5.1 Les chimies autres que le carbone

                        5.1.1 Silicium, germanium

                            On a vu que la totalité des formes de vie que l'on trouve sur la Terre sont basées sur la chimie du carbone. Cet élément possède de nombreuses qualités lui permettant d'assurer la structure des molécules entrant dans ce processus. Un grand nombre de ces propriétés proviennent de la tétravalence du carbone. Dès lors, on a logiquement cherché les mêmes particularités dans les autres éléments tétravalents.
                            Observant le tableau périodique de Mendeleïev, on constate que se trouvent dans la même colonne que le carbone, mais avec une masse atomique supérieure, le silicium et le germanium. Étant donnée la relative rareté du germanium dans l'univers, on négligera cette hypothèse pour s'interroger sur ce que pourrait être une vie basée sur le silicium, élément plus répandu.

                            Le silicium comme le carbone est tétravalent. On peut donc intervertir dans les molécules organiques, en expérience de pensée, les deux éléments. Ainsi, on obtiendra en place du CH₄ du SiH₄ etc... Ce raisonnement est possible en théorie, mais de nombreuses propriétés diffèrent dans les deux familles ainsi crées, dont la principale est la rigidité des liaisons covalentes entre atomes de silicium. Plus fortement liés entre eux que ceux de carbone, ces atomes nécessiteront une plus grande énergie pour entrer en réaction et pour se combiner afin d'atteindre les niveaux de très haute complexité que l'on observe en chimie organique, complexité nécessaire au développement de la vie.
                            C'est en partie à cause de cela que peu de molécules contenant du silicium ont été observées dans l'espace intersidéral où, on l'a vu, les molécules prébiotiques  à base de carbone ont tendance à se former spontanément sous l'action des rayonnements traversant l'espace interplanétaire. Seulement 6% des molécules ainsi synthétisées contiennent du silicium, contre 79% pour le carbone, soit 12 fois moins. Il est à noter cependant que les composés à base de silicium ont des propriétés catalytiques intéressantes.
                            Si on admet que les comètes ont été à l'origine de l'apport de ces molécules prébiotiques sur les planètes et satellites, le rapport de 1/12 est rédhibitoire pour le silicium. La compétition qui pourrait s'instaurer entre les deux types d'évolution est favorable au carbone dans des proportions écrasantes. Cet élément forme des composants bien plus stables, plus variés donc plus adaptés aux environnements, et surtout plus rapidement. Dans cette hypothèse, si un embryon de vie à base de silicium a pu apparaître sur Terre dans le passé, il a du être très vite annihilé par la vie carbonée. Aucun indice de vie à base de silicium n'a d'ailleurs jamais été trouvé nulle part.

                            Il pourrait en être différemment dans un environnement très hostile, bien au delà des pires conditions de la Terre. Ont été envisagés ainsi des écosystèmes dont l'élément liquide serait l'ammoniac. Ce corps est décomposé par le rayonnement ultraviolet omniprésent dans l'univers, en azote et hydrogène. L'azote n'influe pas en retour sur le rayonnement UV, à l'inverse de l'eau dont la dissociation produit de l'oxygène, puis de l'ozone qui y fait écran. Les composés carbonés n'auraient pas leur place dans un tel environnement, le rayonnement ultra violet les détruisant. Par contre, les composés à base de silicium y seraient moins altérés. Cela permettrait à une telle chimie de prospérer, débarrassée de la compétition avec le carbone. Cependant, la présence d'ammoniac liquide implique une température très basse (l'ammoniac est liquide à la pression atmosphérique entre -33 et -78°c), à laquelle les processus vitaux sont très lents. Une telle biochimie reste donc très improbable et a toutes les chances de rester, pour quelques dizaines de milliards d'années encore, cantonnée aux ouvrages de science fiction.

            5.2 Les physiques exotiques

5.2.1. Rappel de physique quantique

                    Au chapitre 2 a été décrite la matière ordinaire qui nous entoure et dont nous sommes constitués, celle que nos sens sont capables de percevoir. Cette matière est formée par les éléments de la première famille, détaillée ci-contre. Un rappel superficiel de physique quantique devient nécessaire ...

                    Considérant le monde qui nous entoure, on constate qu'existent d'une part la matière, et d'autre part les interactions (les forces). L'interaction la plus évidente est la gravitation. La Terre attire la Lune, et est attirée par le Soleil. Une autre interaction familière est l'interaction électromagnétique (les aimants).
                    La matière est composée de molécules, composées d'atomes, composés eux mêmes de plus petites particules, élémentaires (indivisibles), les FERMIONS. Les forces sont également composées de particules, plus subtiles, les BOSONS. On connaît quatre forces. Les deux familières précitées : gravitation et électromagnétisme, et deux autres au niveau atomique : la force nucléaire forte, responsable de la cohésion des noyaux atomiques et la force nucléaire faible, responsable de certains types de radioactivités. N'entrons pas plus avant dans les détails, car les fermions et bosons eux mêmes se regroupent en familles selon leurs sensibilités à ces forces. Retenons que les neutrons et protons, constituants du noyau atomique (voir chapitre 2) sont constitués des quarks, qui sont donc des fermions. Ce sont les quarks U (pour "up") et D (pour "down"). Autour de ce noyau se trouvent les électrons, également des fermions. Quarks U et D et électrons constituent la première famille de fermions, qui compte un quatrième membre, le neutrino, très discret. Cette famille suffit pour former toute la matière ordinaire qui nous entoure.
Les interactions elles sont transportées, à la vitesse de la lumière, par les bosons. Les bosons de l'interaction nucléaire forte sont les GLUONS, au nombre de 8. Ceux de la force nucléaire faible sont au nombre de trois : le W^-, le W⁺ et le Z°. Le vecteur de l'interaction électromagnétique est le photon (et oui, le même que celui de la lumière..!), et on cherche toujours le vecteur de la gravitation. On l'a appelé "graviton", mais il n'a jamais été observé, seulement prédit par la théorie.

NB: On pourrait penser qu'en fait, les fermions sont des "billes" de matière, et les bosons des ondes. En fait, ces particules possèdent toutes une dualité onde-particule et se comporteront, suivant la façon dont on les observe, comme l'un ou l'autre de ces états. De plus, le principe d'incertitude d'Eisenberg énonce que la mesure intervient sur les éléments que l'on observe et les fixe dans un certain état. Il est impossible de déterminer avec certitude leur position ou leur vitesse. Certains ont même avancé que chaque mesure, puisque plusieurs états sont possibles et qu'un seul est observé, sépare le monde en plusieurs "univers parallèles" et que l'observation du blanc sous entend la création d'un univers noir (je schématise). Cette vue de l'esprit a été reprise par les auteurs de science fiction à de nombreuses reprises. (La physique quantique est source inépuisable d'inspiration pour ces auteurs, qui ont tendance à extrapoler les comportements microscopiques ou virtuels au monde réel, pour notre plus grand plaisir...).
A cause de cela, la meilleure façon de représenter une particule fondamentale est d'en décrire les propriétés physiques par le biais d'une formule mathématique statistique à trois variables spatiales et une temporelle, l'équation de Schrödinger (fonction d'onde).

                    Les masses de ces particules ne s'expriment pas en kilos ou en grammes, car elles sont très légères. Sachant que toute masse équivaut à une énergie par la célèbre formule e=mc², on en déduit que m=e/c² , où m est la masse en kilogrammes, c la célérité de la lumière en mètres par seconde, et e l'énergie en joules. Dans les faits, on utilise comme mesure d'énergie celle acquise par un électron soumis à une différence de potentiel de un volt, l'électron-volt (eV), et on exprime les masses dans cette unité et ses multiples : le mégaélectron-volt (10⁶eV=MeV) et le gigaélectron-volt (GeV=10⁹eV).
                    Pour tenter d'être complet, notons que, à part leurs masses et leurs charges électriques, les particules possèdent une qualité nommée spin. Les fermions ont un spin fractionnaire, les bosons un spin entier. Les bosons et les fermions se trouvent donc dans un certain état quantique. Les fermions sont individualistes et, au nom du principe d'exclusion de Pauli, ne peuvent se trouver ensemble dans le même état quantique. Ils ne peuvent se superposer, ce que peuvent faire les bosons. C'est une différence fondamentale entre eux. Il existe aussi des boson non élémentaires, qui sont formés d'un nombre pair de fermions.

NB: Les bosons possèdent une cohérence d'ensemble. Tout cela est très théorique, car ces particules sont évidemment invisibles, mais on peut remarquer ce comportement dans un cas : l'hélium 4 superfluide. En effet, le noyau de He⁴, composé de deux neutrons et de deux protons, est un boson non élémentaire. A la température de 2,17°k (-271°c), cet élément se comporte comme tel, car la faible agitation moléculaire due à la très basse température fait que tous les noyaux occupent le même état d'énergie. Cela produit des effets surprenants. L'hélium 4 traverse les capillaires les plus fins et grimpe le long des éprouvettes, par capillarité. Un autre effet de la cohérence d'ensemble des bosons est celui obtenu avec les photons. C'est le principe du Laser.

                            On a vu que la matière qui nous entoure et que nous percevons est composée principalement de protons et de neutrons en ce qui concerne les fermions. Neutrons et protons sont composés eux mêmes exclusivement de quarks appartenant à la première famille, les quarks u et d. Cependant, le tableau ci dessus montre deux autres familles de particules, comprenant les quarks c, s, t et b. Ces quarks peuvent également théoriquement se lier et former à leur tour de nouvelles particules. En fait, ces particules demandent beaucoup d'énergie pour apparaître et leur durée de vie est extrèmement brève. On les observe dans les accélérateurs de particules. Trois quarks liés forment un baryon (proton, neutron) et deux quarks forment un meson. Dans les faits, seules des combinaisons des quarks de la première famille et du quark s (pour strange: étrange) de la seconde ont été observés. Le tableau ci-dessous les récapitule, et indique leurs caractéristiques (, Iz= Isospin quantifié (Expression de la propriété d'indifférence de l'interaction nucléaire forte à la charge électrique), Q=Charge électrique, S= étrangeté (Nombre quantique conservé dans l'interaction nucléaire forte et relié à la saveur étrange "strange"), et B=Nombre baryonique (vaut +1 pour un baryon, 0 pour un méson, -1 pour un antibaryon))