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Qu'est-ce que l'espace ?, est un documentaire scientifique (0h52) de la série La Magie du Cosmos, qui s'intéresse à l'espace, cette étendue séparant et entourant tout, de l'infiniment petit comme à l'échelle quantique jusqu'à l'infiniment grand tel que l'Univers, expliqué par le physicien et auteur Brian Greene. Épisode N° 2 sur 4.

LA MAGIE DU COSMOS : Qu'est-ce que l'espace ? Episode 2

L'espace est avant tout une notion de géométrie et de physique qui désigne une étendue, abstraite ou non, ou encore la perception de cette étendue. Conceptuellement, il est synonyme de contenant aux bords indéterminés, mais l'espace prend de nombreux sens précis et propres à de multiples disciplines scientifiques dérivées de la géométrie.

Nous sommes à une étape importante dans la compréhension de notre Univers et des lois physiques qui le gouvernent. Il semble désormais que les questions auxquelles sont confrontées les scientifiques à propos de notre Univers et de ses deux extrêmes, l'infiniment petit et l'infiniment grand, soient intimement liées.

L'espace sépare aussi bien deux galaxies que deux atomes. Auteur du livre La Magie du Cosmos, le physicien Brian Greene révèle qu'il s'agit d'un tissu dynamique qui peut s'étirer, se tordre, se déformer, onduler sous les effets de la pesanteur. Plus étrange encore, la découverte récente d'un mystérieux ingrédient qui constituerait 70% de l'Univers et que les physiciens appellent "énergie sombre". Même s'ils admettent son existence, ils ignorent encore ce que c'est. L'examen de l'espace à des échelles infiniment petites ne fait que rendre le mystère encore plus profond.
Dans l'Univers, l’espace contient si peu de matière qu'il pourrait être considéré comme vide. C’est une notion difficile à concevoir, car sur Terre la matière est partout, sous ses 3 états, liquide, solide, et gazeux. "La nature a horreur du vide", disait Aristote.

En physique, la notion d’espace, et la façon dont celui-ci est modélisé mathématiquement, varie en fonction des conditions expérimentales. En mécanique classique, dont les lois expliquent la quasi-totalité des phénomènes survenant à échelle humaine, l’espace est modélisé comme un espace euclidien de dimension 3. La relativité restreinte, dont les lois prennent en compte le fait que la vitesse de la lumière est une constante quel que soit l’observateur, introduit un lien entre l’espace et le temps. L’espace-temps y est modélisé comme un Espace de Minkowski. Ces lois ne s’appliquent que dans un cadre restreint, pas d’accélération du référentiel, pas de gravité. En relativité générale, qui étend la mécanique classique en intégrant le fait que la vitesse de la lumière, en excluant le caractère absolu du temps, est une constante, l’espace, la matière et le temps sont liés. L’espace-temps est modélisé mathématiquement comme une variété de dimension 4, dont la courbure dépend du potentiel de gravitation. Les prédictions de la relativité générale ne s’écartent sensiblement des prédictions de la mécanique classique qu'à des champs de gravité extrêmement forts, ou à des vitesses extrêmement élevées.

En mécanique quantique, qui étudie les phénomènes à des tailles tellement petites que les changements d’états ne sont plus continus, mais se font par saut nommés quanta, l’espace est modélisé comme un espace euclidien de dimension 3, mais la notion de position n’existe plus, et est remplacée par la notion de fonction d'onde, ou nuage de probabilité. Position et mouvement y sont liés par le principe d'incertitude d'Heisenberg qui postule qu’ils ne peuvent être connus simultanément avec précision, ce qui rend impossible toute notion de trajectoire d’une particule. Bien qu’efficace pour prédire les phénomènes, cette modélisation pose des problèmes d’interprétation.

Pour les calculs, la mécanique quantique ne considère pas la position du système étudié, mais son état. Les états des systèmes sont modélisés mathématiquement dans un espace de Hilbert. Dans cet espace aussi, les mouvements ou changements d'état, sont discontinus.

Dans La magie du Cosmos, Brian Greene livre un cours de physique moderne passionnant, en même temps qu’un état des lieux de la recherche scientifique. Avec l'aide de métaphores, animations, grandes et petites histoires, expériences, mises en perspectives, etc., le physicien s’emploie par tous les moyens, en conviant Einstein à ses tribulations, pour à la physique à portée de tous, et à expliquer les découvertes et les secrets infinis du Cosmos, au-delà des apparences.

- La série La Magie du Cosmos :

L'ILLUSION DU TEMPS

- Voir aussi :

THEORIE DES CORDES

L'UNIVERS INVISIBLE : Énergie noire

MATIÈRE NOIRE ET ÉNERGIE SOMBRE, THÉORIES DE L'UNIVERS

QU'EST-CE QUE L'UNIVERS ? - La Fabuleuse Histoire de la Science