Comment et comment l'univers a-t-il commencé? Presque toutes les religions, croyances et cultes offrent des réponses à cette question, aussi ancienne que le monde. Mais la science l'a pris au sérieux tout récemment - seulement au 20e siècle.
La réponse la plus simple sera la plus courte - tout a commencé avec le Big Bang. Ceci est démontré par les solutions de tous les modèles raisonnables de l'évolution de l'Univers, construits sur la base de la théorie générale de la relativité. Si nous les faisons remonter dans le temps, nous atteindrons inévitablement le moment où la densité et la température de la matière deviendront infinies. Il doit également être pris comme origine, le point de temps zéro. Il est impossible de continuer les solutions au domaine des temps précédents: les mathématiques ne le permettent pas.
La seule issue
Les physiciens n'ont jamais aimé cette situation. Depuis qu'ils ont appris à calculer rigoureusement les modèles du monde, les espoirs de se débarrasser de l'infini et de regarder, pour ainsi dire, dans le passé du Big Bang, n'ont pas disparu. Mais toutes les tentatives pour trouver des modèles raisonnables de "l'infini", en d'autres termes, de l'univers éternel, se sont avérées infructueuses. Cet état de fait s'est poursuivi après que le début des années 1980 a développé des modèles d'expansion inflationniste du début de l'Univers, qui étaient basés non seulement sur la relativité générale, mais aussi sur l'hypothèse du faux vide empruntée à la théorie quantique des champs.
L'inflation est une expansion ultra-rapide de l'Univers au tout début de son existence. Cela est dû au fait que le vide à ce moment est dans un état avec une densité d'énergie positive très élevée, dépassant de manière incommensurable sa valeur minimale. Le vide avec la plus faible densité d'énergie est appelé vrai, avec un vide plus élevé - faux. Tout vide positif agit comme anti-gravité, c'est-à-dire qu'il fait agrandir l'espace. Un faux vide avec une densité d'énergie extrêmement élevée est également extrêmement instable, il se désintègre rapidement et son énergie est dépensée pour la formation de radiations et de particules chauffées à des températures extrêmement élevées. Cette décomposition sous vide est ce qu'on appelle le Big Bang. Il laisse derrière lui un espace ordinaire rempli de matière gravitationnelle, qui se dilate à un rythme modéré.
Cependant, il existe un scénario qui surmonte l'impasse des infinis mathématiques. Selon ce scénario, l'Univers est né de rien, plus précisément, d'un état où il n'y a ni temps, ni espace, ni matière au sens classique de ces termes. À première vue, cette idée semble ridicule - comment rien ne peut-il donner naissance à quelque chose? Ou, passant des métaphores à la physique, comment contourner les lois fondamentales de conservation? Disons la loi de conservation de l'énergie, qui est considérée comme absolue. Les énergies de la matière et du rayonnement sont toujours positives, alors comment pourraient-elles provenir d'un état sans énergie?
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Sur les avantages de l'isolement
Heureusement, cette difficulté est complètement résoluble - cependant, pas pour aucun univers, mais seulement pour les univers fermés. Il peut être prouvé que l'énergie totale de tout univers fermé est exactement nulle. Comment est-ce possible, puisque l'univers est rempli de matière et de rayonnement? Cependant, il y a aussi l'énergie de la gravité, qui est connue pour être négative. Il s'avère que dans un univers fermé, la contribution d'énergie positive des particules et des champs électromagnétiques est exactement compensée par la contribution égale en magnitude et en signe opposé du champ gravitationnel, de sorte que l'énergie totale est toujours nulle. Cette conclusion s'applique non seulement à l'énergie, mais également à la charge électrique. Dans un univers fermé, toute charge positive est nécessairement accompagnée de la même charge avec un signe moins, de sorte que la somme totale de toutes les charges s'avère à nouveau être nulle. On peut en dire autant d'autres quantités physiques obéissant à des lois strictes de conservation.
Qu'est-ce qui en découle? Si un univers fermé naît de la vacuité absolue, toutes les quantités conservées sont telles qu'elles étaient et restent nulles. Il s'avère que les lois fondamentales de conservation n'interdisent pas du tout une telle naissance. Rappelons maintenant que tout processus de mécanique quantique non interdit par ces lois peut se produire, même avec une très faible probabilité. Ainsi, la naissance d'un univers fermé à partir de rien est en principe possible. C'est ainsi que la mécanique quantique diffère de la mécanique classique, où la vacuité elle-même ne peut donner naissance à rien.
Au commencement des temps
Les chances de naissance spontanée de différents univers selon ce scénario peuvent être calculées: la physique dispose d'un appareil mathématique pour cela. Il est intuitivement évident qu'ils tombent à mesure que la taille de l'univers augmente, et les équations le confirment: les univers lilliputiens sont plus susceptibles de se produire que les univers plus grands. En même temps, la taille de l'univers est associée aux propriétés du faux vide qui le remplit: plus la densité de son énergie est élevée, plus l'univers est petit. Ainsi, les chances maximales de naissance spontanée sont données à des micro-univers fermés remplis d'un vide à haute énergie.
Disons maintenant que la probabilité a joué en faveur de ce scénario et qu'un univers fermé est né de rien. Le faux vide crée une gravité négative, qui force l'univers du nouveau-né à s'étendre plutôt qu'à se contracter. En conséquence, elle évoluera à partir du moment initial qui fixe sa naissance spontanée. En abordant ce moment du point de vue du futur, nous ne courons pas vers l'infini. Mais la question de ce qui s'est passé avant ce moment n'a pas de sens, car il n'y avait ni temps ni espace.
Doit avoir un début
Il y a plusieurs années, avec deux co-auteurs, j'ai prouvé un théorème directement lié à notre problème. En gros, elle soutient que tout univers qui se développe en moyenne a un début. La clarification «en moyenne» signifie qu'à certains stades, l'univers peut se contracter, mais tout au long de son existence, il est encore principalement en expansion. Et la conclusion sur l'existence du commencement signifie que cet univers a des histoires qui, lorsqu'elles se poursuivent dans le passé, se détachent, leurs lignes mondiales ont certains points de départ. Au contraire, tout univers qui existe éternellement ne peut pas avoir de telles lignes du monde, toutes ses histoires reculent continuellement dans le passé à une profondeur infinie. Et comme les univers nés à la suite de processus inflationnistes satisfont aux conditions du théorème,ils doivent avoir un début.
Vous pouvez également simuler mathématiquement un univers fermé qui était dans un état statique pendant une durée infinie, puis a commencé à se développer. Il est clair que notre théorème ne s'applique pas à lui, car le taux moyen temporel de son expansion est nul. Cependant, un tel univers aura toujours une chance de s'effondrer: cela est requis par la mécanique quantique. La probabilité d'effondrement peut être très faible, mais comme l'univers est dans un état statique pendant un temps infini, cela se produira certainement, et un tel univers ne survivra tout simplement pas pour s'étendre. Nous arrivons donc à nouveau à la conclusion que l'univers en expansion doit avoir un début. Naturellement, cela s'applique également à notre propre univers.
Alexander Vilenkin, directeur de l'Institut de cosmologie de l'Université Tufts, auteur de The World of Many Worlds. Des physiciens à la recherche d'autres univers ».
Interviewé par: Alexey Levin, Oleg Makarov, Dmitry Mamontov
