Voici une image montrant les structures à grande échelle représentant l'Univers; chaque point de lumière y représente un amas ou un superamas de galaxies ! Pour se représenter les dimensions réelles de l'univers, il faut se représenter cette image 10 à 15 fois dans chaque dimension, soit un rayon d'environ 15 milliards d'années-lumière ! Chaque pixel de cette image représente un espace de 1 million d'années-lumière, soit dix fois la taille de notre galaxie !

Les amas de galaxies s'organisent en énormes superamas, qui gravitent les uns autour des autres. On en connaît plusieurs dizaines à l'heure actuelle, grâce notamment au télescope spatial Hubble, en orbite autour de la Terre.

Notre galaxie est accompagnée de quelques galaxies satellites, plus petites comme le petit et le grand nuage de Magellan. L'ensemble de ces galaxies, de l'ordre d'une dizaine connues à l'heure actuelle, constitue ce qu'on appelle le Groupe Local.

Le système solaire, situé presqu'en bout de la galaxie, met environ 300 millions d'années pour effectuer une révolution complète autour du noyau galactique. Le système solaire a du déjà parcourir 15 fois cette orbite ! Les galaxies peuvent présenter des formes variables, allant de la galaxie à forme sphérique, elliptique, spirale, spirale barrée, irrégulière ... Notre galaxie est de taille moyenne et a un diamètre estimé à 100 000 années-lumière. Au centre de la galaxie, qui est mille fois plus brillant que le reste, on suppose qu'il y a un gigantesque trou noir...

A 20 000 années-lumière, nous voyons du dessous une portion du bras galactique. De ce point de vue, la galaxie tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. A cette échelle, le centre de la galaxie se situe à environ 40 cm à droite du carré central. A cette distance, seules les étoiles les plus brillantes sont visibles. On note également la présence de gigantesques nuages de gaz Hydrogène, qui ne s'est pas (encore) condensé pour donner des étoiles, montrant que notre galaxie est encore relativement « jeune », avec un âge estimé à 5 milliards d'années !

Nous voyons maintenant les étoiles les plus proches du système solaire. Elles sont principalement des étoiles de type «Naine blanche» (petite étoile) ou des systèmes binaires (deux étoiles). De notre point de vue, nous voyons seulement 2 étoiles, y compris le Soleil. L'étoile la plus proche de nous étant Proxima du Centaure, située à 4 années-lumière, accompagnée d'un système double nommé Alpha du Centaure à 0,5 année-lumière de Proxima.

Le système solaire est pratiquement compris dans le carré central. A cette distance, de l'ordre de 200 milliards de km, seule notre étoile, le Soleil est visible sous forme d'un point brillant, les planètes quant à elles sont invisibles. Il existe au-delà de cette distance, un anneau de matière composé de roches et de glaces que l'on appelle le nuage de Oort. Celui-ci serait responsable de l'arrivée de comètes à l'orbite très excentrique comme par exemple la célèbre comète de Halley, qui possède une période de l'ordre de 74 ans.

Jupiter est la plus grande planète du système solaire (100 fois la Terre), et est la première des planètes géantes gazeuses (Saturne, Neptune et Uranus sont les autres). L'espace important entre l'orbite de Mars et celle de Jupiter ne contient pas de planète mais une ceinture d'astéroïdes, probablement résultant de l'explosion d'une planète de type terrestre, sous les effets de marées gigantesques produit par la proximité de Jupiter! Les sondes américaines Voyager 1 et 2 ont été les premières et les seules à présent à voyager dans cette région de l'espace.

Nous voyons maintenant une portion du système solaire interne, à savoir les orbites de Mars (en bas), de la Terre (à gauche), de Vénus et de Mercure (à droite), qui sont appelées telluriques à cause de leur composition rocheuse. La planète Vénus à une taille comparable à celle de la Terre alors que Mars est un tiers plus petite en diamètre. Si un vaisseau spatial était lancé pour atteindre Mars, il mettrait de l'ordre de 6 mois pour atteindre la planète rouge, dans les meilleures conditions, c'est-à-dire lors d'une conjonction entre les deux planètes, qui arrive seulement une fois tous les six ans. De nombreux engins ont déjà été envoyés sur Mars dont le rover Opportunity, Curiosity, Perseverance et d'autres encore !

La Lune est située à 400 000 km de la Terre et constitue son unique satellite. Son diamètre (3 000 km), comparé à celui de la Terre, est inhabituellement grand par rapport aux autres planètes. On suppose que la Lune s'est détachée de la Terre lors d'une collision de la Terre avec un objet massif lors des premiers temps de la création du système solaire, alors que celui-ci était encombré de nombreux débris provenant du soleil. En effet, l'âge de la Lune est comparable à celui de la Terre, et correspond à 4,5 milliards d'années.

Cette image représente un cube de 100 000 km de côté. A cette échelle, la Lune se trouve à 20 cm du centre de la photo. La Terre est une planète de taille moyenne, d'un diamètre de 12 768 km. Elle est légèrement aplatie aux pôles (excentricité de l'ordre de 1/400e). La surface de la Terre est composée d'environ 80% d'océans, et de 20% de terres émergées. C'est cette caractéristique qui a valu à la Terre sur surnom de planète bleue. Cette image est celle que les cosmonautes en partance pour la Lune peuvent admirer du hublot de leur capsule !

Nous sommes maintenant à une altitude de 36 000 km, ce qui correspond à l'orbite géostationnaire (mouvement relatif nul des satellites par rapport à la Terre). A cette altitude se trouvent tous les satellites de télécommunication. C'est la première image qui fait apparaître la courbure de la Terre; les bords de cette photo sont distants du diamètre de la Terre, soit environ 12 800 km. On voit également nettement la zone d'ombre qui correspond à la nuit. Du fait de la rotation de la Terre sur elle-même, le jour terrestre dure 24 heures.

Nous sommes maintenant à une altitude de 2 000 km et nous voyons la France dans son entièreté. Nous pouvons apercevoir les chaînes de montagnes du Mont Blanc au sud-est ainsi que la différence de climat entre les différentes régions.

Cette photo a été prise à une altitude de 200 km, soit environ à la moitié de la distance à laquelle se trouve la Station spatiale Internationale (ISS). On y voit la région de Normandie, en France. Elle compte actuellement 3,5 million d'habitants ! Sa longueur est d'environ 270 km.

Nous voyons maintenant la ville de Caen, situé en Normandie, en France. Sa longueur est d'environ 6 km. De cette hauteur, nous distinguons à peine l'ENSICAEN, qui comporte pourtant un très grand bâtiment. Cette photo est prise à l'aide d'un satellite d'observation.

Nous voici au dessus de l'ENSICAEN et du LPC Caen. C'est le point d'arrivée de notre voyage interstellaire et le début de notre plongée dans la matière. Accrochez-vous !

Nous voici à l'échelle des êtres humains. Nous voyons sur la photo un homme écrivant dans un carnet, dans un parc proche d'une rivière, en été. Cette échelle est la nôtre, celle que l'on côtoie tous les jours, le mètre !

Nous sommes arrivés à l'échelle de la vie que nous connaissons et fréquentons tous les jours; c'est dans cette gamme de dimension que nous avons l'habitude de vivre et que nous sommes en quelque sorte adaptés, notamment au niveau de la vue !

Nous pouvons voir cette image à l'aide d'une simple loupe. Il s'agit d'un morceau de peau. On remarque le système de fissures et de crevasses de la peau qui permet à celle-ci d'acquérir la propriété d'élasticité et de déformation en tous sens. Celle-ci a malheureusement tendance à s'altérer lorsque l'être humain vieillit ...

A cette échelle, nous pouvons encore voir les organismes à l'œil nu, comme les puces et les moucherons, mais pas les détails et nous avons alors besoin d'un microscope. Sur la photo, nous voyons le même pore que précédemment, vu de plus loin. On remarque la structure en étoile de la peau, permettant l'apparition des pores.

Cette image, obtenue à l'aide d'un microscope optique, montre un pore de l'épiderme humain. Cette échelle est l'ordre de grandeur de la dimension des protozoaires et des micro-organismes, des formes parmi les plus simples de la vie; ce sont elles qui sont à l'origine de la Vie. Nous voyons ici la partie supérieure d'un épiderme humain, qui contient une couche épaisse de quelques dizaines de cellules mortes. L'épaisseur de peau est comprise entre 0,4 mm au niveau des paupières jusqu'à 4 mm au niveau de la paume de la main ou du pied.

Sur la photo, nous voyons la membrane d'une cellule, et les pores (encore!) qui permettent le passage des enzymes et des protéines que la cellule fabrique. Le processus de création d'une protéine est le suivant; à l'intérieur du noyau de la cellule, une molécule d'ARN dite messager (ARNm) décode une séquence d'ADN. Par la suite, elle voyage à l'extérieur du noyau et est utilisée comme copie par les usines à création de protéines de la cellule, qui s'appellent les ribosomes. Ainsi, l'ADN ne quitte jamais le noyau de la cellule, seul l'ARNm, des copies partielles de l'ADN, véhicule à travers la cellule.

Les atomes constituent le plus petit morceau indivisible de matière. Les atomes, comme celui de Carbone qui est visible au centre de l'image, suivant le nombre d 'électrons qu'il possède sur la couche externe, peut se lier à d'autres atomes en mettant en commun un ou plusieurs de ses électrons. Le Carbone possède 4 liaisons disponibles et peut donc se lier à 4 atomes différents, formant ainsi des assemblages d'atome - molécules - de plus en plus complexes, comme ici sur un morceau d'un brin d'ADN. C'est cette complexité d'assemblage des atomes (notamment du Carbone) qui a donné naissance à la vie et à la biodiversité !

L'image représente maintenant l'ensemble du cortège électronique de l'atome de Carbone 12. Les zones de présence des électrons sont représentées par la densité des points blancs visibles sur l'image. Dans le cas de l'atome de Carbone 12, on voit qu'il existe 2 zones concentriques qui recèlent la présence des électrons; ces zones sont appelées couches électroniques et sont caractéristiques de l'élément considéré. Pour le Carbone 12, ces 2 couches contiennent respectivement 4 électrons (zone interne) et 2 électrons pour la couche externe qui peut en contenir 6 au maximum.

Les nucléons (protons et neutrons) se répartissent de manière la plus compacte possible à l'intérieur du noyau, sous la forme d'une sphère. La taille d'un noyau est alors proportionnelle au nombre de nucléons (protons et neutrons qui possèdent la même taille) à la puissance 1/3. Le rapport de taille entre le noyau d'Hydrogène (le plus léger constitué d'un proton) et le noyau d'Uranium 238 (l'un des plus lourds constitué de 92 protons) est donc faible, de l'ordre de 6 fois, bien que la masse soit dans un rapport de 1 à 238 !

Le noyau de l'atome est constitué de nucléons, les protons et les neutrons. Un noyau est alors caractérisé par ses nombres de proton et neutron. Le noyau le plus léger est l'Hydrogène constitué seulement d'un proton. Les éléments chimiques sont déterminés par le nombre de protons, alors que le nombre de neutrons caractérise l'isotope nucléaire. Ainsi, le noyau d'Uranium (92 protons) possède plusieurs isotopes, notamment l'Uranium 235 (143 neutrons) et l'Uranium 238 (146 neutrons). Chaque élément chimique existe ainsi en plusieurs versions au niveau nucléaire !

Les protons et les neutrons, sont en fait formés de quarks, les constituants ultimes de la matière à ce jour. Ils sont plus précisément composés de 3 quarks et font partie de la famille des fermions (spin demi-entier), alors que d'autres particules sont formées de seulement 2 quarks, et constituent la famille des bosons (spin entier). Suivant le type de particules (fermions ou bosons), le comportement sera différent et donnent naissance à la notion de statistiques quantiques.