La théorie du Big Bang est le début de l’univers. Superpuissance. La recherche d’une théorie unifiée de la nature

Tout le monde a entendu parler de la théorie du Big Bang, qui explique (du moins pour l’instant) l’origine de notre Univers. Cependant, dans les cercles scientifiques, il y aura toujours ceux qui voudront remettre en question les idées - d'ailleurs, de grandes découvertes en découlent souvent.

Cependant, Dicke s'est rendu compte que si ce modèle était réel, il n'y aurait pas deux types d'étoiles : la population I et la population II, les étoiles jeunes et vieilles. Et ils l’étaient. Cela signifie que l’Univers qui nous entoure s’est néanmoins développé à partir d’un état chaud et dense. Même si ce n’était pas le seul Big Bang de l’histoire.

Incroyable, non ? Et s’il y avait plusieurs de ces explosions ? Des dizaines, des centaines ? La science n’a pas encore compris cela. Dicke a invité son collègue Peebles à calculer la température requise pour les processus décrits et la température probable du rayonnement résiduel aujourd'hui. Les calculs approximatifs de Peebles ont montré qu'aujourd'hui l'Univers devrait être rempli de rayonnements micro-ondes d'une température inférieure à 10 K, et Roll et Wilkinson se préparaient déjà à rechercher ce rayonnement lorsque la cloche a sonné...

Perdu dans la traduction

Cependant, ici, cela vaut la peine de déménager dans un autre coin du globe - en URSS. Les personnes les plus proches de la découverte du rayonnement cosmique de fond micro-ondes (et qui n’ont pas non plus terminé le travail !) se trouvaient en URSS. Après avoir effectué un énorme travail pendant plusieurs mois, dont un rapport a été publié en 1964, les scientifiques soviétiques semblaient avoir rassemblé toutes les pièces du puzzle, il n'en manquait qu'une. Yakov Borissovitch Zeldovitch, l'un des colosses de la science soviétique, a effectué des calculs similaires à ceux effectués par l'équipe de Gamow (un physicien soviétique vivant aux États-Unis), et est également parvenu à la conclusion que l'Univers a dû commencer avec un climat chaud. Big Bang, qui a laissé un rayonnement de fond avec une température de quelques kelvins.

Yakov Borisovitch Zeldovitch, -

Il connaissait même l'article d'Ed Ohm dans le Bell System Technical Journal, qui calculait approximativement la température du rayonnement de fond cosmique des micro-ondes, mais il avait mal interprété les conclusions de l'auteur. Pourquoi les chercheurs soviétiques n'ont-ils pas réalisé qu'Ohm avait déjà découvert ce rayonnement ? En raison d'une erreur de traduction. L'article d'Ohm indiquait que la température du ciel qu'il avait mesurée était d'environ 3 K. Cela signifiait qu'il avait soustrait toutes les sources possibles d'interférences radio et que 3 K était la température du fond restant.

Cependant, par coïncidence, la température du rayonnement atmosphérique était également la même (3 K), pour laquelle Ohm a également apporté une correction. Les spécialistes soviétiques ont décidé à tort que c'étaient ces 3 K qu'Ohm avait laissés après tous les ajustements précédents, les ont également soustraits et se sont retrouvés sans rien.

De nos jours, de telles erreurs de compréhension seraient facilement éliminées grâce au processus de correspondance électronique, mais au début des années 1960, la communication entre scientifiques Union soviétique et les États-Unis ont été très difficiles. C'est la raison d'une erreur aussi offensive.

Le prix Nobel qui s'est envolé

Revenons au jour où le téléphone a sonné dans le laboratoire de Dicke. Il s'avère qu'au même moment, les astronomes Arno Penzias et Robert Wilson ont rapporté qu'ils avaient accidentellement réussi à détecter un faible bruit radio provenant de tout. Ensuite, ils ne savaient pas encore qu'une autre équipe de scientifiques avait eu indépendamment l'idée de​​l'existence d'un tel rayonnement et avait même commencé à construire un détecteur pour le rechercher. C'était l'équipe de Dicke et Peebles.

Plus surprenant encore, le fond diffus cosmologique, ou, comme on l'appelle aussi, le rayonnement du fond cosmique micro-ondes, a été décrit plus de dix ans plus tôt dans le cadre du modèle de l'émergence de l'Univers à la suite du Big Bang par George Gamow et ses collègues. Ni l’un ni l’autre groupe de scientifiques n’en étaient au courant.

Penzias et Wilson ont accidentellement découvert le travail des scientifiques sous la direction de Dicke et ont décidé de les appeler pour en discuter. Dicke a écouté attentivement Penzias et a fait plusieurs commentaires. Après avoir raccroché, il s'est tourné vers ses collègues et a déclaré : « Les gars, nous avons pris de l'avance. »

Près de 15 ans plus tard, après que de nombreuses mesures effectuées à diverses longueurs d'onde par de nombreux groupes d'astronomes aient confirmé que le rayonnement qu'ils avaient découvert était bien un écho relique du Big Bang, ayant une température de 2,712 K, Penzias et Wilson se partagèrent le prix Nobel pour leur invention. Même si au début ils ne voulaient même pas écrire un article sur leur découverte, car ils la considéraient comme intenable et ne rentrait pas dans le modèle d'un Univers stationnaire auquel ils adhéraient !

On dit que Penzias et Wilson auraient jugé suffisant d'être mentionnés comme cinquième et sixième noms sur la liste après Dicke, Peebles, Roll et Wilkinson. Dans ce cas, le prix Nobel reviendrait apparemment à Dicke. Mais tout s'est passé comme ça s'est passé.

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Mystères du Big Bang

Notre Univers a commencé il y a 13,7 milliards d’années avec le Big Bang, et les scientifiques tentent de comprendre ce phénomène depuis des générations.

À la fin des années 20 du XXe siècle, Edwin Hubble a découvert que toutes les galaxies que nous voyons s'envolent - comme des fragments de grenade après une explosion, au même moment où l'astronome et théologien belge Georges Lemaitre avance son hypothèse (dans En 1931, il a été publié dans les pages de Nature). Il croit que l'histoire de l'univers a commencé avec l'explosion de « l'atome primaire », qui a donné naissance au temps, à l'espace et à la matière (plus tôt, au début des années 1920, le scientifique soviétique Alexander Friedman, analysant les équations d'Einstein, est également venu à la conclusion que « l’univers a été créé à partir d’un point » et cela a pris « des dizaines de milliards de nos années ordinaires »).

Dans un premier temps, les astronomes ont rejeté de manière décisive le raisonnement du théologien belge. Parce que la théorie du Big Bang était parfaitement combinée avec la croyance chrétienne en Dieu le Créateur. Pendant deux siècles, les scientifiques ont empêché la pénétration dans la science de toute spéculation religieuse sur le « début de tous les commencements ». Et maintenant, Dieu, expulsé de la nature sous le balancement mesuré des roues de la mécanique newtonienne, revient de manière inattendue. Il arrive dans les flammes du Big Bang, et il est difficile d’imaginer une image plus triomphante de son apparition.

Cependant, le problème n’était pas seulement théologique : le Big Bang n’a pas obéi aux lois des sciences exactes. Le moment le plus important de l’histoire de l’Univers se situe au-delà de la connaissance. En ce point singulier (spécial), situé sur l'axe de l'espace-temps, la théorie de la relativité générale a cessé de fonctionner, car la pression, la température, la densité d'énergie et la courbure de l'espace se sont précipitées vers l'infini, c'est-à-dire qu'elles ont tout perdu. signification physique. À ce stade, toutes ces secondes, mètres et unités astronomiques. Ce point est un écart qui ne peut être comblé sur les échasses de la logique ou des mathématiques, un trou traversant le temps et l’espace.

Ce n'est qu'à la fin des années 1960 que Roger Penrose et Stephen Hawking ont montré de manière convaincante que, dans le cadre de la théorie d'Einstein, la singularité du Big Bang était inévitable. Toutefois, cela ne saurait faciliter le travail des théoriciens. Comment décrire le Big Bang ? Qu'est-ce qui, par exemple, a provoqué cet événement ? Après tout, s’il n’y avait pas eu de temps avant cela, il semblerait qu’il ne puisse y avoir aucune raison qui y ait donné naissance.

Comme nous le comprenons maintenant, pour créer une théorie complète du Big Bang, il est nécessaire de relier l’enseignement d’Einstein, qui décrit l’espace et le temps, avec la théorie quantique, qui traite des particules élémentaires et de leurs interactions. Il faudra probablement plus d’une décennie avant qu’il soit possible de le faire et d’en dériver une seule « formule de l’univers ».

D’où, par exemple, pourrait provenir cette énorme quantité d’énergie qui a donné lieu à cette explosion d’une puissance incroyable ? Peut-être que notre Univers en a hérité de son prédécesseur, qui s’est effondré en un point singulier ? Mais alors, d’où l’a-t-elle obtenu ? Ou bien l’énergie s’est-elle déversée dans le vide primordial, d’où notre Univers s’est échappé comme une « bulle d’écume » ? Ou les Univers de l'ancienne génération transfèrent-ils de l'énergie aux Univers de la jeune génération à travers ces points singuliers - au fond desquels, peut-être, naissent de nouveaux mondes que nous ne verrons jamais ? Quoi qu’il en soit, l’Univers dans de tels modèles apparaît comme un « système ouvert », ce qui ne correspond pas tout à fait à l’image « classique » du Big Bang : « Il n’y avait rien, et tout à coup l’univers est né ».

L’Univers au moment de sa formation était dans un état extrêmement dense et chaud.

Ou est-il possible, comme le pensent certains chercheurs, que notre Univers soit généralement... dépourvu d'énergie, ou plutôt que son énergie totale soit nulle ? L’énergie positive du rayonnement émis par la matière se superpose à l’énergie négative de la gravité. Plus et moins sont égaux à zéro. Ce fameux « 0 » semble être la clé pour comprendre la nature du Big Bang. De là - de « zéro », de « rien » - tout est né instantanément. Accidentellement. Spontanément. Juste. Un écart insignifiant par rapport à 0 a donné lieu à une avalanche universelle d'événements. La comparaison suivante peut être faite : une boule de pierre, en équilibre sur un mince pic en forme de flèche d'un Chomolungma, a soudainement basculé et roulé, générant une « avalanche d'événements ».

1973 - Le physicien américain Edward Tryon a tenté de décrire le processus de naissance de notre Univers en utilisant le principe d'incertitude de Heisenberg, l'un des fondements de la théorie quantique. Selon ce principe, plus nous mesurons l’énergie avec précision, par exemple, plus le temps devient incertain. Ainsi, si l’énergie est strictement nulle, alors le temps peut être arbitrairement long. Si grande que tôt ou tard, une fluctuation surviendra dans le vide quantique d’où l’Univers doit naître. Cela conduira à une expansion rapide de l’espace, apparemment à partir de rien. "C'est juste que les univers naissent parfois, c'est tout", a simplement expliqué Trion sur le contexte du Big Bang. C'était une grosse explosion aléatoire. C'est tout.

Le Big Bang pourrait-il se reproduire ?

Bizarrement, oui. Nous vivons dans un univers qui peut encore porter ses fruits et donner naissance à de nouveaux mondes. Plusieurs modèles ont été créés pour décrire les « Big Bangs » du futur.

Pourquoi, par exemple, de nouvelles fluctuations n’apparaissent-elles pas dans le même vide qui a donné naissance à notre Univers ? Peut-être qu'au cours de ces 13,7 milliards d'années, d'innombrables mondes sont apparus à côté de notre univers, sans aucun contact les uns avec les autres. Différentes lois de la nature y opèrent, il existe différentes constantes physiques. Sur la plupart de ces mondes, la vie n’aurait jamais pu apparaître. Beaucoup d’entre eux meurent immédiatement et s’effondrent. Mais dans certains univers – par pur hasard ! – les conditions se présentent dans lesquelles la vie peut naître.

Mais il ne s’agit pas seulement du vide qui existe avant le début de « tous les temps et de tous les peuples ». Des fluctuations lourdes des mondes futurs peuvent également survenir dans le vide diffusé dans notre Univers - plus précisément dans l'énergie sombre qui le remplit. Ce type de modèle d’« Univers en renouvellement » a été développé par le cosmologue américain originaire de l’Union soviétique Alexander Vilenkin. Ces nouvelles « grandes explosions » ne représentent aucune menace pour nous. Ils ne détruiront pas la structure de l’Univers, ne la brûleront pas, mais créeront seulement un nouvel espace au-delà des limites accessibles à notre observation et à notre compréhension. Peut-être que des « explosions » similaires, marquant la naissance de nouveaux mondes, se produisent dans les profondeurs des nombreux trous noirs qui parsèment le cosmos, estime l'astrophysicien américain Lee Smolin.

Un autre originaire de l'URSS vivant en Occident, le cosmologue Andrei Linde, estime que nous sommes nous-mêmes capables de provoquer un nouveau Big Bang en collectant à un moment donné de l'espace une énorme quantité d'énergie dépassant une certaine limite critique. Selon ses calculs, les futurs ingénieurs spatiaux pourraient prendre une pincée invisible de matière - quelques centièmes de milligramme seulement - et la compacter à un point tel que l'énergie de ce groupe serait de 1 015 gigalectrons volts. Un petit trou noir se forme et commence à s’étendre de façon exponentielle. C’est ainsi qu’un « Univers fille » naîtra avec son propre espace-temps, se séparant rapidement de notre Univers.

...Il y a beaucoup de choses fantastiques dans la nature du Big Bang. Mais la validité de cette théorie est prouvée par un certain nombre de phénomènes naturels. Ceux-ci incluent l’expansion de l’Univers que nous observons, le modèle de distribution des éléments chimiques, ainsi que le rayonnement de fond cosmique, appelé « relique du Big Bang ».

Le monde n'existe pas éternellement. Elle est née dans les flammes du Big Bang. Mais s’agissait-il d’un phénomène unique dans l’histoire de l’espace ? Ou un événement récurrent, comme la naissance des étoiles et des planètes ? Et si le Big Bang n’était qu’une phase de transition d’un état d’Éternité à un autre ?

De nombreux physiciens disent qu’au départ, il y avait quelque chose et non rien. Peut-être que notre Univers, comme d’autres, est né d’un vide quantique élémentaire. Mais aussi « minimalement simple » qu’un tel état soit – et les lois de la physique ne permettent pas qu’il soit inférieur au vide quantique – il ne peut toujours pas être appelé « Rien ».

Peut-être que l’Univers que nous voyons n’est qu’un autre état global de l’Éternité ? Et l'arrangement bizarre des galaxies et des amas de galaxies - quelque chose comme un réseau cristallin qui, dans le monde à n dimensions qui existait avant la naissance de notre Univers, avait une structure complètement différente et qui était peut-être prédit par la « formule de tout » recherchée par Einstein? Et le retrouvera-t-on dans les décennies à venir ? Les scientifiques scrutent intensément à travers le mur de l'Inconnu qui a clôturé notre univers, essayant de comprendre ce qui s'est passé un instant auparavant, selon nos idées habituelles, il n'y avait absolument rien. Quelles formes du Cosmos éternel peut-on imaginer, conférant au temps et à l'espace ces qualités impensables dans notre univers ?

Parmi les théories les plus prometteuses, dans lesquelles les physiciens tentent d'insérer toute une Éternité, on peut citer la théorie de la géométrie quantique, de la dynamique quantique des spins ou de la gravité quantique. Les plus grands contributeurs à leur développement furent Abey Ashtekar, Ted Jacobson, Jerzy Lewandowski, Carlo Rovelli, Lee Smolin et Thomas Tiemann. Ce sont toutes les structures physiques les plus complexes, des palais entiers construits à partir de formules et d’hypothèses, juste pour cacher l’abîme caché dans leurs profondeurs et leurs ténèbres, la singularité du temps et de l’espace.

L'ère de la singularité

Les chemins détournés des nouvelles théories nous obligent à enjamber des vérités évidentes au premier coup d’œil. Ainsi, dans la géométrie quantique, l'espace et le temps, auparavant infiniment écrasés, se brisent soudainement en îlots séparés - des portions, des quanta, plus petits que ceux qui ne contiennent rien. Tous les points singuliers peuvent être incrustés dans ces « blocs de pierre ». L'espace-temps lui-même se transforme en un entrelacement de structures unidimensionnelles - un « réseau de spins », c'est-à-dire qu'il devient une structure discrète, une sorte de chaîne tissée à partir de maillons individuels.

Le volume de la plus petite boucle d'espace possible n'est que de 10 à 99 centimètres cubes. Cette valeur est si petite que dans un centimètre cube, il y a beaucoup plus de quanta d'espace que ces mêmes centimètres cubes dans l'Univers que nous observons (son volume est de 1085 centimètres par cube). A l'intérieur des quanta de l'espace il n'y a rien, ni énergie ni matière - tout comme à l'intérieur d'un point mathématique - par définition - on ne peut trouver ni triangle ni icosaèdre. Mais si nous appliquons l’hypothèse de la « fabrique submicroscopique de l’univers » pour décrire le Big Bang, nous obtenons des résultats surprenants, comme l’ont montré Abey Ashtekar et Martin Bojowald de l’Université de Pennsylvanie.

Si nous remplaçons les équations différentielles de la théorie standard de la cosmologie, qui supposent le flux continu de l’espace, par d’autres équations différentielles issues de la théorie de la géométrie quantique, alors la mystérieuse singularité disparaîtra. La physique ne s'arrête pas là où commence le Big Bang - c'est la première conclusion encourageante des cosmologistes qui ont refusé d'accepter les propriétés de l'univers que nous considérons comme la vérité ultime.

La théorie de la gravité quantique suggère que notre Univers (comme tous les autres) est né d'une fluctuation aléatoire du vide quantique - un environnement macroscopique global dans lequel il n'y avait pas de temps. Chaque fois qu’une fluctuation d’une certaine ampleur se produit dans le vide quantique, un nouvel Univers naît. Il « jaillit » du milieu homogène dans lequel il s’est formé et commence sa propre vie. Elle a désormais sa propre histoire, son propre espace, son propre temps, sa propre flèche du temps.

Dans la physique moderne, un certain nombre de théories ont été créées qui montrent comment, à partir d'un environnement existant éternellement, où il n'y a pas de macro-temps, mais à certains moments où s'écoule un micro-temps, un monde aussi immense que le nôtre peut surgir.

Par exemple, les physiciens italiens Gabriele Veneziano et Maurizio Gasperini, dans le cadre de la théorie des cordes, suggèrent qu'il existait initialement ce qu'on appelle le « vide des cordes ». Des fluctuations quantiques aléatoires ont conduit la densité d'énergie à atteindre une valeur critique, ce qui a provoqué un effondrement local. Ce qui s'est terminé avec la naissance de notre Univers du vide.

En utilisant la théorie de la géométrie quantique, Abey Ashtekar et Martin Bojowald ont montré que l’espace et le temps peuvent émerger de structures fondamentales plus primitives, à savoir des « réseaux de spins ».

Eckhard Rebhan de l'Université de Düsseldorf et – indépendamment – ​​George Ellis et Roy Maartens de l'Université du Cap développent l'idée d'un « univers statique », envisagée par Albert Einstein et l'astronome britannique Arthur Eddington. Dans leur quête pour contourner les effets de la gravité quantique, Rebhan et ses collègues ont imaginé un espace sphérique au milieu d'un vide éternel (ou, si vous préférez, d'une éternité vide), où il n'y a pas de temps. En raison d'une certaine instabilité, un processus inflationniste se développe ici, ce qui conduit à un Big Bang brûlant.

Bien entendu, les modèles répertoriés sont spéculatifs, mais ils correspondent fondamentalement au niveau actuel de développement de la physique et aux résultats des observations astronomiques des dernières décennies. En tout cas, une chose est claire. Le Big Bang était plutôt un événement naturel ordinaire et n’était pas unique en son genre.

Ce genre de théories nous aidera-t-il à comprendre ce qui aurait pu se produire avant le Big Bang ? Si l’Univers est né, qu’est-ce qui lui a donné naissance ? Où, dans les théories modernes de la cosmologie, apparaît-elle « l’empreinte génétique » de son parent ? 2005 - Abey Ashtekar, par exemple, publie les résultats de ses nouveaux calculs (Tomasz Pawlowski et Parampreet Singh ont contribué à leur réalisation). D'après eux, il était clair que si les prémisses initiales étaient correctes, alors le même espace-temps existait avant le Big Bang qu'après cet événement. La physique de notre univers, comme dans un miroir, se reflète dans la physique de l'autre monde. Dans ces calculs, le Big Bang, tel un écran miroir, traverse l'Éternité, plaçant à proximité l'incompatible : la nature et son reflet. Et qu’est-ce que l’authenticité ici, qu’est-ce qu’un fantôme ?

La seule chose que l’on peut voir « de l’autre côté du miroir » est qu’à cette époque l’Univers n’était pas en expansion, mais se contractait. Le Big Bang est devenu le point de son effondrement. A cet instant, l'espace et le temps s'arrêtent un instant pour se refléter à nouveau - pour continuer - pour s'élever comme un phénix dans le monde qui nous est déjà familier, l'univers que nous mesurons avec nos formules, codes et nombres. L’univers s’est littéralement retourné, comme un gant ou une chemise, et n’a cessé de s’étendre depuis. Le Big Bang n’était pas, selon Ashtekar, « la création de l’univers entier à partir de rien », mais n’était qu’une transition d’une forme dynamique d’éternité à une autre. Peut-être que l'Univers connaît une série infinie de « big bangs », et que ces dizaines de milliards (ou peu importe) d'années séparant ses phases individuelles ne sont que des périodes de « l'onde sinusoïdale cosmique », selon les lois de laquelle vit l'univers ?

La théorie du Big Bang est désormais considérée comme aussi certaine que le système copernicien. Cependant, jusqu’à la seconde moitié des années 1960, elle n’a pas bénéficié d’une reconnaissance universelle, et pas seulement parce que de nombreux scientifiques ont d’abord nié l’idée même de l’expansion de l’Univers. C'est juste que ce modèle avait un concurrent sérieux.

Dans 11 ans, la cosmologie en tant que science pourra célébrer son centenaire. En 1917, Albert Einstein réalise que les équations de la relativité générale permettent de calculer des modèles physiquement raisonnables de l'univers. La mécanique classique et la théorie de la gravité n'offrent pas une telle possibilité : Newton a tenté de construire une image générale de l'Univers, mais dans tous les scénarios, celui-ci s'est inévitablement effondré sous l'influence de la gravité.

Einstein ne croyait absolument pas au début et à la fin de l'univers et a donc imaginé un univers statique existant éternellement. Pour ce faire, il devait introduire un composant spécial dans ses équations, qui créait une « anti-gravité » et garantissait ainsi formellement la stabilité de l’ordre mondial. Einstein considérait cet ajout (le soi-disant terme cosmologique) inélégant, laid, mais toujours nécessaire (l'auteur de la Relativité générale n'a pas fait confiance en vain à son instinct esthétique - il a été prouvé plus tard que le modèle statique est instable et donc physiquement dénué de sens).

Le modèle d'Einstein eut rapidement des concurrents : le modèle d'un monde sans matière de Willem de Sitter (1917), les modèles non stationnaires fermés et ouverts d'Alexander Friedman (1922 et 1924). Mais ces belles constructions restaient pour l’instant de purs exercices mathématiques. Pour parler de l'Univers dans son ensemble de manière non spéculative, il faut au moins savoir qu'il existe des mondes situés en dehors de l'amas d'étoiles dans lesquels le système solaire et nous nous trouvons avec lui. Et la cosmologie n’a eu l’opportunité de chercher du soutien dans les observations astronomiques qu’après qu’Edwin Hubble a publié son ouvrage « Nébuleuses extragalactiques » en 1926, dans lequel les galaxies ont été décrites pour la première fois comme des systèmes stellaires indépendants ne faisant pas partie de la Voie lactée.

La création de l'Univers n'a pas pris six jours - la majeure partie du travail a été achevée beaucoup plus tôt. Voici sa chronologie approximative.

0. Big Bang.

Epoque Planck : 10-43 s. L'instant Planck. L'interaction gravitationnelle est séparée. La taille de l'Univers à l'heure actuelle est de 10 à 35 m (ce qu'on appelle la longueur de Planck). 10-37 s. Expansion inflationniste de l’Univers.

L'ère de la grande unification : 10-35 pp. Séparation des interactions fortes et électrofaibles. 10-12 s. Séparation des interactions faibles et séparation finale des interactions.

Ère hadronique : 10-6 s. Annihilation des paires proton-antiproton. Les quarks et les antiquarks cessent d'exister sous forme de particules libres.

Ère Lepton : 1 s. Des noyaux d'hydrogène se forment. La fusion nucléaire de l'hélium commence.

Ere de Nucléosynthèse : 3 minutes. L'univers est composé de 75 % d'hydrogène et de 25 % d'hélium, ainsi que de traces d'éléments lourds.

Période de rayonnement : 1 semaine. A ce moment, le rayonnement est thermalisé.

L'ère de la matière : 10 mille ans. La matière commence à dominer l'Univers. 380 mille ans. Les noyaux d'hydrogène et les électrons se recombinent, l'Univers devient transparent au rayonnement.

Ère stellaire : 1 milliard d'années. Formation des premières galaxies. 1 milliard d'années. Formation des premières étoiles. 9 milliards d'années. Formation du système solaire. 13,5 milliards d'années. Ce moment

Retrait des galaxies

Cette chance s'est rapidement réalisée. Le Belge Georges Henri Lemaître, qui a étudié l'astrophysique au Massachusetts Institute of Technology, a entendu des rumeurs selon lesquelles Hubble était proche d'une découverte révolutionnaire - preuve du récession des galaxies. En 1927, de retour dans son pays natal, Lemaitre publia (et affina et développa au cours des années suivantes) un modèle de l'Univers formé à la suite d'une explosion de matière superdense se dilatant conformément aux équations de la relativité générale. Il a prouvé mathématiquement que leur vitesse radiale devait être proportionnelle à leur distance du système solaire. Un an plus tard, le mathématicien de Princeton, Howard Robertson, est arrivé indépendamment à la même conclusion.

Et en 1929, Hubble obtint expérimentalement la même dépendance en traitant des données sur la distance de vingt-quatre galaxies et le redshift de la lumière qui en émanait. Cinq ans plus tard, Hubble et son assistant observateur Milton Humason ont fourni une preuve supplémentaire de cette conclusion en surveillant des galaxies très faiblement situées à l'extrême périphérie de l'espace observable. Les prédictions de Lemaître et Robertson se sont révélées tout à fait justifiées et la cosmologie de l'Univers non stationnaire semblait avoir remporté une victoire décisive.

Modèle non reconnu

Pourtant, les astronomes n’étaient pas pressés de crier hourra. Le modèle de Lemaître a permis d'estimer la durée d'existence de l'Univers - pour cela il suffisait de connaître la valeur numérique de la constante incluse dans l'équation de Hubble. Les tentatives visant à déterminer cette constante ont conduit à la conclusion que notre monde est apparu il y a seulement environ deux milliards d'années. Cependant, les géologues affirmaient que la Terre était beaucoup plus ancienne et les astronomes n'avaient aucun doute sur le fait que l'espace regorgeait d'étoiles plus vieilles que âge vénérable. Les astrophysiciens avaient également leurs propres raisons de se méfier : la composition en pourcentage de la répartition des éléments chimiques dans l'Univers basée sur le modèle Lemètre (ce travail a été réalisé pour la première fois par Chandrasekhar en 1942) contredisait clairement la réalité.

Le scepticisme des spécialistes s'expliquait aussi par des raisons philosophiques. La communauté astronomique vient de s’habituer à l’idée qu’un monde sans fin peuplé de nombreuses galaxies s’ouvre devant elle. Il semblait naturel que, dans ses principes fondamentaux, il ne change pas et existe pour toujours. Et maintenant, il a été demandé aux scientifiques d'admettre que le Cosmos est fini non seulement dans l'espace, mais aussi dans le temps (d'ailleurs, cette idée suggérait une création divine). Par conséquent, la théorie de Lemetrov est restée longtemps sans effet. Cependant, un sort encore pire est arrivé au modèle d'un Univers éternellement oscillant, proposé en 1934 par Richard Tolman. Cette méthode n’a pas reçu de reconnaissance sérieuse et, à la fin des années 1960, elle a été rejetée comme étant mathématiquement incorrecte.

Les stocks du « monde ballonné » n'ont pas beaucoup augmenté après que George Gamow et son étudiant diplômé Ralph Alpher aient construit une nouvelle version plus réaliste de ce modèle au début de 1948. L'univers de Lemaître est né de l'explosion d'un hypothétique « atome primaire », qui dépassait clairement les idées des physiciens sur la nature du microcosme.

La théorie de Gamow pendant longtemps a été appelé de manière assez académique - « modèle évolutif dynamique ». Et curieusement, l’expression « Big Bang » n’a pas été inventée par l’auteur de cette théorie, ni même par son partisan. En 1949, le producteur scientifique de la BBC, Peter Laslett, invita Fred Hoyle à préparer une série de cinq conférences. Hoyle a brillé devant le microphone et a immédiatement gagné un énorme succès parmi les auditeurs de la radio. Dans son dernier discours, il a parlé de cosmologie, a parlé de son modèle et a finalement décidé de régler ses comptes avec ses concurrents. Leur théorie, dit Hoyle, « est basée sur l'hypothèse que l'univers est né d'un seul phénomène. explosion puissante et donc il n'y a qu'un temps fini... Cette idée du Big Bang me semble totalement insatisfaisante." C'est ainsi qu'est apparue cette expression. En russe, elle peut aussi être traduite par "Big Cotton", ce qui est probablement plus correspond exactement au sens péjoratif de y, dans lequel Hoyle l'a mis. Un an plus tard, ses conférences ont été publiées et le nouveau terme a fait le tour du monde.

George Gamow et Ralph Alpher ont proposé que l'Univers, peu de temps après sa naissance, était constitué des particules bien connues : électrons, photons, protons et neutrons. Dans leur modèle, ce mélange était chauffé à hautes températures et bien emballé dans un volume minuscule (par rapport à l’actuel). Gamow et Alfer ont montré que la fusion thermonucléaire se produisait dans cette soupe très chaude, entraînant la formation du principal isotope de l'hélium, l'hélium-4. Ils ont même calculé qu’au bout de quelques minutes seulement, la matière entre dans un état d’équilibre dans lequel pour chaque noyau d’hélium il y a environ une douzaine de noyaux d’hydrogène.

Cette proportion était tout à fait cohérente avec les données astronomiques sur la répartition des éléments légers dans l'Univers. Ces découvertes furent bientôt confirmées par Enrico Fermi et Anthony Turkiewicz. Ils ont également établi que les processus de fusion thermonucléaire doivent produire des isotopes légers d'hélium-3 et des isotopes lourds d'hydrogène - deutérium et tritium. Leurs estimations des concentrations de ces trois isotopes dans l’espace coïncidaient également avec les observations des astronomes.

Théorie du problème

Mais les astronomes praticiens continuaient à douter. Premièrement, restait le problème de l’âge de l’Univers, que la théorie de Gamow ne parvenait pas à résoudre. Il n'a été possible d'augmenter la durée de l'existence du monde qu'en prouvant que les galaxies s'envolent beaucoup plus lentement qu'on ne le croit généralement (cela s'est finalement produit, et dans une large mesure grâce aux observations faites à l'Observatoire Palomar, mais déjà au années 1960).

Deuxièmement, la théorie de Gam s'est arrêtée sur la nucléosynthèse. Après avoir expliqué l'émergence de l'hélium, du deutérium et du tritium, elle n'a pas pu avancer vers des noyaux plus lourds. Le noyau d'hélium 4 est constitué de deux protons et de deux neutrons. Tout irait bien s'il pouvait attacher un proton et se transformer en noyau de lithium. Cependant, les noyaux de trois protons et deux neutrons ou de deux protons et trois neutrons (lithium-5 et hélium-5) sont extrêmement instables et se désintègrent instantanément. Par conséquent, seul le lithium-6 stable (trois protons et trois neutrons) existe dans la nature. Pour sa formation par fusion directe, il est nécessaire qu'un proton et un neutron fusionnent simultanément avec un noyau d'hélium, et la probabilité que cet événement se produise est extrêmement faible. Certes, dans des conditions de densité de matière élevée dans les premières minutes de l'existence de l'Univers, de telles réactions se produisent encore occasionnellement, ce qui explique la très faible concentration des atomes de lithium les plus anciens.

La nature a préparé une autre surprise désagréable pour Gamow. La voie vers les éléments lourds pourrait également passer par la fusion de deux noyaux d’hélium, mais cette combinaison n’est pas non plus viable. Il n’existait aucun moyen d’expliquer l’origine des éléments plus lourds que le lithium, et à la fin des années 1940 cet obstacle semblait insurmontable (on sait désormais qu’ils naissent uniquement dans les étoiles stables et explosives et dans les rayons cosmiques, mais Gamow ne le savait pas).

Cependant, le modèle de la naissance « chaude » de l'Univers avait encore une carte supplémentaire en réserve, qui au fil du temps est devenue un atout. En 1948, Alpher et un autre assistant de Gamow, Robert Herman, sont arrivés à la conclusion que l'espace était imprégné de rayonnements micro-ondes apparus 300 000 ans après le cataclysme primaire. Cependant, les radioastronomes n’ont montré aucun intérêt pour cette prévision et elle est restée sur papier.

L'émergence d'un concurrent

Gamow et Alpher ont inventé leur modèle « en vogue » dans la capitale américaine, où Gamow enseignait à l'Université George Washington depuis 1934. Beaucoup de leurs idées productives sont nées autour d’un verre modéré au bar Little Vienna sur Pennsylvania Avenue, près de la Maison Blanche. Et si cette voie de construction d’une théorie cosmologique semble exotique à certains, que dire de l’alternative née sous l’influence d’un film d’horreur ?

Fred Hoyle : L'Univers s'étend à jamais ! La matière naît spontanément dans le vide à une vitesse telle que la densité moyenne de l'Univers reste constante

Dans la bonne vieille Angleterre, à l'Université de Cambridge, trois scientifiques remarquables se sont installés après la guerre : Fred Hoyle, Herman Bondi et Thomas Gold. Avant cela, ils ont travaillé dans le laboratoire radar de la marine britannique, où ils sont devenus amis. Hoyle, un Anglais du Yorkshire, n'avait pas encore 30 ans au moment de la capitulation de l'Allemagne, et ses amis, originaires de Vienne, en avaient 25. Hoyle et ses amis, à l'époque de leur « époque radar », se consacraient à des conversations sur les problèmes de l'univers et cosmologie. Tous trois n'aimaient pas le modèle de Lemaitre, mais ils prenaient la loi de Hubble au sérieux et rejetaient donc le concept d'univers statique. Après la guerre, ils se sont réunis chez Bondi et ont discuté des mêmes problèmes. L’inspiration est venue après avoir regardé le film d’horreur « Dead in the Night ». Son personnage principal, Walter Craig, s'est retrouvé dans une boucle fermée d'événements qui, à la fin du film, l'ont ramené à la même situation dans laquelle tout a commencé. Un film avec une telle intrigue peut durer éternellement (comme un poème sur un prêtre et son chien). C'est alors que Gold réalisa que l'Univers pouvait s'avérer être un analogue de cette intrigue - à la fois changeant et immuable !

Des amis ont trouvé l’idée folle, mais ont ensuite décidé qu’il y avait quelque chose dedans. Ensemble, ils ont transformé l’hypothèse en une théorie cohérente. Bondi et Gold en ont donné une présentation générale, et Hoyle, dans une publication séparée, « Un nouveau modèle de l'univers en expansion », a donné des calculs mathématiques. Il a pris comme base les équations de la relativité générale, mais les a complétées par un hypothétique « champ de création » (champ C), qui a une pression négative. Quelque chose de ce genre est apparu trente ans plus tard dans les théories cosmologiques inflationnistes, ce que Hoyle a souligné avec beaucoup de plaisir.

Cosmologie à l’état d’équilibre

Le nouveau modèle est entré dans l’histoire des sciences sous le nom de cosmologie stable. Elle a proclamé l'égalité complète non seulement de tous les points de l'espace (ce fut le cas d'Einstein), mais aussi de tous les instants du temps : l'Univers est en expansion, mais n'a pas de commencement, puisqu'il reste toujours semblable à lui-même. Gold a appelé cette déclaration le principe cosmologique parfait. La géométrie de l'espace dans ce modèle reste plate, tout comme celle de Newton. Les galaxies se dispersent, mais dans l'espace « à partir de rien » (plus précisément du champ de création) une nouvelle matière apparaît, et avec une telle intensité que la densité moyenne de matière reste inchangée. Conformément à la valeur alors connue de la constante de Hubble, Hoyle a calculé qu'une seule particule naît dans chaque mètre cube d'espace sur une période de 300 000 ans. La question de savoir pourquoi les instruments n'enregistrent pas ces processus a immédiatement disparu - ils sont trop lents par rapport aux normes humaines. La nouvelle cosmologie n'a connu aucune difficulté liée à l'âge de l'Univers, ce problème n'existait tout simplement pas pour elle.

Pour confirmer son modèle, Hoyle a proposé d'utiliser des données sur la répartition spatiale des jeunes galaxies. Si le champ C crée uniformément de la matière partout, alors la densité moyenne de ces galaxies devrait être approximativement la même. Au contraire, le modèle de la naissance cataclysmique de l'Univers prédit qu'aux confins de l'espace observable cette densité est maximale - de là nous parvient la lumière des amas d'étoiles qui n'ont pas encore eu le temps de vieillir. Le critère de Hoyle était tout à fait raisonnable, mais à cette époque il n'était pas possible de le tester faute de télescopes suffisamment puissants.

Triomphe et défaite

Pendant plus de 15 ans, les théories rivales se sont battues presque sur un pied d’égalité. Certes, en 1955, le radioastronome anglais et futur lauréat du prix Nobel Martin Ryle a découvert que la densité de sources radio faibles à la périphérie cosmique est plus grande qu'à proximité de notre galaxie. Il a déclaré que ces résultats ne sont pas cohérents avec la cosmologie en régime permanent. Cependant, quelques années plus tard, ses collègues conclurent que Ryle avait exagéré les différences de densité, la question restait donc ouverte.

Mais au cours de sa vingtième année, la cosmologie de Hoyle commença à s'estomper rapidement. À cette époque, les astronomes avaient prouvé que la constante de Hubble était d'un ordre de grandeur inférieur aux estimations précédentes, ce qui permettait d'élever l'âge estimé de l'Univers à 10-20 milliards d'années ( évaluation moderne- 13,7 milliards d'années ± 200 millions). Et en 1965, Arno Penzias et Robert Wilson détectèrent les radiations prédites par Alfer et Herman et attirèrent ainsi immédiatement de nombreux partisans de la théorie du Big Bang.

Depuis quarante ans maintenant, cette théorie est considérée comme le modèle cosmologique standard et généralement accepté. Il y a aussi des concurrents d’âges différents, mais personne ne prend plus au sérieux la théorie de Hoyle. Même la découverte (en 1999) de l’accélération de l’expansion des galaxies, dont Hoyle, Bondi et Gold ont parlé, ne l’a pas aidée. Son temps est irrévocablement révolu.

Annonces de nouvelles

« Pour moi, la vie est trop courte pour me soucier de choses indépendantes de ma volonté et peut-être même impossibles. Alors ils demandent : « Et si la Terre était engloutie par un trou noir ou si une distorsion de l’espace-temps se produisait, est-ce une raison de s’inquiéter ? Ma réponse est non, car nous ne le saurons que lorsqu'il atteindra notre... notre place dans l'espace-temps. Nous subissons des secousses lorsque la nature décide que le moment est venu : qu'il s'agisse de la vitesse du son, de la vitesse de la lumière, de la vitesse des impulsions électriques, nous serons toujours victimes du décalage temporel entre l'information qui nous entoure et notre capacité à la recevoir.»

Neil deGrasse Tyson

Le temps est une chose incroyable. Cela nous donne le passé, le présent et le futur. À cause du temps, tout ce qui nous entoure a un âge. Par exemple, l’âge de la Terre est d’environ 4,5 milliards d’années. Il y a environ le même nombre d’années, l’étoile la plus proche de nous, le Soleil, a également pris feu. Si ce chiffre vous paraît ahurissant, n’oubliez pas que bien avant la formation de notre système Solaire natal, est apparue la galaxie dans laquelle nous vivons, la Voie Lactée. Selon les dernières estimations des scientifiques, l'âge de la Voie lactée est de 13,6 milliards d'années. Mais nous savons avec certitude que les galaxies ont aussi un passé et que l'espace est tout simplement immense, nous devons donc regarder encore plus loin. Et cette réflexion nous amène inévitablement au moment où tout a commencé : le Big Bang.

Einstein et l'Univers

La perception que les gens ont du monde qui les entoure a toujours été ambiguë. Certains ne croient toujours pas à l’existence d’un univers immense autour de nous, d’autres croient que la Terre est plate. Avant la percée scientifique du XXe siècle, il n’existait que quelques versions de l’origine du monde. Les adeptes d'opinions religieuses croyaient à l'intervention divine et à la création d'un esprit supérieur ; ceux qui n'étaient pas d'accord étaient parfois brûlés. Il y avait un autre côté qui croyait que le monde qui nous entoure, ainsi que l'Univers, est infini.

Pour beaucoup de gens, tout a changé lorsqu'Albert Einstein a prononcé un discours en 1917, présentant l'œuvre de sa vie – la Théorie générale de la relativité – au grand public. Le génie du XXe siècle a relié l'espace-temps à la matière de l'espace à l'aide des équations qu'il a dérivées. En conséquence, il s’est avéré que l’Univers est fini, de taille inchangée et a la forme d’un cylindre régulier.

À l’aube de la percée technique, personne ne pouvait réfuter les propos d’Einstein, car sa théorie était trop complexe, même pour les plus grands esprits du début du XXe siècle. Puisqu'il n'y avait pas d'autres options, le modèle d'un Univers stationnaire cylindrique a été accepté par la communauté scientifique comme le modèle généralement accepté de notre monde. Cependant, elle n’a pu vivre que quelques années. Après que les physiciens aient pu se remettre de travaux scientifiques Einstein et a commencé à les démonter, parallèlement à cela, des ajustements ont commencé à être apportés à la théorie de la relativité et aux calculs spécifiques du scientifique allemand.

En 1922, la revue Izvestia Physics publie soudain un article du mathématicien russe Alexander Friedman, dans lequel il déclare qu'Einstein s'est trompé et que notre Univers n'est pas stationnaire. Friedman explique que les affirmations du scientifique allemand concernant l’invariabilité du rayon de courbure de l’espace sont des idées fausses ; en fait, le rayon change en fonction du temps. En conséquence, l’Univers doit s’étendre.

De plus, Friedman a donné ici ses hypothèses sur la manière exacte dont l’Univers pourrait s’étendre. Il y avait trois modèles au total : un Univers pulsé (l'hypothèse selon laquelle l'Univers se dilate et se contracte avec une certaine périodicité dans le temps) ; l'Univers en expansion à partir de la masse et le troisième modèle – l'expansion à partir d'un point. Puisqu'à cette époque il n'existait pas d'autres modèles, à l'exception de l'intervention divine, les physiciens ont rapidement pris note des trois modèles de Friedman et ont commencé à les développer dans leur propre direction.

Les travaux du mathématicien russe ont légèrement piqué Einstein et, la même année, il a publié un article dans lequel il exprimait ses commentaires sur les travaux de Friedmann. Dans ce document, un physicien allemand tente de prouver l'exactitude de ses calculs. Cela s'est avéré plutôt peu convaincant, et lorsque la douleur causée par le coup porté à l'estime de soi s'est un peu calmée, Einstein a publié une autre note dans la revue Izvestia Physics, dans laquelle il dit :

« Dans un article précédent, j'ai critiqué le travail ci-dessus. Cependant, ma critique, comme j'en ai été convaincu par la lettre de Friedman que M. Krutkov m'a communiquée, reposait sur une erreur de calcul. Je pense que les résultats de Friedman sont corrects et apportent un nouvel éclairage».

Les scientifiques ont dû admettre que les trois modèles Friedman de l'apparition et de l'existence de notre Univers sont absolument logiques et ont droit à la vie. Tous les trois sont expliqués avec des calculs mathématiques clairs et ne laissent aucune question posée. Sauf une chose : pourquoi l’Univers commencerait-il à s’étendre ?

La théorie qui a changé le monde

Les déclarations d'Einstein et de Friedman ont amené la communauté scientifique à remettre sérieusement en question l'origine de l'Univers. Grâce à théorie générale la relativité avait une chance d’éclairer notre passé, et les physiciens n’ont pas manqué d’en profiter. L'un des scientifiques qui ont tenté de présenter un modèle de notre monde était l'astrophysicien belge Georges Lemaitre. Il est à noter que Lemaître était un prêtre catholique, mais en même temps il étudiait les mathématiques et la physique, ce qui est une véritable absurdité pour notre époque.

Georges Lemaître s'est intéressé aux équations d'Einstein et, avec leur aide, il a pu calculer que notre Univers est apparu à la suite de la désintégration d'une certaine superparticule, qui se trouvait en dehors de l'espace et du temps avant le début de la fission, ce qui peut en fait être considéré comme un explosion. Parallèlement, les physiciens notent que Lemaître fut le premier à faire la lumière sur la naissance de l'Univers.

La théorie d'un superatome explosé convenait non seulement aux scientifiques, mais aussi au clergé, très mécontent des découvertes scientifiques modernes, pour lesquelles ils devaient proposer de nouvelles interprétations de la Bible. Le Big Bang n'est pas entré en conflit significatif avec la religion ; cela a peut-être été influencé par l'éducation de Lemaître lui-même, qui a consacré sa vie non seulement à la science, mais aussi au service de Dieu.

Le 22 novembre 1951, le pape Pie XII a déclaré que la théorie du Big Bang n'était pas en conflit avec la Bible et le dogme catholique sur l'origine du monde. Le clergé orthodoxe a également déclaré qu’il considérait cette théorie de manière positive. Cette théorie a également été accueillie de manière relativement neutre par les adeptes d'autres religions, certains d'entre eux ont même déclaré qu'il y avait des références au Big Bang dans leurs écritures sacrées.

Cependant, malgré le fait que la théorie Big Bang est actuellement le modèle cosmologique généralement accepté, il a conduit de nombreux scientifiques dans une impasse. D'une part, l'explosion d'une superparticule s'inscrit parfaitement dans la logique de la physique moderne, mais d'autre part, à la suite d'une telle explosion, seuls des métaux lourds, en particulier du fer, pourraient être formés. Mais il s'est avéré que l'Univers est principalement constitué de gaz ultra-légers - l'hydrogène et l'hélium. Quelque chose n’allait pas, alors les physiciens ont continué à travailler sur la théorie de l’origine du monde.

Au départ, le terme « Big Bang » n’existait pas. Lemaître et d’autres physiciens n’ont proposé que le nom ennuyeux de « modèle évolutif dynamique », qui a fait bâiller les étudiants. Ce n'est qu'en 1949, lors d'une de ses conférences, que l'astronome et cosmologue britannique Freud Hoyle déclara :

"Cette théorie repose sur l'hypothèse que l'Univers est né au cours d'une seule et puissante explosion et n'existe donc que pour un temps fini... Cette idée d'un Big Bang me semble totalement insatisfaisante.".

Depuis, le terme s'est largement répandu dans les milieux scientifiques et dans la compréhension par le grand public de la structure de l'Univers.

D'où viennent l'hydrogène et l'hélium ?

La présence d’éléments légers a dérouté les physiciens et de nombreux adeptes de la théorie du Big Bang ont entrepris d’en trouver la source. Pendant de nombreuses années, ils n'ont pas réussi à obtenir beaucoup de succès, jusqu'à ce qu'en 1948 le brillant scientifique Georgiy Gamow de Leningrad parvienne enfin à établir cette source. Gamow était l'un des étudiants de Friedman, il se chargea donc volontiers du développement de la théorie de son professeur.

Gamow a essayé d'imaginer la vie de l'Univers dans la direction opposée et a remonté le temps jusqu'au moment où il commençait tout juste à s'étendre. À cette époque, comme nous le savons, l’humanité avait déjà découvert les principes de la fusion thermonucléaire, de sorte que la théorie de Friedmann-Lemaître a acquis le droit à la vie. Lorsque l’Univers était très petit, il faisait très chaud, selon les lois de la physique.

Selon Gamow, juste une seconde après le Big Bang, l'espace du nouvel Univers était rempli de particules élémentaires qui commençaient à interagir les unes avec les autres. En conséquence, la fusion thermonucléaire de l'hélium a commencé, que le mathématicien d'Odessa Ralph Asher Alfer a pu calculer pour Gamow. Selon les calculs d'Alfer, cinq minutes seulement après le Big Bang, l'Univers était tellement rempli d'hélium que même les plus fervents opposants à la théorie du Big Bang devront accepter et accepter ce modèle comme le principal de la cosmologie. Grâce à ses recherches, Gamow a non seulement ouvert de nouvelles voies pour étudier l'Univers, mais a également ressuscité la théorie de Lemaître.

Malgré les stéréotypes sur les scientifiques, on ne peut nier leur romantisme. Gamow a publié ses recherches sur la théorie de l'univers superchaud au moment du Big Bang en 1948 dans son ouvrage « L'origine des éléments chimiques ». En tant que collègues assistants, il a indiqué non seulement Ralph Asher Alpher, mais également Hans Bethe, astrophysicien américain et futur lauréat du prix Nobel. Sur la couverture du livre, il s'est avéré : Alpher, Bethe, Gamow. Cela ne vous rappelle rien ?

Cependant, malgré le fait que les travaux de Lemaître aient reçu une seconde vie, les physiciens ne parvenaient toujours pas à répondre à la question la plus passionnante : que s’est-il passé avant le Big Bang ?

Tentatives de ressusciter l'univers stationnaire d'Einstein

Tous les scientifiques n'étaient pas d'accord avec la théorie de Friedmann-Lemaitre, mais malgré cela, ils ont dû enseigner le modèle cosmologique généralement accepté dans les universités. Par exemple, l’astronome Fred Hoyle, qui a lui-même inventé le terme « Big Bang », croyait en réalité qu’il n’y avait pas eu d’explosion et a consacré sa vie à tenter de le prouver.
Hoyle est devenu l'un de ces scientifiques qui, à notre époque, proposent une vision alternative du monde moderne. La plupart des physiciens sont plutôt indifférents aux déclarations de ces personnes, mais cela ne les dérange pas du tout.

Pour faire honte à Gamow et à sa justification de la théorie du Big Bang, Hoyle et des personnes partageant les mêmes idées ont décidé de développer leur propre modèle de l'origine de l'Univers. Comme base, ils ont pris les propositions d'Einstein selon lesquelles l'Univers est stationnaire et ont procédé à quelques ajustements en suggérant d'autres raisons pour l'expansion de l'Univers.

Si les adeptes de la théorie de Lemaitre-Friedmann croyaient que l'Univers était né d'un seul point superdense avec un rayon infinitésimal, alors Hoyle suggérait que la matière se formait constamment à partir de points situés entre des galaxies s'éloignant les unes des autres. Dans le premier cas, l’Univers entier, avec son nombre infini d’étoiles et de galaxies, a été formé à partir d’une seule particule. Dans un autre cas, un point fournit suffisamment de substance pour produire une seule galaxie.

L'échec de la théorie de Hoyle est qu'il n'a jamais été capable d'expliquer d'où vient la substance même qui continue de créer des galaxies contenant des centaines de milliards d'étoiles. En fait, Fred Hoyle a suggéré que tout le monde croit que la structure de l’univers surgit de nulle part. Malgré le fait que de nombreux physiciens ont tenté de trouver une solution à la théorie de Hoyle, personne n'y est parvenu et après quelques décennies, cette proposition a perdu de sa pertinence.

Questions sans réponse

En fait, la théorie du Big Bang ne nous apporte pas non plus de réponses à de nombreuses questions. Par exemple, dans l'esprit personne ordinaire Nous ne pouvons pas comprendre le fait que toute la matière qui nous entoure était autrefois compressée en un seul point de singularité, dont la taille est beaucoup plus petite qu'un atome. Et comment se fait-il que cette superparticule se réchauffe à un point tel qu'une réaction d'explosion se déclenche.

Jusqu'au milieu du XXe siècle, la théorie de l'expansion de l'Univers n'a jamais été confirmée expérimentalement et n'était donc pas répandue dans le monde. les établissements d'enseignement. Tout a changé en 1964, lorsque deux astrophysiciens américains, Arno Penzias et Robert Wilson, ont décidé d'étudier les signaux radio provenant du ciel étoilé.

En scannant le rayonnement des corps célestes, à savoir Cassiopée A (l'un des les sources les plus puissantesémission radio dans le ciel étoilé), les scientifiques ont remarqué des bruits parasites qui interféraient constamment avec l'enregistrement de données précises sur l'émission. Partout où ils pointaient leur antenne, quelle que soit l’heure de la journée à laquelle ils commençaient leurs recherches, ce bruit caractéristique et constant les suivait toujours. Irrités dans une certaine mesure, Penzias et Wilson ont décidé d'étudier la source de ce bruit et ont fait de manière inattendue une découverte qui a changé le monde. Ils ont découvert des radiations reliques, qui sont un écho de ce même Big Bang.

Notre Univers se refroidit beaucoup plus lentement qu'une tasse de thé chaud, et le CMB suggère que la matière qui nous entoure était autrefois très chaude et qu'elle se refroidit maintenant à mesure que l'Univers s'étend. Ainsi, toutes les théories liées à l’Univers froid ont été abandonnées et la théorie du Big Bang a finalement été adoptée.

Dans ses écrits, Georgy Gamow supposait que dans l'espace, il serait possible de détecter les photons qui existent depuis le Big Bang ; il suffirait d'un équipement technique plus avancé. Le rayonnement relique a confirmé toutes ses hypothèses concernant l'existence de l'Univers. Il a également été possible d'établir que l'âge de notre Univers est d'environ 14 milliards d'années.

Comme toujours, avec la preuve pratique d’une théorie, de nombreuses opinions alternatives surgissent immédiatement. Certains physiciens ont ridiculisé la découverte du rayonnement cosmique de fond micro-onde en la qualifiant de preuve du Big Bang. Même si Penzias et Wilson ont remporté le prix Nobel pour leur découverte historique, nombreux sont ceux qui étaient en désaccord avec leurs recherches.

Les principaux arguments en faveur de l’échec de l’expansion de l’Univers étaient des incohérences et des erreurs logiques. Par exemple, l’explosion a également accéléré toutes les galaxies de l’espace, mais au lieu de s’éloigner de nous, la galaxie d’Andromède se rapproche lentement mais sûrement de la Voie lactée. Les scientifiques suggèrent que ces deux galaxies entreront en collision dans seulement 4 milliards d’années. Malheureusement, l’humanité est encore trop jeune pour répondre à cette question et à d’autres.

Théorie de l'équilibre

De nos jours, les physiciens proposent différents modèles de l'existence de l'Univers. Beaucoup d’entre eux ne supportent même pas de simples critiques, tandis que d’autres ont droit à la vie.

À la fin du XXe siècle, l'astrophysicien américain Edward Tryon et son collègue australien Warren Kerry ont proposé une théorie fondamentale. nouveau modèle Univers, et je l'ai fait indépendamment les uns des autres. Les scientifiques ont basé leurs recherches sur l’hypothèse que tout dans l’Univers est équilibré. La masse détruit l'énergie et vice versa. Ce principe a commencé à être appelé le principe de l'Univers Zéro. Au sein de cet Univers, la nouvelle matière apparaît aux points de singularité entre les galaxies, où l'attraction et la répulsion de la matière s'équilibrent.

La théorie de l'Univers Zéro n'a pas été réduite en miettes car après un certain temps, les scientifiques ont pu découvrir l'existence de la matière noire - une substance mystérieuse qui constitue près de 27 % de notre Univers. Un autre 68,3 % de l’Univers est constitué d’énergie sombre plus mystérieuse et plus mystérieuse.

Ce sont les effets gravitationnels de l’énergie noire qui auraient accéléré l’expansion de l’Univers. À propos, la présence d'énergie sombre dans l'espace a été prédite par Einstein lui-même, qui a vu que quelque chose dans ses équations ne convergeait pas : l'Univers ne pouvait pas être rendu stationnaire. Par conséquent, il a introduit la constante cosmologique dans les équations - le terme Lambda, pour lequel il s'est ensuite reproché et détesté à plusieurs reprises.

Il se trouve que l’espace théoriquement vide de l’Univers est néanmoins rempli d’un champ spécial, qui met en œuvre le modèle d’Einstein. Dans un esprit sobre et selon la logique de l'époque, l'existence d'un tel champ était tout simplement impossible, mais en réalité, le physicien allemand ne savait tout simplement pas comment décrire l'énergie noire.

***
Nous ne saurons peut-être jamais comment et d’où est né notre Univers. Il sera encore plus difficile d’établir ce qui s’est passé avant son existence. Les gens ont tendance à craindre ce qu’ils ne peuvent pas expliquer. Il est donc possible que jusqu’à la fin des temps, l’humanité croie également à l’influence divine dans la création du monde qui nous entoure.

12. Qu’est-ce qui a causé le Big Bang ?

Le paradoxe de l'émergence

Pas une seule des conférences sur la cosmologie que j’ai lues n’était complète sans la question de savoir quelle était la cause du Big Bang ? Jusqu'à il y a quelques années, je ne connaissais pas la vraie réponse ; aujourd'hui, je crois, il est célèbre.

Essentiellement, cette question contient deux questions sous une forme voilée. Premièrement, nous aimerions savoir pourquoi le développement de l’Univers a commencé par une explosion et quelle est la cause de cette explosion en premier lieu. Mais derrière le problème purement physique se cache un autre problème plus profond, d’ordre philosophique. Si le Big Bang marque le début de l'existence physique de l'Univers, y compris l'émergence de l'espace et du temps, alors dans quel sens peut-on parler de ce qui a causé cette explosion ?

Du point de vue de la physique, l'émergence soudaine de l'Univers à la suite d'une gigantesque explosion semble en quelque sorte paradoxale. Des quatre interactions qui régissent le monde, seule la gravité se manifeste à l’échelle cosmique et, comme le montre notre expérience, la gravité a la nature de l’attraction. Cependant, l’explosion qui a marqué la naissance de l’Univers a apparemment nécessité une force répulsive d’une ampleur incroyable, qui pourrait déchirer le cosmos et provoquer son expansion, qui se poursuit encore aujourd’hui.

Cela semble étrange, car si les forces gravitationnelles dominent dans l'Univers, celui-ci ne devrait pas s'étendre, mais se contracter. En effet, les forces d’attraction gravitationnelles font rétrécir les objets physiques plutôt que d’exploser. Par exemple, une étoile très dense perd sa capacité à résister à son propre poids et s’effondre, formant une étoile à neutrons ou un trou noir. Le degré de compression de la matière au tout début de l’Univers était nettement supérieur à celui de l’étoile la plus dense ; Par conséquent, la question se pose souvent de savoir pourquoi le cosmos primordial ne s’est pas effondré dès le début dans un trou noir.

La réponse habituelle à cette question est que l’explosion primaire doit simplement être considérée comme condition initiale. Cette réponse est clairement insatisfaisante et prête à confusion. Bien sûr, sous l’influence de la gravité, le taux d’expansion cosmique n’a cessé de diminuer depuis le tout début, mais au moment de sa naissance, l’Univers se développait à une vitesse infinie. L'explosion n'a été provoquée par aucune force - le développement de l'Univers a simplement commencé par l'expansion. Si l’explosion avait été moins forte, la gravité aurait très vite empêché la propagation de la matière. En conséquence, l’expansion céderait la place à une compression, qui deviendrait catastrophique et transformerait l’Univers en quelque chose de semblable à un trou noir. Mais en réalité, l'explosion s'est avérée assez « grande », ce qui a permis à l'Univers, après avoir surmonté sa propre gravité, soit de continuer à s'étendre pour toujours grâce à la force de l'explosion primaire, soit au moins d'exister pendant plusieurs milliards d’années avant d’être comprimé et de disparaître dans l’oubli.

Le problème de cette image traditionnelle est qu’elle n’explique en rien le Big Bang. La propriété fondamentale de l'Univers est encore une fois simplement interprétée comme la condition initiale acceptée ad hoc(pour ce cas); Essentiellement, il indique seulement que le Big Bang a eu lieu. On ne sait toujours pas pourquoi la force de l’explosion était exactement la même et non une autre. Pourquoi l'explosion n'a-t-elle pas été encore plus forte, de sorte que l'Univers s'étend beaucoup plus rapidement maintenant ? On pourrait également se demander pourquoi l’Univers ne s’étend pas actuellement beaucoup plus lentement, voire ne se contracte pas du tout. Bien sûr, si l’explosion n’était pas assez puissante, l’Univers s’effondrerait bientôt et il n’y aurait personne pour poser de telles questions. Il est toutefois peu probable qu’un tel raisonnement puisse être considéré comme une explication.

Après une analyse plus approfondie, il s'avère que le paradoxe de l'origine de l'Univers est en réalité encore plus complexe que celui décrit ci-dessus. Des mesures minutieuses montrent que le taux d’expansion de l’Univers est très proche de la valeur critique à laquelle l’Univers est capable de surmonter sa propre gravité et de s’étendre pour toujours. Si cette vitesse était un peu inférieure, l'effondrement de l'Univers aurait eu lieu, et si elle était un peu supérieure, la matière cosmique se serait complètement dissipée depuis longtemps. Il sera intéressant de découvrir avec quelle précision le taux d’expansion de l’Univers s’inscrit dans cet intervalle acceptable très étroit entre deux catastrophes possibles. Si, à un instant correspondant à 1 s, alors que le schéma d'expansion était déjà clairement défini, le taux d'expansion s'écartait de sa valeur réelle de plus de 10^-18, cela suffirait à perturber complètement l'équilibre délicat. Ainsi, la force de l’explosion de l’Univers correspond avec une précision presque incroyable à son interaction gravitationnelle. Le Big Bang n’est donc pas simplement une explosion lointaine : c’était une explosion d’une force très spécifique. DANS version traditionnelle La théorie du Big Bang doit accepter non seulement le fait de l’explosion elle-même, mais aussi le fait que l’explosion s’est produite de manière extrêmement capricieuse. Autrement dit, les conditions initiales s’avèrent extrêmement particulières.

Le taux d’expansion de l’Univers n’est qu’un des nombreux mystères cosmiques évidents. L’autre est liée à l’image de l’expansion de l’Univers dans l’espace. D'après les observations modernes. L'univers à grande échelle est extrêmement homogène en termes de répartition de la matière et de l'énergie. La structure globale de l’espace est presque la même lorsqu’elle est observée depuis la Terre et depuis une galaxie lointaine. Les galaxies sont dispersées dans l'espace avec la même densité moyenne, et depuis chaque point, l'Univers se ressemble dans toutes les directions. Le rayonnement thermique primaire qui remplit l'Univers tombe sur la Terre, ayant la même température dans toutes les directions avec une précision d'au moins 10-4. En arrivant jusqu'à nous, ce rayonnement parcourt l'espace sur des milliards d'années-lumière et porte l'empreinte de tout écart d'homogénéité qu'il rencontre.

L’homogénéité à grande échelle de l’Univers se maintient à mesure que l’Univers s’étend. Il s’ensuit que l’expansion se produit de manière uniforme et isotrope avec un très haut degré de précision. Cela signifie que le taux d’expansion de l’Univers est non seulement le même dans toutes les directions, mais également constant dans les différentes régions. Si l’Univers s’étendait plus rapidement dans une direction que dans d’autres, cela entraînerait une diminution de la température du rayonnement thermique de fond dans cette direction et modifierait le modèle de mouvement des galaxies visible depuis la Terre. Ainsi, l'évolution de l'Univers n'a pas seulement commencé par une explosion d'une force strictement définie - l'explosion était clairement « organisée », c'est-à-dire se sont produits simultanément, avec exactement la même force en tous points et dans toutes les directions.

Il est extrêmement improbable qu’une telle éruption simultanée et coordonnée puisse se produire de manière purement spontanée, et ce doute est renforcé dans la théorie traditionnelle du Big Bang par le fait que les différentes régions du cosmos primordial ne sont pas causalement liées les unes aux autres. Le fait est que, selon la théorie de la relativité, aucun effet physique ne peut se propager plus rapidement que la lumière. Par conséquent, différentes régions de l’espace ne peuvent devenir causalement liées les unes aux autres qu’après un certain laps de temps. Par exemple, 1 s après l'explosion, la lumière peut parcourir une distance ne dépassant pas une seconde-lumière, ce qui correspond à 300 000 km. Les régions de l'Univers séparées par une grande distance ne s'influenceront toujours pas après 1 s. Mais à ce moment-là, la région de l’Univers que nous avons observée occupait déjà un espace d’au moins 10^14 km de diamètre. Par conséquent, l’Univers se composait d’environ 10^27 régions sans relation causale les unes avec les autres, dont chacune se développait néanmoins exactement au même rythme. Aujourd'hui encore, en observant le rayonnement thermique cosmique provenant des côtés opposés du ciel étoilé, nous enregistrons exactement les mêmes « empreintes digitales » de régions de l'Univers séparées par d'énormes distances : ces distances s'avèrent être plus de 90 fois supérieures à la distance parcourue par la lumière. pouvait voyager à partir du moment où le rayonnement thermique était émis.

Comment expliquer une cohérence si remarquable de différentes zones de l’espace qui, évidemment, n’ont jamais été connectées les unes aux autres ? Comment un tel comportement similaire est-il apparu ? La réponse traditionnelle fait à nouveau référence à des conditions initiales particulières. L'exceptionnelle homogénéité des propriétés de l'explosion primaire est considérée simplement comme un fait : c'est ainsi qu'est né l'Univers.

L’homogénéité de l’Univers à grande échelle semble encore plus mystérieuse si l’on considère qu’à petite échelle, l’Univers n’est en aucun cas homogène. L'existence de galaxies individuelles et d'amas de galaxies indique un écart par rapport à la stricte homogénéité, et cet écart est également partout le même en termes d'échelle et de magnitude. Étant donné que la gravité a tendance à agrandir toute accumulation initiale de matière, le degré d’hétérogénéité requis pour former des galaxies était bien moindre lors du Big Bang qu’il ne l’est aujourd’hui. Cependant, il doit y avoir encore une légère inhomogénéité dans la phase initiale du Big Bang, sinon les galaxies ne se seraient jamais formées. Dans l’ancienne théorie du Big Bang, ces premières discontinuités étaient également attribuées aux « conditions initiales ». Ainsi, nous avons dû croire que le développement de l'Univers n'a pas commencé à partir d'un état tout à fait idéal, mais à partir d'un état extrêmement inhabituel.

Tout ce qui a été dit peut être résumé ainsi : si la seule force dans l’Univers est l’attraction gravitationnelle, alors le Big Bang doit être interprété comme « envoyé de Dieu », c’est-à-dire sans cause, avec des conditions initiales données. Il se caractérise également par une régularité remarquable ; pour arriver à la structure actuelle, l’Univers doit avoir évolué correctement depuis le tout début. C'est le paradoxe de l'origine de l'Univers.

Recherche d'antigravité

Le paradoxe de l'origine de l'Univers n'a été résolu que ces dernières années ; cependant, l'idée de base de la solution remonte à une histoire lointaine, à une époque où ni la théorie de l'expansion de l'Univers ni la théorie du Big Bang n'existaient. Newton a également compris à quel point le problème de la stabilité de l'Univers était difficile. Comment les étoiles maintiennent-elles leur position dans l’espace sans support ? La nature universelle de l’attraction gravitationnelle aurait dû conduire à rassembler les étoiles en amas proches les uns des autres.

Pour éviter cette absurdité, Newton a eu recours à un raisonnement très curieux. Si l’Univers devait s’effondrer sous l’effet de sa propre gravité, chaque étoile « tomberait » vers le centre de l’amas d’étoiles. Supposons cependant que l’Univers soit infini et que les étoiles soient réparties, en moyenne, uniformément sur un espace infini. Dans ce cas, il n'y aurait aucun centre commun vers lequel toutes les étoiles pourraient tomber - après tout, dans univers infini toutes les zones sont identiques. Toute étoile subirait l'influence de l'attraction gravitationnelle de tous ses voisins, mais en raison de la moyenne de ces influences dans diverses directions, il n'y aurait aucune force résultante tendant à déplacer une étoile donnée vers une certaine position par rapport à l'ensemble des étoiles. .

Lorsqu’Einstein a créé une nouvelle théorie de la gravité 200 ans après Newton, il était également intrigué par la question de savoir comment l’Univers évitait l’effondrement. Son premier ouvrage sur la cosmologie a été publié avant que Hubble ne découvre l'expansion de l'Univers ; par conséquent, Einstein, comme Newton, supposait que l’Univers était statique. Cependant, Einstein a tenté de résoudre le problème de la stabilité de l’Univers d’une manière beaucoup plus directe. Il croyait que pour empêcher l'effondrement de l'Univers sous l'influence de sa propre gravité, il devait exister une autre force cosmique capable de résister à la gravité. Cette force doit être une force répulsive plutôt qu’attractive pour compenser l’attraction gravitationnelle. En ce sens, une telle force pourrait être qualifiée d’« antigravitationnelle », même s’il serait plus correct de parler de force de répulsion cosmique. Dans ce cas, Einstein n’a pas inventé cette force de manière arbitraire. Il a montré qu'il est possible d'introduire un terme supplémentaire dans ses équations du champ gravitationnel, ce qui conduit à l'apparition d'une force ayant les propriétés souhaitées.

Malgré le fait que l'idée d'une force répulsive s'opposant à la force de gravité soit en soi assez simple et naturelle, en réalité les propriétés d'une telle force s'avèrent complètement inhabituelles. Bien entendu, aucune force de ce type n’a été observée sur Terre, et aucune trace de celle-ci n’a été découverte au cours de plusieurs siècles d’astronomie planétaire. Évidemment, si la force de répulsion cosmique existe, elle ne devrait alors avoir aucun effet notable à de petites distances, mais sa magnitude augmente considérablement à l'échelle astronomique. Ce comportement contredit toutes les expériences antérieures dans l'étude de la nature des forces : elles sont généralement intenses à courte distance et s'affaiblissent à mesure que la distance augmente. Ainsi, les interactions électromagnétiques et gravitationnelles diminuent continuellement selon la loi du carré inverse. Cependant, dans la théorie d'Einstein, une force apparaissait naturellement avec une telle propriétés inhabituelles.

Il ne faut pas considérer la force de répulsion cosmique introduite par Einstein comme la cinquième interaction dans la nature. C'est juste une étrange manifestation de la gravité elle-même. Il n'est pas difficile de montrer que les effets de la répulsion cosmique peuvent être attribués à la gravité ordinaire si un milieu aux propriétés inhabituelles est choisi comme source du champ gravitationnel. Un milieu matériel ordinaire (par exemple un gaz) exerce une pression, alors que le milieu hypothétique discuté ici devrait avoir négatif pression ou tension. Pour imaginer plus clairement de quoi nous parlons, imaginons que nous parvenions à remplir un récipient d’une telle substance cosmique. Ensuite, contrairement au gaz ordinaire, l’environnement spatial hypothétique n’exercera pas de pression sur les parois du vaisseau, mais aura tendance à les attirer à l’intérieur du vaisseau.

Ainsi, on peut considérer la répulsion cosmique comme une sorte de complément à la gravité, ou comme un phénomène dû à la gravité ordinaire inhérente à un milieu gazeux invisible qui remplit tout l'espace et a une pression négative. Il n’y a aucune contradiction dans le fait que, d’une part, la pression négative semble aspirer à l’intérieur de la paroi du vaisseau et, d’autre part, cet environnement hypothétique repousse les galaxies au lieu de les attirer. Après tout, la répulsion est causée par la gravité de l’environnement et non par une action mécanique. Dans tous les cas, les forces mécaniques ne sont pas créées par la pression elle-même, mais par la différence de pression, mais on suppose que le milieu hypothétique remplit tout l’espace. Cela ne peut pas être limité les parois du navire, et un observateur dans cet environnement ne le percevrait pas du tout comme une substance tangible. L’espace aurait l’air complètement vide.

Malgré ces caractéristiques étonnantes de l'environnement hypothétique, Einstein a déclaré à un moment donné qu'il avait construit un modèle satisfaisant de l'Univers, dans lequel un équilibre était maintenu entre l'attraction gravitationnelle et la répulsion cosmique qu'il avait découverte. À l’aide de calculs simples, Einstein a estimé l’ampleur de la force de répulsion cosmique nécessaire pour équilibrer la gravité dans l’Univers. Il a pu confirmer que la répulsion doit être si faible au sein du système solaire (et même à l’échelle de la Galaxie) qu’elle ne peut pas être détectée expérimentalement. Pendant un temps, il sembla que le mystère séculaire avait été brillamment résolu.

Cependant, la situation a ensuite empiré. Tout d’abord, le problème de la stabilité de l’équilibre se pose. L’idée fondamentale d’Einstein reposait sur un équilibre strict entre forces attractives et répulsives. Mais, comme dans de nombreux cas d’équilibre strict, des détails subtils sont également apparus. Si, par exemple, l'univers statique d'Einstein s'étendait un peu, alors l'attraction gravitationnelle (s'affaiblissant avec la distance) diminuerait légèrement, tandis que la force de répulsion cosmique (augmentait avec la distance) augmenterait légèrement. Cela conduirait à un déséquilibre en faveur des forces répulsives, ce qui provoquerait une expansion illimitée de l'Univers sous l'influence d'une répulsion conquérante. Si au contraire l'univers statique d'Einstein se rétrécissait légèrement, la force gravitationnelle augmenterait et la force de répulsion cosmique diminuerait, ce qui conduirait à un déséquilibre en faveur des forces d'attraction et, par conséquent, à un déséquilibre toujours plus grand. une compression plus rapide, et finalement à l'effondrement qu'Einstein pensait avoir évité. Ainsi, au moindre écart, le strict équilibre serait rompu, et une catastrophe cosmique serait inévitable.

Plus tard, en 1927, Hubble découvrit le phénomène de récession des galaxies (c'est-à-dire l'expansion de l'Univers), qui rendit le problème de l'équilibre vide de sens. Il est devenu clair que l'Univers ne risque pas de se comprimer ni de s'effondrer, puisqu'il est en expansion. Si Einstein n'avait pas été distrait par la recherche de la force de répulsion cosmique, il serait probablement parvenu théoriquement à cette conclusion, prédisant ainsi l'expansion de l'Univers une bonne dizaine d'années avant que les astronomes n'aient réussi à la découvrir. Une telle prédiction resterait sans aucun doute dans l’histoire des sciences comme l’une des plus remarquables (une telle prédiction a été faite sur la base de l’équation d’Einstein en 1922-1923 par le professeur A. A. Friedman de l’Université de Petrograd). En fin de compte, Einstein a dû renoncer avec colère à la répulsion cosmique, qu’il a ensuite considérée comme « la plus grande erreur de sa vie ». Toutefois, l’histoire n’est pas terminée.

Einstein a inventé la répulsion cosmique pour résoudre le problème inexistant d'un univers statique. Mais comme cela arrive toujours, une fois le génie sorti de la bouteille, il est impossible de le remettre. L’idée selon laquelle la dynamique de l’Univers pourrait être due à la confrontation entre les forces d’attraction et de répulsion a continué à perdurer. Et bien que les observations astronomiques n’aient fourni aucune preuve de l’existence de la répulsion cosmique, elles n’ont pas pu prouver son absence – elle pourrait tout simplement être trop faible pour se manifester.

Bien que les équations du champ gravitationnel d'Einstein tiennent compte de la présence d'une force répulsive, elles n'imposent pas de restrictions sur son ampleur. Instruit par une amère expérience, Einstein avait le droit de postuler que la grandeur de cette force est strictement égale à zéro, éliminant ainsi complètement la répulsion. Cependant, cela n’était en aucun cas nécessaire. Certains scientifiques ont jugé nécessaire de conserver la répulsion dans les équations, même si cela n'était plus nécessaire du point de vue du problème initial. Ces scientifiques pensaient qu’en l’absence de preuves adéquates, il n’y avait aucune raison de croire que la force répulsive était nulle.

Il n'était pas difficile de retracer les conséquences du maintien de la force répulsive dans le scénario d'un Univers en expansion. Aux premiers stades du développement, lorsque l’Univers est encore dans un état comprimé, la répulsion peut être négligée. Au cours de cette phase, l'attraction gravitationnelle a ralenti le taux d'expansion - en parfaite analogie avec la façon dont la gravité terrestre ralentit le mouvement d'une fusée lancée verticalement vers le haut. Si l’on admet sans explication que l’évolution de l’Univers a commencé par une expansion rapide, alors la gravité devrait constamment réduire le taux d’expansion jusqu’à la valeur observée actuellement. Au fil du temps, à mesure que la matière se dissipe, l’interaction gravitationnelle s’affaiblit. Au lieu de cela, la répulsion cosmique augmente à mesure que les galaxies continuent de s’éloigner les unes des autres. En fin de compte, la répulsion l’emportera sur l’attraction gravitationnelle et le taux d’expansion de l’Univers recommencera à augmenter. De là, nous pouvons conclure que la répulsion cosmique domine dans l’Univers et que son expansion se poursuivra pour toujours.

Les astronomes ont montré que ce comportement inhabituel de l'Univers, lorsque son expansion ralentit puis s'accélère à nouveau, devrait se refléter dans le mouvement observé des galaxies. Mais les observations astronomiques les plus minutieuses n’ont révélé aucune preuve convaincante d’un tel comportement, bien que des déclarations contraires soient faites de temps à autre.

Il est intéressant de noter que l'idée d'un Univers en expansion a été avancée par l'astronome néerlandais Wilem de Sitter en 1916 - plusieurs années avant que Hubble ne découvre expérimentalement ce phénomène. De Sitter a soutenu que si la matière ordinaire est retirée de l'Univers, alors l'attraction gravitationnelle disparaîtra et les forces répulsives régneront en maître dans l'espace. Cela entraînerait l’expansion de l’Univers – à l’époque, c’était une idée innovante.

Puisque l’observateur est incapable de percevoir l’étrange milieu gazeux invisible à pression négative, il lui semblera simplement que l’espace vide est en expansion. L'expansion a pu être détectée en accrochant les corps d'essai à différents endroits et en observant leur distance les uns par rapport aux autres. L’idée d’agrandir l’espace vide était considérée à l’époque comme une curiosité, même si, comme nous le verrons, elle s’est avérée prophétique.

Alors, quelle conclusion tirer de cette histoire ? Le fait que les astronomes ne détectent pas la répulsion cosmique ne peut pas encore servir de preuve logique de son absence dans la nature. Il est fort possible qu’il soit tout simplement trop faible pour être détecté par les instruments modernes. La précision de l'observation est toujours limitée et seule la limite supérieure de cette puissance peut donc être estimée. On pourrait opposer à cela que, d’un point de vue esthétique, les lois de la nature paraîtraient plus simples en l’absence de répulsion cosmique. De telles discussions ont duré de nombreuses années sans aboutir à des résultats définitifs, jusqu'à ce que soudain le problème soit abordé sous un angle complètement nouveau, ce qui lui a conféré une actualité inattendue.

Inflation : le Big Bang expliqué

Dans les sections précédentes, nous avons dit que si la force de répulsion cosmique existe, alors elle doit être très faible, si faible qu’elle n’aurait aucun effet significatif sur le Big Bang. Cependant, cette conclusion repose sur l’hypothèse que l’ampleur de la répulsion ne change pas avec le temps. A l'époque d'Einstein, cette opinion était partagée par tous les scientifiques, depuis que la répulsion cosmique a été introduite dans la théorie « artificielle ». Il n’est jamais venu à l’esprit de personne que la répulsion cosmique pouvait être appelé d'autres processus physiques qui surviennent à mesure que l'Univers se développe. Si une telle possibilité avait été offerte, la cosmologie aurait pu se révéler différente. En particulier, un scénario d'évolution de l'Univers n'est pas exclu, qui suppose que dans les conditions extrêmes des premiers stades de l'évolution, la répulsion cosmique a prévalu sur la gravité pendant un moment, provoquant l'explosion de l'Univers, après quoi son rôle était pratiquement réduit à zéro.

Ce grande imageémerge de travaux récents sur l’étude du comportement de la matière et des forces aux tout premiers stades du développement de l’Univers. Il est devenu clair que la gigantesque répulsion cosmique était le résultat inévitable de l’action de la Superpuissance. Ainsi, « l’antigravité » qu’Einstein avait envoyée par la porte est revenue par la fenêtre !

La clé pour comprendre la nouvelle découverte de la répulsion cosmique vient de la nature du vide quantique. Nous avons vu comment une telle répulsion peut être provoquée par un milieu invisible inhabituel, impossible à distinguer de l'espace vide, mais possédant une pression négative. Aujourd’hui, les physiciens pensent que le vide quantique possède précisément ces propriétés.

Au chapitre 7, il a été noté que le vide devait être considéré comme une sorte d'« enzyme » d'activité quantique, regorgeant de particules virtuelles et saturée d'interactions complexes. Il est très important de comprendre que dans la description quantique, le vide joue un rôle déterminant. Ce que nous appelons particules ne sont que des perturbations rares, comme des « bulles » à la surface de tout un océan d’activité.

À la fin des années 70, il est devenu évident que l’unification des quatre interactions nécessite une révision complète des idées sur la nature physique du vide. La théorie suggère que l’énergie du vide ne se manifeste pas sans ambiguïté. En termes simples, un vide peut être excité et se trouver dans l’un des nombreux états avec des énergies très variables, tout comme un atome peut être excité pour passer à des niveaux d’énergie plus élevés. Ces états propres du vide - si nous pouvions les observer - auraient exactement la même apparence, bien qu'ils aient des propriétés complètement différentes.

Tout d’abord, l’énergie contenue dans le vide circule en quantités énormes d’un état à un autre. Dans les théories de la Grande Unification, par exemple, la différence entre les énergies les plus basses et les plus élevées du vide est inimaginablement grande. Pour avoir une idée de l'ampleur gigantesque de ces quantités, estimons l'énergie dégagée par le Soleil sur toute la durée de son existence (environ 5 milliards d'années). Imaginons que toute cette quantité colossale d’énergie émise par le Soleil soit contenue dans une région de l’espace plus petite que le système solaire. Les densités d'énergie atteintes dans ce cas sont proches des densités d'énergie correspondant à l'état de vide dans le TVO.

Outre d’énormes différences d’énergie, les différents états du vide correspondent à des différences de pression tout aussi gigantesques. Mais c'est là que réside le « truc » : toutes ces pressions - négatif. Le vide quantique se comporte exactement comme l'environnement hypothétique mentionné précédemment qui crée une répulsion cosmique, mais cette fois les pressions numériques sont si grandes que la répulsion est 10^120 fois supérieure à la force dont Einstein avait besoin pour maintenir l'équilibre dans un univers statique.

La voie est désormais ouverte pour expliquer le Big Bang. Supposons qu’au début l’Univers était dans un état de vide excité, appelé « faux » vide. Dans cet état, il y avait une répulsion cosmique dans l’Univers d’une telle ampleur qu’elle provoquerait une expansion incontrôlée et rapide de l’Univers. Essentiellement, dans cette phase, l’Univers correspondrait au modèle de De Sitter discuté dans la section précédente. La différence, cependant, est que pour de Sitter, l’Univers s’étend tranquillement sur des échelles de temps astronomiques, tandis que la « phase de Sitter » dans l’évolution de l’Univers à partir du « faux » vide quantique est en réalité loin d’être calme. Le volume d'espace occupé par l'Univers devrait dans ce cas doubler toutes les 10^-34 s (ou un intervalle de temps du même ordre).

Une telle superexpansion de l’Univers a un certain nombre de conséquences. traits caractéristiques: toutes les distances augmentent selon la loi exponentielle (nous avons déjà rencontré la notion d'exponentielle au chapitre 4). Cela signifie que toutes les 10 ^ -34 s, toutes les régions de l'Univers doublent leur taille, puis ce processus de doublement se poursuit selon une progression géométrique. Ce type d'agrandissement a été envisagé pour la première fois en 1980. Alan Guth du MIT (Massachusetts Institute of Technology, USA), a été qualifié d'« inflation ». En raison de l’expansion extrêmement rapide et en accélération continue, il s’avérerait très bientôt que toutes les parties de l’Univers s’effondreraient, comme lors d’une explosion. Et c'est le Big Bang !

Mais d’une manière ou d’une autre, la phase d’inflation doit prendre fin. Comme dans tous les systèmes quantiques excités, le « faux » vide est instable et a tendance à se désintégrer. Lorsque la décomposition se produit, la répulsion disparaît. Cela conduit à son tour à la cessation de l’inflation et à la transition de l’Univers vers le pouvoir d’attraction gravitationnelle ordinaire. Bien entendu, l’Univers continuerait dans ce cas à s’étendre grâce à l’impulsion initiale acquise pendant la période d’inflation, mais le taux d’expansion diminuerait régulièrement. Ainsi, la seule trace qui a survécu à ce jour de la répulsion cosmique est un ralentissement progressif de l'expansion de l'Univers.

Selon le « scénario inflationniste », l’Univers a commencé son existence dans un état de vide, dépourvu de matière et de rayonnement. Mais même s’ils étaient présents au départ, leurs traces se perdraient rapidement en raison de l’énorme taux d’expansion pendant la phase d’inflation. Dans le laps de temps extrêmement court correspondant à cette phase, la région de l’espace qui occupe aujourd’hui tout l’Univers observable est passée d’un milliardième de la taille d’un proton à plusieurs centimètres. La densité de toute substance qui existait à l’origine deviendrait effectivement nulle.

Ainsi, à la fin de la phase d’inflation, l’Univers était vide et froid. Cependant, lorsque l’inflation s’est tarie, l’Univers est soudainement devenu extrêmement « chaud ». Cet éclat de chaleur qui a illuminé l’espace est dû aux énormes réserves d’énergie contenues dans le « faux » vide. Lorsque l’état de vide s’est dégradé, son énergie a été libérée sous forme de rayonnement, ce qui a instantanément chauffé l’Univers à environ 10^27 K, ce qui est suffisant pour que les processus dans le GUT se produisent. À partir de ce moment, l’Univers s’est développé selon la théorie standard du Big Bang « chaud ». Grâce à l'énergie thermique, la matière et l'antimatière sont apparues, puis l'Univers a commencé à se refroidir et progressivement tous ses éléments observés aujourd'hui ont commencé à « geler ».

Le problème difficile est donc de savoir ce qui a causé le Big Bang ? - réussi à résoudre en utilisant la théorie de l'inflation ; l'espace vide a explosé spontanément sous l'influence de la répulsion inhérente au vide quantique. Cependant, le mystère demeure toujours. L'énergie colossale de l'explosion primaire, qui a servi à la formation de la matière et des rayonnements existant dans l'Univers, devait venir de quelque part ! Nous ne pouvons expliquer l’existence de l’Univers tant que nous n’avons pas trouvé la source d’énergie primaire.

Amorçage spatial

Anglais amorcer au sens littéral, cela signifie « laçage », au sens figuré, cela signifie l'auto-cohérence, l'absence de hiérarchie dans le système de particules élémentaires.

L’univers est né au cours d’une gigantesque libération d’énergie. Nous en détectons encore des traces - il s'agit du rayonnement thermique de fond et de la matière cosmique (en particulier les atomes qui composent les étoiles et les planètes), stockant une certaine énergie sous forme de « masse ». Des traces de cette énergie apparaissent également dans le retrait des galaxies et dans l'activité violente des objets astronomiques. L’énergie primaire a « déclenché le printemps » de l’Univers naissant et continue de l’alimenter jusqu’à ce jour.

D’où vient cette énergie qui a insufflé la vie à notre Univers ? Selon la théorie de l’inflation, il s’agit de l’énergie de l’espace vide, également connue sous le nom de vide quantique. Cependant, une telle réponse peut-elle nous satisfaire pleinement ? Il est naturel de se demander comment le vide acquiert de l'énergie.

En général, lorsque nous posons la question de savoir d’où vient l’énergie, nous faisons essentiellement une hypothèse importante sur la nature de cette énergie. L'une des lois fondamentales de la physique est loi de conservation de l'énergie, Par lequel diverses formes les énergies peuvent changer et se transformer les unes dans les autres, mais la quantité totale d'énergie reste inchangée.

Il n'est pas difficile de donner des exemples dans lesquels l'effet de cette loi peut être vérifié. Supposons que nous ayons un moteur et une réserve de carburant, et que le moteur soit utilisé comme entraînement pour un générateur électrique, qui à son tour fournit de l'électricité au chauffage. Lorsque le carburant brûle, l’énergie chimique qu’il contient est convertie en énergie mécanique, puis en énergie électrique et enfin en énergie thermique. Ou supposons qu'un moteur soit utilisé pour soulever une charge jusqu'au sommet d'une tour, après quoi la charge tombe librement ; lors d'un impact avec le sol, exactement la même quantité d'énergie thermique est générée que dans l'exemple avec le chauffage. Le fait est que, quelle que soit la manière dont l’énergie est transmise ou la façon dont sa forme change, elle ne peut évidemment pas être créée ou détruite. Les ingénieurs utilisent cette loi dans la pratique quotidienne.

Si l’énergie ne peut être ni créée ni détruite, alors comment naît l’énergie primaire ? N'est-il pas simplement injecté au premier instant (une sorte de nouvelle condition initiale supposée ad hoc) ? Si tel est le cas, pourquoi l’Univers contient-il cette quantité d’énergie et non une autre quantité d’énergie ? Il y a environ 10^68 J (joules) d'énergie dans l'Univers observable - pourquoi pas, disons, 10^99 ou 10^10 000 ou tout autre nombre ?

La théorie de l’inflation offre une explication scientifique possible à ce mystère. Selon cette théorie. Au début, l'Univers n'avait pratiquement aucune énergie et, au cours des 10^32 premières secondes, il a réussi à donner vie à toute la gigantesque quantité d'énergie. La clé pour comprendre ce miracle réside dans le fait remarquable que la loi de conservation de l'énergie au sens ordinaire du terme n'est pas applicableà l'Univers en expansion.

Pour l’essentiel, nous avons déjà rencontré un fait similaire. L'expansion cosmologique entraîne une diminution de la température de l'Univers : en conséquence, l'énergie du rayonnement thermique, si importante dans la phase primaire, s'épuise et la température chute à des valeurs proches du zéro absolu. Où est passée toute cette énergie thermique ? Dans un sens, il a été utilisé par l’univers pour s’étendre et a fourni une pression pour compléter la force du Big Bang. Lorsqu’un liquide ordinaire se dilate, sa pression vers l’extérieur fonctionne en utilisant l’énergie du liquide. Lorsqu’un gaz ordinaire se dilate, son énergie interne est dépensée pour effectuer un travail. À l'opposé de cela, la répulsion cosmique est similaire au comportement d'un milieu avec négatif pression. Lorsqu’un tel milieu se dilate, son énergie ne diminue pas mais augmente. C’est exactement ce qui s’est produit pendant la période d’inflation, lorsque la répulsion cosmique a provoqué une expansion accélérée de l’Univers. Pendant toute cette période, l'énergie totale du vide a continué à augmenter jusqu'à ce qu'à la fin de la période d'inflation, elle atteigne une valeur énorme. Une fois la période d’inflation terminée, toute l’énergie stockée a été libérée en une seule explosion géante, générant de la chaleur et de la matière à l’échelle du Big Bang. À partir de ce moment, l’expansion habituelle avec pression positive a commencé, de sorte que l’énergie a recommencé à diminuer.

L'émergence de l'énergie primaire est marquée par une sorte de magie. Un vide doté d’une mystérieuse pression négative est apparemment doté de capacités absolument incroyables. D'une part, cela crée une gigantesque force répulsive, assurant son expansion toujours plus accélérée, et d'autre part, l'expansion elle-même force une augmentation de l'énergie du vide. Le vide se nourrit essentiellement d’énergie en quantités énormes. Il contient une instabilité interne qui assure une expansion continue et une production d’énergie illimitée. Et seule la désintégration quantique du faux vide met une limite à cette « extravagance cosmique ».

Le vide constitue une cruche d’énergie magique et sans fond dans la nature. En principe, il n’y a aucune limite à la quantité d’énergie qui pourrait être libérée lors d’une expansion inflationniste. Cette affirmation marque une révolution dans la pensée traditionnelle avec sa formule séculaire selon laquelle « de rien ne naît rien » (ce dicton remonte au moins à l’époque du Parménide, c’est-à-dire au 5ème siècle avant JC). Jusqu’à récemment, l’idée de la possibilité d’une « création » à partir de rien était entièrement du ressort des religions. En particulier, les chrétiens ont longtemps cru que Dieu avait créé le monde à partir de rien, mais l'idée de la possibilité de l'émergence spontanée de toute matière et énergie à la suite de processus purement physiques était considérée comme absolument inacceptable par les scientifiques il y a dix ans.

Ceux qui ne peuvent pas accepter en interne tout le concept de l'émergence de « quelque chose » à partir de « rien » ont la possibilité de jeter un regard différent sur l'émergence de l'énergie lors de l'expansion de l'Univers. Puisque la gravité ordinaire est attractive, pour éloigner les parties de matière les unes des autres, il faut travailler pour vaincre la gravité agissant entre ces parties. Cela signifie que l'énergie gravitationnelle du système de corps est négative ; Lorsque de nouveaux corps sont ajoutés au système, de l’énergie est libérée et, par conséquent, l’énergie gravitationnelle devient « encore plus négative ». Si l’on applique ce raisonnement à l’Univers au stade de l’inflation, alors c’est l’apparition de chaleur et de matière qui « compense » l’énergie gravitationnelle négative des masses formées. Dans ce cas, l’énergie totale de l’Univers dans son ensemble est nulle et aucune nouvelle énergie n’apparaît ! Une telle vision du processus de « création du monde » est certes séduisante, mais elle ne doit toujours pas être prise trop au sérieux, car en général, le statut du concept d'énergie par rapport à la gravité s'avère douteux.

Tout ce qui est dit ici sur le vide rappelle beaucoup l'histoire chère aux physiciens d'un garçon qui, tombé dans un marais, s'en est sorti par ses propres lacets. L'Univers auto-créé rappelle ce garçon - il se relève également par ses propres « lacets » (ce processus est appelé « bootstrap »). En effet, de par sa propre nature physique, l'Univers excite en lui toute l'énergie nécessaire à la « création » et à la « revitalisation » de la matière, et initie également l'explosion qui la génère. C’est le bootstrap cosmique ; Nous devons notre existence à son incroyable pouvoir.

Avancées de la théorie de l’inflation

Après que Guth ait avancé l’idée fondamentale selon laquelle l’Univers avait connu une première période d’expansion extrêmement rapide, il est devenu clair qu’un tel scénario pourrait bien expliquer de nombreuses caractéristiques de la cosmologie du Big Bang qui étaient auparavant considérées comme allant de soi.

Dans l'une des sections précédentes, nous avons rencontré des paradoxes très haut degré organisation et coordination de l'explosion primaire. L'un des exemples remarquables en est la force de l'explosion, qui s'est avérée être précisément « ajustée » à la magnitude de la gravité de l'espace, de sorte que le taux d'expansion de l'Univers à notre époque est très proche de la valeur limite séparant la compression (effondrement) et l’expansion rapide. Le test décisif du scénario inflationniste est de savoir s’il implique un Big Bang d’une ampleur aussi précisément définie. Il s’avère qu’en raison de l’expansion exponentielle de la phase d’inflation (qui est la plus propriété caractéristique) la force de l'explosion garantit automatiquement et strictement la capacité de l'Univers à surmonter sa propre gravité. L’inflation peut conduire exactement au taux d’expansion réellement observé.

Un autre « grand mystère » concerne l’homogénéité de l’Univers à grande échelle. Il est également immédiatement résolu sur la base de la théorie de l’inflation. Toute inhomogénéité initiale dans la structure de l'Univers devrait être complètement effacée avec une augmentation considérable de sa taille, tout comme les rides d'un ballon dégonflé sont lissées lorsqu'il est gonflé. Et du fait d’une augmentation de la taille des régions spatiales d’environ 10 à 50 fois, toute perturbation initiale devient insignifiante.

Mais il serait erroné de parler de complet homogénéité. Pour rendre possible l’apparition de galaxies et d’amas de galaxies modernes, la structure de l’Univers primitif devait présenter une certaine « granularité ». Initialement, les astronomes espéraient que l'existence des galaxies pourrait s'expliquer par l'accumulation de matière sous l'influence de l'attraction gravitationnelle après le Big Bang. Le nuage de gaz doit être comprimé sous l'influence de sa propre gravité, puis se briser en fragments plus petits, et ceux-ci, à leur tour, en fragments encore plus petits, etc. Peut-être que la répartition du gaz résultant du Big Bang était tout à fait uniforme, mais en raison de processus purement aléatoires, des condensations et des raréfactions se sont produites ici et là. La gravité a encore intensifié ces fluctuations, conduisant à la croissance de zones de condensation et à leur absorption de matière supplémentaire. Puis ces régions furent comprimées et successivement désintégrées, et les plus petites condensations se transformèrent en étoiles. Finalement, une hiérarchie de structures est apparue : les étoiles étaient réunies en groupes, celles-ci en galaxies, puis en amas de galaxies.

Malheureusement, s'il n'y avait pas eu d'inhomogénéités dans le gaz dès le début, un tel mécanisme de formation de galaxies aurait fonctionné à une époque dépassant largement l'âge de l'Univers. Le fait est que les processus de condensation et de fragmentation ont rivalisé avec l’expansion de l’Univers, qui s’est accompagnée de la dispersion des gaz. Dans la version originale de la théorie du Big Bang, on supposait que les « graines » des galaxies existaient initialement dans la structure de l’Univers à son origine. De plus, ces inhomogénéités initiales devaient avoir des tailles très spécifiques : ni trop petites, sinon elles ne se seraient jamais formées, mais pas trop grandes, sinon des zones de forte densité s'effondreraient tout simplement, se transformant en d'énormes trous noirs. Dans le même temps, on ne sait absolument pas pourquoi les galaxies ont exactement de telles tailles ou pourquoi exactement un tel nombre de galaxies sont incluses dans l'amas.

Le scénario inflationniste fournit une explication plus cohérente de la structure galactique. L'idée de base est assez simple. L'inflation est due au fait que l'état quantique de l'Univers est un état instable de faux vide. Finalement, cet état de vide se brise et son excès d’énergie est converti en chaleur et en matière. A ce moment, la répulsion cosmique disparaît – et l’inflation s’arrête. Cependant, la désintégration du faux vide ne se produit pas strictement simultanément dans tout l’espace. Comme dans tout processus quantique, les taux de désintégration du faux vide fluctuent. Dans certaines régions de l’Univers, la dégradation se produit un peu plus rapidement que dans d’autres. Dans ces zones, l’inflation prendra fin plus tôt. De ce fait, les inhomogénéités sont conservées dans l’état final. Il est possible que ces inhomogénéités servent de « germes » (centres) de compression gravitationnelle et conduisent finalement à la formation de galaxies et de leurs amas. Une modélisation mathématique du mécanisme de fluctuation a toutefois été réalisée avec un succès très limité. En règle générale, l'effet s'avère trop important, les inhomogénéités calculées sont trop importantes. Il est vrai que les modèles utilisés étaient trop rudimentaires et qu’une approche plus subtile aurait peut-être été plus efficace. Bien que la théorie soit loin d’être complète, elle décrit au moins la nature du mécanisme qui pourrait conduire à la formation de galaxies sans nécessiter de conditions initiales particulières.

Dans la version de Guth du scénario inflationniste, le faux vide se transforme d'abord en un « vrai » vide, ou l'état de vide de plus basse énergie que nous identifions à l'espace vide. La nature de ce changement est assez similaire à une transition de phase (par exemple, du gaz au liquide). Dans ce cas, dans un faux vide, se produirait la formation aléatoire de véritables bulles de vide qui, se dilatant à la vitesse de la lumière, captureraient des zones d'espace de plus en plus grandes. Pour que le faux vide existe suffisamment longtemps pour que l’inflation fasse son travail « miraculeux », ces deux états doivent être séparés par une barrière énergétique à travers laquelle un « tunnel quantique » du système doit se produire, semblable à ce qui se passe avec les électrons (voir chap.) . Cependant, ce modèle présente un sérieux inconvénient : toute l'énergie libérée par le faux vide est concentrée dans les parois des bulles et il n'existe aucun mécanisme pour sa redistribution dans toute la bulle. Au fur et à mesure que les bulles entraient en collision et fusionnaient, l’énergie finissait par s’accumuler dans les couches mélangées de manière aléatoire. En conséquence, l’Univers contiendrait de très fortes inhomogénéités, et tout le travail d’inflation visant à créer une homogénéité à grande échelle échouerait.

Grâce à une nouvelle amélioration du scénario d'inflation, ces difficultés ont été surmontées. Dans la nouvelle théorie, il n’y a pas de tunnel entre deux états de vide ; au lieu de cela, les paramètres sont choisis de manière à ce que la désintégration du faux vide se produise très lentement et donne ainsi à l'Univers suffisamment de temps pour se gonfler. Lorsque la désintégration est terminée, l'énergie du faux vide est libérée dans tout le volume de la « bulle », qui chauffe rapidement jusqu'à 10^27 K. On suppose que l'Univers observable tout entier est contenu dans une de ces bulles. Ainsi, à très grande échelle, l’Univers peut être extrêmement irrégulier, mais la région accessible à notre observation (et même à des parties beaucoup plus vastes de l’Univers) se situe dans une zone complètement homogène.

Il est curieux que Guth ait initialement développé sa théorie inflationniste pour résoudre un problème cosmologique complètement différent : l'absence de monopôles magnétiques dans la nature. Comme le montre le chapitre 9, la théorie standard du Big Bang prédit que dans la phase primaire de l’évolution de l’Univers, les monopoles devraient apparaître en abondance. Ils sont peut-être accompagnés de leurs homologues à une ou deux dimensions - des objets étranges qui ont le caractère de « chaîne » et de « feuille ». Le problème était de débarrasser l’Univers de ces objets « indésirables ». L’inflation résout automatiquement le problème des monopoles et d’autres problèmes similaires, puisque l’expansion gigantesque de l’espace réduit effectivement leur densité à zéro.

Bien que le scénario inflationniste n’ait été que partiellement élaboré et plausible, sans plus, il a permis de formuler un certain nombre d’idées qui promettent de changer irrévocablement le visage de la cosmologie. Maintenant, nous pouvons non seulement offrir une explication sur la cause du Big Bang, mais nous commençons également à comprendre pourquoi il était si « grand » et pourquoi il a pris un tel caractère. Nous pouvons maintenant commencer à aborder la question de savoir comment est née l’homogénéité à grande échelle de l’Univers, et avec elle, les inhomogénéités observées à plus petite échelle (par exemple, les galaxies). L’explosion primaire, à l’origine de ce que nous appelons l’Univers, a désormais cessé d’être un mystère dépassant les limites de la science physique.

Un univers qui se crée

Et pourtant, malgré l’énorme succès de la théorie inflationniste pour expliquer l’origine de l’Univers, le mystère demeure. Comment l’Univers s’est-il initialement retrouvé dans un état de faux vide ? Que s’est-il passé avant l’inflation ?

Cohérent, assez satisfaisant description scientifique l'origine de l'Univers doit expliquer comment l'espace lui-même (plus précisément l'espace-temps) est apparu, qui a ensuite subi une inflation. Certains scientifiques sont prêts à admettre que l'espace existe toujours, d'autres estiment que cette question dépasse généralement le cadre de l'approche scientifique. Et seuls quelques-uns en revendiquent davantage et sont convaincus qu’il est tout à fait légitime de se poser la question de savoir comment l’espace en général (et un faux vide en particulier) pourrait naître littéralement du « néant » processus physiques, en principe susceptible d'être étudié.

Comme nous l’avons mentionné, ce n’est que récemment que nous avons remis en question la croyance persistante selon laquelle « rien ne vient de rien ». Le bootstrap cosmique est proche du concept théologique de la création du monde à partir de rien (Ex nihilo). Sans aucun doute, dans le monde qui nous entoure, l’existence de certains objets est généralement due à la présence d’autres objets. Ainsi, la Terre est issue de la nébuleuse protosolaire, qui à son tour est issue des gaz galactiques, etc. S’il nous arrivait de voir un objet surgir soudainement « de rien », nous le percevrions probablement comme un miracle ; par exemple, nous serions étonnés si, dans un coffre-fort vide et verrouillé, nous découvrions soudainement une masse de pièces de monnaie, de couteaux ou de bonbons. Dans la vie de tous les jours, nous avons l’habitude de reconnaître que tout vient de quelque part ou de quelque chose.

Cependant, tout n’est pas si évident lorsqu’il s’agit de choses moins précises. De quoi, par exemple, vient un tableau ? Bien sûr, cela nécessite un pinceau, des peintures et une toile, mais ce ne sont que des outils. La manière dont le tableau est peint - le choix de la forme, de la couleur, de la texture, de la composition - n'est pas née avec des pinceaux et des peintures. C'est le résultat de l'imagination créatrice de l'artiste.

D’où viennent les pensées et les idées ? Les pensées, sans aucun doute, existent réellement et, apparemment, nécessitent toujours la participation du cerveau. Mais le cerveau n’assure que la mise en œuvre des pensées, et n’en est pas la cause. Le cerveau lui-même ne génère pas plus de pensées que, par exemple, un ordinateur ne génère des calculs. Les pensées peuvent être provoquées par d’autres pensées, mais cela ne révèle pas la nature de la pensée elle-même. Certaines pensées peuvent naître de sensations ; La mémoire donne aussi naissance à des pensées. Cependant, la plupart des artistes considèrent leur travail comme le résultat inattendu inspiration. Si tel est effectivement le cas, alors la création d’un tableau – ou du moins la naissance de son idée – est précisément un exemple de la naissance de quelque chose à partir de rien.

Et pourtant, peut-on considérer que les objets physiques et même l’Univers dans son ensemble naissent de rien ? Cette hypothèse audacieuse est discutée très sérieusement, par exemple, dans les institutions scientifiques de la côte est des États-Unis, où de nombreux physiciens théoriciens et spécialistes de la cosmologie développent un appareil mathématique qui aiderait à clarifier la possibilité de la naissance de quelque chose à partir de rien. Ce cercle restreint comprend Alan Guth du MIT, Sydney Coleman de l'Université Harvard, Alex Vilenkin de l'Université Tufts, ainsi qu'Ed Tyon et Heinz Pagels de New York. Ils croient tous que, d’une manière ou d’une autre, « rien n’est instable » et que l’univers physique « a fleuri de rien », régi uniquement par les lois de la physique. « De telles idées sont purement spéculatives », admet Guth, « mais à un certain niveau, elles peuvent être correctes... Parfois, on dit qu'il n'y a pas de repas gratuit, mais l'Univers, apparemment, est justement un tel « repas gratuit ».

Dans toutes ces hypothèses rôle clé le comportement quantique se joue. Comme nous l’avons vu au chapitre 2, la principale caractéristique du comportement quantique est la perte des relations strictes de cause à effet. En physique classique, la présentation de la mécanique suivait le strict respect de la causalité. Tous les détails du mouvement de chaque particule étaient strictement prédéterminés par les lois du mouvement. On croyait que le mouvement était continu et strictement déterminé par les forces agissantes. Les lois du mouvement incarnaient littéralement la relation entre cause et effet. L'univers était considéré comme un mécanisme d'horlogerie géant dont le comportement était strictement régulé par ce qui se passait actuellement. C'est la croyance en une causalité aussi complète et absolument stricte qui a incité Pierre Laplace à affirmer qu'un calculateur surpuissant pourrait, en principe, prédire, sur la base des lois de la mécanique, à la fois l'histoire et le destin de l'Univers. Selon ce point de vue, l’univers est condamné à suivre pour toujours sa trajectoire prescrite.

La physique quantique a détruit le schéma laplacéen méthodique mais stérile. Les physiciens sont désormais convaincus qu’au niveau atomique, la matière et ses mouvements sont incertains et imprévisibles. Les particules peuvent se comporter « étrangement », comme si elles résistaient à des mouvements strictement prescrits, apparaissant soudainement aux endroits les plus inattendus sans raison apparente, et parfois apparaissant et disparaissant « sans avertissement ».

Le monde quantique n’est pas totalement exempt de causalité, mais il se manifeste de manière plutôt hésitante et ambiguë. Par exemple, si un atome est dans un état excité à la suite d’une collision avec un autre atome, il revient généralement rapidement à son état d’énergie le plus bas en émettant un photon. L’apparition d’un photon est bien entendu une conséquence du fait que l’atome est préalablement passé dans un état excité. Nous pouvons affirmer avec certitude que c'est l'excitation qui a conduit à la création du photon, et en ce sens la relation de cause à effet demeure. Cependant, le moment réel auquel un photon apparaît est imprévisible : un atome peut l’émettre à tout moment. Les physiciens sont capables de calculer l'heure probable, ou moyenne, d'apparition d'un photon, mais dans chaque cas spécifique, il est impossible de prédire le moment où cet événement se produira. Apparemment, pour caractériser une telle situation, il vaut mieux dire que l'excitation d'un atome ne conduit pas tant à l'apparition d'un photon qu'elle le « pousse » vers celui-ci.

Ainsi, le micromonde quantique n’est pas empêtré dans un réseau dense de relations causales, mais « écoute » néanmoins de nombreuses commandes et suggestions discrètes. Dans l’ancien schéma newtonien, la force semblait s’adresser à l’objet avec le commandement incontesté : « Bougez ! » En physique quantique, la relation entre la force et l’objet est une relation d’invitation plutôt que de commandement.

Pourquoi considérons-nous généralement l’idée de la naissance soudaine d’un objet « à partir de rien » comme si inacceptable ? Qu’est-ce qui nous fait penser aux miracles et aux phénomènes surnaturels ? Peut-être que tout l'intérêt réside uniquement dans le caractère inhabituel de tels événements : dans la vie de tous les jours, nous ne rencontrons jamais l'apparition d'objets sans raison. Lorsque, par exemple, un magicien sort un lapin d’un chapeau, nous savons que nous sommes dupes.

Supposons que nous vivions réellement dans un monde où des objets apparaissent de temps en temps, apparemment « sortis de nulle part », sans raison et de manière totalement imprévisible. Habitués à de tels phénomènes, nous cesserions d’en être surpris. La naissance spontanée serait perçue comme une des bizarreries de la nature. Peut-être que dans un tel monde nous n’aurions plus à forcer notre crédulité pour imaginer l’émergence soudaine de rien de l’Univers physique tout entier.

Ce monde imaginaire n’est fondamentalement pas si différent du monde réel. Si nous pouvions percevoir directement le comportement des atomes à l’aide de nos sens (et non par l’intermédiaire d’instruments spéciaux), nous serions souvent obligés d’observer des objets apparaître et disparaître sans raisons clairement définies.

Le phénomène le plus proche de la « naissance à partir de rien » se produit dans un champ électrique suffisamment puissant. À une valeur critique de l’intensité du champ, les électrons et les positrons commencent à apparaître « à partir de rien » de manière complètement aléatoire. Les calculs montrent que près de la surface du noyau d'uranium, l'intensité du champ électrique est assez proche de la limite au-delà de laquelle cet effet se produit. S’il existait des noyaux atomiques contenant 200 protons (il y en a 92 dans le noyau d’uranium), alors une création spontanée d’électrons et de positrons se produirait. Malheureusement, un noyau contenant autant de protons semble devenir extrêmement instable, mais ce n’est pas tout à fait certain.

La création spontanée d'électrons et de positrons dans un champ électrique puissant peut être considérée comme un type particulier de radioactivité lorsque la désintégration se produit dans un espace vide, le vide. Nous avons déjà parlé de la transition d'un état de vide à un autre à la suite d'une désintégration. Dans ce cas, le vide se décompose en un état dans lequel des particules sont présentes.

Bien que la dégradation de l'espace ait causé champ électrique, est difficile à comprendre ; un processus similaire sous l’influence de la gravité pourrait bien se produire dans la nature. Près de la surface des trous noirs, la gravité est si forte que le vide regorge de particules qui naissent constamment. Il s’agit du fameux rayonnement des trous noirs, découvert par Stephen Hawking. En fin de compte, c'est la gravité qui est responsable de la naissance de ce rayonnement, mais on ne peut pas dire que cela se produit « dans le vieux sens newtonien » : on ne peut pas dire qu'une particule particulière devrait apparaître à un certain endroit à un moment ou à un autre. à la suite de l'action des forces gravitationnelles. Quoi qu’il en soit, puisque la gravité n’est qu’une courbure de l’espace-temps, on peut dire que l’espace-temps provoque la naissance de la matière.

L’émergence spontanée de la matière à partir d’un espace vide est souvent décrite comme une naissance « à partir de rien », ce qui est semblable en esprit à la naissance. Ex nihilo dans la doctrine chrétienne. Cependant, pour un physicien, l’espace vide n’est pas « rien » du tout, mais une partie très importante de l’Univers physique. Si nous voulons encore répondre à la question de savoir comment l’Univers est né, il ne suffit pas de supposer que l’espace vide a existé dès le début. Il faut expliquer d'où vient cet espace. Pensée de naissance l'espace lui-même Cela peut paraître étrange, mais dans un sens, cela se produit tout le temps autour de nous. L’expansion de l’Univers n’est rien d’autre qu’un « gonflement » continu de l’espace. Chaque jour, la superficie de l'Univers accessible à nos télescopes augmente de 10^18 années-lumière cubes. D'où vient cet espace ? L’analogie avec le caoutchouc est ici utile. Si l’on retire l’élastique, il « devient plus grand ». L’espace ressemble à un superélastique dans le sens où, à notre connaissance, il peut s’étirer indéfiniment sans se rompre.

L'étirement et la courbure de l'espace ressemblent à la déformation d'un corps élastique dans la mesure où le « mouvement » de l'espace se produit selon les lois de la mécanique exactement de la même manière que le mouvement de la matière ordinaire. Dans ce cas, ce sont les lois de la gravité. La théorie quantique s’applique également à la matière, à l’espace et au temps. Dans les chapitres précédents, nous avons dit que la gravité quantique était considérée comme une étape nécessaire dans la recherche de la Superpuissance. Cela soulève une possibilité intéressante ; Si, selon la théorie quantique, des particules de matière peuvent surgir « de rien », alors, par rapport à la gravité, ne décrirait-elle pas l’émergence « de rien » de l’espace ? Si cela se produit, la naissance de l’Univers il y a 18 milliards d’années n’est-elle pas un exemple d’un tel processus ?

Repas gratuit?

L'idée principale de la cosmologie quantique est l'application de la théorie quantique à l'Univers dans son ensemble : à l'espace-temps et à la matière ; Les théoriciens prennent cette idée particulièrement au sérieux. À première vue, il y a ici une contradiction : la physique quantique s’occupe des plus petits systèmes, tandis que la cosmologie s’occupe des plus grands. Cependant, l’Univers était autrefois également limité à de très petites dimensions et les effets quantiques étaient donc extrêmement importants à l’époque. Les résultats des calculs indiquent que les lois quantiques devraient être prises en compte dans l'ère GUT (10^-32 s), et dans l'ère Planck (10^-43 s), elles devraient probablement jouer un rôle décisif. Selon certains théoriciens (par exemple Vilenkin), entre ces deux époques, il y a eu un moment où l'Univers est apparu. Selon Sidney Coleman, nous avons fait un bond en avant du Rien au Temps. Apparemment, l’espace-temps est une relique de cette époque. Le saut quantique dont parle Coleman peut être considéré comme une sorte de « processus tunnel ». Nous avons noté que dans la version originale de la théorie de l’inflation, l’état du faux vide était censé traverser la barrière énergétique pour atteindre l’état du vide réel. Cependant, dans le cas de l’émergence spontanée de l’Univers quantique « à partir de rien », notre intuition atteint la limite de ses capacités. Une extrémité du tunnel représente l'Univers physique dans l'espace et le temps, qui y parvient grâce au tunnel quantique « à partir de rien ». Par conséquent, l’autre bout du tunnel représente ce Rien ! Peut-être vaudrait-il mieux dire que le tunnel n’a qu’une seule extrémité et que l’autre « n’existe tout simplement pas ».

La principale difficulté de ces tentatives pour expliquer l’origine de l’Univers est de décrire le processus de sa naissance à partir d’un état de faux vide. Si l’espace-temps nouvellement créé était dans un état de véritable vide, alors l’inflation ne pourrait jamais se produire. Le Big Bang serait réduit à une faible éclaboussure, et l'espace-temps cesserait d'exister un instant plus tard - il serait détruit par les processus quantiques mêmes grâce auxquels il est apparu à l'origine. Si l’Univers ne s’était pas retrouvé dans un état de faux vide, il n’aurait jamais été impliqué dans le bootstrap cosmique et n’aurait pas matérialisé son existence illusoire. Peut-être que l’état de faux vide est préférable en raison de ses conditions extrêmes caractéristiques. Par exemple, si l'Univers apparaissait avec une température initiale suffisamment élevée puis se refroidissait, il pourrait même « s'échouer » dans un faux vide, mais jusqu'à présent, de nombreuses questions techniques de ce type restent en suspens.

Mais quelle que soit la réalité de ces questions fondamentales, l’univers doit naître d’une manière ou d’une autre, et la physique quantique est la seule branche de la science dans laquelle il est logique de parler d’un événement se produisant sans cause apparente. Si nous parlons d'espace-temps, cela n'a en aucun cas de sens de parler de causalité au sens habituel. En règle générale, le concept de causalité est étroitement lié au concept de temps, et par conséquent, toute réflexion sur les processus d'émergence du temps ou son « émergence de la non-existence » doit être basée sur une idée plus large de causalité.

Si l’espace est véritablement à dix dimensions, alors la théorie considère que les dix dimensions sont tout à fait égales au tout début. Il est intéressant de pouvoir relier le phénomène d'inflation à la compactification (pliement) spontanée de sept des dix dimensions. Selon ce scénario, la « force motrice » de l’inflation est un sous-produit d’interactions se manifestant à travers des dimensions supplémentaires de l’espace. De plus, l'espace à dix dimensions pourrait naturellement évoluer de telle manière que lors de l'inflation, trois dimensions spatiales s'étendent fortement au détriment des sept autres, qui au contraire se rétrécissent, devenant invisibles ? Ainsi, la microbulle quantique de l'espace à dix dimensions est comprimée, et trois dimensions sont ainsi gonflées, formant l'Univers : les sept dimensions restantes restent captives dans le microcosme, d'où elles ne se manifestent qu'indirectement - sous forme d'interactions. Cette théorie semble très séduisante.

Même si les théoriciens ont encore beaucoup de travail à faire pour étudier la nature du tout premier Univers, il est déjà possible de donner un aperçu général des événements qui ont conduit à ce que l’Univers prenne la forme que nous connaissons aujourd’hui. Au tout début, l’Univers est apparu spontanément « à partir de rien ». Grâce à la capacité de l’énergie quantique à agir comme une sorte d’enzyme, des bulles d’espace vide pourraient gonfler à un rythme toujours croissant, créant ainsi des réserves d’énergie colossales grâce au bootstrap. Ce faux vide, rempli d'énergie auto-générée, s'est avéré instable et a commencé à se désintégrer, libérant de l'énergie sous forme de chaleur, de sorte que chaque bulle était remplie de matière cracheuse de feu (boule de feu). Le gonflement des bulles s’est arrêté, mais le Big Bang a commencé. Sur « l’horloge » de l’Univers à ce moment-là, il était 10^-32 s.

D’une telle boule de feu sont nées toute matière et tous les objets physiques. Au fur et à mesure que la matière spatiale se refroidissait, elle a connu des transitions de phase successives. À chaque transition, de plus en plus de structures différentes étaient « gelées » du matériau primaire sans forme. Les unes après les autres, les interactions se sont séparées. Petit à petit, les objets que nous appelons aujourd’hui particules subatomiques ont acquis les caractéristiques qui leur sont aujourd’hui inhérentes. À mesure que la composition de la « soupe cosmique » devenait de plus en plus complexe, les irrégularités à grande échelle laissées par l’inflation se sont transformées en galaxies. En cours de formation ultérieure des structures et de séparation divers types substances, l’Univers prenait de plus en plus des formes familières ; le plasma chaud s'est condensé en atomes, formant des étoiles, des planètes et, finalement, la vie. C’est ainsi que l’Univers s’est « réalisé ».

Matière, énergie, espace, temps, interactions, champs, ordre et structure - Tous ces concepts, empruntés à la « liste de prix du créateur », constituent des caractéristiques intégrales de l’Univers. La nouvelle physique ouvre la possibilité alléchante d’une explication scientifique de l’origine de toutes ces choses. Nous n’avons plus besoin de les saisir spécifiquement « manuellement » dès le début. Nous pouvons voir comment toutes les propriétés fondamentales du monde physique peuvent naître automatiquement comme conséquences des lois de la physique, sans qu’il soit nécessaire de supposer l’existence de conditions initiales très spécifiques. La nouvelle cosmologie affirme que l’état initial du cosmos ne joue aucun rôle, puisque toutes les informations le concernant ont été effacées lors de l’inflation. L’Univers que nous observons ne porte que les empreintes des processus physiques survenus depuis le début de l’inflation.

Depuis des milliers d’années, l’humanité croit que « rien ne peut naître de rien ». Aujourd’hui, on peut dire que tout est parti de rien. Il n’est pas nécessaire de « payer » pour l’Univers – c’est absolument un « déjeuner gratuit ».