Il existe une
relation intime entre les domaines de la physique des particules et la cosmologie,
qui été illustrée par une longue lignée de physiciens travaillant dans les deux
simultanément: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne, et bien d'autres.
La cosmologie est l'étude de l'univers et de sa structure, tandis que la
physique des particules est l'étude des particules élémentaires comme les quarks
et les photons, les plus petits objets connus. Bien qu'au premier abord elles
peuvent paraître comme sans rapport que n'importe quoi peut être, la cosmologie
et la physique des particules sont en fait étroitement liées.
Contrairement
aux systèmes complexes de la Terre, qui bien être décrites à l'aide des
explications de haut niveau plutôt que des propriétés émergentes des niveaux
les plus bas, les phénomènes intergalactiques et cosmologiques sont
relativement simples. Par exemple, dans les vastes distances de l'espace, un
seul des quatre forces de la nature a une réelle influence: la gravité. Bien
que les étoiles et les galaxies sont très loin et beaucoup de fois plus grand
que nous-mêmes, nous avons une image d'une précision remarquable de la façon dont
ils travaillent, dérivé de lois physiques fondamentales qui orientent leurs
particules constitutives.
Le domaine de la
cosmologie plus étroitement lié à la physique des particules est l'étude du Big
Bang, l'explosion gigantesque qui a créé toute la matière dans l'univers et
l'espace-temps dont l'univers lui-même est composé. Le Big Bang a commencé
comme un point de densité quasi-infinie et le volume à zéro: une singularité.
Puis, il a rapidement élargi à la taille d'un noyau atomique, qui est l'endroit
où la physique des particules entre en scène. Pour comprendre comment les
premiers instants du Big Bang ont influencé l'univers tel qu'il est
aujourd'hui, nous devons utiliser ce que nous savons à propos de la physique
des particules pour créer des modèles cosmologiques plausibles.
Une des
motivations pour la création d'accélérateurs de particules les plus puissants
est de mener des expériences qui simulent les conditions physiques le plus tôt
possible dans l'histoire de l'univers, où tout était très compact et chaud. Les
cosmologistes doivent être bien versé dans la physique des particules, afin
d'apporter une contribution significative dans le domaine.
Une autre clé
pour comprendre la relation entre la physique des particules et de la cosmologie
est de regarder l'étude des trous noirs . Les propriétés physiques des trous
noirs sont pertinentes pour l'avenir à long terme du cosmos. Les trous noirs
sont effondrés étoiles avec une telle immense gravité que même la lumière ne
peut échapper à leur emprise. Pendant un certain temps, on a pensé que les
trous noirs émis aucun rayonnement, et aurait été éternelle, un paradoxe pour
les physiciens. Mais Stephen Hawking a théorisé, fondées sur les de la physique
des particules, que les trous noirs n'émettent en effet rayonnement, qui a
ensuite été surnommé le rayonnement de Hawking.
La physique des
particules est également très pertinente dans les enquêtes de la matière noire,
matière invisible dont l'existence est connue en raison de son influence
gravitationnelle sur la matière visible, et l'énergie sombre, une force
mystérieuse qui imprègne l'univers et provoque son expansion s'accélérer. Ce
sont des questions centrales de la cosmologie moderne.
