Le Savoir

Le Big Bang

Il y a environ 13,8 milliards d'années, tout ce que contient l'univers observable était concentré dans un état plus chaud et plus dense que tout ce qui existe aujourd'hui. Le Big Bang n'a pas été une explosion dans l'espace, comme un feu d'artifice dans une pièce obscure. C'était l'expansion de l'espace lui-même, et elle s'est produite partout à la fois. Où a eu lieu le Big Bang ? Honnêtement : ici même, et partout ailleurs.

Dans la toute première fraction de seconde, la plupart des cosmologistes pensent que l'univers a connu l'inflation, une expansion effrénée qui a étiré une région bien plus petite qu'un atome jusqu'à une taille astronomique. En continuant de s'étendre et de se refroidir, l'énergie s'est condensée en particules. Au bout d'une seconde environ, protons et neutrons étaient formés. Entre trois et vingt minutes, ils ont fusionné pour donner les noyaux des éléments les plus légers : environ trois quarts d'hydrogène et un quart d'hélium en masse, avec une trace de lithium. Tout le reste, du carbone de vos cellules au fer de votre sang, devrait attendre les étoiles.

Pendant les 380 000 années suivantes, l'univers fut un brouillard incandescent de particules chargées qui diffusaient la lumière comme un nuage diffuse le soleil. Quand la température est tombée à environ 3 000 kelvins, les électrons se sont fixés aux noyaux pour former des atomes, et le brouillard s'est dissipé. La lumière libérée à cet instant voyage toujours. Étirée en micro-ondes par l'expansion de l'espace, elle nous parvient de toutes les directions : c'est le fond diffus cosmologique, à 2,7 degrés à peine au-dessus du zéro absolu. Arno Penzias et Robert Wilson l'ont découvert par hasard en 1965, en cherchant à éliminer un sifflement tenace dans une antenne radio du New Jersey.

Le saviez-vous ? Une petite partie de la « neige » d'un vieux téléviseur analogique réglé entre deux chaînes était la lueur résiduelle du Big Bang.

Deux autres indices soutiennent la théorie. En 1929, Edwin Hubble montra que les galaxies lointaines s'éloignent de nous, d'autant plus vite qu'elles sont loin, comme des points sur un ballon qu'on gonfle. Le prêtre et physicien belge Georges Lemaître l'avait prédit deux ans plus tôt. Et les quantités d'hydrogène et d'hélium mesurées dans les plus vieilles étoiles concordent remarquablement avec les calculs de ces premières minutes.

Le nom vient de l'astronome Fred Hoyle, à la radio de la BBC en 1949. Partisan d'un univers « stationnaire » sans commencement, il aurait voulu se moquer, mais Hoyle affirma n'avoir cherché qu'une image frappante. Ce qui précédait reste une question ouverte, peut-être même dénuée de sens si le temps lui-même a commencé là. Depuis 1998, on sait que l'expansion accélère, sous l'effet d'une mystérieuse énergie sombre. L'univers est né d'un « boum », et il n'a jamais cessé de grandir.

Les galaxies

Une galaxie est un immense ensemble d'étoiles, de gaz, de poussière et de matière noire invisible, lié par la gravité. La nôtre, la Voie lactée, compte entre 100 et 400 milliards d'étoiles réparties dans un disque aplati d'environ 100 000 années-lumière de diamètre. Par une nuit noire, loin des lampadaires, sa bande pâle traverse le ciel. Les Grecs anciens y voyaient du lait renversé : le mot galaxie vient de gala, « lait » en grec.

Le Soleil se trouve dans une banlieue tranquille, à environ 26 000 années-lumière du centre, et met quelque 230 millions d'années à boucler une orbite. La dernière fois que la Terre occupait sa position actuelle, les premiers dinosaures faisaient leur apparition. Au cœur de la galaxie se tient Sagittarius A*, un trou noir d'environ quatre millions de masses solaires, photographié pour la première fois par l'Event Horizon Telescope en 2022.

En 1926, Edwin Hubble classa les galaxies selon leur forme, et son schéma sert toujours. Les galaxies elliptiques sont des essaims lisses en forme de ballon de rugby, peuplés surtout de vieilles étoiles rougeâtres. Les spirales ont des bras brillants où naissent de nouvelles étoiles, et beaucoup, dont la Voie lactée, sont traversées d'une barre d'étoiles. Les galaxies irrégulières, comme les deux Nuages de Magellan visibles depuis l'hémisphère sud, n'ont aucune forme nette.

Le saviez-vous ? La galaxie d'Andromède est visible à l'œil nu, et la lumière qui vous en parvient est partie il y a environ 2,5 millions d'années, bien avant l'apparition de l'homme moderne.

Les galaxies ne sont pas réparties au hasard. La Voie lactée, Andromède et des dizaines de petites galaxies forment le Groupe local, qui appartient à des amas et superamas alignés le long d'immenses filaments, autour de vides presque déserts. L'univers observable contient au moins des centaines de milliards de galaxies, et certaines estimations vont bien au-delà.

Les galaxies livrent aussi la meilleure preuve de la matière noire. Dans les années 1970, l'astronome américaine Vera Rubin mesura la vitesse des étoiles dans les galaxies spirales : les étoiles extérieures tournent bien trop vite pour que la matière visible les retienne. Quelque chose d'invisible, environ cinq fois plus massif que la matière ordinaire, doit fournir la gravité manquante. Sa nature reste inconnue.

Les galaxies entrent aussi en collision. Comme elles sont surtout faites de vide, leurs étoiles ne se heurtent presque jamais ; la gravité les refond en une galaxie plus grande. Andromède approche à environ 110 kilomètres par seconde, et les deux pourraient fusionner dans quelque cinq milliards d'années, même si les mesures récentes rendent l'issue moins certaine. Même les îles d'étoiles dérivent.

Les étoiles

Une étoile est une gigantesque boule de gaz chaud qui produit sa propre lumière par fusion nucléaire. Toutes naissent dans un nuage froid et sombre de gaz et de poussière, une nébuleuse. Lorsqu'une partie du nuage est comprimée, peut-être par l'onde de choc d'une étoile voisine qui explose, la gravité prend le dessus : le grumeau s'effondre et chauffe en se contractant. La nébuleuse d'Orion, à environ 1 300 années-lumière et tout juste visible à l'œil nu, est une pouponnière d'étoiles en pleine activité.

Quand le cœur atteint une dizaine de millions de degrés, les noyaux d'hydrogène fusionnent en hélium en libérant de l'énergie. Une étoile est née. Pendant l'essentiel de sa vie, elle tient un équilibre délicat : la gravité veut l'écraser, la pression du gaz chaud et de la lumière la repousse. Les astronomes appellent cette longue phase stable la séquence principale.

La masse décide de tout. Les petites naines rouges consomment leur combustible si lentement qu'elles pourraient briller des milliers de milliards d'années, bien plus que l'âge actuel de l'univers. Le Soleil vivra environ 10 milliards d'années. Une étoile vingt fois plus lourde brûle ses réserves en quelques millions d'années seulement. La couleur trahit la température : les étoiles rouges ont une surface proche de 3 000 °C, les géantes bleu-blanc dépassent 20 000 °C.

Quand l'hydrogène du cœur s'épuise, une étoile comme le Soleil gonfle en géante rouge et fusionne l'hélium en carbone et en oxygène. Elle finit par souffler ses couches externes en une coquille lumineuse, baptisée à tort nébuleuse planétaire, et laisse une naine blanche de la taille de la Terre. Les étoiles de plus de huit masses solaires vont plus loin : elles fusionnent des éléments toujours plus lourds, en couches d'oignon, jusqu'au fer. Fusionner le fer consomme de l'énergie au lieu d'en libérer ; le cœur s'effondre en moins d'une seconde et l'étoile explose en supernova, laissant une étoile à neutrons ou un trou noir.

Le saviez-vous ? Les étoiles ne scintillent pas vraiment. Le clignotement vient de la turbulence de l'atmosphère terrestre ; vues de l'orbite, elles sont des points parfaitement fixes.

C'est ainsi que l'univers acquiert sa chimie. Le carbone de vos cellules et l'oxygène que vous respirez ont été forgés dans des étoiles mortes avant la naissance du Soleil. Les supernovae et les collisions d'étoiles à neutrons, dont l'une a été observée en 2017, dispersent des éléments plus lourds comme l'or et l'uranium, prêts pour la génération suivante d'étoiles et de planètes. Nous sommes, au sens propre, faits de lumière d'étoiles recyclée.

Le Soleil

Le Soleil est une étoile ordinaire qui se trouve simplement très près de nous. À environ 150 millions de kilomètres, sa lumière met quelque huit minutes et vingt secondes à nous parvenir. Il est 109 fois plus large que la Terre et rassemble environ 99,8 % de la masse du Système solaire. Formé il y a environ 4,6 milliards d'années, il est à peu près à la moitié de sa vie.

Son énergie naît dans le cœur, où règnent environ 15 millions de degrés et une pression colossale. Chaque seconde, le Soleil y fusionne quelque 600 millions de tonnes d'hydrogène en hélium. Quelques millions de tonnes de cette masse disparaissent à chaque seconde, converties en énergie exactement comme le décrit l'équation d'Einstein, E = mc².

Cette énergie s'échappe ensuite avec une lenteur étonnante. Dans la zone radiative, la lumière est absorbée et réémise d'innombrables fois, zigzaguant si bien que le trajet peut durer des milliers d'années. Plus haut, dans la zone convective, le gaz bouillonne comme une soupe dans une casserole : des panaches chauds montent, refroidissent et redescendent. Leurs sommets dessinent sur la surface visible, la photosphère, un motif de granules souvent aussi larges qu'un petit pays, à environ 5 500 °C.

Le saviez-vous ? Le Soleil est blanc, pas jaune. L'atmosphère terrestre diffuse une partie de la lumière bleue, ce qui le fait paraître jaunâtre depuis le sol ; les astronautes le voient d'un blanc éclatant.

La surface est marquée de taches solaires, zones plus froides et plus sombres où des champs magnétiques enchevêtrés freinent la chaleur. Leur nombre croît et décroît selon un cycle d'environ 11 ans ; le cycle actuel a culminé vers la fin de 2024. Au-dessus de la photosphère s'étend la fine chromosphère, puis la couronne, une atmosphère ténue visible lors des éclipses totales. Curieusement, elle dépasse le million de degrés, bien plus que la surface, et la raison exacte en est encore débattue.

De la couronne s'échappe le vent solaire, un flot de particules chargées qui balaie toutes les planètes. Les grandes éruptions perturbent le champ magnétique terrestre, déclenchent des aurores et menacent satellites et réseaux électriques. L'événement de Carrington, en 1859, fit jaillir des étincelles des fils télégraphiques. En décembre 2024, la sonde Parker Solar Probe de la NASA est passée à environ 6,1 millions de kilomètres de la surface, plus près qu'aucun engin avant elle.

Dans quelque cinq milliards d'années, le Soleil manquera d'hydrogène en son cœur et deviendra une géante rouge, engloutissant probablement Mercure et Vénus. D'ici là, il continuera ce qu'il fait depuis avant la naissance de la Terre : alimenter presque toute la vie sur la planète.

Les planètes

Il y a environ 4,6 milliards d'années, un disque tournoyant de gaz et de poussière entourait le Soleil naissant. Les grains se sont agglomérés en cailloux, les cailloux en blocs, et les blocs en planétésimaux qui se sont heurtés et ont fusionné. Près du Soleil, il faisait trop chaud pour la glace : seuls la roche et le métal pouvaient s'assembler, d'où de petits mondes. Au-delà d'une frontière appelée ligne des glaces, la glace abondait, et des noyaux assez gros ont pu capturer d'énormes enveloppes de gaz.

Il en résulte deux familles. Les quatre planètes rocheuses intérieures sont Mercure, Vénus, la Terre et Mars. Mercure, la plus petite et la plus rapide, fait le tour du Soleil en 88 jours. Vénus est la planète la plus chaude, avec environ 465 °C, bien que Mercure soit plus proche : son épaisse atmosphère de dioxyde de carbone piège la chaleur par un effet de serre emballé. Mars, deux fois moins large que la Terre, porte le plus haut volcan connu, Olympus Mons, plus de deux fois plus haut que l'Everest.

Le saviez-vous ? Sur Vénus, un jour dure plus qu'une année : elle tourne sur elle-même en 243 jours terrestres mais fait le tour du Soleil en environ 225.

Au-delà de la ceinture d'astéroïdes viennent les planètes géantes. Jupiter est plus de deux fois plus massive que toutes les autres planètes réunies, et sa Grande Tache rouge est une tempête plus large que la Terre, active depuis au moins deux siècles. Saturne, célèbre pour ses anneaux faits surtout de glace d'eau, est la planète la moins dense, plus légère que le même volume d'eau, et détient le record des lunes connues, bien plus de deux cents. Ces deux-là sont des géantes gazeuses, faites surtout d'hydrogène et d'hélium.

Le couple extérieur, Uranus et Neptune, forme les géantes de glace, car leur intérieur contient beaucoup d'eau, d'ammoniac et de méthane. Uranus est couchée sur le côté, peut-être à cause d'une collision ancienne : chaque pôle connaît environ 42 ans de jour continu puis 42 ans de nuit. Neptune fut découverte en 1846 par le calcul avant de l'être au télescope : Urbain Le Verrier prédit sa position d'après les écarts de l'orbite d'Uranus, et Johann Galle la trouva à moins d'un degré de la prévision.

Pluton fut considérée comme la neuvième planète de 1930 à 2006, quand l'Union astronomique internationale décida qu'une planète doit aussi avoir fait le ménage sur son orbite. Pluton partage la sienne avec la ceinture de Kuiper : elle devint une planète naine.

Les distances défient l'imagination. Si le Soleil avait la taille d'une porte d'entrée, la Terre serait un petit pois à 200 mètres, et Neptune tournerait à quelque six kilomètres. Le Système solaire est surtout du vide, avec huit brillantes exceptions.

La Lune

La Lune mesure 3 474 kilomètres de diamètre, un peu plus du quart de celui de la Terre, ce qui en fait un satellite exceptionnellement grand par rapport à sa planète. Elle orbite à une distance moyenne d'environ 384 400 kilomètres : une trentaine de Terres tiendraient dans l'intervalle. La plupart des scientifiques pensent qu'elle s'est formée il y a environ 4,5 milliards d'années lors d'un impact géant, quand un corps de la taille de Mars, souvent appelé Théia, a percuté la jeune Terre et projeté un anneau de débris en fusion qui s'est rassemblé en lune.

La Lune nous montre toujours la même face, car elle tourne exactement une fois sur elle-même à chaque orbite : c'est la rotation synchrone. On parle souvent de sa « face cachée » comme d'une face sombre, mais c'est un mythe : elle reçoit autant de soleil, simplement jamais tournée vers nous. Les phases viennent de ce que nous voyons une portion variable de sa moitié éclairée au fil de son orbite, de la nouvelle lune à la pleine lune et retour en 29,5 jours environ.

Les taches sombres qui dessinent un visage sont des mers, ou maria en latin. Galilée les observa à la lunette en 1609, mais elles ne contiennent pas d'eau : ce sont des plaines de lave durcie, issues d'éruptions vieilles de plus de trois milliards d'années. Les hautes terres plus claires sont encore plus anciennes et criblées de cratères, préservés faute de météo pour les effacer.

Le saviez-vous ? Le Soleil est environ 400 fois plus large que la Lune et environ 400 fois plus éloigné : voilà pourquoi la Lune peut le masquer si exactement lors d'une éclipse totale.

La gravité lunaire soulève les marées. Elle tire plus fort sur la face de la Terre tournée vers elle et moins sur la face opposée, étirant les océans en deux renflements. En tournant, la Terre traverse ces bourrelets : la plupart des côtes connaissent deux marées hautes toutes les 24 heures et 50 minutes environ. Quand le Soleil et la Lune s'alignent, à la nouvelle et à la pleine lune, leurs forces s'additionnent en grandes marées de vives-eaux.

Ce bras de fer agit dans les deux sens. Il freine lentement la rotation de la Terre, allongeant le jour, et éloigne la Lune d'environ 3,8 centimètres par an, mesure obtenue par des lasers renvoyés par des miroirs déposés lors des missions Apollo. Douze hommes ont marché sur la Lune entre 1969 et 1972 et rapporté 382 kilogrammes de roches. En 2024, la sonde chinoise Chang'e 6 a ramené les premiers échantillons de la face cachée, et la glace d'eau des cratères polaires fait du pôle Sud la cible des prochains alunissages habités. La Lune s'éloigne, mais très lentement.

Les trous noirs

Un trou noir est une région de l'espace où la matière est si concentrée que sa gravité ne laisse rien s'échapper, pas même la lumière. La frontière du non-retour est l'horizon des événements. À l'extérieur, un objet assez rapide peut encore se libérer ; à l'intérieur, tous les chemins mènent vers le centre. En 1916, quelques mois après la publication de la relativité générale d'Einstein, le physicien allemand Karl Schwarzschild calcula la taille de cet horizon pour n'importe quelle masse.

Les chiffres sont saisissants. Pour transformer le Soleil en trou noir, il faudrait l'écraser en une boule d'environ six kilomètres de diamètre. La Terre devrait être réduite à la taille d'une bille. La nature y parvient à la mort d'une étoile très massive : une fois son combustible nucléaire épuisé, rien ne soutient plus son cœur, qui s'effondre en un trou noir stellaire de quelques à quelques dizaines de masses solaires. Le premier candidat sérieux, Cygnus X-1, fut identifié au début des années 1970 grâce aux rayons X du gaz qui y tombe.

Au centre de la plupart des grandes galaxies se trouvent des trous noirs supermassifs, de millions à milliards de masses solaires. Celui de la Voie lactée, Sagittarius A*, pèse environ quatre millions de masses solaires. En 2019, l'Event Horizon Telescope, réseau de radiotélescopes répartis sur tout le globe, publia la première image de l'ombre d'un trou noir : le géant de la galaxie M87, d'environ 6,5 milliards de masses solaires.

Le saviez-vous ? Si le Soleil était remplacé par un trou noir de même masse, la Terre continuerait de tourner exactement comme avant. Les trous noirs n'aspirent pas tout comme des aspirateurs cosmiques.

Le trou noir lui-même est invisible, mais pas ses abords. Le gaz qui spirale vers lui forme un disque d'accrétion, chauffé par frottement à des millions de degrés, et certains trous noirs projettent des jets étroits de particules à une vitesse proche de celle de la lumière. Les plus brillants, les quasars, peuvent éclipser des galaxies entières. Le 14 septembre 2015, les détecteurs LIGO, aux États-Unis, ont capté des ondes gravitationnelles, des ondulations de l'espace lui-même, issues de la collision de deux trous noirs d'environ 36 et 29 masses solaires, à quelque 1,3 milliard d'années-lumière.

Tomber dans un petit trou noir serait une triste affaire : l'attraction sur vos pieds dépasserait tant celle sur votre tête que vous seriez étiré comme un fil, ce que les physiciens appellent sans émotion la spaghettification. En 1974, Stephen Hawking montra que les trous noirs devraient perdre lentement de l'énergie, le rayonnement de Hawking, bien trop faible pour avoir jamais été détecté. Même la plus grande victoire de la gravité n'est peut-être pas éternelle.

Comètes et astéroïdes

Quand les planètes se sont formées il y a 4,6 milliards d'années, tous les matériaux n'ont pas été utilisés. Les restes tournent toujours autour du Soleil sous forme d'astéroïdes et de comètes, et comme beaucoup ont à peine changé depuis, ce sont des capsules temporelles de la naissance du Système solaire.

Les astéroïdes sont des corps rocheux ou métalliques, pour la plupart dans la ceinture principale entre Mars et Jupiter, où la gravité de Jupiter les a empêchés de former une planète. Le premier et le plus grand, Cérès, d'environ 940 kilomètres, fut découvert par Giuseppe Piazzi en 1801 ; c'est aujourd'hui une planète naine. La science-fiction aime montrer la ceinture comme un champ encombré de rochers, mais c'est un mythe. Ses objets sont en général séparés de centaines de milliers de kilomètres, et les sondes la traversent sans rien avoir à esquiver.

Les comètes sont des corps glacés venus du Système solaire extérieur, que l'astronome Fred Whipple qualifia en 1950 de « boules de neige sales ». Leur noyau ne mesure en général que quelques kilomètres. Les comètes à courte période viennent surtout de la ceinture de Kuiper, au-delà de Neptune ; celles à longue période tomberaient du nuage de Oort, vaste coquille de corps glacés jamais observée directement, peut-être à une année-lumière du Soleil ou plus. En approchant du Soleil, la glace se sublime en une chevelure lumineuse et deux queues : l'une courbe, de poussière, l'autre droite et bleutée, de gaz ionisé. La comète de Halley revient tous les 75 à 76 ans ; son prochain passage est attendu en 2061.

Le saviez-vous ? Les queues d'une comète pointent toujours à l'opposé du Soleil, poussées par la lumière et le vent solaire : une comète qui repart vers l'espace voyage donc la queue en avant.

Un météore, ou étoile filante, est un grain de poussière qui brûle dans l'atmosphère ; si un fragment atteint le sol, c'est une météorite. Les Perséides, chaque mois d'août, naissent du passage de la Terre dans la poussière de la comète Swift-Tuttle. Les gros impacts sont rares mais décisifs. Il y a environ 66 millions d'années, un astéroïde d'une dizaine de kilomètres frappa Chicxulub, dans l'actuelle péninsule du Yucatán, au Mexique, contribuant à la fin des dinosaures.

Aujourd'hui, les astronomes suivent des dizaines de milliers d'objets géocroiseurs. En 2022, la sonde DART de la NASA percuta volontairement le petit astéroïde Dimorphos et raccourcit son orbite d'environ 32 minutes : premier test de défense planétaire. Des missions se sont posées sur la comète 67P (Rosetta, 2014) et ont rapporté des échantillons des astéroïdes Ryugu et Bennu, qui contiennent des molécules organiques, dont des acides aminés. Les débris du Système solaire ont peut-être aussi apporté certains ingrédients de la vie.

Les exoplanètes

Pendant des siècles, on s'est demandé si d'autres étoiles avaient des planètes. La réponse n'est venue que dans les années 1990. En 1992, Aleksander Wolszczan et Dale Frail découvrirent des planètes autour d'un pulsar, le cœur mort d'une étoile explosée. En 1995, Michel Mayor et Didier Queloz trouvèrent 51 Pegasi b, la première planète autour d'une étoile semblable au Soleil, travail récompensé par le prix Nobel en 2019. Aujourd'hui, on compte plus de 6 000 exoplanètes confirmées, et les études statistiques suggèrent que la Voie lactée abrite plus de planètes que d'étoiles.

Les exoplanètes sont presque impossibles à voir directement, car leur étoile les éclipse des millions ou des milliards de fois. On les détecte surtout indirectement. La méthode des transits guette la minuscule baisse d'éclat d'une étoile quand une planète passe devant elle ; le télescope Kepler de la NASA (2009 à 2018) et son successeur TESS en ont trouvé des milliers ainsi. La méthode des vitesses radiales mesure le va-et-vient d'une étoile tirée par sa planète, décelé par un léger changement de couleur de sa lumière. Plus rares sont le microlentillage gravitationnel, quand la gravité d'une étoile amplifie brièvement une étoile plus lointaine, et l'imagerie directe, qui masque l'étoile pour révéler la planète à côté.

Les premières découvertes ont surpris. 51 Pegasi b est un Jupiter chaud, une géante gazeuse si proche de son étoile que son année dure à peine plus de quatre jours. Rien de tel n'existe dans notre Système solaire, et sa présence a montré que les planètes peuvent migrer loin de leur lieu de naissance.

Le saviez-vous ? Les planètes les plus courantes découvertes à ce jour, de taille intermédiaire entre la Terre et Neptune, n'ont aucun équivalent dans notre propre Système solaire.

Les astronomes s'intéressent surtout aux planètes rocheuses situées dans la zone habitable de leur étoile, là où l'eau pourrait rester liquide en surface. La plus proche exoplanète connue, Proxima Centauri b, découverte en 2016, orbite dans la zone habitable de l'étoile la plus proche du Soleil, à environ 4,2 années-lumière. En 2017, on découvrit que le système TRAPPIST-1, à quelque 40 années-lumière, possède sept planètes de la taille de la Terre, dont plusieurs pourraient être tempérées.

L'étape suivante consiste à lire les atmosphères. Lors d'un transit, un peu de lumière stellaire traverse l'air de la planète, et les gaz y laissent leurs empreintes. En 2022, le télescope spatial James Webb a détecté pour la première fois clairement du dioxyde de carbone dans l'atmosphère d'une exoplanète, la géante gazeuse WASP-39b. Les annonces de possibles signes de vie restent, à ce jour, contestées. La question de savoir si nous sommes seuls est passée de la philosophie à l'observatoire.

L'exploration spatiale

L'espace est étonnamment proche. Selon une convention répandue, il commence à la ligne de Kármán, à 100 kilomètres d'altitude, distance qu'on parcourrait en voiture en une heure environ. Le plus dur n'est pas l'altitude mais la vitesse. Pour rester en orbite, un engin doit filer à l'horizontale à environ 7,8 kilomètres par seconde, assez vite pour que, tandis qu'il tombe vers la Terre, le sol courbe se dérobe sous lui. Échapper complètement à la gravité terrestre exige 11,2 kilomètres par seconde.

Atteindre de telles vitesses exige la fusée, qui projette de la matière vers l'arrière à grande vitesse pour être poussée vers l'avant, selon la troisième loi de Newton. Comme elle doit emporter tout son carburant, l'essentiel de sa masse au décollage est du propergol, et elle largue ses étages vides en montant. L'instituteur russe Constantin Tsiolkovski en posa les équations en 1903 ; Robert Goddard lança la première fusée à carburant liquide dans le Massachusetts en 1926.

L'ère spatiale commença le 4 octobre 1957, quand l'Union soviétique lança Spoutnik 1, une sphère métallique de la taille d'un ballon de plage qui émettait des bips. Le 12 avril 1961, Youri Gagarine devint le premier humain dans l'espace, en bouclant un tour de la Terre en 108 minutes ; en 1963, Valentina Terechkova fut la première femme. La course culmina le 20 juillet 1969, lorsque Neil Armstrong et Buzz Aldrin, d'Apollo 11, marchèrent sur la Lune ; en 1972, douze astronautes l'avaient fait.

Le saviez-vous ? Voyager 1, lancée en 1977, est l'objet humain le plus lointain, à plus de 24 milliards de kilomètres, et envoie encore de faibles signaux avec à peu près la puissance d'une ampoule de réfrigérateur.

Des sondes robotisées ont depuis visité toutes les planètes. Les Voyager ont survolé les planètes géantes, et Voyager 1 est entrée dans l'espace interstellaire en 2012. Les rovers Curiosity et Perseverance explorent Mars, et en 2015 New Horizons offrit le premier regard rapproché sur Pluton. Les télescopes spatiaux voient ce que l'atmosphère cache : Hubble, lancé en 1990, et le télescope spatial James Webb, lancé le jour de Noël 2021, qui observe depuis 1,5 million de kilomètres.

Des humains vivent désormais en permanence en orbite. La Station spatiale internationale, bâtie par les États-Unis, la Russie, l'Europe, le Japon et le Canada, est occupée sans interruption depuis novembre 2000. Elle tourne à environ 400 kilomètres d'altitude, à quelque 28 000 kilomètres à l'heure : son équipage voit environ seize levers de soleil par jour. La Chine exploite sa propre station, Tiangong.

Les coûts ont fortement baissé depuis 2015, quand SpaceX fit atterrir pour la première fois un étage orbital pour le réutiliser. Fusées réutilisables, milliers de petits satellites et programme Artemis de la NASA, qui vise à ramener des astronautes sur la Lune, ont ouvert une nouvelle ère. L'exploration commence pourtant toujours de la même façon : par une explosion maîtrisée, pointée vers le ciel.

L'intérieur de la Terre

Creusez tout droit et, au bout de 6 371 kilomètres, vous atteindriez le centre de la Terre. Personne n'en a approché. Le trou le plus profond jamais foré, le forage superprofond de Kola, dans l'Arctique russe, s'est arrêté en 1989 à 12 262 mètres, là où la roche, à environ 180 °C, était devenue trop chaude et trop molle pour le trépan. Presque tout ce que l'on sait des profondeurs vient de preuves indirectes, et avant tout des séismes.

Lorsqu'un grand séisme se produit, ses ondes traversent toute la planète, se courbant et rebondissant à chaque changement de matériau. En 1909, le sismologue croate Andrija Mohorovičić remarque que les ondes accélèrent brusquement à quelques dizaines de kilomètres de profondeur : c'est la base de la croûte, une limite aujourd'hui appelée le Moho. Les sismologues découvrent aussi qu'un type d'onde, l'onde S, ne traverse pas les liquides, et qu'il disparaît de l'autre côté de la planète. Conclusion : une partie du noyau est en fusion. En 1936, la sismologue danoise Inge Lehmann repère de faibles échos révélant une boule solide au cœur de ce liquide.

Il en résulte une planète en couches, triées à peu près par densité, comme un bocal de sable, d'eau et d'huile laissé au repos. La croûte est une peau fine et cassante : environ 7 kilomètres d'épaisseur sous les océans et 30 à 70 kilomètres sous les continents. À l'échelle d'une pomme, elle serait plus mince que la peau du fruit. Dessous s'étend le manteau, jusqu'à environ 2 900 kilomètres de profondeur, qui occupe près de 84 % du volume terrestre. Contrairement à une idée répandue, le manteau n'est pas une mer de roche fondue. Il est presque entièrement solide, mais si chaud qu'en des millions d'années il s'écoule comme un caramel très dur, faisant lentement remonter la chaleur.

À 2 900 kilomètres, la roche cède la place au noyau externe, un océan tourbillonnant de fer et de nickel liquides, épais d'environ 2 200 kilomètres. En se brassant, ce métal agit comme une gigantesque dynamo : il produit le champ magnétique qui oriente les boussoles et protège la planète du vent solaire. Tout au centre se trouve le noyau interne, une boule d'environ 1 220 kilomètres de rayon, soit à peu près 70 % de la taille de la Lune. Sa température est estimée entre 5 000 et 6 000 °C, comparable à la surface du Soleil, et pourtant il reste solide, car la pression y dépasse trois millions de fois celle qui règne au niveau de la mer.

Le saviez-vous ? Le forage de Kola, toujours le trou le plus profond creusé par l'homme, n'a parcouru qu'à peine 0,2 % du chemin vers le centre de la Terre.

La chaleur qui anime tout cela provient en partie de la formation de la planète, il y a 4,5 milliards d'années, et en partie de la désintégration d'éléments radioactifs comme l'uranium et le thorium contenus dans les roches. Cette lente fuite de chaleur intérieure alimente à la fois la dérive des continents, les volcans et le bouclier magnétique. Le sol semble immobile, mais il repose sur une planète bien vivante.

La tectonique des plaques

Sur une carte de l'Atlantique, les côtes de l'Amérique du Sud et de l'Afrique semblent s'emboîter comme les morceaux d'une feuille déchirée. En 1912, le météorologue allemand Alfred Wegener affirme que ce n'est pas un hasard : les continents ont été réunis autrefois en un supercontinent qu'il nomme la Pangée, puis ont dérivé. Il s'appuie sur des fossiles et des couches rocheuses identiques de part et d'autre de l'océan. La plupart des géologues le rejettent, car il ne peut expliquer quelle force pousserait des continents entiers à travers le globe. Il meurt sur la calotte du Groenland en 1930, des décennies avant qu'on lui donne raison.

La réponse vient du fond des mers. Après la Seconde Guerre mondiale, des navires cartographiant le plancher océanique découvrent une chaîne de montagnes courant au milieu de l'Atlantique : la dorsale médio-atlantique. Au début des années 1960, le géologue américain Harry Hess propose que le plancher océanique naisse au niveau de ces dorsales. Peu après, on découvre de part et d'autre des bandes de roche aimantées en sens alterné, au gré des inversions du champ magnétique terrestre. Ces bandes sont symétriques de chaque côté de la dorsale : la preuve que le fond marin s'étend comme deux tapis roulants.

La théorie moderne, la tectonique des plaques, prend forme à la fin des années 1960. L'enveloppe rigide de la Terre, la croûte et le sommet du manteau, est découpée en une douzaine de grandes plaques et de nombreuses petites. Elles glissent sur la roche plus chaude et plus molle du manteau, à une vitesse de 2 à 10 centimètres par an, à peu près celle à laquelle poussent les ongles. Tout se joue aux bordures. Aux limites divergentes, comme la dorsale qui fend l'Islande, les plaques s'écartent et le magma remonte combler le vide. Aux limites convergentes, elles se heurtent. Quand une plaque océanique dense en rencontre une autre, elle plonge dessous : c'est la subduction, qui creuse des fosses profondes comme celle des Mariannes et alimente des chaînes de volcans. Quand deux continents se rencontrent, aucun ne s'enfonce facilement et la croûte se plisse vers le haut. La collision de l'Inde avec l'Asie, commencée il y a environ 50 millions d'années, a soulevé l'Himalaya et le soulève encore. Aux limites transformantes, comme la faille de San Andreas en Californie, les plaques frottent latéralement l'une contre l'autre et accumulent des tensions libérées lors des séismes.

Le saviez-vous ? Le sommet de l'Everest est fait d'un calcaire formé au fond d'une mer ancienne, et il renferme des fossiles d'animaux marins.

La Pangée n'était que le dernier d'une série de supercontinents. Formée il y a plus de 300 millions d'années, elle a commencé à se disloquer il y a environ 200 millions d'années, ouvrant l'Atlantique. Le processus continue. L'Atlantique s'élargit encore de quelques centimètres par an, tandis que le Pacifique rétrécit lentement. Les géologues s'attendent à ce que les continents se rassemblent de nouveau dans quelques centaines de millions d'années. La carte accrochée au mur de la classe n'est qu'une image tirée d'un très long film.

Les volcans

Un volcan est une ouverture dans la croûte terrestre par laquelle s'échappent roche fondue, gaz et cendres venus des profondeurs. La roche fondue, appelée magma sous terre et lave une fois en surface, se forme là où le manteau fond partiellement. Plus légère que la roche solide qui l'entoure, elle monte et s'accumule dans une chambre magmatique, à quelques kilomètres sous la surface. Quand la pression y devient assez forte, elle se fraie un chemin par un conduit central, la cheminée, et jaillit par une bouche.

Le style d'une éruption dépend surtout de la viscosité du magma et de la quantité de gaz qu'il contient. Le basalte, chaud et fluide, laisse le gaz s'échapper doucement : les volcans hawaïens déversent ainsi des fleuves de lave à environ 1 150 °C, qui édifient de larges volcans boucliers aux pentes douces. Le Mauna Loa est le plus grand volcan actif de la Terre en volume. Le magma épais et riche en silice, lui, retient ses gaz, comme une bouteille de soda secouée encore bouchée, jusqu'à exploser. Ces éruptions bâtissent des cônes raides faits de couches de cendres et de lave, les stratovolcans, comme le mont Fuji, le Vésuve ou le mont Saint Helens. De petits cônes de scories, formés de fragments meubles, peuvent naître en quelques semaines.

Les dangers les plus meurtriers ne sont souvent pas les coulées de lave, généralement assez lentes pour qu'on s'en éloigne à pied. Les nuées ardentes, avalanches de gaz brûlants, de cendres et de roches, peuvent dévaler les pentes à bien plus de 100 kilomètres à l'heure. Ce sont elles qui ont enseveli Pompéi et Herculanum lors de l'éruption du Vésuve en 79 apr. J.-C. Les coulées de boue volcanique, ou lahars, les nuages de cendres qui clouent les avions au sol et les gaz toxiques complètent le tableau. Les grandes éruptions peuvent même refroidir toute la planète en projetant des gaz soufrés dans la stratosphère. Après l'éruption du Tambora, en Indonésie, en 1815, la plus puissante de l'histoire connue, l'Europe et l'Amérique du Nord vécurent 1816 comme « l'année sans été ». Le Pinatubo, aux Philippines, a abaissé la température mondiale d'environ un demi-degré après 1991.

La plupart des volcans se trouvent le long des limites de plaques. Environ trois quarts des volcans actifs du monde jalonnent la ceinture de feu du Pacifique, où les plaques océaniques plongent et fondent. D'autres, comme ceux d'Islande, se dressent sur des dorsales. Quelques-uns, comme Hawaï, surgissent au-dessus de points chauds, panaches de manteau brûlant qui percent le milieu d'une plaque et forment une chaîne d'îles à mesure que la plaque glisse. Environ 1 350 volcans terrestres sont considérés comme potentiellement actifs, et bien d'autres se cachent sous la mer.

Le saviez-vous ? Mesuré depuis sa base au fond de l'océan, le Mauna Kea, à Hawaï, dépasse 10 000 mètres : il est plus haut que l'Everest.

Les volcans détruisent, mais ils créent aussi. Leurs gaz ont contribué à former l'atmosphère et les océans primitifs, et leurs cendres donnent certains des sols les plus fertiles du globe. Le gaz qu'ils rejettent le plus n'est pas de la fumée, mais de la vapeur d'eau. La planète lâche vraiment de la vapeur.

Les séismes

Les roches semblent rigides, mais sous une force suffisante elles plient un peu, comme un bâton fléchi entre deux mains. Le long d'une faille, fracture où se rencontrent deux blocs de croûte, le mouvement des plaques tire sur la roche, mais le frottement bloque les deux bords. La tension s'accumule pendant des décennies ou des siècles. Un jour, la résistance de la roche est dépassée : la faille glisse en quelques secondes et l'énergie stockée se libère en vibrations. Cette idée, le rebond élastique, a été proposée par le géologue américain Harry Fielding Reid après l'étude du séisme de San Francisco de 1906, lorsque le sol s'est déplacé de part et d'autre de la faille de San Andreas jusqu'à environ 6 mètres.

Le point souterrain où débute la rupture est le foyer, ou hypocentre ; le point de la surface situé juste au-dessus est l'épicentre. À partir du foyer, l'énergie se propage en ondes sismiques. Les ondes P (primaires) compriment et étirent la roche comme un ressort et vont le plus vite, à environ 6 kilomètres par seconde dans la croûte. Les ondes S (secondaires) la secouent latéralement et arrivent plus tard. Viennent enfin les ondes de surface, qui roulent le long du sol et causent en général le plus de dégâts. En mesurant l'écart entre ondes P et S sur au moins trois sismomètres, les scientifiques localisent l'origine d'un séisme.

La taille d'un séisme se mesure aujourd'hui sur l'échelle de magnitude de moment, qui a remplacé pour les grands séismes l'échelle de Richter, créée en 1935. L'échelle est logarithmique : chaque degré entier correspond à environ dix fois plus de mouvement du sol et à peu près 32 fois plus d'énergie. Un séisme de magnitude 7 libère environ mille fois l'énergie d'un séisme de magnitude 5. Les petites secousses sont incessantes, avec des milliers de détections chaque année, tandis qu'un séisme de magnitude 8 ou plus survient en moyenne environ une fois par an. Le plus fort jamais enregistré, de magnitude 9,5, a frappé Valdivia, au Chili, en 1960.

Les secousses elles-mêmes tuent rarement ; ce sont les bâtiments qui s'effondrent. Voilà pourquoi des normes de construction strictes, des structures souples et des fondations qui isolent l'édifice du sol sauvent tant de vies au Japon ou au Chili. Les séismes sous-marins apportent un autre danger. Quand une faille soulève le fond marin, elle pousse l'océan qui le recouvre et déclenche un tsunami. Le séisme de magnitude 9,1 de l'océan Indien, en 2004, a lancé des vagues à travers tout un océan, tuant environ 230 000 personnes dans plus d'une douzaine de pays.

Le saviez-vous ? Le séisme de Tōhoku, de magnitude 9, en 2011, a déplacé une partie de la principale île du Japon d'environ 2,4 mètres vers l'est et raccourci la journée terrestre d'environ 1,8 millionième de seconde.

Malgré certaines affirmations, personne ne sait encore prédire le moment et le lieu exacts d'un séisme. Les scientifiques peuvent toutefois cartographier les failles, estimer la probabilité d'un fort séisme dans les décennies à venir et, dans certains pays, donner l'alerte quelques secondes avant l'arrivée des secousses. Quelques secondes suffisent pour arrêter un train ou se mettre à l'abri sous une table.

Roches et minéraux

Toute roche est un mélange de minéraux, et tout minéral est un solide naturel, de composition chimique définie, dont les atomes sont rangés de façon ordonnée, le plus souvent en cristal. On connaît environ 6 000 minéraux, mais une poignée seulement constitue l'essentiel de la croûte. Les feldspaths en forment à peu près la moitié, et le quartz, du dioxyde de silicium pur, figure parmi les plus courants du reste. Le granite est pour l'essentiel un assemblage de feldspath, de quartz et de mica, et les mouchetures d'un plan de travail en granite sont ces trois minéraux côte à côte.

On identifie les minéraux par leur couleur, leur éclat, leur façon de se cliver et surtout leur dureté. En 1812, le minéralogiste allemand Friedrich Mohs classe dix minéraux selon lequel raie lequel, du talc, tendre, noté 1, au diamant, noté 10. Un ongle se situe vers 2,5, une lame d'acier vers 5,5. Le diamant et le graphite, la matière grise et tendre des crayons, sont tous deux du carbone pur ; seule la disposition de leurs atomes diffère.

Les géologues classent les roches en trois familles selon leur origine. Les roches magmatiques cristallisent à partir de roche fondue. Refroidi lentement en profondeur, le magma forme de gros cristaux et devient du granite ; projeté et refroidi brusquement en surface, il donne le basalte à grain fin, la roche des fonds océaniques. Les roches sédimentaires naissent de fragments déposés en couches, généralement sous l'eau, puis tassés et cimentés au fil du temps. Le sable devient grès, la boue devient schiste argileux, et les coquilles et squelettes d'animaux marins deviennent calcaire. Ce sont elles qui renferment les fossiles. Les roches métamorphiques sont des roches plus anciennes transformées par la chaleur et la pression sans fondre. L'argile schisteuse devient ardoise ; le calcaire devient marbre, la pierre du Taj Mahal et du David de Michel-Ange.

Aucun de ces états n'est définitif. Le cycle des roches les relie en une boucle sans fin, mue par deux moteurs : l'énergie du Soleil en surface et la chaleur interne de la Terre en profondeur. Le vent, la pluie et la glace réduisent les montagnes en grains, les rivières les portent à la mer, et l'enfouissement en fait de nouvelles roches. Les mouvements des plaques entraînent les roches en profondeur, où elles sont transformées en roches métamorphiques ou refondues en magma, puis les ramènent en surface pour être de nouveau érodées. Le géologue écossais James Hutton a lu ce cycle dans les couches basculées de Siccar Point en 1788 et compris à quel point la Terre devait être ancienne.

Le saviez-vous ? Les falaises blanches de Douvres sont en craie, un calcaire formé des squelettes d'innombrables algues microscopiques qui vivaient dans une mer chaude il y a plus de 66 millions d'années.

Le cycle tourne lentement, sur des millions d'années, mais il n'est jamais achevé. Les plus vieux fragments connus de la Terre, de minuscules cristaux de zircon des Jack Hills, en Australie-Occidentale, ont environ 4,4 milliards d'années. Chaque galet d'une plage est un instant d'une histoire commencée bien avant le premier être vivant.

Le cycle de l'eau

La Terre contient environ 1,4 milliard de kilomètres cubes d'eau, et presque rien de cette eau n'est neuf. La même eau circule depuis des milliards d'années, passant sans cesse de la mer au ciel, à la terre et aux êtres vivants. Cette boucle est le cycle de l'eau, et son moteur est le Soleil.

Le voyage commence d'ordinaire en mer, qui renferme environ 97 % de toute l'eau terrestre. Le soleil réchauffe la surface et des molécules d'eau s'échappent dans l'air sous forme de vapeur invisible : c'est l'évaporation. Le sel reste dans la mer, ce qui explique que la pluie soit douce alors que l'essentiel provient de l'océan. Les plantes ajoutent de la vapeur par transpiration : elles puisent l'eau du sol et la rejettent par les minuscules pores de leurs feuilles. Un grand chêne peut ainsi en libérer des centaines de litres par une chaude journée d'été.

L'air chaud et humide s'élève et, en montant, il se dilate et se refroidit. Or l'air froid retient moins de vapeur : l'excédent se condense sur des poussières, des grains de sel ou de fumée, formant les gouttelettes et cristaux de glace qui composent les nuages. Une gouttelette de nuage est si petite qu'il en faut environ un million pour faire une seule goutte de pluie. Quand gouttes ou flocons deviennent assez lourds pour tomber, ce sont les précipitations : pluie, neige, grésil ou grêle. En moyenne, une molécule d'eau ne passe qu'environ neuf jours dans l'atmosphère avant de retomber.

La suite dépend de l'endroit où elle atterrit. Une grande partie retombe directement dans la mer. Sur les terres, une part s'écoule en surface, c'est le ruissellement, qui alimente ruisseaux et rivières jusqu'à l'océan. Une autre s'infiltre dans le sol, c'est l'infiltration, et remplit les vides du sol et des roches pour devenir eau souterraine, stockée dans des couches de roche poreuse appelées aquifères. Une partie encore reste prisonnière des glaciers et des calottes. Le temps passé dans chaque réservoir varie énormément : des jours ou des semaines dans une rivière, quelques milliers d'années dans l'océan profond, des centaines de milliers d'années dans la plus vieille glace de l'Antarctique.

Le saviez-vous ? Les gouttes de pluie n'ont pas la forme d'une larme. Les petites sont presque rondes, et les grosses s'aplatissent un peu comme le dessus d'un pain à hamburger.

Seuls 2,5 % environ de l'eau terrestre sont de l'eau douce, et l'essentiel est gelé dans les calottes et les glaciers ou caché sous terre. Les lacs et les rivières dont dépendent les humains en contiennent bien moins de 1 %. Le cycle déplace aussi la chaleur autour de la planète : l'évaporation absorbe l'énergie de la mer, la condensation la libère dans l'air et nourrit orages et ouragans. Cette eau étant si ancienne et si voyageuse, un simple verre contient presque à coup sûr des molécules passées par des nuages, des glaciers et des dinosaures. Chaque goutte est une vieille routière.

Les océans

Vue de l'espace, la Terre est une planète bleue. Les océans couvrent environ 71 % de sa surface et renferment environ 97 % de son eau, pour une profondeur moyenne d'environ 3 700 mètres. On parle de cinq océans, Pacifique, Atlantique, Indien, Austral et Arctique, mais ils forment un seul océan mondial, d'un seul tenant. Le Pacifique est à lui seul plus vaste que l'ensemble des terres émergées.

L'océan est étagé comme un grand immeuble dont on éteindrait la lumière étage par étage. Dans la zone éclairée, les 200 premiers mètres, la lumière suffit à la photosynthèse. Là dérivent d'innombrables phytoplanctons, algues microscopiques à la base de presque toutes les chaînes alimentaires marines, qui produisent une grande part de l'oxygène de l'air, souvent estimée à environ la moitié. Plus bas, dans la zone crépusculaire, jusqu'à environ 1 000 mètres, la lumière s'estompe en un bleu sombre. Beaucoup d'animaux y produisent leur propre lumière par bioluminescence, et chaque nuit des multitudes montent se nourrir près de la surface avant de redescendre à l'aube : c'est la plus grande migration quotidienne de la planète. Vient ensuite la zone obscure, noire et presque glacée, puis les abysses, et enfin la zone hadale des fosses profondes.

Le point le plus profond est le Challenger Deep, dans la fosse des Mariannes, dans l'ouest du Pacifique, à près de 11 000 mètres. L'Everest pourrait y sombrer en laissant plus de 2 kilomètres d'eau au-dessus de son sommet. Jacques Piccard et Don Walsh l'ont atteint pour la première fois à bord du bathyscaphe Trieste en 1960. Depuis 2019, une série de plongées a emmené au Challenger Deep plus de personnes que n'en a jamais compté la Lune. Pourtant, seule une part modeste des fonds marins a été cartographiée en détail.

L'océan est aussi le grand moteur thermique de la planète. L'eau stocke bien plus de chaleur que l'air, et les courants la transportent tout autour du globe. Les courants de surface comme le Gulf Stream, poussés par les vents, emportent l'eau tropicale chaude vers le nord-est à travers l'Atlantique et contribuent à la douceur de l'Europe de l'Ouest pour sa latitude. Plus en profondeur, une circulation plus lente est due aux différences de température et de salinité. Près du Groenland et de l'Antarctique, l'eau froide et salée devient dense, plonge, puis rampe sur le fond à travers tous les océans. Ce tapis roulant océanique met environ mille ans à boucler un circuit.

Le saviez-vous ? Au fond du Challenger Deep, l'eau exerce une pression plus de 1 000 fois supérieure à celle de l'air au niveau de la mer.

L'océan amortit aussi les effets du réchauffement. Il a absorbé environ 90 % de la chaleur supplémentaire piégée par les gaz à effet de serre et à peu près un quart du dioxyde de carbone émis par les activités humaines. Cette aide a un prix : une eau plus chaude et plus acide blanchit les récifs coralliens et pousse les espèces vers les pôles. L'océan façonne le temps qu'il fait, l'air que l'on respire et le contenu de milliards d'assiettes. C'est le plus vaste espace de vie de la planète, et il reste en grande partie inexploré.

La météo

La météo, c'est l'état de l'air en un lieu et à un moment donnés : sa température, sa pression, le vent, les nuages et l'humidité. Presque tout se passe dans la troposphère, la couche la plus basse de l'atmosphère, épaisse d'environ 8 kilomètres au-dessus des pôles et de près de 18 kilomètres au-dessus de l'équateur. Au-delà, l'air est trop rare et trop sec pour que la plupart des nuages se forment, et c'est pourquoi les avions de ligne volent près de son sommet, au-dessus de la plupart des turbulences.

Le moteur, c'est l'échauffement inégal par le Soleil. Les régions tropicales reçoivent bien plus d'énergie que les pôles ; l'air chauffé au sol se dilate, s'allège et s'élève, laissant sous lui une pression plus basse. L'air plus frais et plus dense descend et crée de hautes pressions. L'air s'écoule des hautes vers les basses pressions : c'est le vent. Comme la Terre tourne, l'air en mouvement est dévié par la force de Coriolis, vers la droite dans l'hémisphère Nord et vers la gauche dans l'hémisphère Sud. Au lieu de souffler en ligne droite, les vents tournent autour des centres de pression, dans le sens inverse des aiguilles d'une montre autour des dépressions de l'hémisphère Nord.

À l'échelle du globe, il en résulte trois grandes boucles de circulation dans chaque hémisphère. Dans la cellule de Hadley, l'air monte près de l'équateur, déversant de fortes pluies sur les tropiques, puis redescend vers 30 degrés de latitude nord et sud, où l'air sec et descendant crée les grands déserts chauds, dont le Sahara. L'air qui revient vers l'équateur en surface forme les alizés, ces vents réguliers qui portaient jadis les voiliers à travers l'Atlantique. Entre 30 et 60 degrés environ, les vents d'ouest dominants entraînent les perturbations d'ouest en est, d'où la météo britannique qui arrive le plus souvent de l'Atlantique. Près du sommet de la troposphère, de rapides rivières d'air, les courants-jets, guident les tempêtes sur leur trajet.

Là où se rencontrent des masses d'air froid et chaud se forment des limites appelées fronts, un terme forgé par des météorologues norvégiens juste après la Première Guerre mondiale. L'air chaud et humide poussé vers le haut se refroidit, sa vapeur se condense, et nuages et pluie suivent. Les basses pressions, ou dépressions, apportent un temps changeant, humide et venteux ; les hautes pressions, un temps stable et dégagé. Au-dessus des mers tropicales chaudes, la même physique peut engendrer des ouragans, aussi appelés typhons ou cyclones, larges de centaines de kilomètres.

Le saviez-vous ? Un éclair chauffe l'air qui l'entoure à environ 30 000 °C, à peu près cinq fois plus que la surface du Soleil.

La prévision météorologique a vraiment débuté au XIXe siècle avec le télégraphe, qui permettait de partager les relevés plus vite que les tempêtes ne se déplaçaient. Aujourd'hui, des superordinateurs découpent l'atmosphère en millions de cases et y résolvent les lois de la physique, nourris par les satellites, les ballons-sondes et les stations au sol. Une prévision à cinq jours est désormais à peu près aussi fiable qu'une prévision à un jour vers 1980. Et la foudre frappe bel et bien deux fois au même endroit : l'Empire State Building est touché une vingtaine de fois par an.

Le climat

La météo, c'est le temps qu'il fait aujourd'hui ; le climat, c'est le temps qu'il fait sur une longue période, en général une moyenne sur 30 ans. Une journée froide en juillet dit peu de chose du climat. Une suite de décennies toujours plus chaudes en dit beaucoup. Un climat se définit par des moyennes et des extrêmes : la chaleur des étés, l'humidité des hivers, la fréquence des sécheresses ou des tempêtes.

Le climat de la Terre résulte d'un équilibre entre l'énergie reçue du Soleil et la chaleur renvoyée vers l'espace. Certains gaz de l'atmosphère, surtout la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone et le méthane, laissent passer la lumière solaire mais absorbent la chaleur sortante et en renvoient une partie vers le sol. Cet effet de serre est naturel et vital : sans lui, la température moyenne à la surface serait d'environ -18 °C au lieu de 15 °C environ. Les scientifiques l'ont compris tôt. Dans les années 1820, le mathématicien français Joseph Fourier suggère que l'atmosphère garde la planète au chaud. Dans les années 1850, la scientifique américaine Eunice Foote et le physicien irlandais John Tyndall montrent que le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau absorbent la chaleur. En 1896, le chimiste suédois Svante Arrhenius calcule que la combustion du charbon pourrait un jour réchauffer le monde.

Le climat a toujours changé naturellement. De lentes variations de l'orbite terrestre, les cycles de Milankovitch, ont rythmé une série de glaciations au cours des derniers millions d'années. Au plus fort de la dernière, il y a environ 20 000 ans, des calottes de glace couvraient une grande partie de l'Amérique du Nord et du nord de l'Europe, et le niveau de la mer était environ 120 mètres plus bas qu'aujourd'hui. Les éruptions volcaniques, les variations du Soleil et la dérive des continents ont aussi joué un rôle sur des durées plus longues.

Ce qui change aujourd'hui, c'est la vitesse et la cause. Depuis la révolution industrielle, la combustion du charbon, du pétrole et du gaz et le défrichement des forêts ont fait passer la concentration de dioxyde de carbone d'environ 280 parties par million à plus de 420. Le scientifique américain Charles David Keeling commence à la mesurer sur le Mauna Loa, à Hawaï, en 1958, et obtient la courbe de Keeling, en hausse constante. Les bulles d'air piégées dans la glace de l'Antarctique montrent que les niveaux actuels sont les plus élevés depuis au moins 800 000 ans. La température moyenne mondiale a augmenté d'environ 1,3 °C depuis la fin du XIXe siècle, et 2024 a été l'année la plus chaude jamais enregistrée, la première année civile à plus de 1,5 °C au-dessus des niveaux préindustriels.

Le saviez-vous ? En 1856, Eunice Foote remplit des cylindres de verre de différents gaz, les plaça au soleil et constata que celui qui contenait du dioxyde de carbone chauffait le plus.

Les effets sont déjà mesurables : recul des glaciers et de la banquise arctique, mer plus haute d'environ 20 centimètres depuis 1900, canicules et pluies diluviennes plus fréquentes. Avec l'accord de Paris de 2015, presque tous les pays se sont engagés à contenir le réchauffement nettement sous 2 °C et à viser 1,5 °C. L'ampleur du réchauffement à venir dépend surtout de la vitesse à laquelle les émissions baisseront. La physique est établie ; les choix, eux, restent à faire.

Les biomes

Voyagez de l'équateur vers l'un des pôles, ou gravissez une haute montagne, et le paysage vivant change dans un ordre prévisible : la forêt étouffante cède la place à la savane, au désert, aux bois, aux conifères et enfin au sol nu et gelé. Ces grandes communautés de plantes et d'animaux, façonnées par le climat, sont appelées biomes. Le naturaliste allemand Alexander von Humboldt fut l'un des premiers à en saisir la logique. En gravissant le volcan Chimborazo, en Équateur, en 1802, il nota que la végétation changeait avec l'altitude en bandes qui reproduisaient les changements avec la latitude, et il les dessina plus tard dans une célèbre coupe de la montagne.

Deux facteurs comptent par-dessus tout : la température et les précipitations. Placez l'une face à l'autre sur un graphique, et chaque biome y occupe sa propre région. Chaud et humide donne la forêt tropicale humide, qui ne couvre qu'environ 6 % des terres mais abriterait à peu près la moitié des espèces terrestres. L'Amazonie est la plus vaste. Chaud avec une longue saison sèche donne la savane, une prairie parsemée d'arbres, domaine des grands troupeaux d'herbivores d'Afrique. Là où la pluie est la plus rare, sous l'air descendant vers 30 degrés de latitude nord et sud, s'étendent les déserts chauds, comme le Sahara ou le Namib, dont les plantes et les animaux survivent en stockant l'eau ou en se cachant du soleil.

Aux latitudes moyennes, des pluies modérées entretiennent la forêt tempérée, où des feuillus comme le chêne, le hêtre et l'érable perdent leurs feuilles en hiver. L'intérieur plus sec des continents devient prairie tempérée : les prairies d'Amérique du Nord, les steppes d'Eurasie et la pampa d'Amérique du Sud, devenues de grandes régions céréalières. Les terres aux étés chauds et secs et aux hivers doux et humides, autour de la Méditerranée, en Californie et dans une partie de l'Australie, portent une végétation de broussailles coriaces, adaptée au feu.

Plus près des pôles s'étend la taïga, ou forêt boréale, le plus vaste biome terrestre. Elle forme une ceinture d'épicéas, de pins, de sapins et de mélèzes à travers le Canada, la Scandinavie et la Russie, et résiste à de longs hivers bien en dessous de zéro. Au-delà de la limite des arbres s'étend la toundra, où le sous-sol reste gelé toute l'année : c'est le pergélisol. Seuls des mousses, des lichens, des herbes et des arbustes nains y poussent, le temps d'un court été au jour presque sans fin.

Le saviez-vous ? Le plus grand désert de la Terre n'est pas le Sahara mais l'Antarctique, qui reçoit si peu de neige chaque année qu'il compte comme un désert.

Les biomes ne sont pas figés. Les montagnes les compriment sur quelques kilomètres de hauteur, car la température baisse d'environ 6,5 °C tous les 1 000 mètres. Depuis quelques milliers d'années, champs, villes et pâturages ont remplacé une grande partie des prairies et des forêts naturelles. Et à mesure que le climat se réchauffe, les biomes commencent à se déplacer : les arbustes gagnent déjà la toundra arctique. La carte du vivant est dessinée par le climat, et elle est en train d'être redessinée.

Qu'est-ce que la vie ?

Depuis des siècles, les biologistes débattent de la frontière entre le vivant et l'inerte, et pourtant chacun reconnaît la vie au premier coup d'œil. Un moineau est vivant, un caillou ne l'est pas. Les difficultés commencent aux marges, et ces marges sont étonnamment encombrées.

Les manuels scolaires proposent une liste pratique de sept signes : mouvement, respiration, sensibilité, croissance, reproduction, excrétion et nutrition. Un être vivant bouge, ne serait-ce qu'en orientant ses feuilles vers la lumière. Il libère l'énergie de sa nourriture par la respiration, un processus chimique à l'œuvre dans chacune de ses cellules. Il perçoit son environnement et y réagit. Il grandit, se reproduit, élimine ses déchets et puise les matières premières qui le construisent et l'alimentent.

Cette liste convient aux chênes comme aux loutres, mais elle décrit plus qu'elle ne définit. Le feu grandit, se nourrit, consomme de l'oxygène et se propage en projetant des étincelles, sans que personne ne qualifie un feu de joie de vivant. Une mule ne peut pas se reproduire, et c'est pourtant un animal bien vivant. Des graines peuvent dormir pendant des siècles sans presque rien faire, puis germer quand les conditions s'y prêtent ; un palmier dattier né en 2005 d'une graine vieille de 2 000 ans, découverte à Massada, en est l'exemple célèbre.

Les virus sont le cas le plus épineux. Un virus est un brin de matériel génétique enveloppé d'une coque de protéines, bien plus petit qu'une bactérie. Hors d'une cellule, il est inerte : il ne se nourrit pas, ne respire pas, ne grandit pas. À l'intérieur, il détourne la machinerie cellulaire et produit des milliers de copies de lui-même. Beaucoup de biologistes placent les virus à la lisière du vivant, et la question reste ouverte.

Le saviez-vous ? Le mimivirus géant, trouvé en 1992 dans une tour de refroidissement à Bradford, était si gros qu'on l'a d'abord pris pour une bactérie ; il n'a été reconnu comme virus qu'en 2003.

Une définition de travail employée par les astrobiologistes de la NASA tranche dans cette liste : la vie est un système chimique autonome capable d'évolution. Elle met l'accent sur deux traits profonds. Les êtres vivants s'entretiennent en captant de l'énergie, et ils portent des instructions héritées, écrites dans l'ADN ou l'ARN, qui peuvent changer d'une génération à l'autre. Tout ce qui est clairement vivant sur Terre partage le même code génétique, signe que tout descend d'un ancêtre commun ayant vécu il y a plus de 3,5 milliards d'années.

Au fond, la vie est moins une chose qu'un processus : une chimie qui se copie elle-même et continue.

Les cellules

En 1665, le savant anglais Robert Hooke observa au microscope une fine tranche de liège et y vit des rangées de minuscules cases vides. Elles lui rappelaient les petites chambres des moines, et il les appela cellules. Il regardait les parois mortes de cellules végétales, mais le nom resta et finit par désigner la brique élémentaire de tout être vivant.

En 1839, les biologistes allemands Matthias Schleiden et Theodor Schwann avaient conclu que toutes les plantes et tous les animaux sont faits de cellules. En 1855, Rudolf Virchow ajouta la dernière pièce : toute cellule naît d'une autre cellule. Ensemble, ces idées forment la théorie cellulaire, l'un des fondements de la biologie moderne.

Les cellules suivent deux grands modèles. Les procaryotes, bactéries et archées, sont petits et simples, leur ADN flottant librement à l'intérieur. Les eucaryotes, cellules des animaux, des plantes et des champignons, sont en général dix fois plus larges et remplis de compartiments appelés organites. Le noyau abrite l'ADN, le mode d'emploi. Les ribosomes lisent ces instructions et assemblent les protéines. Le réticulum endoplasmique et l'appareil de Golgi les plient, les emballent et les expédient. Les mitochondries, véritables centrales électriques, libèrent l'énergie du sucre. Une fine membrane huileuse enveloppe le tout et contrôle ce qui entre et ce qui sort.

Les cellules végétales y ajoutent trois éléments : une paroi rigide de cellulose, une grande vacuole remplie d'eau qui les maintient fermes, et des chloroplastes verts qui captent la lumière. Mitochondries et chloroplastes possèdent leurs propres petites boucles d'ADN, car ce furent jadis des bactéries libres. Il y a entre 1,5 et 2 milliards d'années, elles furent avalées par une cellule plus grande et n'en sortirent jamais, idée défendue par la biologiste américaine Lynn Margulis dans les années 1960 et aujourd'hui largement acceptée.

Le saviez-vous ? Un globule rouge humain n'a pas de noyau du tout : il l'expulse en mûrissant, ce qui laisse plus de place à l'hémoglobine qui transporte l'oxygène.

Certains êtres vivants se résument à une seule cellule ; d'autres sont d'immenses coopératives. Un corps humain compte environ 30 000 milliards de cellules de quelque 200 types, des longues cellules nerveuses qui parcourent toute une jambe aux cellules plates de la peau, perdues par millions chaque jour. Toutes sont nées d'un seul œuf fécondé qui s'est divisé encore et encore.

La plupart des cellules sont bien trop petites pour être vues. Des dizaines de cellules humaines tiendraient dans le point final de cette phrase.

L'évolution

En 1831, Charles Darwin, âgé de 22 ans, embarqua sur le HMS Beagle pour un tour du monde qui allait durer près de cinq ans. Il récolta des fossiles en Argentine, vécut des séismes au Chili et, en 1835, passa cinq semaines aux îles Galápagos, où moqueurs et tortues différaient subtilement d'une île à l'autre. De retour en Angleterre, il passa plus de vingt ans à comprendre pourquoi.

Sa réponse fut la sélection naturelle, à la logique simple. Les êtres vivants produisent plus de petits qu'il ne peut en survivre. Ces petits varient : certains sont plus rapides, plus sombres, plus grands ou plus aptes à digérer une nourriture donnée. Une grande part de ces variations est héréditaire. Les individus dont les traits conviennent à leur milieu survivent et se reproduisent davantage, si bien que ces traits deviennent plus fréquents à la génération suivante. Répété sur des milliers ou des millions de générations, ce tri transforme les populations, parfois jusqu'à créer de nouvelles espèces.

Darwin n'était pas seul. En 1858, le naturaliste Alfred Russel Wallace, fiévreux dans les îles de l'actuelle Indonésie, arriva à la même idée et l'envoya à Darwin. Leurs travaux furent présentés ensemble cette année-là, et le livre de Darwin, L'Origine des espèces, parut en 1859. Aucun des deux ne savait comment fonctionne l'hérédité. La réponse dormait dans les expériences sur les pois du moine Gregor Mendel, publiées en 1866 et largement ignorées jusqu'en 1900. On sait aujourd'hui que les caractères sont portés par les gènes, et que la variation naît de changements aléatoires de l'ADN, les mutations.

L'évolution peut s'observer en direct. Sur Daphne Major, minuscule île des Galápagos, les biologistes Peter et Rosemary Grant ont mesuré chaque pinson pendant des décennies. Lors d'une sévère sécheresse en 1977, les petites graines tendres vinrent à manquer et la plupart des géospizes à bec moyen moururent. Les survivants avaient en général des becs plus épais, assez puissants pour briser les graines dures qui restaient, et leurs petits en héritèrent. Les bactéries qui deviennent résistantes aux antibiotiques en offrent un exemple plus rapide et plus inquiétant.

Le saviez-vous ? L'expression « survie du plus apte » n'est pas de Darwin mais du philosophe Herbert Spencer, en 1864 ; Darwin ne l'adopta que plus tard.

Selon un mythe tenace, l'homme descendrait du chimpanzé. En réalité, les deux espèces descendent d'un ancêtre commun qui vivait il y a environ six ou sept millions d'années, et toutes deux ont continué d'évoluer depuis. L'évolution n'a ni but ni échelle du progrès ; « apte » veut simplement dire adapté aux conditions du moment.

Chaque être vivant aujourd'hui est l'extrémité d'une lignée ininterrompue de survivants remontant à des milliards d'années.

L'arbre du vivant

Les scientifiques ont nommé et décrit environ deux millions d'espèces, et en ajoutent quelque 15 000 à 20 000 par an. Les estimations du total réel varient énormément, mais une étude très citée de 2011 évaluait à environ 8,7 millions le nombre des seules espèces de plantes, d'animaux et de champignons. Pour s'y retrouver, il faut un système de classement, et la biologie en possède un depuis le XVIIIe siècle.

Son architecte fut le botaniste suédois Carl von Linné. En 1753 pour les plantes et en 1758 pour les animaux, il donna à chaque espèce un nom latin en deux parties, la nomenclature binominale. La première partie désigne le genre, la seconde l'espèce : le lion est Panthera leo et son cousin le tigre Panthera tigris. Un nom scientifique fonctionne dans toutes les langues, si bien qu'un biologiste au Japon et un autre au Brésil savent qu'ils parlent de la même grenouille.

Linné emboîta ses noms dans une échelle de groupes de plus en plus vastes. Dans sa forme moderne, elle va ainsi : domaine, règne, embranchement, classe, ordre, famille, genre, espèce. Le lion appartient au règne animal, à l'embranchement des chordés, à la classe des mammifères, à l'ordre des carnivores et à la famille des félins. Des générations d'élèves ont retenu la séquence grâce à des moyens mnémotechniques.

Linné classait les êtres vivants selon leur apparence. Depuis Darwin, les biologistes cherchent plutôt à les classer selon leur ascendance, chaque branche, ou clade, réunissant un ancêtre et tous ses descendants. Le séquençage de l'ADN a bouleversé le tableau. En 1977, le microbiologiste américain Carl Woese compara des séquences génétiques de microbes et découvrit que certains organismes unicellulaires ressemblant à des bactéries en étaient aussi éloignés que les bactéries le sont des humains. Il les nomma archées et proposa en 1990 que toute vie se répartisse en trois grands domaines : Bactéries, Archées et Eucaryotes, ces derniers comprenant tous les animaux, plantes et champignons.

Le saviez-vous ? Le spécimen de référence officiel de notre propre espèce, Homo sapiens, est Linné lui-même, désigné en 1959 parce qu'il n'en avait jamais choisi.

Le résultat n'est pas une échelle mais un arbre du vivant ramifié, enraciné dans un dernier ancêtre commun universel, et dont les rameaux sont les espèces actuelles. L'ADN redessine sans cesse les branches : les champignons sont plus proches parents des animaux que des plantes, et les baleines appartiennent au même groupe que les hippopotames.

Chaque nom du système est une hypothèse sur une histoire de famille, et il peut changer dès que de nouvelles preuves arrivent.

Les microbes

Dans les années 1670, un drapier néerlandais de Delft, Antonie van Leeuwenhoek, qui polissait de minuscules lentilles à ses heures perdues, examina des gouttes d'eau de lac et de pluie et les trouva grouillantes de ce qu'il appela des « animalcules ». Il venait de découvrir les microbes, êtres vivants trop petits pour être vus à l'œil nu, et avec eux un monde caché qui surpasse le monde visible en nombre comme en masse.

Les microbes ne forment pas un groupe unique mais une classe de taille. Bactéries et archées sont des cellules isolées sans noyau, longues en général de quelques millièmes de millimètre. Les protistes, comme les amibes et les paramécies, sont des cellules plus grandes dotées d'un noyau. De nombreux champignons, dont les levures, sont eux aussi microscopiques. Les virus, plus petits encore, mesurent souvent environ un dix-millième de millimètre et ne sont pas du tout des cellules : ils ne se multiplient que dans un hôte.

Pendant l'essentiel de l'histoire, personne ne relia ces créatures aux maladies. Dans les années 1860, Louis Pasteur montra que les microbes gâtent les aliments et le vin, et que le chauffage, plus tard appelé pasteurisation, les tue. En 1882, Robert Koch identifia la bactérie de la tuberculose. En 1928, Alexander Fleming remarqua qu'une moisissure, Penicillium, avait tué les bactéries d'une boîte dans son laboratoire londonien, observation fortuite qui mena à la pénicilline, premier antibiotique largement utilisé.

Pourtant, la maladie n'est qu'une infime partie de l'histoire. Les microbes ont rendu l'air respirable : les cyanobactéries ont commencé à libérer de l'oxygène dans l'atmosphère il y a plus de 2,4 milliards d'années, et le plancton microscopique des océans produit encore près de la moitié de l'oxygène fabriqué chaque année sur Terre. Les bactéries du sol et des racines transforment l'azote de l'air en formes utilisables par les plantes. Les microbes décomposent feuilles mortes et cadavres et rendent leurs nutriments au sol. Ils font aussi lever le pain, changent le lait en yaourt et en fromage, et brassent la bière et le vin.

Le saviez-vous ? Les bactéries contiennent environ 35 fois plus de carbone que tous les animaux du monde réunis, humains, baleines et fourmis compris.

Un corps humain héberge des milliers de milliards de microbes, surtout dans l'intestin, à peu près aussi nombreux que ses propres cellules. Cette communauté, le microbiote, aide à digérer, éduque le système immunitaire et évince les envahisseurs nuisibles. L'idée populaire de dix cellules bactériennes pour une cellule humaine a été révisée ; le rapport est plus proche d'un pour un.

Le monde appartient aux microbes. Les êtres plus grands n'y sont, en un sens, que de passage.

Les plantes

Une feuille verte est une usine solaire. Avec pour seuls ingrédients la lumière, l'eau et un gaz qui représente moins d'un vingtième de pour cent de l'air, elle fabrique du sucre, et avec lui presque tous les repas jamais pris sur Terre. Ce processus s'appelle la photosynthèse, et il fonctionne depuis bien plus de deux milliards d'années.

Sa chimie tient en une ligne : dioxyde de carbone plus eau, grâce à la lumière, donnent glucose plus oxygène. L'eau monte depuis les racines par des tuyaux appelés xylème. Le dioxyde de carbone entre dans la feuille par de minuscules pores situés sur sa face inférieure, les stomates, qui s'ouvrent et se ferment grâce à deux cellules de garde. À l'intérieur, des cellules palissadiques serrées regorgent de chloroplastes contenant le pigment vert, la chlorophylle. Celle-ci absorbe fortement la lumière rouge et bleue mais réfléchit le vert, d'où la couleur des feuilles. L'énergie captée brise des molécules d'eau, libérant de l'oxygène au passage, et sert à fixer le carbone dans le sucre. Un autre réseau de tuyaux, le phloème, transporte ce sucre partout où la plante en a besoin.

Le saviez-vous ? Dans les années 1640, Jan Baptist van Helmont fit pousser un saule en pot pendant cinq ans : l'arbre gagna environ 74 kilogrammes, tandis que la terre n'en perdit qu'environ 57 grammes.

Van Helmont pensait que la masse supplémentaire venait de l'eau. En réalité, elle venait surtout de l'air. Un arbre est, pour une grande part, du dioxyde de carbone rendu solide par la lumière.

On connaît environ 390 000 espèces de plantes, et elles dominent le monde vivant par leur poids : elles détiennent à peu près les quatre cinquièmes du carbone des êtres vivants terrestres. Mousses et hépatiques, les premières plantes terrestres, n'ont pas de vaisseaux internes et restent petites et humides. Les fougères et leurs parentes ont acquis xylème et phloème et formé des forêts il y a plus de 300 millions d'années, forêts dont les restes enfouis sont devenus une grande partie du charbon brûlé pendant la révolution industrielle. Les conifères ont ensuite enveloppé leurs graines de manteaux protecteurs, et les plantes à fleurs, apparues il y a environ 140 millions d'années, ont recruté insectes, oiseaux et chauves-souris comme messagers de leur pollen. Elles forment aujourd'hui la grande majorité des espèces végétales.

Les records sont remarquables. Un séquoia à feuilles d'if de Californie nommé Hyperion mesure environ 116 mètres, le plus grand arbre vivant connu. Un pin de Bristlecone baptisé Mathusalem pousse depuis plus de 4 800 ans. La plus grande fleur, Rafflesia arnoldii, peut atteindre un mètre de diamètre et sent la viande pourrie.

Chaque souffle pris sur la terre ferme doit quelque chose à une feuille.

Les invertébrés

Choisissez une espèce animale au hasard : il y a toutes les chances qu'elle n'ait pas de colonne vertébrale. Les invertébrés représentent environ 97 % des espèces animales connues, des éponges et méduses aux escargots, araignées, crabes, vers et étoiles de mer. Les animaux à squelette interne, les vertébrés, ne sont qu'une ramification unique, et plutôt récente, de cette foule immense.

Le groupe se définit par ce qui lui manque, si bien qu'il réunit des plans d'organisation incroyablement variés. Les éponges, parmi les plus anciennes lignées animales, n'ont ni muscles, ni nerfs, ni organes : l'eau traverse simplement leurs pores et leurs cellules filtrent la nourriture. Les cnidaires, méduses, anémones de mer et coraux, possèdent des cellules urticantes et une seule ouverture pour la nourriture et les déchets. De minuscules polypes coralliens, bâtissant génération après génération des squelettes calcaires, ont créé la Grande Barrière de corail, qui s'étire sur quelque 2 300 kilomètres au nord-est de l'Australie.

Les mollusques comprennent les escargots, les palourdes et les céphalopodes, pieuvre, calmar et seiche, qui comptent parmi les invertébrés les plus intelligents. Une pieuvre sait dévisser un bocal, se faufiler par toute ouverture plus large que son bec et changer de couleur en une fraction de seconde. Les annélides, vers segmentés, incluent le ver de terre, que Charles Darwin admirait tant que son dernier livre, en 1881, lui fut consacré. Les échinodermes, étoiles de mer et oursins, ont un corps organisé par cinq.

Les plus prospères sont les arthropodes : insectes, araignées, scorpions, crabes, homards, mille-pattes et leurs parents. Ils portent leur squelette à l'extérieur, un exosquelette articulé et résistant de chitine, et doivent muer pour grandir. Les insectes comptent à eux seuls environ un million d'espèces décrites, plus que tous les autres animaux réunis, dont quelque 400 000 coléoptères. Le vol, maîtrisé il y a plus de 300 millions d'années, et la métamorphose, de la chenille au papillon ou de la larve au scarabée, aident à expliquer ce succès.

Le saviez-vous ? Une pieuvre a trois cœurs et un sang bleu, coloré par une molécule à base de cuivre, l'hémocyanine, qui transporte bien l'oxygène dans l'eau froide.

Les invertébrés existent dans toutes les tailles. Certains acariens sont plus petits qu'un point. Le calmar colossal, le plus lourd des invertébrés connus, peut peser environ 500 kilogrammes et possède les plus grands yeux du règne animal, de la taille d'une assiette. Les pattes du crabe-araignée géant du Japon dépassent trois mètres d'envergure.

Les abeilles pollinisent les cultures, les vers aèrent le sol et le krill nourrit les baleines. Sans colonne vertébrale, il s'avère que la vie fait tourner la planète.

Les vertébrés

Une baleine bleue, un colibri, une grenouille et un humain partagent un trait décisif : une colonne vertébrale. Les vertébrés possèdent un crâne qui protège le cerveau et une colonne d'os articulés, les vertèbres, qui abrite la moelle épinière. Ce squelette interne grandit avec l'animal, contrairement à l'exosquelette d'un insecte, et il a permis aux vertébrés de devenir les plus grands animaux ayant jamais vécu.

Les premiers vertébrés étaient de petites créatures pisciformes sans mâchoires, qui nageaient il y a plus de 500 millions d'années ; les fossiles de Chengjiang, en Chine, comme Haikouichthys, comptent parmi les plus anciens. Lamproies et myxines sont aujourd'hui leurs descendants sans mâchoires. Puis vinrent les mâchoires, articulées à partir des os qui soutenaient autrefois les branchies, et une explosion de poissons prédateurs. Les poissons restent de loin le plus grand groupe de vertébrés, avec plus de 35 000 espèces, des requins au squelette cartilagineux aux poissons osseux comme la morue, le saumon et l'hippocampe.

Il y a environ 375 millions d'années, certains poissons à nageoires charnues commencèrent à se hisser dans les eaux peu profondes et sur la terre ferme. Tiktaalik, découvert dans l'Arctique canadien en 2004, avait les écailles et les branchies d'un poisson mais un cou et des nageoires robustes semblables à des poignets. Ses parents devinrent les premiers animaux à quatre membres, les tétrapodes. Les amphibiens, grenouilles, tritons et salamandres d'aujourd'hui, pondent encore des œufs mous dans l'eau, et beaucoup respirent en partie par leur peau humide.

Le bond suivant fut l'œuf amniotique, doté de ses propres membranes étanches et de réserves nourricières, qui libéra les animaux du bord de l'eau il y a plus de 300 millions d'années. Ses détenteurs se scindèrent en deux grandes lignées. L'une donna les reptiles, lézards, serpents, tortues et crocodiles, ainsi que les dinosaures, dont la branche survivante est celle des oiseaux, environ 11 000 espèces volantes, à plumes et à sang chaud. L'autre mena aux mammifères, qui ont des poils, nourrissent leurs petits au lait et comptent environ 6 500 espèces, de la minuscule pachyure étrusque à la baleine bleue, qui atteint 30 mètres et est l'animal le plus lourd connu.

Le saviez-vous ? Le plus petit vertébré connu est une grenouille de Papouasie-Nouvelle-Guinée, Paedophryne amauensis, décrite en 2012 : les adultes mesurent environ 7,7 millimètres.

Le sang chaud est apparu deux fois, séparément, chez les oiseaux et chez les mammifères. Tous deux brûlent leur nourriture pour garder une température stable, ce qui coûte beaucoup d'énergie mais leur permet de rester actifs la nuit et dans le froid.

Les vertébrés ne sont qu'une petite part de la vie animale, et pourtant cette part abrite les animaux les plus rapides, les plus grands et les plus intelligents de la Terre.

Les dinosaures

Pendant environ 165 millions d'années, les dinosaures furent les animaux terrestres dominants. Apparus il y a environ 230 millions d'années au Trias, ils prospérèrent au Jurassique et au Crétacé, puis disparurent, pour la plupart, il y a 66 millions d'années. Ensemble, ces trois périodes forment l'ère mésozoïque, l'âge des reptiles.

Les premiers dinosaures, comme Eoraptor et Herrerasaurus d'Argentine, étaient de vifs bipèdes pas plus grands qu'un gros chien. Ce qui les distinguait des autres reptiles, c'était leur posture : leurs pattes se plaçaient droit sous le corps, comme des piliers, au lieu de s'écarter sur les côtés comme celles d'un lézard. Cette posture dressée en faisait des marcheurs et des coureurs efficaces. Après une extinction massive à la fin du Trias, il y a environ 201 millions d'années, ils prirent le dessus.

Le Jurassique fut l'âge des géants. Des sauropodes au long cou comme Brachiosaurus et Diplodocus broutaient les conifères et pouvaient peser autant que plusieurs éléphants. Plus tard, au Crétacé, Argentinosaurus a peut-être atteint 35 mètres et 70 tonnes ou plus. Le Stegosaurus à plaques et le prédateur Allosaurus parcouraient l'ouest de l'actuel territoire des États-Unis il y a environ 150 millions d'années. À la même époque, dans l'actuelle Allemagne, Archaeopteryx planait d'arbre en arbre, mi-reptile, mi-oiseau.

Plusieurs idées reçues méritent d'être corrigées. Les ptérosaures, reptiles volants, et les ichthyosaures et plésiosaures, reptiles marins, n'étaient pas des dinosaures, même s'ils vivaient à leurs côtés. Velociraptor avait la taille d'une dinde et était couvert de plumes. Et aucun humain n'a jamais vu de dinosaure non aviaire vivant : notre espèce est apparue plus de 65 millions d'années après leur disparition.

Le saviez-vous ? Tyrannosaurus rex a vécu plus près de nous dans le temps que du Stegosaurus : environ 82 millions d'années séparent les deux dinosaures, mais seulement 66 millions séparent le T. rex d'aujourd'hui.

La fin fut brutale. Il y a environ 66 millions d'années, un astéroïde d'environ 10 kilomètres de large frappa l'actuelle péninsule du Yucatán, au Mexique, laissant le cratère de Chicxulub, large d'environ 180 kilomètres. Incendies, pluie de débris et années de ciel obscurci suivirent, et environ trois quarts des espèces disparurent. L'anatomiste anglais Richard Owen avait forgé le nom Dinosauria, « lézards terribles », en 1842, bien avant que l'on sache comment ils étaient morts.

Mais tous ne disparurent pas. Les oiseaux descendent de petits théropodes à plumes, le même groupe que le T. rex, et les scientifiques les considèrent comme des dinosaures vivants. Avec environ 11 000 espèces, les dinosaures sont toujours bien parmi nous.

Les écosystèmes

Une mare, une forêt, un récif de corail et une souche pourrissante sont tous des écosystèmes : des communautés d'êtres vivants liées au sol, à l'eau, à l'air et à la lumière qui les entourent. Le botaniste anglais Arthur Tansley forgea le mot en 1935 pour exprimer l'idée que les organismes et leur milieu fonctionnent comme un seul système, traversé par l'énergie et parcouru de cycles de matière.

Presque tous les écosystèmes fonctionnent à la lumière du Soleil. Les producteurs, plantes sur terre et algues microscopiques dans l'eau, captent cette lumière et la transforment en sucre. Les consommateurs primaires, mangeurs de plantes, des chenilles aux zèbres, mangent les producteurs. Les consommateurs secondaires mangent les herbivores, et les superprédateurs comme les aigles, les requins et les loups les mangent à leur tour. Chacun de ces niveaux est un niveau trophique, et une simple ligne qui les relie, herbe, lapin, renard, est une chaîne alimentaire. En réalité, les lignes se croisent et se ramifient en un réseau trophique emmêlé, car la plupart des animaux mangent plusieurs choses et sont mangés par plusieurs autres.

De l'énergie se perd à chaque étape. Un animal brûle l'essentiel de ce qu'il mange pour bouger, se réchauffer et rester en vie, et une grande partie de sa nourriture ressort non digérée. En règle générale, seul un dixième environ de l'énergie d'un niveau devient de la matière vivante au niveau suivant. Voilà pourquoi les chaînes alimentaires dépassent rarement quatre ou cinq maillons, pourquoi les grands prédateurs féroces sont toujours rares, et pourquoi un champ de blé nourrit bien plus de personnes que le même champ consacré au bétail.

La matière, elle, est recyclée. Les décomposeurs, champignons, bactéries, vers et coléoptères, dégradent cadavres et déchets et rendent carbone, azote et phosphore au sol et à l'air, prêts à resservir.

Le saviez-vous ? Quand l'écologue Robert Paine retira les étoiles de mer d'une portion de côte rocheuse de l'État de Washington dans les années 1960, les moules prirent le dessus et le nombre d'espèces présentes fut à peu près divisé par deux.

Paine appela ces animaux des espèces clés de voûte : comme la pierre centrale d'une arche, leur retrait fait s'effondrer l'édifice. Les loutres de mer en sont un autre exemple. Elles mangent les oursins, qui broutent le varech ; là où les loutres furent exterminées le long de la côte pacifique, les oursins pullulèrent et dévastèrent des forêts entières de varech. Quand les loups gris furent réintroduits dans le parc national de Yellowstone en 1995, ils modifièrent la façon dont les wapitis broutaient, un effet que les scientifiques mesurent encore.

L'équilibre de la nature est moins un équilibre figé qu'une négociation permanente. Qu'on retire un seul fil, et tout le réseau se déplace.

Construire un corps

Tout corps humain commence par une seule cellule, un ovule fécondé d'environ un dixième de millimètre, tout juste visible à l'œil nu. À l'âge adulte, cette cellule unique est devenue quelque 37 000 milliards de cellules. Rien dans cette croissance n'est laissé au hasard. Le corps est construit par niveaux, chacun fait du niveau inférieur, un peu comme les lettres forment des mots, les mots des phrases et les phrases un livre.

La cellule est l'unité de base du vivant. Chacune possède une membrane, un intérieur aqueux appelé cytoplasme et, presque toujours, un noyau qui contient une copie complète de l'ADN du corps. À l'intérieur travaillent de minuscules organites : les mitochondries libèrent l'énergie des aliments, les ribosomes assemblent les protéines. Les biologistes distinguent quelque 200 types de cellules, dont la forme répond à la fonction. Un globule rouge est un disque souple d'environ 8 micromètres, conçu pour se faufiler dans les vaisseaux les plus fins. Un motoneurone allant de la base de la colonne au gros orteil peut mesurer un mètre.

Les cellules de même nature se regroupent en tissus, qui ne sont que de quatre sortes. Le tissu épithélial recouvre les surfaces et tapisse les conduits. Le tissu conjonctif, qui comprend l'os, la graisse, le cartilage et même le sang, soutient et relie. Le tissu musculaire se contracte. Le tissu nerveux transmet les signaux. Deux tissus ou plus travaillant ensemble forment un organe. L'estomac, par exemple, associe une muqueuse épithéliale, des parois musculaires qui brassent, du tissu conjonctif qui maintient l'ensemble et des nerfs qui donnent le rythme.

Les organes coopèrent au sein de systèmes. Les anatomistes en comptent généralement onze : squelettique, musculaire, nerveux, endocrinien, cardiovasculaire, lymphatique, respiratoire, digestif, urinaire, reproducteur et tégumentaire, ce dernier regroupant la peau, les cheveux et les ongles. La peau est le plus grand de tous les organes : environ deux mètres carrés chez l'adulte. Aucun système ne travaille seul. Respirer ne sert à rien sans le sang pour transporter l'oxygène, et le sang ne sert à rien sans un cœur pour le pousser.

Comment une seule cellule produit-elle une telle diversité ? Toutes héritent des mêmes gènes, mais chacune n'en active qu'une partie. Dans l'embryon précoce, les cellules souches peuvent encore devenir bien des choses ; au fil du développement, des signaux chimiques venus des cellules voisines les orientent vers des voies plus étroites, jusqu'à ce qu'une cellule devienne définitivement peau, foie ou nerf. On entend souvent que le corps renouvelle toutes ses cellules tous les sept ans. C'est un mythe : la paroi de l'intestin se renouvelle en quelques jours, mais la plupart des neurones du cortex et les cellules au cœur du cristallin durent toute la vie.

Le saviez-vous ? L'idée que les bactéries seraient dix fois plus nombreuses que nos cellules est fausse : une estimation de 2016 situe le rapport autour d'un pour un.

Trente-sept mille milliards de pièces, un seul propriétaire.

Le squelette

Le squelette adulte compte 206 os, mais personne ne naît avec ce nombre. Un nouveau-né possède environ 270 à 300 pièces osseuses, dont beaucoup sont encore en partie cartilagineuses. Pendant l'enfance, plusieurs fusionnent : les plaques du crâne se soudent, cinq vertèbres forment le sacrum et chaque os de la hanche naît de trois os. La croissance se poursuit au niveau des cartilages de croissance, des disques situés près des extrémités des os longs, jusqu'à ce qu'ils s'ossifient vers la fin de l'adolescence ou le début de la vingtaine.

Le squelette fait bien plus que tenir le corps debout. Il protège : le crâne enveloppe le cerveau, les côtes entourent le cœur et les poumons. Il sert d'ancrage aux muscles, en leur offrant des leviers. Il stocke environ 99 % du calcium de l'organisme et le libère dans le sang quand il le faut. Enfin, dans de nombreux os se trouve la moelle rouge, un tissu mou qui fabrique les cellules sanguines, des centaines de milliards chaque jour.

Une coupe d'un os long comme le fémur, l'os de la cuisse, révèle une ingénierie remarquable. Une enveloppe vivante et résistante, le périoste, l'entoure. Dessous se trouve l'os compact, dense, fait de cylindres microscopiques appelés ostéons, chacun traversé par un canal central pour les vaisseaux et les nerfs. Vers les extrémités, l'os devient spongieux : un nid d'abeilles de travées alignées selon les lignes de contrainte, solide mais léger. Le canal central contient la moelle, rouge chez le jeune enfant, surtout jaune et graisseuse chez l'adulte.

L'os est vivant et sans cesse reconstruit. Les ostéoblastes fabriquent de l'os neuf, les ostéoclastes dissolvent l'os ancien, et les ostéocytes, emprisonnés dans le minéral, perçoivent les contraintes et dirigent le chantier. Environ un dixième du squelette adulte est remplacé chaque année : la charpente entière se renouvelle en une dizaine d'années. C'est la charge qui pilote le processus. En orbite, les astronautes perdent de la masse osseuse faute de porter leur poids, tandis que les joueurs de tennis professionnels ont des os nettement plus épais dans le bras qui tient la raquette.

Les tailles varient énormément. Le fémur est l'os le plus long et le plus solide, environ un quart de la taille d'une personne. Le plus petit est l'étrier, dans l'oreille moyenne, long d'environ trois millimètres. Plus de la moitié des os se trouvent dans les mains et les pieds : 54 dans les deux mains et 52 dans les deux pieds, ce qui aide à expliquer leur remarquable dextérité.

Le saviez-vous ? L'os hyoïde, dans la gorge, qui sert d'ancrage à la langue, est le seul os du corps qui ne s'articule avec aucun autre.

Au musée, un squelette paraît sec et figé ; celui d'un corps vivant est tout le contraire.

Les muscles

Chaque mouvement, d'un sprint à un clignement d'œil ou à un battement de cœur, est produit par un muscle. Le corps compte plus de 600 muscles squelettiques nommés, qui représentent en général entre un tiers et deux cinquièmes du poids du corps. Le muscle ne connaît pourtant qu'un seul tour : il se contracte. Il peut tirer mais jamais pousser, c'est pourquoi les muscles squelettiques fonctionnent en paires antagonistes. Le biceps plie le coude ; pour le tendre, le triceps, à l'arrière du bras, tire dans l'autre sens.

Il existe trois sortes de tissu musculaire. Le muscle squelettique, fixé aux os par des cordons résistants, les tendons, obéit à la volonté et paraît strié au microscope. Le muscle cardiaque, présent seulement dans le cœur, est lui aussi strié, mais ses cellules ramifiées se contractent en rythme sans aucun ordre conscient et résistent remarquablement à la fatigue. Le muscle lisse tapisse les parois de l'intestin, des vaisseaux, de la vessie et des voies respiratoires, et se contracte lentement et automatiquement.

Le secret de la contraction se cache dans les stries. Un muscle squelettique est un faisceau de longues cellules, les fibres, remplies de filaments appelés myofibrilles, elles-mêmes divisées en unités répétées, les sarcomères. Dans chaque sarcomère, d'épais filaments de myosine s'intercalent entre de fins filaments d'actine. Quand un signal nerveux arrive, du calcium est libéré dans la fibre ; les têtes de myosine agrippent l'actine, pivotent, lâchent prise et recommencent, faisant glisser les filaments les uns sur les autres. C'est le modèle des filaments glissants, publié en 1954 par deux équipes indépendantes comptant Andrew Huxley et Hugh Huxley, qui n'avaient aucun lien de parenté. Chaque coup consomme une molécule d'ATP, la monnaie énergétique de la cellule.

Toutes les fibres ne se ressemblent pas. Les fibres lentes se contractent régulièrement et résistent à la fatigue, idéales pour la posture et le marathon. Les fibres rapides se contractent avec force mais s'épuisent vite, idéales pour le sprint et le saut. Leur proportion est en partie héritée et en partie façonnée par l'entraînement. Le muscle chauffe aussi le corps : le frisson n'est qu'une contraction rapide dont le seul but est de produire de la chaleur.

Le plus gros muscle est le grand fessier, qui maintient le corps droit et propulse la montée. Le plus petit est le muscle stapédien, dans l'oreille moyenne, long d'environ un millimètre, qui se contracte pour protéger l'oreille des bruits forts. L'adage selon lequel froncer les sourcils mobilise plus de muscles que sourire n'a pas de base solide : tout dépend de l'expression.

Le saviez-vous ? La rigidité cadavérique survient parce que le muscle a besoin d'ATP pour relâcher sa prise ; sans ATP neuf, la myosine reste accrochée à l'actine.

Tout le répertoire du mouvement humain repose sur une minuscule traction, répétée à l'infini.

Le cœur et le sang

Le cœur est une pompe musculaire de la taille d'un poing fermé, et il ne se repose jamais. À environ 70 battements par minute, il bat quelque 100 000 fois par jour et à peu près deux milliards et demi de fois au cours d'une longue vie. Au repos, il propulse environ cinq litres de sang par minute, soit presque tout le sang du corps. Lors d'un effort intense, ce chiffre peut être multiplié par quatre ou cinq.

Le cœur est en réalité deux pompes côte à côte, et le sang décrit un huit. Le côté droit reçoit le sang usé du corps et l'envoie, sur une courte distance, vers les poumons, où il se débarrasse du dioxyde de carbone et se charge d'oxygène. Le côté gauche reçoit ce sang fraîchement oxygéné et le chasse par l'aorte vers tous les autres tissus. Chaque côté a deux cavités : une oreillette à paroi fine qui recueille le sang et un puissant ventricule qui l'expulse. Quatre valves font office de portes à sens unique, et leur fermeture produit le fameux « boum-boum ». Le médecin anglais William Harvey démontra en 1628 que le sang circule en circuit fermé, renversant des idées admises depuis l'Antiquité.

Le battement naît tout seul. Un amas de cellules de l'oreillette droite, le nœud sinusal, émet une impulsion électrique qui parcourt les deux oreillettes, marque une brève pause à un second relais, puis balaie les ventricules. Ce stimulateur intégré explique pourquoi un cœur peut continuer à battre un moment même après avoir été retiré du corps.

Le réseau qu'il alimente est immense. Les artères emportent le sang sous pression, les veines le ramènent à l'aide de valvules, et entre les deux se trouvent les capillaires, si étroits que les globules rouges y passent en file indienne. La longueur totale des vaisseaux d'un adulte est souvent estimée à environ 100 000 kilomètres, de quoi faire plus de deux fois le tour de la Terre.

Un adulte possède environ cinq litres de sang. Un peu plus de la moitié est du plasma, un liquide jaune paille qui transporte sels, nutriments, hormones et déchets. L'essentiel du reste est constitué de globules rouges, chargés d'une protéine riche en fer, l'hémoglobine, qui fixe l'oxygène. Les globules blancs et les plaquettes, qui colmatent les fuites, n'en forment qu'une infime fraction. Un globule rouge vit environ 120 jours, et la moelle osseuse en produit quelque deux millions par seconde. On dessine souvent les veines en bleu, mais le sang n'est jamais bleu : il est toujours rouge, simplement plus sombre quand il manque d'oxygène.

Le saviez-vous ? Au repos, un globule rouge ne met qu'environ une minute pour faire le tour complet du corps.

Chaque battement est une livraison, et la tournée ne s'arrête jamais.

Les poumons et la respiration

Au repos, un adulte respire environ 12 à 20 fois par minute, soit plus de vingt mille respirations par jour. Chaque respiration calme déplace environ un demi-litre d'air. Le but est un échange : l'oxygène entre, le dioxyde de carbone sort. Chaque cellule a besoin d'oxygène pour tirer l'énergie des aliments, et chacune produit du dioxyde de carbone, un déchet qui rend le sang acide s'il s'accumule.

La respiration est surtout assurée par le diaphragme, une nappe musculaire en forme de dôme située sous les poumons. Quand il se contracte, il s'aplatit et descend, tandis que les muscles intercostaux soulèvent la cage thoracique vers le haut et vers l'extérieur. La poitrine s'agrandit, la pression intérieure baisse et l'air s'engouffre. Au repos, l'expiration ne demande aucun effort : les muscles se relâchent et les poumons élastiques se rétractent comme un ballon qu'on lâche.

L'air descend le long d'un arbre ramifié. Il entre par le nez, où poils et mucus collant retiennent la poussière, et où il est réchauffé et humidifié. Il franchit le larynx, siège de la voix, puis entre dans la trachée, un tube maintenu ouvert par des anneaux de cartilage en forme de C. La trachée se divise en deux bronches, une par poumon, qui se ramifient encore et encore, environ 23 fois en tout, en bronchioles toujours plus fines. Les deux poumons ne sont pas identiques : le droit a trois lobes, le gauche deux seulement, pour laisser de la place au cœur.

L'arbre se termine par des grappes de minuscules sacs d'air, les alvéoles, environ 480 millions chez l'adulte. Chacune est enveloppée d'un réseau de capillaires. La barrière entre l'air et le sang mesure moins d'un millième de millimètre d'épaisseur : l'oxygène diffuse donc simplement dans le sang, où l'hémoglobine le capte, tandis que le dioxyde de carbone fait le chemin inverse. Étalées à plat, les alvéoles couvriraient quelque 70 mètres carrés, bien plus que la surface de la peau.

Garder propres des surfaces aussi délicates est un travail permanent. Les cellules des voies respiratoires portent des poils microscopiques, les cils, qui battent en vagues coordonnées et font remonter vers la gorge un tapis de mucus et de particules piégées, ensuite avalé. La fumée de tabac abîme ces cils, ce qui explique en partie la toux des fumeurs : le corps tousse pour évacuer ce que les cils n'évacuent plus.

Le saviez-vous ? L'envie de respirer est surtout déclenchée par la hausse du dioxyde de carbone dans le sang, et non par la baisse de l'oxygène : c'est pourquoi retenir son souffle devient insupportable bien avant que l'oxygène ne manque.

Plus de vingt mille respirations par jour, et presque aucune n'est pensée.

La digestion

La digestion transforme un repas en quelque chose que le corps peut vraiment utiliser : des molécules assez petites pour traverser la paroi intestinale et passer dans le sang. Elle procède de deux façons à la fois. La digestion mécanique déchire et brasse les aliments en morceaux plus petits. La digestion chimique repose sur des enzymes, des catalyseurs protéiques qui découpent les grosses molécules en petites : les protéines en acides aminés, l'amidon en sucres, les graisses en acides gras.

Le travail commence dans la bouche. Les dents broient, et la salive, généralement un litre ou plus par jour, humidifie les aliments et commence à dégrader l'amidon grâce à une enzyme, l'amylase. La déglutition pousse une boule de nourriture molle dans l'œsophage, où des vagues de contractions musculaires, le péristaltisme, la conduisent jusqu'à l'estomac en quelques secondes. Le péristaltisme fonctionne même la tête en bas, ce qui permet aux astronautes de manger en orbite.

L'estomac est une poche musculaire qui brasse les aliments avec de l'acide chlorhydrique, à un pH d'environ 1,5 à 3,5, aussi acide que le jus de citron, voire davantage. L'acide tue la plupart des microbes et aide une enzyme, la pepsine, à défaire les protéines. L'estomac se protège par une épaisse couche de mucus et en renouvelant sans cesse sa paroi. Au bout de quelques heures, le repas est devenu un liquide épais, le chyme, libéré par petites giclées dans l'intestin grêle.

L'intestin grêle est le lieu de l'essentiel de la digestion et de presque toute l'absorption. Il mesure environ six à sept mètres. La bile du foie fragmente les graisses en fines gouttelettes, et le suc du pancréas apporte des enzymes qui achèvent le travail. La paroi interne est plissée et tapissée de villosités en forme de doigts, elles-mêmes couvertes de microvillosités. On a longtemps dit que cela donnait la surface d'un court de tennis ; une étude minutieuse de 2014 a trouvé plutôt 30 mètres carrés, environ la moitié d'un terrain de badminton. C'est déjà remarquable.

Ce qui reste passe dans le gros intestin, long d'environ 1,5 mètre, qui récupère l'eau et les sels. Il abrite des milliers de milliards de bactéries, le microbiote intestinal, qui fermentent les fibres que le corps ne sait pas digérer et produisent certaines vitamines, dont la vitamine K. Le trajet complet, de la bouche à la sortie, dure en général d'un à trois jours, dont la plus grande partie dans le gros intestin.

Le saviez-vous ? Une bonne part des premières connaissances sur l'estomac vient d'Alexis St Martin, un trappeur blessé par balle en 1822 dont la plaie cicatrisa en laissant une ouverture sur l'estomac, que le chirurgien William Beaumont étudia pendant des années.

Le tube digestif traverse le corps, et seul ce qui franchit sa paroi est vraiment à l'intérieur.

Le cerveau

Le cerveau humain pèse environ 1,4 kilogramme, soit à peu près 2 % du poids du corps, mais il consomme au repos environ un cinquième de l'énergie de l'organisme. Un cerveau vivant est mou, plus proche d'une gelée ferme que des spécimens caoutchouteux conservés en bocal, durcis par les produits de conservation. Il contient environ 86 milliards de neurones, un chiffre établi en 2009 par la neuroscientifique brésilienne Suzana Herculano-Houzel, qui dissolvait des cerveaux en une soupe de noyaux cellulaires que l'on pouvait compter. Il a remplacé l'estimation ronde, mille fois répétée, de 100 milliards.

Un neurone est une cellule faite pour transmettre des signaux. Ses dendrites ramifiées reçoivent les messages, le corps cellulaire en fait la somme et, si le total dépasse un seuil, le neurone envoie une impulsion électrique le long de son axone. Dans les axones gainés de myéline, une substance grasse, l'impulsion peut dépasser 100 mètres par seconde. Au bout, le signal franchit un minuscule espace, la synapse, sous la forme d'une bouffée de messagers chimiques, les neurotransmetteurs. Chaque neurone peut se connecter à des milliers d'autres, ce qui donne quelque cent mille milliards de synapses selon les estimations.

Le grand cerveau plissé, ou télencéphale, se divise en deux hémisphères, gauche et droit, reliés par un épais pont de fibres, le corps calleux. Chaque hémisphère compte quatre lobes. Le lobe frontal gère la planification, les décisions et le mouvement ; le lobe pariétal traite le toucher et le sens de l'espace ; le lobe temporal s'occupe de l'audition, du langage et de la mémoire ; et le lobe occipital, à l'arrière, est consacré à la vision. Chaque hémisphère commande surtout le côté opposé du corps.

Sous l'arrière du cerveau se niche le cervelet, qui affine les mouvements et l'équilibre. Il n'occupe qu'environ un dixième du volume cérébral mais renferme à peu près quatre neurones sur cinq. Le tronc cérébral relie l'encéphale à la moelle épinière et pilote l'essentiel automatique : respiration, rythme cardiaque, sommeil et éveil.

Une grande partie de cette carte a d'abord été dressée grâce à des blessures. En 1848, un contremaître des chemins de fer, Phineas Gage, survécut à une barre de fer qui lui traversa le lobe frontal, et son comportement changé laissa deviner le rôle de cette région. En 1861, le médecin français Paul Broca relia une zone du lobe frontal gauche à la production de la parole. Aujourd'hui, l'imagerie montre directement l'activité cérébrale et confirme que l'idée selon laquelle nous n'utiliserions que 10 % de notre cerveau est un mythe : au cours d'une journée, pratiquement toutes les régions sont actives.

Le saviez-vous ? Le cerveau lui-même ne possède aucun récepteur de la douleur, ce qui explique que certaines opérations du cerveau se pratiquent sur un patient éveillé qui parle.

Le cerveau ne cesse jamais de se recâbler. Chaque apprentissage renforce certaines connexions et en élague d'autres, une propriété appelée neuroplasticité. L'organe qui lit cette phrase est un peu différent de l'avoir lue.

Les sens

À l'école, on apprend qu'il existe cinq sens : la vue, l'ouïe, le toucher, le goût et l'odorat. Cette liste remonte à Aristote, et elle est bien trop courte. Le corps perçoit aussi l'équilibre, la température, la douleur, la position de ses propres membres et l'état de ses organes, d'une vessie pleine à un cœur qui s'emballe. Beaucoup de scientifiques comptent au moins neuf sens, et certains plus de vingt, selon la façon de les découper.

Au fond, tous les sens fonctionnent de la même manière. Des cellules réceptrices spécialisées convertissent une forme d'énergie, lumière, ondes sonores, pression ou substances chimiques, en signaux nerveux électriques : c'est la transduction. Le cerveau ne reçoit jamais directement la lumière ou le son, seulement des impulsions codées, à partir desquelles il construit l'expérience du monde.

Dans l'œil, la cornée et le cristallin concentrent la lumière sur la rétine, qui compte environ 120 millions de bâtonnets, sensibles à la faible lumière, et environ 6 millions de cônes, qui perçoivent la couleur. Trois types de cônes, accordés aux grandes, moyennes et courtes longueurs d'onde, se combinent pour produire toutes les couleurs que l'on voit. Là où le nerf optique quitte l'œil, il n'y a aucun récepteur : c'est la tache aveugle, que le cerveau comble discrètement.

Dans l'oreille, les ondes sonores font vibrer le tympan, et trois osselets minuscules, le marteau, l'enclume et l'étrier, transmettent la vibration au liquide de la cochlée. Là, environ 15 000 cellules ciliées réagissent à différentes hauteurs, d'environ 20 à 20 000 hertz chez un jeune adulte. Juste à côté, les canaux semi-circulaires de l'oreille interne détectent les rotations et aident le corps à garder l'équilibre.

L'odorat et le goût sont des sens chimiques. Le nez porte environ 400 sortes de récepteurs olfactifs, dont les combinaisons permettent de distinguer un nombre immense d'odeurs. La langue détecte cinq saveurs de base : le sucré, l'acide, le salé, l'amer et l'umami, la saveur « savoureuse » identifiée par le chimiste japonais Kikunae Ikeda en 1908. Une grande part de ce qu'on appelle la saveur vient en réalité de l'odorat, c'est pourquoi les aliments semblent fades quand on a le nez bouché. Le toucher repose sur plusieurs types de récepteurs cutanés, particulièrement denses au bout des doigts et sur les lèvres.

Le saviez-vous ? La fameuse « carte de la langue », avec le sucré sur la pointe et l'amer au fond, est un mythe né d'une mauvaise lecture d'une étude allemande de 1901 ; toute zone dotée de bourgeons du goût perçoit les cinq saveurs.

Le monde nous parvient sous forme d'électricité, et le cerveau fait le reste.

Le système immunitaire

Chaque jour, le corps est approché par des bactéries, des virus, des champignons et des parasites, et presque tous sont repoussés sans que personne ne s'en aperçoive. Le système immunitaire n'est pas un organe unique mais une force de défense répartie, faite de cellules, de protéines et de tissus disséminés dans le sang, la lymphe, la moelle osseuse, le thymus, la rate et des centaines de ganglions lymphatiques. Il agit par couches, chacune plus lente mais plus précise que la précédente.

La première couche est un ensemble de barrières. La peau est un mur sec et résistant de cellules mortes. Le mucus du nez et des voies respiratoires piège les intrus, les larmes et la salive contiennent du lysozyme, une enzyme qui fait éclater les bactéries, et l'acide de l'estomac détruit l'essentiel de ce qui est avalé.

Ce qui passe malgré tout rencontre l'immunité innée, qui réagit en quelques minutes à quelques heures aux signes généraux d'infection. Les neutrophiles, les globules blancs les plus nombreux, accourent et engloutissent les bactéries. Les macrophages, dont le nom signifie « gros mangeurs », avalent microbes et débris et donnent l'alerte par des signaux chimiques, les cytokines. Les cellules tueuses naturelles détruisent les cellules infectées par des virus. La chaleur, la rougeur et le gonflement de l'inflammation sont les signes de cette réponse, tout comme la fièvre, qui rend le corps moins accueillant pour de nombreux germes.

La troisième couche, l'immunité adaptative, met des jours à démarrer mais vise avec une grande précision. Les cellules dendritiques apportent des fragments de l'envahisseur aux ganglions lymphatiques et les présentent aux lymphocytes. Les lymphocytes B produisent des anticorps, des protéines en forme de Y qui se fixent sur une cible précise et la marquent pour qu'elle soit détruite. Les lymphocytes T auxiliaires coordonnent la campagne, et les lymphocytes T cytotoxiques tuent directement les cellules infectées. Ensuite subsistent des cellules mémoire à longue durée de vie, prêtes à réagir bien plus vite si le même envahisseur revient.

C'est cette mémoire qu'exploite la vaccination. En 1796, le médecin anglais Edward Jenner inocula à un garçon de la matière prélevée sur une pustule de vaccine, la variole de la vache, et montra qu'elle le protégeait de la variole. En 1980, l'Organisation mondiale de la santé déclara la variole éradiquée, première maladie humaine ainsi vaincue. Le système peut aussi se dérégler. Dans les allergies, il attaque des substances inoffensives comme le pollen ; dans les maladies auto-immunes, comme le diabète de type 1, il s'en prend aux tissus du corps lui-même.

Le saviez-vous ? Les lymphocytes B doivent leur nom à la bourse de Fabricius, un organe des oiseaux où ils ont été identifiés pour la première fois, et non à la moelle osseuse, même si chez l'humain ils mûrissent bien dans la moelle.

Une armée sans quartier général, qui se souvient pourtant des batailles qu'elle a gagnées.

L'ADN et les gènes

Presque chaque cellule du corps porte un jeu complet d'instructions pour construire et faire fonctionner un être humain. Ces instructions sont écrites dans l'ADN, l'acide désoxyribonucléique, une longue molécule en forme d'échelle torsadée : la célèbre double hélice. Sa structure fut publiée en 1953 par James Watson et Francis Crick à Cambridge, qui s'appuyèrent largement sur des clichés aux rayons X réalisés dans le laboratoire de Rosalind Franklin au King's College de Londres, en particulier la fameuse Photo 51.

Les barreaux de l'échelle portent le code. Chaque barreau est une paire de bases chimiques, et il n'en existe que quatre : l'adénine, la thymine, la cytosine et la guanine, notées A, T, C et G. A s'associe toujours à T, et C à G. Comme chaque brin dicte son partenaire, la cellule peut ouvrir l'hélice comme une fermeture éclair et construire deux copies identiques : c'est ainsi que l'ADN est copié à chaque division cellulaire.

Le génome humain, un jeu complet d'ADN, compte environ 3,1 milliards de paires de bases. Déroulé, l'ADN d'une seule cellule mesurerait environ deux mètres ; pourtant, enroulé autour de protéines et compacté en 46 chromosomes, 23 hérités de chaque parent, il tient dans un noyau de quelques millièmes de millimètre. Le Projet génome humain a publié une séquence pratiquement complète en 2003, et les dernières lacunes, les plus tenaces, ont été comblées en 2022.

Un gène est un segment d'ADN qui renferme la recette d'un produit, le plus souvent une protéine. L'être humain possède environ 20 000 gènes codant des protéines, bien moins que ce que les biologistes attendaient, et ils ne représentent qu'environ 1 à 2 % du génome. Pour utiliser un gène, la cellule le recopie d'abord en une molécule messagère, l'ARN, qui se rend jusqu'à un ribosome. Là, le code est lu trois lettres à la fois ; chaque triplet, ou codon, désigne l'un des 20 acides aminés, qui s'enchaînent pour former une protéine. Presque tout le vivant utilise le même code, des bactéries aux baleines bleues.

Le reste du génome fut longtemps qualifié d'« ADN poubelle ». L'étiquette s'est révélée trop simple : une partie règle le moment où les gènes s'allument et s'éteignent, une autre produit des ARN utiles, même si une bonne part n'a peut-être aucune fonction connue. Deux personnes quelconques partagent environ 99,9 % de leur séquence d'ADN. Les différences restantes, avec l'environnement, contribuent à façonner la taille, la couleur des yeux et le risque de nombreuses maladies. Les modifications du code, les mutations, sont le plus souvent sans effet, parfois nocives et, sur des durées immenses, la matière première de l'évolution.

Le saviez-vous ? Imprimé en lettres, un seul exemplaire du génome humain remplirait environ mille livres de mille pages chacun.

Quatre lettres, trois milliards de fois, et voici une personne.

Les atomes

Tout solide, tout liquide et tout gaz, du grain de sable au Soleil, est fait d'atomes. Ils sont d'une petitesse presque absurde. Un atome typique mesure environ un dixième de milliardième de mètre, si bien que le point qui termine cette phrase fait à peu près un million d'atomes de large. Un corps humain en contient quelque sept milliards de milliards de milliards, et la plupart de ses atomes lourds ont été forgés dans des étoiles bien avant la naissance de la Terre.

L'idée est ancienne. Vers 400 av. J.-C., les penseurs grecs Leucippe et Démocrite soutenaient que la matière ne peut être coupée en deux indéfiniment et qu'elle doit se terminer par de minuscules grains indivisibles, qu'ils appelaient atomos, « insécable ». L'intuition resta philosophique jusqu'en 1808, quand le chimiste anglais John Dalton montra que les éléments se combinent selon des rapports fixes de nombres entiers, exactement comme si chaque élément était formé d'atomes identiques d'un poids caractéristique.

Puis l'atome fut coupé malgré tout. En 1897, J. J. Thomson découvrit l'électron, une particule près de deux mille fois plus légère que l'atome le plus léger. En 1909, Hans Geiger et Ernest Marsden, qui travaillaient pour Ernest Rutherford à Manchester, bombardèrent une feuille d'or plus fine qu'une page avec des particules alpha. La plupart la traversaient, mais une infime fraction, environ une sur huit mille, rebondissait nettement. Rutherford en conclut en 1911 que presque toute la masse de l'atome est concentrée dans un noyau minuscule, dense et chargé positivement. Le neutron, son partenaire sans charge, fut découvert par James Chadwick en 1932.

L'image qui en ressort est étrange. Le noyau, fait de protons et de neutrons, est environ 100 000 fois plus petit que l'atome lui-même. Si un atome avait la taille d'un stade de football, son noyau serait un petit pois posé au point central, et pourtant il contiendrait plus de 99,9 % de la masse. Les électrons ne tournent pas autour du noyau comme de petites planètes, quoi qu'en dise le célèbre logo. Ils occupent des orbitales floues, des nuages de probabilité qui indiquent où chaque électron a des chances de se trouver. Et protons et neutrons ne sont pas la fin de l'histoire : chacun est formé de trois particules plus petites, les quarks.

Le saviez-vous ? Les atomes sont surtout faits de vide, et pourtant une main ne s'enfonce jamais dans une table : les électrons des deux se repoussent, et c'est cette répulsion électrique que perçoit le sens du toucher.

Le nombre de protons, le numéro atomique, détermine l'élément : un pour l'hydrogène, six pour le carbone, soixante-dix-neuf pour l'or. Le nombre de neutrons peut varier, ce qui donne différents isotopes d'un même élément, tandis que les électrons extérieurs font toute la chimie. Quatre-vingt-dix et quelques sortes d'atomes, recombinées sans fin, composent chaque roche, chaque rivière et chaque être vivant.

Le tableau périodique

En 1869, le chimiste russe Dmitri Mendeleïev nota les 63 éléments alors connus, avec leurs masses atomiques et leurs propriétés, et les réarrangea jusqu'à voir apparaître un motif. Des éléments semblables revenaient à intervalles réguliers, comme des notes qui se répètent d'une octave à l'autre. Le résultat fut le tableau périodique, la page la plus utile de la chimie et sans doute le graphique le plus reconnaissable de toute la science.

L'audace de Mendeleïev tenait aux cases vides. Là où aucun élément connu ne convenait, il laissait un espace et prédisait ce qui viendrait le remplir. Il décrivit en détail un « éka-aluminium », jusqu'à sa densité ; le gallium, découvert en France en 1875, lui correspondait de près. Le scandium suivit en 1879 et le germanium en 1886. Un tableau capable d'annoncer des substances que personne n'avait encore vues n'était pas un simple classement. C'était une théorie, et elle avait réussi son examen.

Le tableau moderne classe les éléments par numéro atomique, le nombre de protons du noyau, principe établi en 1913 par le jeune physicien britannique Henry Moseley grâce aux rayons X. Ses sept lignes sont les périodes ; ses dix-huit colonnes, les groupes. Les éléments d'un même groupe ont des électrons extérieurs disposés de façon semblable et se comportent donc de façon voisine. Le groupe 1, celui des métaux alcalins, est si réactif que le sodium file en crépitant sur l'eau et que le césium y explose. Le groupe 18, celui des gaz nobles, ne réagit presque pas : voilà pourquoi l'hélium est sans danger dans un ballon et pourquoi l'argon protège le métal chaud lors des soudures.

Le tableau se divise aussi en quatre blocs, nommés s, p, d et f d'après le type d'orbitale en cours de remplissage. Le bloc f, celui des lanthanides et des actinides, est en général imprimé à part, en dessous, uniquement pour que le tableau tienne sur une page ; placé où il devrait être, le tableau compterait 32 colonnes. Les métaux occupent la gauche et le centre, les non-métaux le coin supérieur droit, et un escalier de métalloïdes comme le silicium et le germanium les sépare.

Aujourd'hui, le tableau compte 118 éléments confirmés. Environ quatre-vingt-dix existent à l'état naturel sur Terre ; les autres ont été fabriqués dans des réacteurs et des accélérateurs de particules, souvent quelques atomes à la fois, certains ne vivant qu'une fraction de seconde. Les quatre noms les plus récents, nihonium, moscovium, tennesse et oganesson, ont été approuvés en 2016, complétant la septième ligne.

Le saviez-vous ? Le gallium, l'élément prédit par Mendeleïev, fond vers 30 °C : un morceau fond dans une main chaude, et une cuillère coulée dans ce métal s'affaisse dans une tasse de thé brûlant.

Toute substance jamais manipulée, du sel à l'acier, est assemblée à partir de cette unique feuille de cases.

Les états de la matière

La glace, l'eau et la vapeur sont une même substance, H₂O, dans trois états de la matière différents. Ce qui les distingue, ce ne sont pas les molécules elles-mêmes, mais la vitesse à laquelle elles bougent et la force avec laquelle elles se tiennent. La chaleur n'est au fond que l'agitation des particules, et en ajouter ou en retirer change le caractère de la foule.

Dans un solide, les particules sont bloquées, vibrant autour de positions fixes comme des spectateurs à des places numérotées. Beaucoup de solides, comme le sel, les métaux et la glace, forment des réseaux cristallins ordonnés ; d'autres, comme le verre, sont figés en un fouillis désordonné. Contrairement à une légende tenace, les vitraux anciens ne sont pas plus épais en bas parce que le verre aurait coulé au fil des siècles. À température ambiante, le verre est pratiquement rigide, et l'irrégularité des vitres vient de leur fabrication.

Chauffé jusqu'à son point de fusion, un solide voit ses particules gagner assez d'énergie pour glisser les unes sur les autres. Un liquide garde son volume mais prend la forme de son récipient. Chauffé encore, jusqu'à son point d'ébullition, il laisse ses particules s'échapper complètement sous forme de gaz, qui volent librement et occupent tout l'espace disponible. La vapeur à 100 °C occupe environ 1 700 fois le volume de l'eau dont elle provient, ce qui lui permit d'animer les machines de la révolution industrielle.

Ces changements absorbent ou libèrent de l'énergie sans changer la température : c'est la chaleur latente. Une casserole d'eau bouillante reste à 100 °C quelle que soit la puissance du feu, car l'énergie supplémentaire sert à écarter les molécules. La pression compte aussi. Au sommet de l'Everest, où l'air est raréfié, l'eau bout à seulement 70 °C environ, trop peu pour un thé digne de ce nom. Certaines substances sautent une étape : le dioxyde de carbone solide, la « glace carbonique », se change directement en gaz à −78,5 °C. C'est la sublimation.

Chauffez un gaz à plusieurs milliers de degrés et les électrons sont arrachés à leurs atomes : on obtient un plasma, une soupe lumineuse de particules chargées. Rare sur Terre, présent dans la foudre, les enseignes au néon et les aurores, il est pourtant l'état le plus courant de la matière visible dans l'univers, car les étoiles en sont faites. À l'autre extrême, en 1995, des physiciens refroidirent un nuage d'atomes de rubidium à un cheveu du zéro absolu et créèrent un condensat de Bose-Einstein, où des milliers d'atomes se comportent comme un seul objet quantique.

Le saviez-vous ? L'eau a la particularité de se dilater en gelant. La glace est environ 9 % moins dense que l'eau liquide : elle flotte, et les lacs gèlent par le dessus, abritant les poissons en dessous.

Les mêmes molécules, avec plus ou moins d'énergie, deviennent glacier, rivière ou nuage.

Les réactions chimiques

Une réaction chimique est un réarrangement. Les liaisons entre atomes se rompent, les atomes se regroupent et de nouvelles liaisons se forment, donnant des substances aux propriétés entièrement différentes. Le sodium, un métal mou qui s'enflamme au contact de l'eau, et le chlore, un gaz vert toxique, s'unissent pour donner le sel de table. Aucun atome n'est créé ni détruit en chemin. Ils sont simplement redistribués, comme des lettres formant de nouveaux mots.

Ce principe, la conservation de la masse, fut établi par le chimiste français Antoine Lavoisier, qui pesait tout avant et après les réactions dans des récipients clos et exposa ses conclusions en 1789. Il montra que la combustion est une combinaison avec l'oxygène, et non le départ d'une mystérieuse substance appelée phlogistique, et il contribua à créer la nomenclature chimique encore utilisée aujourd'hui.

La combustion du gaz naturel est un cas d'école. Une molécule de méthane, CH₄, rencontre deux molécules d'oxygène, O₂. Leurs liaisons se rompent et les atomes se réassemblent en une molécule de dioxyde de carbone et deux d'eau. Comptez les atomes de chaque côté : ils correspondent exactement, un carbone, quatre hydrogènes, quatre oxygènes. Ce qui change, c'est l'énergie. Les nouvelles liaisons sont plus stables que les anciennes, et le surplus s'échappe sous forme de chaleur et de lumière. Les réactions qui dégagent de l'énergie sont exothermiques ; celles qui en absorbent, comme la photosynthèse qui stocke la lumière dans le sucre, sont endothermiques.

Même une réaction qui libère de l'énergie a souvent besoin d'un coup de pouce pour démarrer. Une plaque au gaz ne s'allume pas sans étincelle, car les liaisons existantes doivent d'abord être tendues jusqu'au point de rupture. Cet obstacle est l'énergie d'activation. La température aide : des molécules plus chaudes se heurtent plus fort et plus souvent, ce qui explique que les aliments se conservent mieux au réfrigérateur. Un catalyseur abaisse l'obstacle en offrant un chemin plus facile, et ressort intact. Le pot catalytique d'une voiture utilise des métaux du groupe du platine pour épurer les gaz d'échappement, et le corps humain fonctionne grâce à des milliers de catalyseurs naturels, les enzymes, dont certaines accélèrent les réactions d'un facteur de plusieurs millions.

Certaines réactions ont changé l'histoire. Le procédé Haber-Bosch, mis au point en Allemagne entre 1909 et 1913, combine l'azote de l'air avec l'hydrogène pour fabriquer l'ammoniac des engrais. On estime que la nourriture produite grâce à lui fait vivre environ la moitié de la population mondiale. La rouille, la digestion, la cuisson et le jaunissement des vieux papiers sont aussi des réactions, qui se déroulent simplement à des vitesses très différentes.

Le saviez-vous ? Antoine Lavoisier, souvent appelé le père de la chimie moderne, fut guillotiné en 1794 pendant la Révolution française, condamné non pour sa science mais pour sa carrière de fermier général, collecteur d'impôts.

La chimie ne crée jamais de matière nouvelle ; elle apprend seulement aux vieux atomes de nouvelles alliances.

Les forces et le mouvement

Pendant environ deux mille ans, les Européens instruits ont suivi Aristote : un objet en mouvement aurait besoin d'une poussée constante pour avancer, et s'arrêterait naturellement quand la poussée cesse. La vie quotidienne semble lui donner raison : la charrette s'arrête quand le cheval s'arrête. Le défaut était invisible. Le frottement et la résistance de l'air sont aussi des forces, qui ralentissent tout en silence.

Galilée perça le mystère au début du XVIIe siècle en faisant rouler des billes de bronze sur des plans inclinés et en imaginant un sol parfaitement lisse et infini sur lequel une bille roulerait pour toujours. Isaac Newton fit de cette intuition un système. En 1687, il publia les Principia Mathematica, au cœur desquels se trouvent trois lois du mouvement qui guident encore la conception des ponts, des voitures et des engins spatiaux.

La première loi dit qu'un objet reste immobile, ou continue en ligne droite à vitesse constante, tant qu'aucune force n'agit sur lui. Cette obstination s'appelle l'inertie. Elle explique pourquoi les passagers sont projetés vers l'avant quand un bus freine brutalement : leur corps continue simplement sa course. La ceinture de sécurité fournit la force qui les arrête sans danger. Dans l'espace lointain, presque rien ne la freinant, la sonde Voyager 1, lancée en 1977, file depuis des décennies sans avoir besoin de ses moteurs pour avancer.

La deuxième loi relie force, masse et accélération : la force est égale à la masse multipliée par l'accélération, soit F = ma. Poussez un chariot de supermarché vide et il bondit ; poussez aussi fort un chariot plein et il bouge à peine. L'unité de force s'appelle le newton en son honneur. Un newton correspond à peu près au poids d'une petite pomme, jolie coïncidence au vu de la célèbre anecdote.

La troisième loi affirme que les forces vont toujours par paires : à toute action correspond une réaction égale et opposée. Quand un nageur pousse sur le bord du bassin, le bord le repousse et le fait glisser au loin. Une fusée n'a pas besoin d'air pour prendre appui. Elle projette des gaz chauds vers l'arrière, et ces gaz la poussent vers l'avant : c'est pourquoi les fusées fonctionnent parfaitement dans le vide spatial. Même rester debout fait intervenir la troisième loi : le sol pousse sur les pieds exactement aussi fort que le corps appuie sur lui.

Le saviez-vous ? Les lois de Newton étaient assez précises pour guider les astronautes d'Apollo jusqu'à la Lune et retour en 1969. À ces vitesses, les corrections de la relativité d'Einstein étaient bien trop faibles pour compter.

Chaque voyage, du simple pas à l'alunissage, n'est que trois règles courtes appliquées encore et encore.

La gravité

La gravité est de loin la plus faible des quatre forces fondamentales de la nature, et pourtant c'est elle qui bâtit l'univers. Un petit aimant de réfrigérateur retient une feuille de papier contre l'attraction d'une planète entière. Mais la gravité a deux grands atouts : elle agit à toute distance, et elle ne fait qu'attirer. Accumulez assez de masse et elle l'emporte toujours, rassemblant le gaz en étoiles, les étoiles en galaxies et les galaxies en immenses amas.

Isaac Newton la décrivit en 1687 avec sa loi de la gravitation universelle : toute masse attire toute autre masse, avec une force qui croît avec les masses et diminue comme le carré de la distance qui les sépare. Doublez la distance et l'attraction tombe au quart. Une pomme qui tombe l'a bien fait réfléchir, selon son propre récit à la fin de sa vie, mais rien n'indique qu'elle lui soit tombée sur la tête. Son vrai coup de génie fut de comprendre que la force qui attire la pomme retient aussi la Lune sur son orbite. La Lune tombe sans cesse vers la Terre ; elle file simplement assez vite de côté pour toujours la manquer.

L'intensité de la gravité, la constante G, est si faible qu'elle ne fut mesurée qu'en 1798, quand Henry Cavendish utilisa une délicate balance de torsion et de lourdes sphères de plomb dans une dépendance de sa maison londonienne. Son expérience revenait à peser la Terre : environ six millions de milliards de milliards de kilogrammes.

On croit souvent que les astronautes flottent parce qu'il n'y a pas de gravité dans l'espace. À bord de la Station spatiale internationale, à environ 400 kilomètres d'altitude, la gravité atteint encore quelque 90 % de sa valeur au sol. Les astronautes sont en apesanteur parce qu'eux et leur station tombent ensemble autour de la planète, sans fin, exactement comme la Lune de Newton.

En 1915, Albert Einstein proposa une vision plus profonde. Dans sa relativité générale, la masse et l'énergie courbent le tissu de l'espace-temps, et les objets suivent les trajectoires les plus droites possibles dans cette géométrie courbée. La théorie expliqua une lente dérive de l'orbite de Mercure qui intriguait les astronomes, et prédit que la lumière des étoiles serait déviée en passant près du Soleil, ce que confirma l'éclipse totale de 1919. Elle impliquait aussi les trous noirs et des rides de l'espace-temps, les ondes gravitationnelles.

Le saviez-vous ? Les ondes gravitationnelles ont été détectées pour la première fois le 14 septembre 2015, émises par deux trous noirs qui ont fusionné il y a plus d'un milliard d'années. Leur passage a modifié la longueur des bras de quatre kilomètres de LIGO de quelques millièmes de la largeur d'un proton.

La gravité soulève aussi les marées et retient l'atmosphère autour de la Terre. C'est la plus faible des forces, et celle à laquelle rien n'échappe.

L'énergie

L'énergie est la capacité de faire arriver les choses : mettre en mouvement, chauffer, éclairer ou transformer. Elle prend bien des formes, du mouvement d'un cycliste, l'énergie cinétique, à la hauteur d'un marteau levé, l'énergie potentielle, en passant par les liaisons chimiques d'une tartine et les noyaux au cœur des atomes. Sa propriété essentielle est une simple règle de comptabilité : le total ne change jamais.

C'est la loi de conservation de l'énergie, ou premier principe de la thermodynamique. L'énergie ne peut être ni créée ni détruite, seulement déplacée ou transformée. Le brasseur et physicien anglais James Prescott Joule le démontra dans les années 1840 avec un poids qui, en tombant, faisait tourner des palettes dans une cuve d'eau, la réchauffant d'une fraction de degré soigneusement mesurée. Le travail mécanique était devenu chaleur, à un taux de change fixe. L'unité d'énergie, le joule, lui rend hommage : c'est à peu près l'énergie nécessaire pour soulever une pomme d'un mètre.

Suivez l'énergie au fil d'une journée et la chaîne est longue. La fusion nucléaire au cœur du Soleil transforme de la masse en énergie, environ quatre millions de tonnes par seconde, comme le décrit le E = mc² d'Einstein. La lumière atteint un champ de blé, où la photosynthèse la stocke dans des liaisons chimiques. Une tranche de pain la livre aux muscles, qui la changent en mouvement, et chaque étape en laisse fuir une part sous forme de chaleur. Les étiquettes alimentaires la comptent en kilocalories ; une kilocalorie vaut 4 184 joules.

Pourquoi, si l'énergie ne se perd jamais, les piles s'épuisent-elles et les moteurs réclament-ils du carburant ? Parce que chaque transformation laisse l'énergie plus dispersée et moins utilisable, le plus souvent sous forme de tiédeur. C'est le deuxième principe de la thermodynamique : dans un système isolé, le désordre, ou entropie, tend à augmenter. Voilà pourquoi aucune machine à mouvement perpétuel n'a jamais fonctionné, et pourquoi une tasse qui tombe se brise mais ne se recolle jamais d'elle-même.

La densité de l'énergie compte énormément. L'essence stocke environ 46 mégajoules par kilogramme, dix fois plus que le TNT. Une bonne batterie lithium-ion n'en contient qu'environ un mégajoule par kilogramme, d'où les lourdes batteries des voitures électriques. Le combustible nucléaire joue dans une autre catégorie : la fission d'un kilogramme d'uranium 235 libère des millions de fois plus d'énergie que la combustion d'un kilogramme de charbon.

Le saviez-vous ? À poids égal, une tablette de chocolat contient environ cinq fois plus d'énergie que le TNT. L'explosif n'est pas dangereux parce qu'il en stocke davantage, mais parce qu'il libère tout en quelques millionièmes de seconde.

En 1918, la mathématicienne Emmy Noether démontra que la conservation de l'énergie découle d'une vérité plus profonde : les lois de la physique ne changent pas avec le temps. L'univers tient des comptes honnêtes parce que ses règles ne varient jamais.

Électricité et magnétisme

Pendant la plus grande partie de l'histoire, l'électricité et le magnétisme ont semblé deux curiosités sans rapport. L'ambre frotté attirait les plumes ; la magnétite attirait le fer. En 1600, le médecin anglais William Gilbert publia De Magnete, où il soutenait que la Terre elle-même se comporte comme un aimant géant, ce qui explique que l'aiguille des boussoles indique le nord. Pourtant, personne ne soupçonnait un lien entre l'étincelle et la boussole.

L'électricité est le comportement de la charge électrique. Les électrons portent une charge négative, les protons une charge positive ; les charges de même signe se repoussent, les charges opposées s'attirent. Un déplacement de charges est un courant électrique, mesuré en ampères, poussé par une tension, mesurée en volts. En 1800, le physicien italien Alessandro Volta construisit la première pile, un empilement de disques de zinc et de cuivre séparés par du tissu imbibé de saumure, offrant pour la première fois aux savants un courant régulier.

En 1820, le physicien danois Hans Christian Ørsted remarqua qu'un fil parcouru par un courant faisait dévier une aiguille de boussole voisine. Les charges en mouvement créent un champ magnétique. En 1831, Michael Faraday montra l'inverse : déplacer un aimant près d'une bobine de fil fait circuler un courant. C'est l'induction électromagnétique, et elle alimente le monde moderne. Presque toutes les centrales, qu'elles brûlent du gaz, fissionnent des atomes ou soient mues par le vent ou l'eau, font tourner des bobines devant des aimants pour produire de l'électricité. Les moteurs électriques font l'inverse, changeant le courant en mouvement.

Le physicien écossais James Clerk Maxwell réunit tout cela en quelques équations, publiées dans les années 1860. Elles montrent qu'un champ électrique variable crée un champ magnétique et inversement, si bien que les deux peuvent s'entretenir sous forme d'onde voyageuse. Maxwell calcula la vitesse de cette onde et trouva qu'elle égalait la vitesse mesurée de la lumière. La lumière, conclut-il, est une onde électromagnétique. Heinrich Hertz produisit des ondes radio dans son laboratoire en 1887, lui donnant raison et ouvrant la voie à la radio, à la télévision et aux réseaux sans fil.

Les effets électriques et magnétiques sont deux aspects d'une seule force électromagnétique, qui tient aussi les atomes ensemble et gouverne toute la chimie. Le champ magnétique terrestre naît du fer en fusion qui tourbillonne dans le noyau externe, et il protège la planète d'une grande partie du vent solaire. Ce champ a inversé ses pôles nord et sud de nombreuses fois ; la dernière inversion complète remonte à environ 780 000 ans.

Le saviez-vous ? Dans un fil domestique, les électrons ne dérivent qu'à une fraction de millimètre par seconde. La lampe s'allume pourtant instantanément, car le signal électrique, lui, parcourt le fil à une bonne fraction de la vitesse de la lumière.

Chaque ampoule allumée, chaque appel téléphonique et chaque boussole de navire reposent sur une seule force aux deux visages.

La lumière et le son

Presque tout ce que nous savons du monde nous parvient sous la forme de deux sortes d'ondes. La lumière est une onde électromagnétique, une ondulation de champs électriques et magnétiques qui n'a besoin d'aucun milieu et traverse le vide à 299 792 kilomètres par seconde. Le son est une onde mécanique, une succession de compressions et de détentes qui se propage dans l'air, l'eau ou la roche. Sans matière pour le porter, il n'y a pas de son du tout : les vraies explosions dans l'espace sont silencieuses, quoi qu'en disent les films.

La lumière visible n'est qu'une étroite tranche du spectre électromagnétique, avec des longueurs d'onde d'environ 380 nanomètres pour le violet à environ 700 pour le rouge. Au-delà du rouge s'étendent l'infrarouge, les micro-ondes et les ondes radio, dont certaines sont plus longues qu'un terrain de football ; au-delà du violet viennent l'ultraviolet, les rayons X et les rayons gamma, bien plus courts que la largeur d'un atome. Dans les années 1660, Isaac Newton fit passer la lumière du Soleil à travers un prisme et montra que la lumière blanche est un mélange de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel. Vers 1801, Thomas Young fit passer la lumière par deux fentes étroites et observa des bandes claires et sombres, preuve solide que la lumière se comporte comme une onde.

La lumière est assez rapide pour faire environ sept fois et demie le tour de la Terre en une seconde, et pourtant celle du Soleil met environ huit minutes et vingt secondes à nous parvenir. En passant de l'air à l'eau ou au verre, elle ralentit et change de direction : cette réfraction rend possibles les lentilles, les lunettes et les arcs-en-ciel.

Le son est près d'un million de fois plus lent. Dans l'air à 20 °C, il parcourt environ 343 mètres par seconde ; dans l'eau, environ 1 480 ; dans l'acier, quelque 5 900. Cet écart explique la règle bien connue des orages : comptez les secondes entre l'éclair et le tonnerre, et chaque tranche de trois secondes correspond à environ un kilomètre. La hauteur d'un son dépend de sa fréquence. Une oreille humaine jeune perçoit d'environ 20 à 20 000 vibrations par seconde, ou hertz, une plage qui se réduit avec l'âge. Chauves-souris et dauphins utilisent des ultrasons plus aigus pour se repérer par écho, et les médecins s'en servent pour observer les bébés à naître.

L'intensité sonore se mesure en décibels, une échelle logarithmique sur laquelle chaque hausse de dix multiplie par dix l'intensité. Une bibliothèque calme tourne autour de 40 décibels, un marteau-piqueur autour de 100, et une exposition prolongée au-delà d'environ 85 peut abîmer l'audition.

Le saviez-vous ? La lumière qui quitte la surface du Soleil ne met que quelques minutes à arriver, mais l'énergie qu'elle transporte a été libérée dans le cœur des milliers d'années plus tôt, et a passé l'essentiel de ce temps à se frayer lentement un chemin vers l'extérieur.

La lumière et le son sont les messagers des sens : l'une traverse le cosmos en silence, l'autre a besoin de l'air pour parler.

Relativité et quantique

Vers 1900, la physique semblait presque achevée. La mécanique de Newton décrivait le mouvement, les équations de Maxwell décrivaient la lumière, et il ne restait que quelques détails à régler. En moins de trente ans, ces détails se sont mués en deux révolutions, la relativité et la mécanique quantique, qui régissent le très rapide et le très petit et restent les deux fondations de la physique moderne.

En 1905, Albert Einstein, alors employé de 26 ans à l'office des brevets de Berne, publia sa relativité restreinte. Elle repose sur deux idées : les lois de la physique sont les mêmes pour tous ceux qui se déplacent à vitesse constante, et la vitesse de la lumière est la même pour tous les observateurs, quelle que soit leur vitesse. Les conséquences sont saisissantes. Les horloges en mouvement ralentissent, les objets en mouvement raccourcissent dans le sens de leur déplacement, et rien de ce qui a une masse ne peut atteindre la vitesse de la lumière. Masse et énergie se révèlent interchangeables, selon E = mc². Ces effets sont bien réels : des particules appelées muons, créées par les rayons cosmiques haut dans l'atmosphère, ne vivent assez longtemps pour atteindre le sol que parce que leurs horloges sont ralenties. La relativité générale de 1915 intégra la gravité, et avec elle la découverte que les horloges battent un peu plus vite en altitude qu'à la surface de la Terre.

La théorie quantique naquit en 1900, quand Max Planck s'aperçut qu'il ne pouvait expliquer le rayonnement des corps chauds qu'en supposant que l'énergie vient par petits paquets, les quanta. En 1905, Einstein proposa que la lumière elle-même soit faite de tels paquets, plus tard appelés photons, travail qui lui valut le prix Nobel. À la fin des années 1920, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Niels Bohr et d'autres avaient bâti la mécanique quantique, où les particules se comportent comme des ondes, peuvent exister dans une superposition d'états et ont des propriétés réellement indéterminées jusqu'à la mesure. Le principe d'incertitude de Heisenberg, en 1927, affirme qu'on ne peut jamais connaître exactement à la fois la position et la quantité de mouvement d'une particule.

Aussi étrange soit-elle, la mécanique quantique est l'une des théories les plus précisément vérifiées de la science, et elle est partout. Les transistors de chaque puce, les lasers, les LED et les appareils d'IRM en dépendent. Le soleil aussi : les protons de son cœur ont rarement assez d'énergie pour fusionner, et n'y parviennent que par effet tunnel, en franchissant la barrière qui devrait les tenir à distance.

Le saviez-vous ? La navigation par satellite a besoin des deux théories d'Einstein. Les horloges des satellites GPS avancent d'environ 38 millionièmes de seconde par jour par rapport à celles du sol, et sans correction l'erreur de position grandirait d'une dizaine de kilomètres par jour.

Le grand chantier inachevé est de les unir. La relativité générale décrit le grand et le lisse, la théorie quantique le petit et le granuleux, et au cœur des trous noirs ou au Big Bang les deux se contredisent. Une théorie de la gravité quantique reste le prix le plus convoité de la physique, un siècle après le début des deux révolutions.

Les machines simples

Bien avant les moteurs, on déplaçait l'indéplaçable grâce à une géométrie astucieuse. Les Grecs de l'Antiquité connaissaient déjà quelques dispositifs capables de modifier l'intensité ou la direction d'une force, et les savants de la Renaissance en ont fixé la liste à six machines simples : le levier, la roue et l'axe, la poulie, le plan incliné, le coin et la vis. Presque tous les mécanismes, de l'ouvre-boîte à la grue, en sont des combinaisons.

Le secret tient en un échange. Une machine simple ne crée jamais d'énergie : elle troque de la force contre de la distance. Abaissez de 50 centimètres le long manche d'un pied-de-biche, et sa courte pointe ne monte que de 5, mais avec une force environ dix fois plus grande. Les ingénieurs appellent ce rapport l'avantage mécanique. Le travail, force multipliée par distance, reste le même aux deux bouts, moins ce que dérobe le frottement.

Le levier en est l'exemple le plus pur : une barre rigide et un pivot, le point d'appui. Les physiciens distinguent trois genres selon ce qui se trouve au milieu. La balançoire à bascule ou la pince placent l'appui entre l'effort et la charge. La brouette met la charge au milieu, si bien qu'un jardinier soulève une lourde cargaison. La pince à épiler ou la canne à pêche placent l'effort au milieu, sacrifiant la force au profit de la vitesse et de la portée. Archimède, qui énonça la loi du levier au IIIe siècle av. J.-C., se serait vanté de pouvoir soulever la Terre avec un levier assez long et un point d'appui.

Le saviez-vous ? Votre avant-bras est un levier du troisième genre. Le biceps s'attache à quelques centimètres seulement du coude : il doit donc tirer avec plusieurs fois le poids de ce que tient la main.

Les autres machines sont des leviers et des rampes déguisés. La roue et l'axe forment un levier qui tourne sans fin : un grand volant permet à de petites mains de faire pivoter un arbre récalcitrant. La poulie change la direction de la traction, et un palan de plusieurs poulies répartit la charge sur plusieurs brins de corde. Le plan incliné fait monter une charge peu à peu, et c'est ainsi qu'on hissait la pierre des monuments antiques. Le coin est formé de deux rampes dos à dos ; chaque hache, chaque couteau en est un. La vis est une rampe enroulée autour d'un cylindre, qui change une torsion en poussée puissante.

On attribue à Archimède une vis qui élève l'eau, et ses descendantes drainent encore des champs et déplacent du grain. Les machines simples sont l'alphabet de l'ingénierie, et elles ne sont jamais passées de mode.

La roue

La roue paraît si évidente que son arrivée tardive surprend. L'humanité cultivait la terre, tissait, naviguait et fondait le cuivre depuis des millénaires avant que quiconque pose une charge sur des disques roulants. Les premières roues apparaissent vers 3500 av. J.-C., et elles ne servaient pas à voyager : en Mésopotamie, les potiers façonnaient l'argile sur un lourd plateau tournant, le tour de potier.

La difficulté n'a jamais été le cercle, mais l'axe. Une roue ne fonctionne que si un axe lisse et bien rond s'ajuste dans un trou rond, assez serré pour rester droit, assez libre pour tourner. Il fallait une taille précise et, idéalement, des outils de métal. Le gain fut immense, car le frottement de roulement est bien plus faible que le frottement de glissement. Un traîneau chargé racle le sol de tout son dessous ; une roue ne touche la route que sur une étroite bande, dont elle se décolle en tournant.

Les véhicules à roues se répandent à une vitesse remarquable entre 3500 et 3000 av. J.-C. environ, et les archéologues débattent encore de leur berceau : on en trouve des traces précoces en Mésopotamie, dans les steppes au nord de la mer Noire et en Europe centrale. Les premières roues étaient des disques pleins faits de planches chevillées, lourds et lents, tirés par des bœufs. Vers 2000 av. J.-C., les charrons des steppes à l'est de l'Oural inventent la roue à rayons : plus légère, plus souple et assez rapide pour transformer la guerre à travers l'Eurasie.

Le saviez-vous ? La plus ancienne roue en bois connue, retrouvée dans les marais de Ljubljana, en Slovénie, a environ 5 150 ans, et son axe a été conservé avec elle.

La roue n'avait rien d'inévitable. Dans les Amériques, des artisans mésoaméricains fabriquaient de petites figurines à roulettes, mais la roue n'y servit jamais au transport. Sans chevaux ni bœufs pour tirer des chariots, sur des terrains escarpés ou boisés, rouleaux, pirogues et porteurs étaient plus utiles. L'invention dépend des circonstances autant que de l'ingéniosité.

Les siècles suivants ont perfectionné l'idée. Des bandages de fer posés à chaud sur les jantes de bois ont rendu les roues durables. Les roulements à billes, esquissés par Léonard de Vinci et mis au point au XIXe siècle, laissent tourner les axes presque librement. En 1888, John Boyd Dunlop, vétérinaire à Belfast, équipe le tricycle de son fils de pneus en caoutchouc gonflés d'air : le pneumatique gagne bientôt les vélos puis les voitures. Entre-temps, la roue est devenue engrenage, roue à aubes, turbine, rouage d'horloge et disque dur.

Aujourd'hui, le monde roule sur bien plus d'un milliard de voitures, toutes fidèles à cette vieille alliance du moyeu et de l'axe. Le cercle était facile. C'est le trou au milieu qui a changé l'histoire.

L'imprimerie

Avant l'imprimerie, chaque livre européen était copié à la main. Un scribe pouvait passer de longs mois sur une seule Bible : les livres étaient rares, chers, et le plus souvent enfermés dans les monastères, les universités et les bibliothèques des riches. Vers 1440, à Mayence, en Allemagne, un orfèvre nommé Johannes Gutenberg se mit au travail sur un système qui allait tout changer en une génération.

Gutenberg n'a pas inventé l'impression. Les imprimeurs chinois gravaient des pages entières sur des blocs de bois il y a plus de mille ans, et vers 1040 un artisan nommé Bi Sheng créa des caractères mobiles en argile cuite. Au XIIIe siècle, les Coréens fondaient déjà des caractères en métal. Mais l'écriture chinoise compte des milliers de signes, ce qui rendait les caractères mobiles laborieux. L'alphabet latin, avec deux douzaines de lettres et quelques signes de ponctuation, s'y prêtait idéalement.

Le saviez-vous ? Le plus ancien livre conservé imprimé en caractères métalliques mobiles est le texte bouddhique coréen Jikji, imprimé en 1377, soit environ 78 ans avant la Bible de Gutenberg.

Le génie de Gutenberg fut d'assembler plusieurs éléments en un système cohérent. Un moule à main permettait de fondre rapidement des lettres identiques dans un alliage de plomb, d'étain et d'antimoine, qui fondait facilement et durcissait bien. Une encre grasse, plus proche du vernis que des encres aqueuses des copistes, adhérait au métal. Et une presse à vis, inspirée des pressoirs à raisin et à olives, appliquait le papier uniformément sur les caractères encrés. Le compositeur alignait les lettres, serrait les lignes dans un cadre, encrait, pressait, recommençait ; ensuite, on redistribuait les caractères pour les réutiliser.

Son chef-d'œuvre, la Bible de Gutenberg, fut achevé vers 1455. Environ 180 exemplaires furent tirés et près de 49 subsistent, certains sur vélin, d'autres sur papier. La technique se propagea ensuite comme une traînée de poudre : en 1500, plus de 200 villes européennes avaient leurs presses, qui avaient déjà produit des millions de livres.

Les conséquences furent immenses. Les textes devinrent uniformes : les savants de toute l'Europe pouvaient citer la même page de la même édition. Quand Martin Luther défia l'Église en 1517, ses arguments imprimés parcoururent l'Allemagne en quelques semaines, nourrissant la Réforme. Cartes, schémas et tables imprimés accompagnèrent la révolution scientifique, et des livres moins chers donnèrent aux gens ordinaires une raison d'apprendre à lire. Journaux, pamphlets et, plus tard, romans suivirent.

Beaucoup d'historiens placent l'imprimerie aux côtés de l'écriture parmi les grands tournants de la communication humaine. Elle rendit les idées faciles à copier et difficiles à détruire. Dès que le savoir put se multiplier, il ne put plus être contenu.

La machine à vapeur

La vapeur est plus ancienne qu'on ne le croit. Au Ier siècle, Héron d'Alexandrie décrivit l'éolipyle, une sphère creuse qui tournait sous la poussée de jets de vapeur s'échappant de tuyères coudées. C'était une curiosité, pas une machine. La vraie puissance de la vapeur attendit un problème pressant : en Grande-Bretagne, l'eau qui noyait les mines de charbon et d'étain.

En 1712, le quincaillier Thomas Newcomen installa près de Dudley, dans les Midlands anglais, une machine destinée à pomper l'eau d'une mine. Sa vapeur était à peine au-dessus de la pression ordinaire. Elle remplissait un grand cylindre sous un piston ; un jet d'eau froide la condensait, créant un vide partiel, et le poids de l'atmosphère enfonçait le piston. Un grand balancier de bois oscillait comme une bascule et actionnait une pompe au fond du puits. C'était lent et terriblement gourmand en charbon, mais cela marchait, et on en construisit des centaines.

La percée vint d'un fabricant d'instruments de Glasgow qui réparait une maquette de machine de Newcomen en 1765. James Watt comprit que chauffer puis refroidir le même cylindre à chaque coup gaspillait l'essentiel du combustible. Sa solution : un condenseur séparé, une seconde chambre toujours froide où l'on aspirait la vapeur, si bien que le cylindre restait chaud. Les machines de Watt consommaient environ quatre fois moins de charbon. Avec son associé Matthew Boulton, il ajouta ensuite le mouvement rotatif, le double effet et un régulateur à boules qui contrôlait la vitesse automatiquement.

Le saviez-vous ? Watt popularisa le terme de cheval-vapeur pour vendre ses machines en les comparant aux chevaux qu'elles remplaçaient, et l'unité de puissance, le watt, porte son nom.

Le mouvement rotatif libéra la vapeur des mines. Les machines faisaient désormais tourner les métiers des filatures de coton, et les usines n'avaient plus besoin de s'installer au bord des rivières rapides. Richard Trevithick construisit des machines à haute pression assez compactes pour se déplacer seules : en 1804, sa locomotive tira du fer sur une voie au pays de Galles. La Rocket de George et Robert Stephenson remporta les essais de Rainhill en 1829, et les chemins de fer couvrirent bientôt la Grande-Bretagne, puis le monde. Les navires à vapeur traversèrent les océans quel que soit le vent.

Ensemble, ces machines alimentèrent la révolution industrielle : les villes enflèrent, les marchandises devinrent bon marché et la fumée de charbon assombrit le ciel. Brûler autant de charbon amorça aussi la longue hausse du dioxyde de carbone atmosphérique à l'origine du changement climatique actuel.

La vapeur n'a pas disparu. La turbine de Charles Parsons, en 1884, remplaça les pistons par des aubes tournantes, et des turbines à vapeur produisent encore une large part de l'électricité mondiale dans les centrales au charbon, au gaz et nucléaires. Le souffle de la bouilloire fait toujours tourner le monde.

L'énergie électrique

Pendant la plus grande partie de l'histoire, l'électricité fut un tour de salon : une étincelle tirée de l'ambre frotté, une secousse de bouteille de Leyde. En faire un approvisionnement fiable exigea une chaîne de découvertes. En 1800, Alessandro Volta empila des disques de zinc et de cuivre séparés par du carton imbibé de saumure : la première pile offrait aux savants un courant régulier.

La clé de la production à grande échelle arriva en 1831, lorsque Michael Faraday découvrit qu'un aimant déplacé près d'une bobine de fil y fait circuler un courant. C'est l'induction électromagnétique, et presque toute l'électricité est encore produite ainsi. Faites tourner un aimant dans des bobines, ou des bobines autour d'un aimant, et le courant circule. La rotation peut venir de la vapeur, d'une chute d'eau, du vent ou d'un moteur diesel ; une centrale est, au fond, une machine à faire tourner quelque chose.

L'éclairage offrit à l'électricité son premier marché de masse. Joseph Swan en Angleterre et Thomas Edison aux États-Unis mirent au point des ampoules à incandescence pratiques vers 1879 et 1880, et le génie d'Edison tenait autant au système qu'à l'ampoule : générateurs, câbles, compteurs et interrupteurs. Sa centrale de Pearl Street ouvrit à New York en 1882 et fournissait du courant continu au sud de Manhattan. Croire qu'Edison a inventé l'ampoule de toutes pièces est un mythe : des dizaines d'inventeurs l'avaient précédé.

Le saviez-vous ? L'une des toutes premières distributions publiques d'électricité éclaira en 1881 les rues de Godalming, dans le Surrey, grâce à une roue à aubes sur la rivière Wey.

Le courant continu avait un défaut : il ne voyageait pas loin sans pertes importantes. Le courant alternatif, défendu par Nikola Tesla et George Westinghouse, pouvait passer par un transformateur pour atteindre une très haute tension. À haute tension, la même puissance circule avec un courant plus faible, qui chauffe beaucoup moins les fils. Après l'âpre « guerre des courants » de la fin des années 1880 et des années 1890, l'alternatif l'emporta. Le réseau national britannique fut construit à la fin des années 1920 et au début des années 1930.

Le réseau moderne est un exercice d'équilibre à l'échelle d'un continent. Les générateurs tournent en cadence, à 50 cycles par seconde en Europe et 60 en Amérique du Nord. Les pylônes portent le courant à des centaines de milliers de volts ; les postes le font redescendre ; un dernier transformateur livre 230 volts aux foyers. L'offre doit égaler la demande à chaque seconde, d'où la vigilance des opérateurs quand des millions de bouilloires s'allument en même temps.

L'électricité a changé la forme de la journée. Les usines purent tourner la nuit, les réfrigérateurs conserver les aliments, les ascenseurs rendre possibles les gratte-ciel. Aujourd'hui, éoliennes et panneaux solaires rejoignent le réseau, et le défi est de stocker leur énergie. Derrière un simple interrupteur se cache l'une des plus grandes machines jamais construites.

Le vol

Pendant des millénaires, le vol appartint aux oiseaux et aux mythes. Les premiers humains à quitter le sol ne le firent pas sur des ailes, mais sous un sac d'air chaud. Le 21 novembre 1783, à Paris, Jean-François Pilâtre de Rozier et le marquis d'Arlandes survolèrent les toits dans un ballon construit par les frères Montgolfier, papetiers d'Annonay. L'air chaud étant moins dense que l'air froid, l'enveloppe flottait comme un bouchon sur l'eau.

Un ballon va où le vent le pousse. Le vol ailé et contrôlé exigeait une théorie, et le baronnet anglais Sir George Cayley la fournit vers 1799. Il décomposa le problème en quatre forces : la portance et le poids, la poussée et la traînée. Une aile fixe fournirait la portance, un moteur distinct la poussée. En 1853, l'un de ses planeurs emporta un cocher réticent au-dessus d'un vallon du Yorkshire. Dans les années 1890, Otto Lilienthal effectua environ 2 000 vols planés en Allemagne et publia des données qui inspirèrent deux fabricants de bicyclettes de l'Ohio.

Le 17 décembre 1903, à Kill Devil Hills, près de Kitty Hawk, en Caroline du Nord, Orville Wright fit voler le Flyer pendant 12 secondes sur environ 37 mètres. La véritable percée des frères Wright fut le contrôle. Ils construisirent une soufflerie, taillèrent des hélices efficaces et inventèrent le gauchissement des ailes, une torsion pour s'incliner et virer, ancêtre des ailerons de tous les avions actuels.

Le saviez-vous ? Le premier vol des Wright couvrit environ 37 mètres, moins que l'envergure d'un Boeing 747.

Une aile produit de la portance en déviant l'air vers le bas. Sa forme bombée et sa légère inclinaison, l'angle d'attaque, accélèrent l'air sur l'extrados et y abaissent la pression ; en poussant l'air vers le bas, l'aile est poussée vers le haut. L'explication scolaire selon laquelle l'air du dessus devrait « rattraper » celui du dessous est un mythe : en réalité, il atteint le bord de fuite bien avant.

La suite fut fulgurante. En une douzaine d'années, les avions combattaient dans la Première Guerre mondiale. En 1919, John Alcock et Arthur Brown traversèrent l'Atlantique sans escale. Frank Whittle en Grande-Bretagne et Hans von Ohain en Allemagne mirent au point, chacun de son côté, le moteur à réaction, et un avion à réaction allemand vola pour la première fois en 1939. En 1952, le de Havilland Comet inaugura le premier service de ligne à réaction, et en 1970 le Boeing 747 ouvrit le voyage en gros-porteur à des millions de passagers.

Aujourd'hui, quelque 100 000 vols commerciaux décollent chaque jour, et l'avion de ligne compte parmi les moyens de transport les plus sûrs. Soixante-six ans seulement séparent le Flyer des Wright du premier vol du jumbo-jet. Peu de techniques ont grimpé si haut, si vite.

La médecine

Pendant la plus grande partie de l'histoire, les médecins ont combattu des maladies qu'ils ne voyaient pas. On accusait le mauvais air, les miasmes, ou un déséquilibre des humeurs du corps. La chirurgie était un pari désespéré, et l'infection emportait souvent des patients dont l'opération avait réussi. En à peine plus d'un siècle, une poignée de découvertes a transformé la médecine davantage que les deux mille ans précédents.

La première vint de la campagne. Les trayeuses atteintes de la vaccine, une maladie bénigne de la vache, semblaient échapper à la variole, l'une des maladies les plus meurtrières de l'histoire. En 1796, le médecin du Gloucestershire Edward Jenner inocula du pus de vaccine au jeune James Phipps, huit ans, puis montra que l'enfant résistait à la variole. Le mot vaccin vient du latin vacca, la vache. Un vaccin entraîne le système immunitaire avec un leurre inoffensif, pour qu'il reconnaisse vite le véritable envahisseur.

Vint ensuite la théorie des germes : l'idée que de nombreuses maladies sont causées par des organismes microscopiques. Dans les années 1840, Ignaz Semmelweis fit chuter la mortalité d'une maternité viennoise en imposant aux médecins de se laver les mains. En 1854, John Snow relia une épidémie londonienne de choléra à une seule pompe de Broad Street. Dans les années 1860, Louis Pasteur montra que les microbes provoquent fermentation et putréfaction, et Joseph Lister employa l'acide phénique pour garder les plaies propres, réduisant fortement la mortalité. Robert Koch identifia ensuite les bactéries de la maladie du charbon, de la tuberculose et du choléra.

Les antibiotiques arrivèrent presque par hasard. En 1928, Alexander Fleming, de retour de vacances, constata qu'une moisissure, Penicillium, avait tué les bactéries d'une de ses boîtes de culture. Il fallut plus de dix ans pour en tirer un médicament, jusqu'à ce que Howard Florey, Ernst Chain et leur équipe d'Oxford purifient la pénicilline au début des années 1940, à temps pour sauver d'innombrables vies pendant la Seconde Guerre mondiale. Les antibiotiques attaquent des structures que possèdent les bactéries mais pas nos cellules, comme leur paroi rigide.

Le saviez-vous ? La variole est la seule maladie humaine jamais éradiquée. L'Organisation mondiale de la santé l'a déclarée disparue en 1980, après une campagne mondiale de vaccination.

Avec l'eau potable, l'assainissement et une meilleure alimentation, ces progrès ont contribué à plus que doubler l'espérance de vie moyenne en un peu plus d'un siècle. Les maladies infantiles qui remplissaient les cimetières sont devenues rares partout où l'on vaccine. Les vaccins modernes se conçoivent à une vitesse record : pendant la pandémie de Covid-19, les vaccins à ARN messager sont passés de la séquence génétique à l'autorisation en moins d'un an.

Le combat n'est pas fini. Les bactéries évoluent, et l'abus d'antibiotiques a engendré des souches résistantes qui ignorent des remèdes autrefois sûrs. La grande leçon de la médecine : les plus petits ennemis exigent la science la plus patiente.

Les ordinateurs

Un ordinateur est une machine qui suit des instructions, et ce qui le rend remarquable, c'est qu'on peut changer ces instructions. Un métier à tisser ou une calculatrice fait un seul travail ; un ordinateur devient traitement de texte, simulateur de vol ou modèle météo simplement en chargeant un autre programme.

L'idée est plus ancienne que l'électronique. Dans les années 1830, le mathématicien anglais Charles Babbage conçut la machine analytique, un ordinateur à engrenages de laiton doté d'une mémoire, d'un « moulin » de calcul et d'instructions sur cartes perforées empruntées au métier Jacquard. Elle ne fut jamais achevée. Pourtant, en 1843, Ada Lovelace publia à son sujet des notes contenant une méthode de calcul des nombres de Bernoulli, souvent considérée comme le premier programme informatique, et elle pressentit qu'une telle machine pourrait un jour traiter la musique et les symboles autant que les nombres.

En 1936, Alan Turing décrivit une machine imaginaire qui lit et écrit des symboles sur un ruban, et montra qu'une telle machine pouvait, en principe, imiter n'importe quelle autre. Cette machine universelle est le cœur théorique de tout ordinateur. La Seconde Guerre mondiale rendit la théorie urgente. À Bletchley Park, le Colossus des décrypteurs, en service dès 1944, fut le premier ordinateur numérique électronique programmable. Aux États-Unis, l'ENIAC, achevé en 1945, remplissait une grande salle, pesait environ 30 tonnes et utilisait quelque 18 000 tubes à vide.

À l'intérieur, tout ordinateur numérique fonctionne en binaire : tout se réduit à des uns et des zéros, allumé ou éteint. De minuscules interrupteurs forment des portes logiques qui réalisent des opérations comme ET, OU et NON ; ces portes forment des circuits qui additionnent et mémorisent ; des milliards de ces circuits font un processeur. Le transistor, inventé aux Bell Labs en 1947, remplaça les tubes fragiles et brûlants par une lamelle de semi-conducteur. Le circuit intégré, vers 1958, réunit de nombreux transistors sur une puce, et en 1971 le microprocesseur Intel 4004 en comptait environ 2 300.

Le saviez-vous ? Les ingénieurs parlaient de « bugs » bien avant 1947, année où un papillon de nuit fut trouvé dans l'ordinateur Harvard Mark II et collé dans son journal de bord.

Gordon Moore observa en 1965 que le nombre de transistors par puce doublait à un rythme régulier, environ tous les deux ans selon son estimation révisée de 1975. La tendance tint des décennies. Les puces les plus avancées portent aujourd'hui des dizaines de milliards de transistors, bien trop petits pour un microscope ordinaire, et un téléphone surpasse les superordinateurs du début des années 1990.

Les ordinateurs se nichent dans les voitures, les lave-linge et les poches, et gèrent l'essentiel de l'argent, du courrier et des cartes du monde. Sous tout cela, une foule immense d'interrupteurs bascule toujours entre zéro et un.

Internet

Internet n'est pas une chose unique, mais un réseau de réseaux : des dizaines de milliers de systèmes distincts, appartenant à des universités, des entreprises et des États, qui ont accepté de parler la même langue. Personne ne l'allume, et personne ne le contrôle seul.

Ses racines plongent dans la guerre froide. Dans les années 1960, Paul Baran aux États-Unis et Donald Davies en Grande-Bretagne proposèrent, chacun de son côté, la commutation de paquets. Au lieu de garder une ligne ouverte, comme un appel téléphonique, on découpe un message en petits morceaux, que Davies baptisa paquets, chacun portant sa destination. Les paquets peuvent emprunter des routes différentes et sont réassemblés à l'arrivée, si bien que le réseau survit à la panne d'une liaison. Le 29 octobre 1969, l'ARPANET, financé par les États-Unis, envoya son premier message, de l'université de Californie à Los Angeles vers Stanford. L'opérateur voulait taper LOGIN ; le système planta après deux lettres.

Le saviez-vous ? Le tout premier message envoyé sur l'ARPANET fut « LO », car l'ordinateur destinataire tomba en panne avant l'arrivée du reste de LOGIN.

Des réseaux différents avaient besoin d'une langue commune. En 1974, Vint Cerf et Bob Kahn décrivirent ce qui allait devenir TCP/IP, les règles qui adressent les paquets et garantissent leur arrivée. L'ARPANET l'adopta le 1er janvier 1983, date souvent tenue pour l'anniversaire d'Internet. Chaque appareil connecté possède une adresse IP, un numéro comparable à une adresse postale, et le système de noms de domaine traduit des noms lisibles en ces numéros.

Internet et le World Wide Web ne sont pas la même chose. En 1989, au CERN, près de Genève, le scientifique britannique Tim Berners-Lee proposa un système de pages reliées, et en 1991 le premier site était en ligne. Le Web fonctionne par-dessus Internet, comme le courriel, les appels vidéo et les jeux en ligne. Le CERN offrit librement le logiciel du Web, ce qui favorisa sa diffusion explosive.

Physiquement, Internet est étonnamment concret. Les données voyagent sous forme d'impulsions lumineuses dans des fibres de verre, et l'immense majorité du trafic intercontinental traverse les fonds marins dans des câbles à peu près aussi épais qu'un tuyau d'arrosage. Les routeurs se passent chaque paquet de réseau en réseau, souvent en une douzaine de sauts ou plus, en une fraction de seconde. D'immenses centres de données stockent et servent pages web, vidéos et messages.

Au milieu des années 2020, environ deux tiers de l'humanité était en ligne, soit quelque cinq milliards et demi de personnes. Internet a refaçonné le commerce, l'information, l'amitié, le travail et la politique, et apporté de nouveaux maux, de la désinformation à la cybercriminalité. Tout a commencé par un ordinateur en panne et deux lettres. Il transporte désormais une large part de tout ce que les humains se disent.

L'intelligence artificielle

La plupart des logiciels suivent des règles écrites par un programmeur. L'intelligence artificielle cherche à faire accomplir aux machines des tâches qui semblent exiger de l'intelligence : reconnaître des visages, traduire, jouer, répondre à des questions. Sa forme moderne la plus puissante, l'apprentissage automatique, ne donne pas du tout les règles à l'ordinateur. Elle lui montre des exemples et le laisse découvrir les règles lui-même.

La question est ancienne. En 1950, Alan Turing se demanda si les machines pouvaient penser et proposa un « jeu de l'imitation », aujourd'hui appelé test de Turing, où un juge converse par écrit avec un humain et une machine cachés. Le terme d'intelligence artificielle fut forgé par John McCarthy pour un atelier au Dartmouth College en 1956, dont les organisateurs espéraient régler des problèmes clés en un été. Il n'en fut rien. Les premiers succès furent suivis de longues et décevantes accalmies, les hivers de l'IA.

L'idée qui finit par s'imposer s'inspire, de loin, du cerveau. Un réseau de neurones artificiels est fait de couches d'unités simples reliées par des nombres ajustables, les poids. Les données entrent d'un côté, chaque unité additionne ses entrées et transmet un signal, et une réponse sort de l'autre côté. Pendant l'entraînement, la réponse du réseau est comparée à la bonne, et une méthode appelée rétropropagation ajuste légèrement chaque poids pour réduire l'erreur. Répétée sur des millions d'exemples, l'opération règle le réseau.

Pendant des décennies, les réseaux étaient trop petits et les données trop rares. Puis des puces graphiques bon marché, conçues pour les jeux vidéo, et l'immense réserve d'images et de textes d'Internet ont tout changé. En 2012, un réseau profond nommé AlexNet remporta un concours de reconnaissance d'images avec une large avance. En 2016, AlphaGo de DeepMind battit le champion Lee Sedol au go, jeu longtemps jugé trop subtil pour les machines. En 2017, des chercheurs de Google publièrent l'architecture transformeur, qui anime les grands modèles de langage actuels, entraînés à prédire le mot suivant dans d'immenses bibliothèques de textes. ChatGPT, lancé fin 2022, les mit entre les mains de centaines de millions de personnes.

Le saviez-vous ? En 2024, les prix Nobel de physique et de chimie ont tous deux récompensé des travaux liés à l'IA, dont les pionniers des réseaux de neurones et la prédiction des structures de protéines par AlphaFold.

Ces systèmes sont impressionnants mais étranges. Un modèle de langage peut écrire un sonnet ou corriger un programme, puis affirmer une erreur avec un aplomb total, car il prédit un texte plausible au lieu de vérifier les faits. Biais, emploi, droits d'auteur, consommation d'énergie et sécurité sont désormais débattus par les gouvernements du monde entier.

Toutes les inventions précédentes de cette partie prolongeaient les muscles ou les sens humains. L'IA est la première qui vise à prolonger la pensée elle-même. L'usage qu'on en fera sera décidé par des humains, pas par des machines.

Les origines de l'humanité

Chaque être humain vivant aujourd'hui appartient à un arbre généalogique dont les racines plongent en Afrique. Il y a six à sept millions d'années, la lignée qui allait mener aux humains s'est séparée de celle des chimpanzés et, pendant presque tout le temps écoulé depuis, nos ancêtres et leurs nombreux cousins n'ont vécu que sur ce continent. Des fossiles comme Sahelanthropus, découvert au Tchad et vieux d'environ sept millions d'années, marquent les premiers pas incertains.

La marche debout est venue bien avant les gros cerveaux. En 1974, dans la région de l'Afar en Éthiopie, une équipe menée par Donald Johanson a découvert Lucy, une Australopithecus afarensis vieille de 3,2 millions d'années, haute d'environ 1,10 mètre, au cerveau pas plus gros que celui d'un chimpanzé mais au bassin taillé pour la marche. À Laetoli, en Tanzanie, des empreintes laissées dans une cendre volcanique humide il y a quelque 3,6 millions d'années montrent la même démarche.

Le genre Homo apparaît il y a environ 2,8 millions d'années, et avec lui les outils de pierre, des cerveaux plus volumineux et de plus longs voyages. Homo erectus, grand et longiligne, est le premier voyageur connu : il y a environ 1,8 million d'années, il avait atteint Dmanissi en Géorgie, puis Java et la Chine. D'autres espèces humaines ont suivi, dont les Néandertaliens, trapus et adaptés au froid, en Europe et en Asie occidentale, et les mystérieux Dénisoviens, connus surtout par leur ADN.

Notre propre espèce, Homo sapiens, est née en Afrique. Les plus anciens fossiles connus, à Djebel Irhoud au Maroc, ont environ 300 000 ans. De petits groupes se sont aventurés plusieurs fois au Proche-Orient, mais la grande dispersion qui a peuplé le reste de la planète a commencé il y a environ 60 000 à 50 000 ans. Les humains modernes ont atteint l'Australie il y a au moins 50 000 ans, ce qui supposait de traverser la haute mer, l'Europe il y a environ 45 000 ans, et les Amériques, par un pont terrestre situé là où s'étend aujourd'hui le détroit de Béring, il y a au moins 15 000 ans, peut-être plus tôt.

Le saviez-vous ? La plupart des personnes dont les ancêtres vivaient hors d'Afrique portent environ 1 à 2 % d'ADN néandertalien, souvenir génétique de rencontres vieilles d'environ 50 000 ans.

Ces rencontres montrent que l'histoire n'est pas une échelle bien rangée mais un buisson enchevêtré. Plusieurs espèces humaines ont partagé la Terre en même temps, se sont croisées et ont parfois eu des enfants ensemble. Il y a environ 40 000 ans, les Néandertaliens avaient disparu, et les Dénisoviens se sont eux aussi effacés, laissant Homo sapiens seul humain debout. Parce que notre espèce a passé l'essentiel de son histoire en Afrique, les populations africaines possèdent aujourd'hui plus de diversité génétique que tout le reste du monde réuni.

Chaque carte, chaque ville et chaque langue évoquées dans ce livre sont l'œuvre des descendants de ces quelques milliers de voyageurs.

Les premiers agriculteurs

Pendant environ 95 % de son histoire, Homo sapiens a vécu de chasse, de pêche et de cueillette. Puis, il y a environ 12 000 ans, des humains de plusieurs régions du monde se sont mis à faire quelque chose de radical : au lieu de chercher leur nourriture, ils ont commencé à la cultiver. Ce changement, appelé révolution néolithique ou agricole, s'est étalé sur des milliers d'années, mais il a transformé la vie humaine plus que tout ce qui l'avait précédé.

Tout commence dans le Croissant fertile, un arc de collines et de vallées qui s'étend du Levant au sud-est de la Turquie et jusqu'aux monts Zagros, en Iran. Vers 9500 avant notre ère, on y cultive le blé et l'orge sauvages, ainsi que les lentilles, les pois, les pois chiches et le lin. En ressemant les graines des plantes dont les épis ne s'égrenaient pas, les cultivateurs ont sans le savoir sélectionné des plantes qui attendaient la moisson. En un millénaire environ, moutons et chèvres sont domestiqués, et les bovins sont issus de l'énorme aurochs sauvage.

Le Croissant fertile n'est pas un cas isolé. L'agriculture a été inventée de façon indépendante en une demi-douzaine de lieux au moins : le riz sur le Yangzi et le millet dans le nord de la Chine, le taro et la banane dans les hautes terres de Nouvelle-Guinée, la courge puis le maïs au Mexique, la pomme de terre dans les Andes et le sorgho dans le Sahel africain. Le maïs est un exploit de sélection : son ancêtre sauvage, la téosinte, porte des épis plus petits qu'un auriculaire et des grains enfermés dans des coques dures comme la pierre.

Le saviez-vous ? Göbekli Tepe, en Turquie, ensemble de piliers de pierre sculptés hauts d'environ 5 mètres, a été érigé vers 9500 avant notre ère par des gens qui ne cultivaient pas encore la terre.

Une nourriture que l'on peut stocker permet de rester sur place. Les villages deviennent des bourgs. Jéricho possède un mur et une tour de pierre vers 8000 avant notre ère, et Çatal Höyük, en Anatolie, à partir de 7100 environ, entasse plusieurs milliers de personnes dans des maisons de brique crue si serrées qu'on y entrait par un trou dans le toit. Poterie, tissage, greniers et propriété privée suivent, puis, avec les surplus, les artisans spécialisés, les chefs et enfin les rois.

Le marché avait sa face sombre. Les premiers agriculteurs travaillaient souvent plus longtemps que les chasseurs-cueilleurs, mangeaient moins varié et étaient plus petits ; leurs squelettes montrent davantage de caries et de traces de disette. Vivre près des animaux et les uns des autres a fait naître de nouvelles maladies, et les richesses stockées attiraient les pillards. Pourtant, l'agriculture nourrissait bien plus de monde par kilomètre carré, et les populations n'ont cessé de croître. Un monde de quelques millions de chasseurs-cueilleurs est devenu, en dix mille ans, un monde de centaines de millions d'habitants.

Chaque miche de pain, bol de riz ou tortilla mangés aujourd'hui sont l'héritage de ces premiers champs.

La Mésopotamie

Le nom Mésopotamie signifie en grec « entre les fleuves », et ces fleuves sont le Tigre et l'Euphrate, qui traversent l'actuel Irak. La pluie était rare dans la plaine du sud, mais les fleuves charriaient la fonte des neiges des montagnes de Turquie, et les paysans qui creusaient des canaux pour répandre cette eau obtenaient d'étonnantes récoltes d'orge. Le grain en surplus nourrissait des gens qui ne cultivaient pas, et à partir de 4000 avant notre ère environ, les premières vraies villes du monde y ont grandi.

La plus grande était Uruk. Vers 3000 avant notre ère, elle comptait peut-être 40 000 habitants ou davantage, derrière des remparts longs d'environ 9 kilomètres : sans doute la plus grande ville du monde. Ses temples géraient terres, travailleurs, troupeaux et réserves, et tenir les comptes de tout cela a produit l'invention majeure de la région. Vers 3300 à 3200 avant notre ère, des scribes ont commencé à imprimer des signes dans des tablettes d'argile humide avec un roseau taillé. Ce furent d'abord des dessins de moutons, de grain et de jarres, puis, au fil des siècles, des traits en forme de coin : le cunéiforme, du latin « coin ». L'écriture est née de la comptabilité avant de servir aux lettres, aux lois, aux hymnes et à l'Épopée de Gilgamesh.

Sumer était une mosaïque de cités-États rivales, dont Ur, Lagash et Kish, chacune avec son dieu protecteur. Vers 2334 avant notre ère, Sargon d'Akkad les conquit et fonda ce que l'on appelle souvent le premier empire. Plus tard, le roi Ur-Nammu éleva la grande ziggourat d'Ur, montagne à gradins de brique crue couronnée d'un sanctuaire au dieu-lune Nanna. Vers 1754 avant notre ère, Hammurabi de Babylone fit graver 282 lois sur une stèle de basalte de plus de deux mètres, aujourd'hui au Louvre. Les peines dépendaient du rang social : « œil pour œil » valait entre égaux, mais blesser un homme du peuple ne coûtait souvent qu'une amende.

Le saviez-vous ? Les 60 minutes d'une heure et les 360 degrés d'un cercle viennent de l'habitude mésopotamienne de compter en base 60.

Les Mésopotamiens ont légué bien plus encore. Ils furent parmi les premiers à utiliser la roue, vers 3500 avant notre ère ; ils observèrent les étoiles, résolurent des problèmes que nous appellerions algébriques et rédigèrent contrats, reçus et prêts. Leur réussite avait un coût caché : des siècles d'irrigation ont laissé du sel dans les sols, et dans le sud le blé a cédé la place à l'orge, plus résistante, à mesure que les rendements baissaient.

Les empires se sont succédé, Assyriens, Babyloniens et Perses entre autres, jusqu'à la prise de Babylone par Alexandre le Grand en 331 avant notre ère. Le cunéiforme s'est éteint vers le Ier siècle de notre ère et est resté illisible pendant près de 1 800 ans, jusqu'à son déchiffrement dans les années 1850.

L'histoire, au sens le plus littéral, commence ici : avec les premiers écrits.

L'Égypte ancienne

L'Égypte ancienne était, selon le mot de l'historien grec Hérodote, un don du fleuve. Le Nil, long d'environ 6 650 kilomètres, coule vers le nord à travers un désert où il ne pleut presque jamais. Chaque été, les pluies de mousson sur les hauts plateaux éthiopiens gonflaient le Nil Bleu et, à partir de juillet environ, le fleuve débordait en Égypte, laissant derrière lui une couche de limon noir et fertile. Les Égyptiens appelaient leur pays Kemet, la terre noire, et le désert alentour Deshret, la terre rouge. La frontière entre la vie et la stérilité tenait parfois en un seul pas.

La crue réglait le calendrier. L'année comptait trois saisons de quatre mois : Akhet, l'inondation ; Peret, quand les eaux baissaient et qu'on semait ; et Shemou, la moisson et les basses eaux. Le retour de l'étoile Sirius à l'aube, juste avant la crue, marquait le nouvel an. Les fonctionnaires lisaient la hauteur du fleuve sur des nilomètres, escaliers et puits de pierre gradués, car la hauteur de la crue annonçait la récolte, et la récolte fixait l'impôt.

Vers 3100 avant notre ère, la Haute et la Basse-Égypte furent réunies sous un seul roi, traditionnellement nommé Narmer. Pendant près de 3 000 ans, à travers une trentaine de dynasties regroupées en Ancien, Moyen et Nouvel Empire, le pharaon régna en roi-dieu garant de maât, l'ordre du monde. L'Ancien Empire bâtit les pyramides. La Grande Pyramide de Khéops à Gizeh, achevée vers 2560 avant notre ère, s'élevait à environ 146 mètres et resta la plus haute construction humaine pendant près de 4 000 ans. Contrairement à l'image populaire, elle ne fut pas bâtie par des esclaves mais par des équipes organisées d'ouvriers, logés, nourris de pain et de bière, et enterrés dans des tombes près du chantier.

Le saviez-vous ? Cléopâtre VII a vécu plus près, dans le temps, des premiers pas sur la Lune que de la construction de la Grande Pyramide.

La vie quotidienne était plus riche que ne le laissent croire les tombeaux. Les paysans cultivaient amidonnier, orge et lin ; les scribes écrivaient au calame sur le papyrus, un papier tiré de la plante qui poussait sur les rives ; et les hiéroglyphes, quelque 700 signes d'usage courant, couvraient les murs des temples. Longtemps après l'oubli de l'écriture, la pierre de Rosette, gravée en 196 avant notre ère du même décret en hiéroglyphes, en démotique et en grec, permit à Jean-François Champollion de la déchiffrer en 1822.

Des souverains du Nouvel Empire comme Hatchepsout, Akhenaton, Toutânkhamon et Ramsès II bâtirent des temples à Karnak et Louxor et des tombes dans la Vallée des Rois. L'Égypte fut ensuite gouvernée par des Nubiens, des Perses et des Grecs, et à la mort de Cléopâtre en 30 avant notre ère, elle devint une province romaine.

Pendant trois mille ans, un seul fleuve a fait vivre l'une des civilisations les plus durables de l'histoire.

La Grèce antique

La Grèce antique n'a jamais été un pays unique. C'était une poussière de plus d'un millier de cités-États, chacune appelée polis, dispersées dans des vallées rocailleuses, sur les îles de l'Égée et dans des colonies de l'Espagne à la mer Noire. Elles partageaient une langue, des dieux et des épopées comme l'Iliade d'Homère, mais se faisaient sans cesse la guerre. De ce monde querelleur sont nées des idées qui façonnent encore notre manière de gouverner, de penser et de jouer.

L'expérience la plus célèbre eut lieu à Athènes. Vers 508 avant notre ère, le réformateur Clisthène répartit les citoyens en dix tribus et donna le pouvoir au dêmos, le peuple : d'où la démocratie, « pouvoir du peuple ». Tout citoyen adulte de sexe masculin pouvait parler et voter à l'Assemblée, qui se réunissait sur une colline appelée la Pnyx une quarantaine de fois par an pour décider de la guerre, de la paix et des lois. Un Conseil de 500 membres, cinquante par tribu, préparait ses travaux. La plupart des magistrats, ainsi que les grands jurys des tribunaux, étaient tirés au sort, car les Athéniens pensaient que l'élection favorisait les riches et les célèbres. Seuls les dix stratèges étaient élus. Chaque année, les citoyens pouvaient aussi voter pour exiler dix ans un homme politique trop puissant en gravant son nom sur un tesson de poterie, un ostrakon : c'est l'origine du mot ostracisme.

C'était une démocratie au corps électoral étroit. Les femmes, les esclaves et les étrangers résidents ne votaient pas, si bien que seule une minorité des habitants d'Athènes y participait. Mais elle était remarquablement directe : les citoyens n'élisaient pas de représentants pour décider à leur place, ils décidaient eux-mêmes.

Le saviez-vous ? Les Athéniens tiraient leurs jurés au sort avec un klérotèrion, une dalle de pierre percée de fentes pour les jetons nominatifs, où des boules noires et blanches tombant dans un tube désignaient des rangées entières au hasard.

L'Athènes du Ve siècle avant notre ère fut aussi le théâtre d'une explosion de la pensée. Socrate questionna tout jusqu'à sa condamnation à mort en 399 avant notre ère ; son élève Platon fonda l'Académie ; et l'élève de Platon, Aristote, écrivit sur la logique, la biologie, la politique et la poésie avant d'être le précepteur du jeune Alexandre le Grand. D'autres penseurs grecs, de Thalès à Démocrite, qui imaginait la matière faite de minuscules atomes, cherchèrent à expliquer la nature sans les dieux. Historiens, dramaturges et architectes nous ont laissé le Parthénon, la tragédie, la comédie et jusqu'au mot « histoire ».

Les jeux Olympiques, organisés selon la tradition pour la première fois en 776 avant notre ère à Olympie en l'honneur de Zeus, réunissaient tous les quatre ans des cités rivales sous une trêve sacrée. La plus ancienne épreuve était une course d'un stade, environ 192 mètres, et les athlètes concouraient nus. Les Jeux durèrent plus de mille ans avant de cesser vers 393 de notre ère ; ils furent rétablis à Athènes en 1896.

Petites, querelleuses et souvent en guerre, les cités grecques ont pourtant inventé une bonne part de la boîte à outils de la civilisation occidentale.

La Rome antique

Selon la légende, Rome fut fondée en 753 avant notre ère par Romulus, un jumeau allaité par une louve. En réalité, elle naquit d'un groupe de villages perchés sur des collines au bord du Tibre, gouvernés par des rois jusqu'en 509 avant notre ère, lorsque les Romains chassèrent le dernier d'entre eux et fondèrent une république. Le pouvoir était partagé pour qu'aucun homme ne le garde longtemps : deux consuls élus chaque année, un Sénat d'aristocrates et des assemblées de citoyens. L'expression latine res publica, « la chose publique », a donné un mot au monde.

La République grandit par la guerre et les alliances. En 264 avant notre ère, elle contrôlait l'essentiel de l'Italie, et au cours de trois guerres puniques contre Carthage, grande puissance maritime d'Afrique du Nord, elle survécut à l'invasion d'Hannibal, qui franchit les Alpes avec des éléphants en 218, avant de raser Carthage en 146 avant notre ère. La conquête apporta esclaves, butin et provinces, mais aussi des généraux ambitieux dont les armées leur étaient plus fidèles qu'à Rome. En 49 avant notre ère, Jules César franchit le Rubicon avec ses légions, gagna une guerre civile et fut nommé dictateur ; des sénateurs le poignardèrent aux ides de mars, en 44 avant notre ère.

César ne fut jamais empereur. Ce titre revient à son petit-neveu et héritier Octave, qui vainquit Marc Antoine et Cléopâtre et prit en 27 avant notre ère le nom d'Auguste. Il conserva les formes de la République tout en détenant le pouvoir réel, et ouvrit deux siècles de calme relatif, la Pax Romana. Sous Trajan, en 117 de notre ère, l'empire atteignit sa plus grande extension, environ 5 millions de kilomètres carrés du nord de la Bretagne au golfe Persique, avec peut-être 60 millions d'habitants. Rome elle-même comptait environ un million d'âmes.

Le saviez-vous ? La coupole du Panthéon de Rome, achevée vers 125 de notre ère, reste la plus grande coupole en béton non armé du monde.

L'empire tenait par l'ingénierie, le droit et le latin. Quelque 80 000 kilomètres de routes pavées portaient armées, fonctionnaires et marchands ; les aqueducs alimentaient fontaines et thermes ; et le béton romain, fait de cendre volcanique, pouvait même prendre sous la mer. Le droit romain a façonné les codes d'une grande partie de l'Europe, et le latin est devenu la langue mère du français, de l'espagnol, de l'italien, du portugais et du roumain.

L'empire se révéla trop vaste pour être gouverné d'un seul lieu. Dioclétien en partagea le gouvernement entre Orient et Occident dans les années 280, et Constantin, premier empereur chrétien, fonda une nouvelle capitale à Constantinople en 330. En 476, un général germanique déposa le dernier empereur d'Occident, un adolescent nommé Romulus Augustule. La moitié orientale, que les historiens appellent Empire byzantin, dura jusqu'à la prise de Constantinople par les Turcs ottomans en 1453.

Rome est tombée, mais ses routes, ses lois, son alphabet et son calendrier n'ont jamais tout à fait cessé de fonctionner.

La Chine ancienne

La civilisation chinoise a grandi le long de deux grands fleuves, le fleuve Jaune au nord et le Yangzi au sud, et c'est l'une des rares au monde dont la langue et l'écriture forment un fil ininterrompu de plus de 3 000 ans. Son histoire se raconte traditionnellement comme une procession de dynasties, des familles régnantes qui s'élèvent, gouvernent et tombent.

La première dynastie attestée par l'archéologie est celle des Shang, vers 1600 à 1046 avant notre ère. Ses rois interrogeaient leurs ancêtres : des devins chauffaient des omoplates de bœuf et des carapaces de tortue jusqu'à ce qu'elles se fendent, puis gravaient sur l'os la question et la réponse. Ces os oraculaires, datés d'environ 1250 avant notre ère et après, portent la plus ancienne écriture chinoise connue, et beaucoup de leurs caractères sont les ancêtres reconnaissables de ceux d'aujourd'hui. Les Zhou, qui renversèrent les Shang, justifièrent leur conquête par le Mandat du Ciel : le Ciel accordait le droit de régner à une dynastie juste et le retirait à une dynastie inique. Crues, famines et révoltes pouvaient se lire comme les signes d'un mandat perdu.

Quand le pouvoir des Zhou s'effrita, la Chine se divisa en États rivaux. Dans cette époque troublée, Confucius (551 à 479 avant notre ère) enseigna que l'ordre naît de la vertu, du respect au sein de la famille et de souverains qui montrent l'exemple. Puis, en 221 avant notre ère, le roi de Qin vainquit ses rivaux et se proclama Qin Shi Huang, le Premier Empereur. Il unifia l'écriture, la monnaie, les poids et jusqu'à l'écartement des essieux des chars, et fut enterré près d'une armée d'environ 8 000 soldats de terre cuite grandeur nature, découverte par des paysans qui creusaient un puits en 1974.

La dynastie Han (206 avant notre ère à 220 de notre ère) a donné son nom au principal groupe ethnique de Chine. Elle gouverna par des fonctionnaires lettrés, ouvrit le commerce avec l'Asie centrale sur ce qui devint les routes de la soie, et vit le fonctionnaire Cai Lun perfectionner le papier vers 105 de notre ère. Les dynasties suivantes, dont les Tang, les Song et les Ming, apportèrent l'imprimerie xylographique, la poudre et la boussole.

Le saviez-vous ? La Grande Muraille n'est pas visible à l'œil nu depuis la Lune : très longue, elle n'est large que de quelques mètres et a à peu près la couleur du paysage qui l'entoure.

La Grande Muraille est en réalité faite de nombreux murs. Qin Shi Huang relia d'anciens remparts de terre damée, les Han les prolongèrent loin vers l'ouest, et le mur de brique et de pierre que voient la plupart des visiteurs fut construit par les Ming entre le XIVe et le XVIIe siècle. Une étude chinoise publiée en 2012 a mesuré l'ensemble des murs connus et de leurs ramifications à environ 21 000 kilomètres. Les tours de guet se voyaient l'une l'autre, si bien que la fumée le jour et le feu la nuit portaient l'alerte le long de la frontière bien plus vite qu'un cheval.

Les dynasties passèrent, mais l'idée d'une Chine unique, écrite dans une écriture unique, leur a survécu à toutes.

L'Inde ancienne

Dans les années 1920, des archéologues fouillant la vallée de l'Indus, dans l'actuel Pakistan, mirent au jour ce que personne n'attendait : des villes entières, planifiées et bâties en brique cuite, plus anciennes que tout ce que l'on connaissait alors en Asie du Sud. La civilisation de l'Indus, ou harappéenne, prospéra d'environ 2600 à 1900 avant notre ère, et ses plus de mille sites connus couvrent une région plus vaste que l'Égypte et la Mésopotamie anciennes réunies.

Ses deux villes les plus connues, Harappa et Mohenjo-daro, étaient tracées avec une discipline remarquable. Les grandes rues suivaient à peu près les axes nord-sud et est-ouest, découpant la ville basse en îlots. Les maisons étaient bâties de briques aux mêmes proportions, 1:2:4, d'un bout à l'autre de la civilisation. Beaucoup avaient leur propre puits, un espace pour se laver et des latrines, et les eaux usées s'écoulaient dans des égouts de brique couverts sous les rues, avec des regards pour le nettoyage. Sur la citadelle surélevée de Mohenjo-daro se trouvait le Grand Bain, un bassin d'environ 12 mètres de long, rendu étanche par des briques ajustées et du bitume, sans doute destiné à des ablutions rituelles.

Les marchands de l'Indus utilisaient des poids de pierre normalisés et commerçaient jusqu'en Mésopotamie, où leurs marchandises arrivaient par mer. Ils marquaient leurs biens de petits sceaux carrés gravés d'animaux, dont une bête mythique à une seule corne, et de courtes lignes de signes. Cette écriture de l'Indus n'est toujours pas déchiffrée, en partie parce qu'aucun long texte ni aucune inscription bilingue n'a été retrouvé. Fait frappant, on n'a découvert ni grandes tombes royales ni guère de traces de guerre. Vers 1900 avant notre ère, quand les fleuves changèrent de cours et que la mousson faiblit, les grandes villes furent peu à peu abandonnées.

Le saviez-vous ? Mohenjo-daro, ville de peut-être 40 000 habitants, avait des égouts sous ses rues plus de quatre mille ans avant que bien des villes européennes ne s'en dotent.

Des siècles plus tard, la plaine du Gange devint le nouveau cœur de l'Inde. On y composa les Védas, les plus anciennes écritures hindoues, et vers le Ve siècle avant notre ère Siddhartha Gautama, le Bouddha, y enseigna. Vers 321 avant notre ère, Chandragupta Maurya prit le pouvoir et fonda l'Empire maurya, qui à son apogée couvrait l'essentiel du sous-continent depuis la grande ville de Pataliputra, près de l'actuelle Patna.

Son petit-fils Ashoka conquit le Kalinga, sur la côte est, vers 261 avant notre ère, au prix d'une guerre qui, selon ses propres mots, tua ou déracina des centaines de milliers de personnes. Horrifié, il se tourna vers le bouddhisme et vers un gouvernement fondé sur le dhamma, la loi morale. Ses édits, gravés sur des rochers et des colonnes de pierre polie à travers l'empire, prônaient la tolérance, la bonté envers les animaux et le respect de toutes les religions. Le chapiteau aux lions de son pilier de Sarnath est aujourd'hui l'emblème national de l'Inde, et sa roue à 24 rayons orne le centre du drapeau indien.

Des égouts couverts aux édits gravés, l'Inde ancienne a laissé les premières traces de villes pensées pour la santé publique et d'un souverain qui s'est lié à un code moral.

Les Amériques anciennes

Lorsque les Européens arrivèrent en 1492, les Amériques comptaient des dizaines de millions d'habitants et des civilisations nées en toute indépendance de celles d'Afrique, d'Europe et d'Asie. Elles avaient domestiqué le maïs, le haricot, la courge et la pomme de terre, bâti des villes et des pyramides, et développé écriture, mathématiques et astronomie, le tout sans outils de fer ni véhicules à roues, et sans grand animal à monter ou à atteler à une charrue.

Les Mayas du sud du Mexique et d'Amérique centrale bâtirent des cités-États en pleine forêt tropicale pendant quelque deux mille ans. À leur apogée classique, vers 250 à 900 de notre ère, des villes comme Tikal, Calakmul, Palenque et Copán élevèrent pyramides et palais de calcaire, et les rois consignaient leur règne sur des monuments de pierre sculptée appelés stèles. L'écriture maya, qui mêle signes-mots et syllabes, est le système d'écriture le plus complet des Amériques anciennes, et l'on sait aujourd'hui en lire l'essentiel. Les astronomes mayas suivaient Vénus et prédisaient les éclipses, et leur calendrier du Compte long utilisait un signe pour le zéro. En 2018, un balayage laser aéroporté a révélé des dizaines de milliers de structures inconnues cachées sous la forêt du nord du Guatemala.

Le saviez-vous ? Les Mayas n'ont jamais disparu : environ six millions de personnes parlent aujourd'hui des langues mayas, et le passage du Compte long en 2012 marquait un nouveau cycle, pas la fin du monde.

Les Aztèques, ou Mexicas, fondèrent Tenochtitlan en 1325 sur une île du lac Texcoco. Ils nourrissaient la ville grâce aux chinampas, des champs surélevés faits de vase du lac, et la reliaient à la rive par des chaussées. En 1519, elle comptait peut-être 200 000 habitants, plus que presque toutes les villes d'Europe, et le Templo Mayor, en son centre, portait deux sanctuaires jumeaux dédiés au dieu de la guerre Huitzilopochtli et au dieu de la pluie Tlaloc. Les Aztèques régnaient par le tribut et la peur, et quand Hernán Cortés arriva, des dizaines de milliers de sujets pleins de rancœur se joignirent à lui. Tenochtitlan tomba en 1521, ravagée avant tout par la variole.

Dans les Andes, les Incas bâtirent le plus grand empire des Amériques, qu'ils appelaient Tawantinsuyu, « les quatre parties réunies ». À partir de 1438 environ, sous Pachacutec, ils s'étendirent depuis leur capitale, Cuzco, le long de quelque 4 000 kilomètres de montagnes, régnant peut-être sur 10 millions de personnes. Un réseau d'environ 40 000 kilomètres de routes, avec des ponts suspendus de corde et des coureurs relais, tenait l'ensemble. Sans écriture au sens où nous l'entendons, les fonctionnaires incas tenaient leurs comptes sur le quipu, des faisceaux de cordelettes colorées et nouées. Le Machu Picchu, bâti vers 1450 comme domaine royal, échappa complètement aux Espagnols. Affaibli par la guerre civile et les épidémies, l'empire s'effondra après la capture de l'empereur Atahualpa par Francisco Pizarro à Cajamarca en 1532.

La conquête mit fin à ces empires, mais pas à leurs peuples, dont les langues, les aliments et les savoirs sont tissés dans le monde moderne.

Les routes de la soie

Les routes de la soie n'ont jamais été une seule route, et la soie n'était qu'une des nombreuses choses qui y circulaient. Le nom lui-même est moderne : le géographe allemand Ferdinand von Richthofen a forgé le mot Seidenstraße en 1877. Il désigne un réseau mouvant de pistes caravanières, de gués et de routes maritimes qui, pendant quelque 1 500 ans, a relié la Chine à l'Inde, à la Perse, à l'Arabie, à l'Afrique et à l'Europe.

Les routes terrestres prennent forme au IIe siècle avant notre ère. En 138 avant notre ère, l'empereur Han Wudi envoie vers l'ouest un émissaire, Zhang Qian, chercher des alliés contre les nomades Xiongnu. Capturé, retenu une dizaine d'années, il revient pourtant avec des récits de royaumes riches et des superbes chevaux de la vallée de Ferghana. Les Han étendent leur pouvoir vers l'ouest par le corridor du Hexi jusqu'à l'oasis de Dunhuang, où les routes se séparent pour contourner par le nord et par le sud le redoutable désert du Taklamakan, avant de se rejoindre à Kachgar puis de franchir les montagnes du Pamir.

Au-delà s'étend l'Asie centrale, où Samarcande et Boukhara s'enrichissent. Pendant des siècles, les grands intermédiaires sont les Sogdiens, des marchands dont la langue devient une langue commune des routes. Des caravanes de chameaux de Bactriane à deux bosses, capables de porter environ 200 kilogrammes et de marcher des jours sans boire, vont d'oasis en oasis et font halte dans des auberges fortifiées, les caravansérails. Très peu de gens parcouraient les 6 000 kilomètres ou plus qui séparent Chang'an de la Méditerranée : les marchandises passaient de main en main, et leur prix montait à chaque échange.

Le saviez-vous ? Au début du Ier siècle de notre ère, le Sénat romain interdit aux hommes de porter de la soie, que les moralistes jugeaient décadente et ruineuse pour l'or de l'empire.

Vers l'ouest partaient la soie, la laque, le papier et, plus tard, la porcelaine. Vers l'est venaient chevaux, verre, argent, laine, raisin et vin. Plus important encore était ce qui ne se pesait pas. Le bouddhisme passa de l'Inde à la Chine par ces routes, laissant des temples rupestres comme les grottes de Mogao à Dunhuang. L'islam, le christianisme et le manichéisme voyagèrent aussi, comme les mathématiques, la musique, la médecine et l'art de fabriquer le papier, qui atteignit le monde islamique au VIIIe siècle. Les microbes aussi : la peste noire, qui tua peut-être un tiers des Européens à la fin des années 1340, suivit sans doute les routes commerciales vers l'ouest.

Les routes prospéraient surtout sous des empires puissants : les Han et Rome, la Chine des Tang et le califat abbasside, puis, au XIIIe siècle, les Mongols, dont l'immense domaine permit à Marco Polo d'aller en Chine et d'en revenir. À mesure que les navires apprirent à traverser les océans, les routes maritimes reprirent peu à peu l'essentiel du commerce.

Bien avant que l'on parle de mondialisation, les routes de la soie avaient déjà cousu ensemble l'Ancien Monde.

Le monde médiéval

Le Moyen Âge s'étend à peu près de la chute de l'Empire romain d'Occident, en 476, jusque vers 1500. Des auteurs plus tardifs l'ont qualifié d'âge sombre, un triste intervalle entre la gloire de Rome et la Renaissance. Ceux qui l'ont vécu le voyaient autrement. En ces mille ans, l'Europe a bâti ses cathédrales, fondé ses premières universités à Bologne, Paris et Oxford, et inventé l'horloge mécanique.

La société reposait sur la terre. Dans le système féodal, le roi concédait des domaines aux grands seigneurs en échange de leur fidélité et de leurs soldats. Les seigneurs confiaient à leur tour des terres à des chevaliers, tenus au service militaire, et tout en bas travaillaient les paysans. Beaucoup étaient des serfs, attachés au domaine de leur seigneur : ils cultivaient ses champs en plus de leurs propres parcelles et ne pouvaient partir sans permission. C'était moins une pyramide nette qu'un enchevêtrement de promesses, mais le principe tenait : la terre descendait, le service remontait.

Le pouvoir avait besoin de murailles. Après la conquête normande de l'Angleterre en 1066, les compagnons de Guillaume le Conquérant élevèrent à la hâte des châteaux à motte, une tour de bois sur un tertre de terre dominant une cour palissadée. En un siècle, beaucoup devinrent des donjons de pierre. À la fin du XIIIe siècle, les châteaux d'Édouard Ier au pays de Galles, comme Beaumaris et Harlech, alignaient des enceintes concentriques : l'assaillant qui franchissait un mur en trouvait un autre.

L'Église était l'autre grande puissance. Les monastères qui suivaient la Règle de saint Benoît, rédigée vers 530, partageaient la journée entre prière, travail et étude. Dans leurs scriptoria, les moines copiaient les textes à la main sur parchemin, préservant le savoir latin ; une grande Bible pouvait exiger les peaux de centaines d'animaux. Les monastères tenaient aussi hôpitaux, écoles, fermes et brasseries.

Le saviez-vous ? Les gens instruits du Moyen Âge savaient que la Terre est ronde. L'idée qu'ils la croyaient plate est un mythe répandu au XIXe siècle.

Puis vint la catastrophe. La peste noire atteignit l'Europe en 1347, sans doute à bord de navires venus de la mer Noire. La bactérie Yersinia pestis, transmise par les puces, tua entre un tiers et la moitié des Européens en quatre ans environ. Les champs restèrent en friche et la main-d'œuvre se fit rare, si bien que les survivants exigèrent de meilleurs salaires. Quand les puissants tentèrent de les bloquer, la colère éclata, comme lors de la révolte des paysans anglais de 1381. Les vieux liens du servage se relâchèrent peu à peu. La peste qui vida les villages aida aussi à mettre fin au monde féodal.

L'âge d'or islamique

En 762, le calife abbasside al-Mansur fonda une nouvelle capitale sur le Tigre. Bagdad fut tracée en un grand cercle et devint en quelques décennies l'une des plus grandes villes du monde, carrefour du commerce entre la Chine, l'Inde, la Perse et la Méditerranée. Du VIIIe au XIIIe siècle environ, des savants de tout le monde islamique en firent un foyer de savoir sans égal.

Son symbole était la Maison de la sagesse, la Bayt al-Hikma, bibliothèque royale qui prospéra sous les califes Haroun al-Rachid et son fils al-Mamun, qui régna de 813 à 833. Elle anima un vaste mouvement de traduction. Les œuvres d'Aristote, d'Euclide, de Ptolémée et du médecin Galien furent mises en arabe, souvent par l'intermédiaire du syriaque, aux côtés d'histoires persanes et de mathématiques indiennes. Le plus grand traducteur, Hunayn ibn Ishaq, était chrétien : des savants de plusieurs religions travaillaient côte à côte.

Un nouveau matériau rendit cela possible. La fabrication du papier arriva de Chine dans le monde islamique au VIIIe siècle, et Bagdad eut son moulin à papier dès les années 790. Bien moins cher que le parchemin, le papier fit proliférer les livres, et les marchés de libraires bordaient les rues.

La traduction se changea bientôt en invention. Vers 820, al-Khwarizmi écrivit un traité sur la résolution des équations dont le titre nous a donné le mot algèbre, de al-jabr, « restauration ». Son propre nom, latinisé, est devenu le mot algorithme. Il contribua aussi à diffuser les chiffres décimaux indiens, avec leur zéro, que l'Europe appela plus tard chiffres arabes. Au Caire, Ibn al-Haytham (vers 965-1040) éprouva ses idées sur la lumière par des expériences minutieuses et montra que nous voyons parce que la lumière entre dans l'œil, et non parce que l'œil émet des rayons. En Perse, Ibn Sina, l'Avicenne des Européens, acheva son Canon de la médecine en 1025 ; on l'enseigna dans les universités européennes pendant quelque cinq siècles.

Le saviez-vous ? De nombreuses étoiles brillantes portent encore des noms arabes, parmi lesquelles Aldébaran, Altaïr, Deneb et Bételgeuse.

Le savoir gagna l'ouest par l'Espagne musulmane. La bibliothèque de Cordoue était réputée dans toute l'Europe, et après la prise de Tolède par les chrétiens en 1085, des savants y traduisirent des livres arabes en latin, nourrissant les universités médiévales puis la Renaissance.

L'âge d'or n'eut pas de fin unique, mais une date se détache. En 1258, les armées mongoles mirent Bagdad à sac et détruisirent ses bibliothèques ; les chroniqueurs écrivirent que le Tigre coula noir d'encre. Ses idées avaient déjà fait le tour du monde.

La Renaissance

Renaissance signifie « nouvelle naissance ». L'idée vint de lettrés italiens des XIVe et XVe siècles, persuadés que le savoir de la Grèce et de la Rome antiques s'était perdu et devait être ranimé. Le poète Pétrarque fouillait les bibliothèques des monastères en quête de textes latins oubliés, et ses disciples, les humanistes, étudiaient la grammaire, l'histoire, la poésie et la morale : des matières consacrées à la vie humaine, et pas seulement à Dieu.

Le mouvement s'enracina à Florence, riche cité de banquiers et de marchands de laine. La famille Médicis, banquière du pape, dépensait sans compter pour l'art et l'érudition, et les corporations rivalisaient pour décorer les églises. Vers 1415, l'architecte Filippo Brunelleschi fit la démonstration de la perspective linéaire, méthode géométrique pour donner de la profondeur à une image plane, ses lignes convergeant vers un point de fuite. Il coiffa ensuite la cathédrale de Florence d'une coupole construite sans l'habituel échafaudage de bois en dessous, achevée en 1436. Elle reste la plus grande coupole en brique du monde.

Les artistes devinrent des célébrités. Léonard de Vinci (1452-1519) peignit La Joconde, commencée vers 1503, et remplit des carnets d'études sur l'anatomie, le vol et l'eau, écrites en miroir. Michel-Ange sculpta son David de marbre, haut de plus de cinq mètres, entre 1501 et 1504, puis peignit le plafond de la chapelle Sixtine de 1508 à 1512. La légende veut qu'il ait travaillé couché sur le dos ; en réalité, il se tenait debout sur un échafaudage et peignait vers le haut, la nuque tordue. L'École d'Athènes de Raphaël réunit les grands philosophes de l'Antiquité dans une même salle imaginaire.

Le saviez-vous ? Le David de Michel-Ange fut taillé dans un haut bloc de marbre que d'autres sculpteurs avaient entamé puis abandonné des décennies plus tôt.

Une machine répandit ces idées plus vite qu'aucun artiste. Vers 1450, à Mayence, Johannes Gutenberg mit au point l'imprimerie à caractères métalliques mobiles, et sa Bible parut vers 1455. En 1500, des presses fonctionnaient dans plus de deux cents villes européennes et des millions de livres avaient été imprimés. Les savants pouvaient désormais comparer des exemplaires identiques, et les idées nouvelles devenaient difficiles à contenir.

La Renaissance gagna aussi le Nord. En Flandre, Jan van Eyck perfectionna la peinture à l'huile ; en Allemagne, Albrecht Dürer fit de la gravure un art majeur ; l'érudit Érasme édita textes classiques et chrétiens pour un public de lecteurs grandissant. Le mot Renaissance pour désigner toute l'époque ne s'imposa qu'au XIXe siècle, mais les contemporains sentaient poindre quelque chose de neuf. L'époque apprit à l'Europe à regarder le monde d'un œil neuf et à le dessiner en profondeur.