À notre grand regret, nous n'avons pas la possibilité de remonter le temps et de voir comment l'Univers s'est développé dans les premières minutes de sa vie. À l'aide de mathématiques et de données d'observation, les meilleurs esprits de la planète construisent les modèles les plus audacieux. L'un d'eux est l'inflation cosmique.
La théorie inflationniste, ou modèle inflationniste de l'univers, combine des idées de la physique quantique et de la physique des particules pour explorer les premiers moments de l'univers juste après le Big Bang. Selon elle, l'Univers s'est formé dans un état très instable, ce qui a provoqué son expansion rapide dans les tout premiers instants. L'une des conséquences de cette expansion est que l'univers est beaucoup plus grand que prévu à l'origine, et il s'étend beaucoup plus loin que nos télescopes ne peuvent le voir. De plus, cette théorie prédit certaines propriétés qui ne sont pas expliquées dans le cadre de la théorie du Big Bang, telles que la distribution uniforme de l'énergie et la géométrie plate de l'espace-temps.
La théorie d'un univers inflationniste a été développée par le physicien Alan Guth en 1980. Aujourd'hui, il est considéré comme une partie généralement acceptée de la théorie du Big Bang, même si les idées centrales de cette dernière ont été établies bien avant la formulation de la théorie inflationniste.
Comment tout a commencé
La théorie du Big Bang s'est révélée très réussie au fil des ans - en particulier, étant donné qu'elle a été confirmée par la découverte du rayonnement de fond (fond micro-ondes). Cependant, malgré le grand succès de cette théorie pour expliquer la plupart des aspects observés dans l'univers, trois problèmes subsistent:
Le modèle du Big Bang semblait prédire un univers courbe dans lequel l'énergie était répartie de manière inégale et dans lequel il y avait de nombreux monopôles magnétiques. Cependant, rien de tout cela ne correspond aux données.
Alan Guth / Annette Boutellier.
Le physicien Alan Guth a découvert le problème de la planéité pour la première fois lors d'une conférence de Robert Dick à l'Université Cornell en 1978. Dans les années qui ont suivi, Guth a appliqué des concepts de la physique des particules à cette situation et a développé un modèle inflationniste de l'univers primitif.
Le 23 janvier 1980, Guth a présenté ses découvertes lors d'une conférence au Laboratoire national des accélérateurs du SLAC. Son idée révolutionnaire était que les principes de la physique quantique issus du cœur même de la physique des particules pouvaient être appliqués aux premiers jours du Big Bang. Selon lui, l'univers aurait dû avoir une densité d'énergie élevée. Selon la thermodynamique, la densité de l'univers aurait dû l'amener à se développer à une vitesse incroyable.
En fait, selon le nouveau modèle de l'époque, l'Univers aurait dû surgir dans un «faux vide» et en l'absence du mécanisme de Higgs (en d'autres termes, le boson de Higgs n'existait pas). Elle a dû passer par un processus d'hypothermie à la recherche d'un état stable de basse énergie (le «vrai vide» dans lequel fonctionne le mécanisme de Higgs) - et c'est ce qui a déclenché une période d'expansion rapide.
À quelle vitesse est-ce? Selon le modèle, l'univers doublait toutes les 10 à 35 secondes. Ainsi, dans les 10 à 30 premières secondes après le Big Bang, il aurait doublé de taille 100 mille fois, et c'est largement suffisant pour expliquer le problème de la planéité. Même si l'univers avait une courbure au tout début, ce degré d'expansion conduirait au fait qu'aujourd'hui tout aurait l'air plat. (Notez que la Terre est assez grande pour qu'elle nous paraisse plate, bien que nous sachions que la surface sur laquelle nous nous tenons est incurvée pour former un objet sphérique.)
Les fluctuations quantiques qui se produisent pendant l'inflation s'étendent en effet à travers l'univers. Dans sa manifestation à grande échelle, l'inflation conduit au fait que l'univers devient plat et perd sa courbure précoce / E. Siegel / Beyond the Galaxy.
De plus, l'énergie est distribuée de manière si uniforme en raison du fait qu'au tout début nous étions une très petite partie de l'Univers, qui s'est développée si rapidement que même s'il y avait des irrégularités importantes dans la distribution de l'énergie, elles seraient trop loin de nous pour nous. aurait pu les remarquer ou les ressentir. Ceci, à son tour, sert de solution au problème d'homogénéité.
Développement de la théorie
Selon Alan Guth lui-même, le problème avec la théorie était qu'une fois que l'inflation commençait, elle devait continuer indéfiniment. Les scientifiques n'ont vu aucune allusion à un mécanisme distinct pour «désactiver» ce processus.
De plus, si l'espace était en constante expansion à ce rythme, alors l'idée exprimée précédemment par Sidney Coleman n'aurait pas fonctionné. Coleman a prédit que de petites bulles se sont formées pendant les transitions de phase dans l'univers primitif, qui ont fusionné les unes avec les autres. En présence d'inflation, les bulles s'éloignaient trop rapidement les unes des autres, sans avoir le temps de s'unir.
Le physicien soviétique Andrei Linde a attiré l'attention sur ce problème. Il l'a étudié et a constaté qu'il existe une autre interprétation qui apporte une solution à ce problème. Dans le même temps - c'était encore les années 1980 - de l'autre côté du rideau de fer, Andreas Albrecht et Paul Steinhardt sont parvenus seuls à une décision similaire.
Andrey Linde / LA Cicero.
Le fait est que dans le modèle original de Guth, plus d'un domaine inflationniste était autorisé à apparaître, ce qui, à son tour, pouvait entrer en collision. Dans ce cas, le résultat était un espace désordonné, dans lequel le rayonnement et la matière ont une densité inhomogène. Cela ne correspondait pas du tout à ce qui a été observé dans la réalité. Linde, Albrecht et Steinhardt ont changé l'équation du champ scalaire - et tout cela avait du sens. Selon cette solution, notre univers observable provenait d'une seule bulle de vide, qui se séparait des autres régions inflationnistes de l'espace. Il s'agit d'énormes distances inimaginables - à tous égards.
Une théorie de l'inflation si différente
La théorie inflationniste a plusieurs noms. Par exemple, l'inflation cosmologique, l'inflation cosmique, l'inflation, l'ancienne inflation (comme la version originale de la théorie d'Alan Guth est appelée), la nouvelle théorie inflationniste (le modèle développé par Linde, Albrecht et Steinhardt).
Il existe également deux versions proches de la théorie: la théorie chaotique de l'inflation et l'inflation éternelle. Dans ces théories, le mécanisme d'inflation n'est pas arrivé une seule fois - juste après le Big Bang - mais il se produit encore et encore dans différentes régions de l'espace. Ces modèles supposent un nombre rapidement croissant d '«univers à bulles» faisant partie du multivers, ou multivers. Certains physiciens notent que ces prédictions sont présentes dans toutes les versions du modèle inflationniste de l'univers, et ne les considèrent donc pas comme des théories différentes.
Vladimir Guillen