Il y a 13,8 milliards d'années, l'univers a commencé avec un Big Bang chaud. Depuis, il s'est agrandi et refroidi, jusqu'à nos jours. De notre point de vue, nous pouvons observer l'Univers dans un rayon de 46 milliards d'années, grâce à la limitation de la vitesse de la lumière et à l'expansion de l'Univers. Et bien que cette distance soit énorme, elle est finie. Mais ce n'est que la partie que nous voyons. Qu'y a-t-il au-delà et est-il possible qu'il y ait l'infini?
Adam Stevens veut savoir:
Que pensez-vous de l'infini de l'univers? De nombreux cosmologistes m'ont dit que l'infini de l'univers n'a pas été prouvé. Comment cela peut-il être prouvé empiriquement?
Premièrement, nous pouvons en apprendre plus que ce que nous voyons dans les 46 milliards d'années-lumière.
Plus nous regardons dans n'importe quelle direction, plus nous regardons dans les profondeurs du temps. La galaxie la plus proche, située à 2,5 millions d'années-lumière de nous, nous est visible comme elle l'était il y a 2,5 millions d'années, puisque la lumière se déplace de là jusqu'à nos yeux à partir du moment où elle est émise. Des galaxies plus lointaines nous sont visibles car elles étaient des dizaines de millions, des centaines de millions ou même des milliards d'années. En regardant encore plus loin, nous avons vu la lumière de l'univers depuis sa jeunesse. Donc si on regarde la lumière émise il y a 13,8 milliards d'années, une relique du Big Bang, on voit le rayonnement relique.
Le modèle de fluctuation est extrêmement déroutant, avec des températures moyennes différentes à différentes échelles angulaires. Il crypte également une énorme quantité d'informations sur l'Univers, y compris un fait étonnant: la courbure de l'espace, pour autant que nous puissions en juger, est absente, c'est-à-dire plate. Si l'espace avait une courbure positive, comme si nous vivions à la surface d'une sphère à quatre dimensions, nous verrions la convergence de rayons de lumière distants. S'il avait une courbure négative, comme à la surface d'une selle à quatre dimensions, on verrait des rayons de lumière distants diverger. Au lieu de cela, les rayons de lumière se déplacent comme ils le faisaient, et les fluctuations nous renseignent sur un plan idéal.
A partir d'un ensemble de données sur le rayonnement relique et les structures à grande échelle de l'Univers (accessibles via l'étude des oscillations acoustiques baryoniques), on peut conclure que si l'Univers est fini et fermé sur lui-même, il doit être au moins 250 fois plus grand que ce que l'on peut voir. Puisque nous vivons en trois dimensions, une augmentation du rayon 250 fois signifie une augmentation du volume 250 ^ 3 fois, soit 15 millions de fois plus d'espace. Mais ce n'est toujours pas un volume infini. L'estimation minimale de la taille de l'univers est de 11 billions d'années-lumière dans toutes les directions, ce qui est énorme, mais toujours pas infini.
Il y a des raisons de croire qu'il est encore plus grand. Un Big Bang chaud peut marquer le début de l'univers observable, mais pas la naissance de l'espace et du temps. Avant le Big Bang, l'univers traversait une période d'inflation cosmique. Au lieu d'être rempli de matière et de rayonnement et d'être chaud, l'univers était:
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• était rempli d'énergie inhérente à l'espace lui-même, • développé à un rythme exponentiel, • créé un nouvel espace si rapidement que la plus petite taille physique, la longueur de Planck, s'est étendue à la taille de l'Univers observée aujourd'hui toutes les 10 ^ -32 s.
Dans notre région de l'Univers, l'inflation est vraiment terminée. Mais il y a plusieurs questions, dont les réponses nous sont inconnues, qui ont un impact énorme sur la taille de l'univers et sa finitude ou l'infini.
1) Quelle était la taille de la section de l'Univers après l'inflation qui a donné lieu à notre chaud Big Bang? En observant l'Univers actuel et l'homogénéité de la rémanence du Big Bang, la proximité de l'Univers à un plan, les fluctuations s'étendant à travers l'Univers à toutes les échelles, etc., etc., nous pouvons apprendre beaucoup. Nous pouvons calculer la limite supérieure de l'échelle énergétique sur laquelle l'inflation s'est produite, combien l'inflation a augmenté l'univers, la limite inférieure de la durée de l'inflation. Mais cette poche de l'Univers en expansion, dont notre partie est issue, pourrait largement dépasser la limite inférieure! Cela peut être des centaines, des millions, des googols fois plus grands que ce que nous pouvons observer - ou être vraiment infini. Sans la capacité d'observer plus que ce dont nous disposons actuellement, nous n'obtiendrons pas suffisamment d'informations pour répondre à cette question.
2) L'idée de «l'inflation éternelle» est-elle correcte? Si vous considérez la possibilité que l'inflation soit un champ quantique, alors à tout moment d'expansion exponentielle, il y a une possibilité que l'inflation se termine, conduisant au Big Bang, et la probabilité que l'inflation se poursuive, créant plus d'espace. De tels calculs nous sont disponibles (dans le cadre de certaines hypothèses), et ils conduisent à la conclusion: si nous avons besoin de suffisamment d'inflation avant la création de l'univers observable, alors l'inflation créera toujours encore plus d'espace qui continuera à s'étendre, contrairement aux sections où elle se termine et il y aura un Big Bang. Et bien que notre Univers observable ait pu apparaître après la fin de l'inflation dans notre région il y a 13,8 milliards d'années, il y a des régions où l'inflation continue - et crée de plus en plus d'espace,et génère de plus en plus de Big Bangs - à ce jour. Cette idée est connue sous le nom d'inflation éternelle et est généralement acceptée dans la communauté physique. Alors, quelle est la taille de tout l'univers inobservable aujourd'hui?
3) Combien de temps l'inflation a-t-elle duré avant de se terminer et le Big Bang? Nous n'avons accès qu'à l'Univers créé par la fin de l'inflation et notre chaud Big Bang. Nous savons que l'inflation aurait dû se poursuivre pendant au moins 10 ^ -32 s, mais elle a probablement duré plus longtemps. Mais combien? Secondes? Années? Des milliards d'années? Infiniment? L'univers a-t-il toujours été soumis à l'inflation? L'inflation a-t-elle commencé? Cela découle-t-il d'un état antérieur qui a duré éternellement? Ou peut-être que l'espace et le temps sont sortis de rien il y a un temps limité? Il existe de nombreuses possibilités, mais la réponse ne peut être vérifiée pour le moment.
Sur la base de nos meilleures observations, nous savons que l'univers est beaucoup plus grand que la partie observable. Nous soupçonnons que même plus de l'Univers se propage au-delà de ces limites, les mêmes que les nôtres, avec les mêmes lois de la physique, les mêmes types de structures (étoiles, galaxies, amas, filaments, vides, etc.), et avec les mêmes chances d'un complexe une vie. La bulle dans laquelle l'inflation a pris fin doit être finie, et l'espace-temps plus grand et en expansion doit contenir un nombre exponentiellement énorme de ces bulles. Mais, même si tout cet univers, ou le multivers, est si incroyablement énorme, il n'est peut-être pas infini. En fait, si l'inflation n'a pas duré indéfiniment, l'univers doit être fini.
Mais le plus gros problème est que nous n'avons accès qu'aux informations contenues dans la partie observable de l'Univers, ces 46 milliards d'années-lumière dans toutes les directions. La réponse à la plus grande question - si l'univers est fini ou infini - peut être codée dans l'univers, mais nous ne pouvons pas accéder à une partie suffisamment grande de celui-ci pour le savoir. Jusqu'à ce que nous résolvions ce problème ou que nous trouvions un moyen intelligent d'élargir les possibilités de la physique, tout cela sera dans le domaine des possibilités.
