L’univers dans le dernier souffle de César

Sous la statue de Pompée, en 44 av. et. c., Jules César rendit son dernier soupir sous les poignards de certains de ses plus fidèles collaborateurs. Et en plus de l’amertume et de la déception, son dernier souffle contenait de très nombreuses molécules d’azote, d’oxygène, de dioxyde de carbone, de l’eau et d’autres gaz. Il y en a tellement qu’à l’heure actuelle, chaque fois que vous respirez, l’un d’entre eux pourrait pénétrer dans vos poumons.

Mais il ne s’agirait pas de n’importe quelle molécule, mais bien d’une nouvelle. Une molécule qui, après avoir été exhalée par le célèbre héros, n’aura jamais été respirée par personne auparavant. C’est le paradoxe du dernier souffle de Césarinitialement formulé par Enrico Fermiun autre Romain universel et infatigable explorateur de l’infiniment petit qui, en outre, fut le grand architecte du premier réacteur nucléaire construit par l’homme.

La vie en un milliard de soupirs

Puisque nous sommes avec les Latins, les mots de personne: faisons des chiffres.

En revanche, une personne qui vit jusqu’à 90 ans respire près d’un milliard de fois. Si les 8 milliards d’habitants de la Terre atteignaient l’âge de 90 ans, à la fin de notre vie nous ajouterions environ 8 000 milliards de respirations, un 8 suivi de 18 zéros. Certes le chiffre donne le vertige, mais l’expiration de César (et chaque soupir humain) contenait tellement de molécules qu’elle se rapproche dangereusement des domaines du colosse du microcosme : le Le numéro d’Avogadro. Un 6 avec 23 zéros derrière.

Ce n’est pas que chacun de nous puisse respirer une molécule « immaculée » à la fois, mais qu’il faudrait de l’ordre de 100 000 civilisations comme la nôtre vivant à toute vitesse pour faire passer dans nos poumons toutes les molécules du dernier souffle de Jules César. Ou Marilyn Monroe. Ou un « allons-y ! » par Rafa Nadal.

Du plus petit à l’immense

Défini à l’époque comme le nombre d’atomes dans 12 grammes de carbone 12, le Le numéro d’Avogadro Cela équivaut également au nombre de molécules contenues dans 18 millilitres d’eau. Et, poignée vers le haut ou vers le bas, c’est de l’ordre de nombre d’étoiles dans l’univers. Chance? Peut-être oui, mais la vérité est que nous avons tendance à identifier l’infime avec l’infiniment grand.

En fait, l’image la plus emblématique des atomes ressemble beaucoup à celle d’une planète avec un essaim de satellites. Il y a un peu plus d’un siècle, modèle planétaire de l’atome a répondu à de nombreuses questions, même si en réalité il n’est pas correct de parler de l’apparition des atomes au sens familier du terme. Un atome n’est pas la façon dont nous le dessinons, mais dans d’innombrables applications, nous pouvons l’imaginer comme balles un peu spécial, et ça marche. Les estimations du nombre de molécules dans une respiration ne répondent pas à un comptage individuel, mais elles servent également, elles s’intègrent dans la science.

Plans quantiques

À 6 heures, avec 23 zéros de molécules dans chaque respiration humaine, nous devons continuer à augmenter encore plus de zéros si l’on regarde les atomes que contiennent chacune de ces molécules.

Quelles sont les dimensions des atomes et des molécules pour qu’un univers d’entre eux puisse tenir dans un verre à shot ?

Exprimé en millimètres, le diamètre d’un atome est de l’ordre d’un 1 précédé de 7 zéros décimaux, une longueur qui porte son propre nom : un angström.

À leur tour, ceux balles les infinitésimaux sont presque creux, toute leur matière est concentrée dans un noyau qui, également en millimètres, mesure un peu plus d’un 1 avec 12 zéros devant. Une unité d’une si petite longueur aura-t-elle son propre nom ? Oui, un fermi. En l’honneur du père de notre inquiétant paradoxe. Encore une coïncidence ?

En réalité, toute la masse de l’atome ne se trouve pas dans le noyau. Les électrons flottent autour d’elle et constituent une sorte d’orbites diffuses. Des charges négatives de masse presque négligeable, mais qui déterminent les liaisons entre les atomes, c’est-à-dire l’architecture de la vie.

Son comportement quantique et donc imprévisible crée et détruit le rayonnement électromagnétique et donc la lumière. Les électrons utilisent le rayonnement comme « carburant » pour passer d’une orbite à une autre plus énergétique et l’émettent en surplus lorsqu’ils perdent de l’énergie. Tout comme les plongeurs prennent ou lâchent du lest pour descendre ou monter, les électrons absorbent ou émettent des rayonnements pour s’éloigner ou se rapprocher du noyau.

Que dire de plus sur la matière qui tient dans un verre à shot ou dans une respiration ? Eh bien, évidemment, il n’existe pas et il n’y aura pas de supercalculateur capable de calculer les mouvements d’autant de molécules. Mais heureusement, tout n’est pas perdu.

Les étoiles, atomes du cosmos

Vers la moitié du XIXe siècle, la déesse Minerve, qui avait tant de fois inspiré Jules César, envoya deux génies universels, véritables ponts entre Newton et Einstein : James Clerk Maxwell et Ludwig Boltzmannpionniers de la mécanique statistique. Et qu’ont-ils fait pour les respirations ? Eh bien, rien de moins que de découvrir et d’appliquer que, tout comme la taille des personnes est répartie dans des plages autour des valeurs les plus probables, le mouvement des milliards de particules qui composent un gaz suit également des distributions probabilistes. Ils ont utilisé ces distributions pour calculer les propriétés de la matière macroscopique (température, pression, flux thermique, entropie…).

Aujourd’hui, grâce à eux (déjà autresbien sûr), on peut considérer que les étoiles sont comme les atomes des galaxies. Et les galaxies, les atomes du cosmos, qui n’est qu’un fluide. Comme la lumière.

Il n’était pas facile pour la communauté scientifique d’accepter que des systèmes physiques comme le souffle de César possédaient des propriétés prévisibles à partir des mouvements capricieux d’un nombre inimaginable d’atomes et de molécules. Frustré et humilié par ses collègues, Ludwig Boltzmann se suicida en 1906. Peu de temps après, trop tard, ses hypothèses et théories furent acceptées. Sur sa pierre tombale, sanctuaire de pèlerinage pour physiciens et romantiquesl’éternelle équation de l’entropie et des microétats a été enregistrée, qui relie le micro et le macrocosme et qui n’a en fait pas été écrite par lui mais par le physicien allemand Max Planck.

Mais, même si ce n’est pas sans soupirs, c’est une autre histoire.