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Question des jeunes — Quelle est la chose la plus petite dans l’univers?

En bref, nous pensons que ce sont les quarks.

Quand on imagine de petits objets, on peut penser à des fourmis, des mouches des fruits, des semences, des grains de sable ou de la poussière. Mais même ces petits objets sont énormes lorsqu’on les compare aux choses les plus minuscules que nous connaissons.

Comme ces choses minuscules sont beaucoup, beaucoup plus petites que les objets qui nous sont familiers, on peut avoir une meilleure idée de leur échelle de grandeur en utilisant des puissances de 10.

Commençons par une petite fille que nous appellerons Alice. Alice mesure environ 1 mètre, ce qui est 10 fois plus grand qu’un petit téléphone cellulaire (de 10 centimètres de long), c’est-à-dire une « puissance de 10 » plus grand. Le téléphone est environ 10 fois plus grand qu’une bille (qui fait environ 1 centimètre de diamètre), et cette bille est elle-même environ 10 fois plus grande qu’un grain de sable (d’un diamètre d’environ 1 millimètre). Si l’on compare Alice au grain de sable, on voit qu’Alice est « 10 à la puissance 3 », ou 1 000 fois plus grande que le grain de sable.

Pour écrire les puissances de 10 d’une manière concise, les scientifiques utilisent une méthode appelée notation scientifique. Cette notation est commode lorsqu’il y a beaucoup de zéros qui rendent les nombres difficiles à écrire. Elle consiste à représenter le nombre de puissances de 10 sous forme d’un exposant — un petit nombre, ajouté en haut et à droite du 10, qui sert en quelque sorte d’abréviation. Par exemple, 10 à la puissance 3 (c’est-à-dire 1 000) s’écrit 103, et 10 à la puissance 6 (ou 1 million) s’écrit 106.

L’œil humain le plus perçant ne peut rien distinguer de plus petit qu’un dixième environ de l’épaisseur d’un cheveu. Pour voir des objets plus petits, il faut utiliser d’autres méthodes d’observation, par exemple un microscope à effet tunnel, qui exploite certaines propriétés de la physique quantique (les règles fascinantes qui régissent le monde de l’infiniment petit). Ce genre de microscope aide à voir des atomes, les petites particules de matière constituant les éléments que nous connaissons (comme le carbone, l’oxygène et l’or).

À l’origine, les Grecs de l’Antiquité croyaient que les atomes étaient indivisibles, mais nous savons maintenant qu’ils sont faits de choses encore plus petites. Ils comportent un noyau formé de protons et de neutrons, et un nuage de minuscules électrons qui tournent autour du noyau. Les protons et les neutrons sont eux-mêmes formés de quarks.

Dans l’état actuel de la science, les quarks ne sont pas formés d’autres composantes, de sorte que ce sont les choses les plus petites que nous connaissions. En fait, ils sont si minuscules que les scientifiques ne sont même pas certains qu’ils aient une taille : ils pourraient être incommensurablement petits! Nous savons qu’ils sont au moins 1018 (ou un milliard de milliards) de fois plus petits qu’Alice.

Les quarks sont les choses les plus petites que nous connaissions, mais y a-t-il une limite à la petitesse possible de toute chose? Nos théories actuelles s’effondrent à une échelle appelée longueur de Planck, qui est 100 milliards de milliards de fois plus petite que la taille d’un proton, ou 1034 fois plus petite qu’Alice! Pour aller à plus minuscule que cela, nous aurions besoin de théories physiques complètement différentes. Même s’il est impossible de « voir » quoi que ce soit à cette limite avec nos yeux, un microscope ou toute autre méthode, les physiciens explorent cette limite minuscule à l’aide de nombreux outils mathématiques.

Vous aimeriez explorer cela par vous-même? Le site Web interactif quantumtocosmos.ca de l’Institut Périmètre, que vous pouvez consulter en français comme en anglais, vous permet de naviguer dans tous les ordres de grandeur connus de l’univers. Vous pouvez faire un zoom avant jusqu’à la longueur de Planck, ou un zoom arrière jusqu’à la taille de l’univers observable tout entier.

Et en passant, vous allez voir où Alice (ou vous-même) se situe dans tout cela. Vous pourriez être surpris!

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