-
terberg, CERN Courier, Vol 52 Number 3,
April 2012 ;
Sitographie :
[01] w
ebtv.u-psud.fr, Séminaire sur le
concept d’information dans les séquences
biologiques, A. Carbone, 22 novembre
2013 ;
[02] How does a Cyclotron Particle Accelera-
tor work ? Amy Blackburer, IBA Molecu-
lar Cyclotrons, May 2013.
11La prédiction théorique du boson BEH, établie en 1964, et l’annonce de sa découverte
expérimentale au CERN, en juillet 2012, sont importantes à plus d’un titre. Non seule-
ment l’existence du boson valide ce qui est convenu d’appeler le « Modèle Standard »,
en physique des particules mais on trouve aussi d’autres implications en physique théo-
rique (par exemple, la supersymétrie) et, en particulier, en cosmologie.
On a mesuré une masse de l’ordre de 125 GeV (*). Cela indique, comme le signale Paul
Colas, chercheur au CEA à Saclay, que notre Univers est dans un état « métastable » et
qu’il serait donc théoriquement possible qu’il se désintègre !
Géraldine Servant, physicienne, professeur à l’Université Autonome de Barcelone, s’in-
téresse à la « matière sombre », mystérieuse matière composant 23% de l’Univers. Le fait
d’avoir « pesé » avec une bonne précision la masse du boson BEH permet aux physiciens
d’élaborer de nouveaux modèles cosmologiques.
La cosmologie est au centre de l’article de Pasquale Nardone qui fut un étudiant de Brout
et d’Englert. Ceux-ci, avec Edgard Gunzig, ont développé des scénarios possibles de for-
mation de notre Univers, ou encore, le service de Physique théorique a planché sur des
thèmes tels que l’inflation cosmique, l’entropie des trous noirs, la supergravité, la cos-
mologie quantique,… Bref, les réflexions de François Englert, de Robert Brout et de leurs
collaborateurs ont permis de jeter de solides ponts entre la physique des particules et
la cosmologie, deux disciplines modernes, maintenant indissociablement liées. (NDLR)
(*) L’électron-volt , un eV, est l’énergie acquise par un électron soumis à une différence de
potentiel d’un volt. 1 eV ~1.6 10-19 Joules. 1 GeV vaut 109 eV
La cosmologie est une science singulière. Singulière par l’intérêt universel Modèles
qu’elle suscite : il n’existe pas de civilisation qui n’ait produit une histoire de
l’univers. Singulière par son ambition : donner une explication cohérente de Le manque de possibilités d’interagir avec
tout, partout et en tout temps. Singulière dans sa démarche scientifique puisque les composantes du cosmos nous oblige à
l’on ne peut pas soumettre le cosmos à une analyse scientifique classique qui systématiquement développer des modèles
consiste à le mettre dans différents états puis, chaque fois, mesurer son com- puis à les soumettre aux observations. Il y a
portement. Singulière car l’objet de son attention est unique : on ne peut pas donc en cosmologie, plus que dans d’autres
parler d’univers « moyen », on ne peut pas comparer des univers entre eux, on domaines de la physique, une place impor-
ne peut pas faire de statistiques. Singulière car le seul moyen de le connaître tante réservée aux modèles. Si un modèle
passe par la lumière que nous recevons des étoiles. est inexact, l’image que l’on se fait du cos-
mos peut changer du tout au tout. Alors, il
Singulière aussi par le peu de données expérimentales directes. On dit par- est donc important de comprendre et de
fois par boutade que la cosmologie repose seulement sur trois faits : 1° la nuit voir ce que ces modèles nous apportent
est noire ; 2° la lumière venant des galaxies, décomposée en ses composantes au cours de leur création historique et de
(son spectre), montre un décalage des raies spectrales vers le rouge ; 3°l’uni- les mettre en relation avec les données
vers contient des photons distribués comme ceux émis par un corps chauffé à expérimentales.
2.7 Kelvin (soit -270°C).
Je ne vais pas entrer dans le détail histo-
Singulière enfin par le foisonnement de spéculations et par l’enchevêtrement rique des interpénétrations des différents
de toutes les physiques connues : astronomie, astrophysique, physique des par- modèles et de toutes les évolutions techno-
ticules, mécanique quantique, relativité générale, etc. logiques, je vais me focaliser sur quelques
points clés.
12COSMOLOGIE
l’univers des physiciens
PASQUALE NARDONE, Université Libre de Bruxelles
Au commencement, il y avait Newton L’AUTEUR
Commençons donc avec le bon vieux Newton (1642-1727). Avec lui, les objets sont constitués Professeur à l’Université Libre de
de « points matériels » qui ont une masse et une position dans l’espace. Ces points forment Bruxelles, Département de Physique, Ser-
des corps et la masse de ces corps est la somme des masses des points qui le constituent. vice de Physique Générale, Laboratoire
Hypothèse fondamentale pour Newton, l’espace est euclidien. C’est-à-dire qu’il ne peut pen- de Didactique des Sciences Physiques
ser l’espace que comme celui décrit par la géométrie plane avec toutes ses axiomes et théo-
rèmes : la somme des trois angles intérieurs d’un triangle vaut 180° ; par un point on ne peut Collaborateur scientifique à la RTBF
tracer de parallèle à une autre droite ; il n’existe qu’une perpendiculaire à une droite passant
par un point donné, etc. Concepteur et réalisateur de Xpo2pi,
exposition pour les 50 ans des Jeunesses
Le temps est une variable essentielle à la physique puisque le programme de monsieur New- scientifiques
ton est de prédire la trajectoire des corps, c’est-à-dire l’évolution de la position au cours du
temps. Pour lui, le temps est un concept indéfinissable mais il demande qu’il soit unique : le Co-auteur de la pièce de théâtre « L’élec-
même pour tous les objets et qu’il « coule » uniformément. Son modèle se focalise sur l’ac- tion de Darwin », avec G. Rambeaux et P.
célération des objets. Il sait, avec Galilée (1564-1642), que la vitesse des corps n’est pas une Rasse (2010)
grandeur « importante » dans le sens où ce n’est pas elle qui nécessite une « cause ». Newton
introduit donc une Force ( ) cause de l’accélération ( ), avec un lien simple entre les deux, la Concepteur et réalisateur de la coupole
masse : = m . Ici, l’accélération est une accélération « instantanée » c’est-à-dire la dérivée d’astronomie, Centre Pour l’étude de la
de la vitesse instantanée, elle-même dérivée de la position. Newton invente donc le calcul des Nature à Sivry (1970)
dérivées et des intégrales (qui sont toujours au programme de nos cours de mathématiques
tant ces deux notions sont fondamentales).
13Plus un corps est massif, moins l’accélération sera grande. Il invente aussi une force gravita-
tionnelle (Fg) entre tous les corps. Cette force Fg sera proportionnelle au produit des masses
et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare : Fg= G (m1 m2/d2). Cette
force agit à distance, sans contact, et elle est instantanée. Une troisième « invention » néces-
saire à son modèle est que la force est toujours symétrique ! Si le corps n°1 agit sur le corps
n°2 avec une force F, alors il est nécessaire que le corps n°2 agisse sur le corps n°1 et ce avec la
même force ! Avec ces trois ingrédients, les équations qu’il invente sont très complexes puisque
l’accélération, étant une dérivée seconde de la position, est égale à une quantité qui est inver-
sement proportionnelle au carré de la position ! On a donc ce que l’on nomme une équation
différentielle. Newton arrive à la résoudre et donc à déterminer la position des planètes dans
le système solaire, mais aussi la position des lunes autour des planètes, la chute des corps sur
Terre, la hauteur des marées, les éclipses, les trajectoires des comètes, etc. Son modèle est en
accord avec les données expérimentales de Kepler (1571-1630). Son modèle « explique » donc
une grande partie de l’Univers.
Son modèle atteint son point culminant, vers 1846, par la découverte de Neptune. La trajec-
toire et la position de cette planète ont été calculées avant d’être observées le 23 septembre
1846 à 1° de sa position calculée. C’est un triomphe du calcul au sein de son modèle. On
arrive donc à un sommet : les causes sont comprises, elles sont déterministes, elles sont cal-
culables au travers des équations. Il ne « suffit » plus qu’à résoudre les équations pour prédire
le futur de tout l’Univers ! Enfin, c’est un espoir rationaliste un peu fou car il existait quand
même quelques situations compliquées qui ne rentraient pas trop dans le modèle newtonien.
Pour n’en citer qu’un, je choisirais le paradoxe d’Olbers. L’astronome allemand Heinrich Wil-
helm Olbers (1758-1840) faisait la remarque suivante : si l’Univers est peuplé d’étoiles de façon
homogène (c’est-à-dire que l’on a partout dans l’univers le même nombre moyen d’étoiles),
alors, plus on s’éloigne de la Terre et plus il y a d’étoiles. On peut même dire que le nombre
d’étoiles augmente comme le carré de la distance qui nous sépare d’elles puisqu’une sphère
a une surface qui augmente comme le carré de son rayon. Certes ! De plus, nous dit-il, nous
savons que la lumière émise de ces étoiles décroit comme le carré de la distance qui nous
sépare d’elles. C’est une conséquence de la conservation de l’énergie, un pilier de la théorie
newtonienne. Ces deux effets se compensent donc parfaitement. La lumière totale reçue sur
Terre est donc constante quelle que soit la distance. En conséquence, le ciel, la nuit, doit être
totalement brillant et non pas noir ! Voilà une épine logique dans le pied de la théorie newto-
nienne. Il faudra presque un siècle pour résoudre ce problème.
Coulomb, Faraday, Maxwell, Hertz et les autres.
Il faut attendre le début du 20e siècle pour que les bases du modèle newtonien vacillent. En
effet, en ce début de siècle, un autre modèle fait partie des outils des physiciens : l’électroma-
gnétisme. Les lois de l’électricité étaient connues depuis Coulomb (1736-1806). La force élec-
trique ressemblait comme deux gouttes d’eau à la gravitation. Il existe dans la nature deux
types de charges : des positives et des négatives. Entre elles, la force électrique était aussi
proportionnelle au produit des charges et inversement proportionnelle au carré de la distance
qui les sépare : Fe= Ke (q1 q2/d2). Ke comme G sont deux constantes. Étonnant parallélisme.
Cette force peut être attractive (si les charges ne sont pas de même signe) ou répulsive (si les
charges sont de même signe). Le magnétisme aussi était connu. Les recherches de Biot (1774-
1862) et Savart (1791-1841) mais aussi d’Ampère (1775-1836) déterminent comment un champ
magnétique est créé par un courant et quelle force apparaît alors entre ces deux fils. Le champ
magnétique B est aussi inversement proportionnel à la distance au carré au fil. Il est propor-
tionnel à l’intensité de courant et, là aussi, une constante magnétique Km apparaît. Mais c’est
Faraday (1791-1867) qui montre en plus que le magnétisme peut faire apparaître de l’électricité
par un phénomène important baptisé : « induction magnétique ». Maxwell (1831-1879) arrive
à regrouper toutes ces lois en une seule théorie consistante : l’électromagnétisme. Une de
ces conséquences, c’est qu’il découvre qu’il existe comme solution de ses équations un phé-
nomène ondulatoire : des ondes électromagnétiques. Il peut de plus montrer que ces ondes
ont une vitesse déterminée par les deux constantes électrique et magnétique Ke et Km. Tout
étonné de découvrir que cette vitesse est celle de la lumière ! Il émet donc l’hypothèse que
la lumière est une onde électromagnétique. C’est à Hertz (1857-1894) que l’on doit toutes les
expériences qui démontrent que les ondes de Maxwell ont bien toutes les mêmes propriétés
que la lumière : polarisation, réflexion, réfraction, diffraction, etc. L’émission d’onde radio
vient de naître. Mais aussi la dynamo du belge Zénobe Gramme (1826-1901) qui va permettre à
l’électricité d’être produite aisément. Cette fin de 19e siècle est riche et passionnante. Pour-
tant, à y réfléchir de plus près, il y a un souci.
14COSMOLOGIE
Puis Einstein vint
Le souci, c’est que la vitesse de la lumière est déterminée par deux constantes, alors que
nous savons depuis Galilée qu’une vitesse n’a jamais de sens absolu. Il y a relativité de la
vitesse, elle dépend de l’observateur. Certes, on pouvait sauver cela en inventant une matière :
l’éther, qui autorise la propagation de l’onde lumineuse comme l’eau permet la propagation
de la vague. Cette vitesse est donc une propriété de cet éther. Si cet éther existe, il doit rem-
plir tout l’Univers. Il doit aussi être très rigide pour autoriser une vitesse si élevée (300 000
km/s). On peut, de plus, mesurer la vitesse de la Terre dans cet éther, comme la vitesse d’un
bateau par rapport aux vagues. C’est ce qu’ont essayé de faire Michelson et Morley en 1887.
Mais, hélas, ils ne mesurent rien. La Terre est immobile par rapport à l’éther ! Voilà qui est
absurde. On essaye bien de rattraper le coup en essayant de dire que la Terre entraîne l’éther
dans son mouvement mais cela est vite rejeté parce que toutes les planètes devraient faire de
même, ce qui provoquerait un vrai chaos. Ou alors, comme Lorentz (1853-1928) qui propose
que puisque l’éther emplit tout (la lumière allant partout), on peut imaginer, ce qu’il fait, que
la longueur des objets change parce que l’éther « rétrécit » le corps dans le sens de son dépla-
cement. Cela permet d’expliquer les expériences négatives de Michelson-Morley. Mais Eins-
tein (1879-1955) essaye de construire une théorie sans éther, où la vitesse de la lumière est
une constante universelle quel que soit l’observateur ! Voilà qui est audacieux. Il décrit, dans
un article qui s’intitule « Sur l’électrodynamique des corps en mouvement », une théorie où,
quel que soit l’observateur et son mouvement, la vitesse de la lumière a pour lui toujours la
même valeur ! Il lui faut changer tout le cadre fondamental du modèle newtonien. Puisqu’à y
réfléchir, la composition des vitesses résulte de la simple addition de deux vecteurs. En effet,
la somme de deux vecteurs nous donne la position d’un point par rapport à un autre : =
+ . Donc, la vitesse de B par rapport à A est la somme de la vitesse de C par rapport à
B plus la vitesse de B par rapport à C : B/A = B/C + C/A. Il est difficile d’imaginer que cette
loi simple soit fausse et pourtant !
Il construit une théorie où la vitesse de la lumière est une constante pour tous les observa-
teurs quels que soient leurs mouvements rectilignes propres. Pour réaliser cela, il doit aban-
donner certains absolus, comme la simultanéité. Il construit ce qui s’appellera la « relativité
restreinte » où le temps et les longueurs sont relatifs. Il montre que le temps et l’espace sont
liés dans une seule structure : l’espace-temps. Il redécouvre les transformations de Lorentz
qui permettent d’expliquer le résultat de Michelson-Morley. Cette unité nouvelle entre espace
et temps l’amène à d’autres unités : énergie et quantité de mouvement ne forment qu’un seul
objet. Mais champ électrique et champ magnétique ne sont aussi qu’un seul objet. La masse
d’inertie aussi change. Elle dépend de l’observateur. Cela permet de démontrer qu’aucun
objet massif ne pourra atteindre la vitesse de la lumière et que la lumière, de masse nulle, est
la seule à posséder cette vitesse que l’on ne peut alors « freiner ». L’union de concepts diffé-
rents est toujours une victoire pour les physiciens qui ainsi comprennent mieux leurs concepts.
Une des conséquences de cette unification est aussi le lien entre l’énergie et la masse d’iner-
tie, le fameux E=mc2. Au sein de son modèle, la masse d’inertie peut changer et elle se trans-
forme en énergie et vice-versa ! Sans le vouloir a priori, Einstein explique enfin les phénomènes
radioactifs découverts en 1896 par Becquerel. Il explique d’où ces atomes obtiennent leur éner-
gie : en changeant de masse par désintégration ! Cela permet aussi, enfin, de comprendre d’où
les étoiles puisent leur énergie en fusionnant des noyaux légers qui donnent d’autres noyaux,
plus légers que la somme des noyaux fusionnés.
Au niveau de l’Univers, l’existence d’une vitesse limite nous fait apparaître un horizon ! On ne
peut voir que la lumière reçue et comme celle-ci a une vitesse finie, nous voyons les objets
plus jeunes que ce qu’ils sont ! Si, par hasard, l’Univers a un certain âge, alors, même s’il est
infini, on ne peut recevoir aujourd’hui que la lumière qui a pris son temps pour nous arriver.
Le reste de l’Univers ne nous est pas encore visible. Cela peut sauver le paradoxe d’Olbers, du
moins si l’univers a un âge fini.
15Puis Einstein revint encore
Einstein continue sa recherche sur l’électrodynamique des corps en mouvement car il veut
généraliser sa théorie à tous les mouvements possibles ; pas seulement les mouvements recti-
lignes à vitesse constante mais à tout type de mouvement même accéléré. Il lui faudra attendre
onze années pour cela. Il publie, en 1916, son article sur la généralisation de la relativité. Il
faut ici rappeler le travail de Minkowski (1864-1909), un professeur de mathématiques d’Eins-
tein, qui a montré comment la théorie de son élève est en fait une théorie géométrique d’un
espace à quatre dimensions. Oui, une géométrie ! Les mathématiciens avaient depuis long-
temps essayé de comprendre en quoi la géométrie euclidienne était fondamentale. Ils avaient
pu montrer qu’il y a bien d’autres géométries possibles. Par exemple, la géométrie sphérique
(sur une sphère) où les axiomes de la géométrie plane n’étaient plus valables. L’idée essen-
tielle est de comprendre la ligne droite. C’est quoi une « droite », en fait ? Les mathématiciens
ont montré que, finalement, il suffit de se donner une « distance » entre deux points et, de
cette définition, la droite naît comme le plus court chemin entre deux points : la géodésique.
Minkowski montre que si l’on étend encore la notion de distance en acceptant des distances
négatives ou nulles, alors cette géométrie de l’espace-temps à quatre dimensions est celle de
la relativité restreinte. Dans cet espace, par exemple, la lumière est la seule à parcourir des
distances nulles. Cela permet aussi de définir correctement le futur et le passé mais aussi de
voir les objets « causalement » reliés entre eux, ceux qui sont en interaction possible par des
voies qui ne nécessitent pas de dépasser la vitesse de la lumière.
Donc, Einstein repart de cette notion géométrique de Minkowski et la généralise encore. Il
montre alors que la gravitation n’est pas une force « réelle ». En effet, aviez-vous remarqué
que même si la force gravitationnelle entre le Terre et le Soleil dépend du produit des masses
des deux, le mouvement de la Terre ne dépend plus de sa masse mais dépend uniquement de
la masse du Soleil ? Dans le F = mterre a, la masse d’inertie de la Terre est égale (expérimen-
talement) à sa masse gravitationnelle qui apparaît dans F = G mterre msoleil / d2 , et donc la
masse de la Terre n’apparaît plus dans son accélération. Einstein montre qu’en généralisant
sa théorie de la relativité, cela correspond à généraliser la géométrie de Minkowski. En don-
nant une distance entre deux points (on appelle cela la métrique) qui dépend cette fois de la
position dans l’espace ! On dit alors que l’espace-temps est courbe. La ligne droite, la géodé-
sique, dépend alors du lieu dans l’espace où l’on se trouve. Il démontre que la gravitation est
une conséquence de la courbure de l’espace-temps. Toute matière-énergie (puisque les notions
sont équivalentes) courbe l’espace-temps. La trajectoire de la planète autour du Soleil est le
chemin le plus court. Il calcule les nouvelles trajectoires et montre que ce sont « presque »
des ellipses. La trajectoire ne se referme pas sur elle-même : il y a un minuscule décalage qu’il
calcule pour Mercure, la plus proche planète du Soleil. Ce décalage, appelé « avance du péri-
hélie », vaut 43 secondes d’arc par siècle. C’est peu et pourtant c’est ce qu’il manquait aux
astronomes qui avaient déjà remarqué ce décalage qui avait été mesuré à 574 secondes d’arc
par siècle, mais dont seulement 531 secondes avaient pu être expliquées par l’influence des
autres planètes. Einstein vient de calculer le reste !
Une autre conséquence de cette courbure de l’espace-temps est que les rayons lumineux
doivent être déviés lorsqu’ils passent près d’une étoile. Eddington réalisa la mesure en 1919 lors
d’une éclipse de soleil. La position des étoiles était en effet différente à cause de la présence
du soleil et la valeur de cette déviation était celle calculée par Einstein. Beaucoup d’autres
tests ont prouvé la validité de la relativité générale et l’utilisation la plus courante aujourd’hui
est le GPS, qui ne fonctionne que si l’on prend en compte la modification de l’écoulement du
temps en fonction de la distance à la Terre.
Comme Einstein a enfin une théorie de la gravitation, il va donc directement chercher la
« forme » de l’Univers en supposant un Univers peuplé partout d’étoiles de façon homogène
(on trouve la même chose partout), isotrope (on trouve la même chose dans toutes les direc-
tions) et immobile. Il ne trouve pas de solution à ses équations. Il se sent alors obligé de modi-
fier un peu ses propres équations pour trouver la solution qu’il voulait, en ajoutant un terme
baptisé « la constante cosmologique ».
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