Notre Univers est né il y a 13,7 milliards d'années, généré par le Big Bang, et depuis plusieurs générations, les scientifiques tentent de comprendre ce phénomène.
A la fin des années 20 du XX siècle, Edwin Hubble découvrit que toutes les galaxies que nous voyons se dispersent - comme des fragments de grenade après une explosion, en même temps l'astronome et théologien belge Georges Lemaitre a avancé son hypothèse (en 1931 elle a été publiée sur les pages de "Nature"). Il pense que l'histoire de l'univers a commencé avec l'explosion de «l'atome primaire», ce qui a donné naissance au temps, à l'espace et à la matière (plus tôt, au début des années 1920, le scientifique soviétique Alexander Fridman, analysant les équations d'Einstein, est également parvenu à la conclusion que "L'univers a été créé à partir d'un point" et il a fallu "des dizaines de milliards de nos années habituelles").
Au début, les astronomes ont rejeté avec véhémence 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 supprimé la pénétration dans la science de toute sorte de 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 façon inattendue. Il arrive dans les flammes du Big Bang, et il est difficile de penser à une image plus triomphante de son apparence.
Cependant, le problème n'était pas seulement dans la théologie - le Big Bang n'a pas obéi aux lois des sciences exactes. Le moment le plus important de l'histoire de l'Univers était au-delà de la compréhension. En ce point singulier (spécial), situé sur l'axe de l'espace-temps, la théorie générale de la relativité 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 perdu toute signification physique. À ce stade, toutes ces secondes, mètres et unités astronomiques ont disparu, ne se sont pas transformées en zéro, ni en valeurs négatives, mais en leur absence totale, en une absurdité absolue. Ce point est un écart qui ne peut être surmonté sur les échasses de la logique ou des mathématiques, un trou dans 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 est inévitable. Cependant, cela ne pouvait pas faciliter le travail des théoriciens. Comment décrire le Big Bang? Quelle a été, par exemple, la cause de cet événement? Après tout, si avant lui il n'y avait pas de temps du tout, alors il ne semblait y avoir aucune raison qui lui donnât naissance.
Comme nous le comprenons maintenant, afin de créer une théorie complète du Big Bang, il est nécessaire de relier l'enseignement d'Einstein, décrivant 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 ne soit possible de faire cela et de dériver une seule «formule de l'univers».
Et où, par exemple, pourrait apparaître l'énorme quantité d'énergie qui a donné lieu à cette explosion de puissance incroyable? Peut-être a-t-il été hérité par notre Univers de son prédécesseur, qui s'est effondré en un point singulier? Cependant, alors où l'a-t-elle obtenue? Ou l'énergie a-t-elle été versée dans le vide primordial, d'où notre Univers s'est échappé comme une "bulle de mousse"? Ou est-ce que les univers de l'ancienne génération transfèrent de l'énergie aux univers de la jeune génération à travers des trous noirs - 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.
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Ou peut-être, selon certains chercheurs, que notre Univers est généralement … dépourvu d'énergie, ou plutôt que son énergie totale est nulle? L'énergie positive du rayonnement émis par la matière se superpose à l'énergie négative de la gravité. Plus et moins donne zéro. Ce notoire «0» semble être la clé pour comprendre la nature du Big Bang. De lui - de «zéro», de «rien» - tout est né instantanément. Par chance. Spontanément. Juste. Un écart négligeable par rapport à 0 a donné lieu à une avalanche universelle d'événements. On peut aussi faire une telle comparaison: une boule de pierre, en équilibre sur le sommet d'un Chomolungma aussi fin qu'une flèche, a soudainement basculé et roulé vers le bas, créant une «avalanche d'événements».
1973 - le physicien américain Edward Trion, 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. Donc, si l'énergie est strictement nulle, alors le temps peut être arbitrairement long. Si grande que tôt ou tard, une fluctuation se produira dans le vide quantique dont l'Univers doit naître. Cela conduira à une croissance rapide de l'espace, apparemment à partir de rien. «C'est juste que les Univers sont parfois nés, c'est tout», a simplement expliqué Trion sur le contexte du Big Bang. C'était une grande explosion aléatoire. C'est tout.
Le Big Bang pourrait-il se reproduire?
Curieusement, 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, dans le même vide qui a donné naissance à notre Univers, n'apparaissent pas de nouvelles fluctuations? Peut-être qu'au cours de ces 13,7 milliards d'années, un ensemble innombrable de mondes est apparu à côté de notre univers, qui ne se sont en rien touchés. Ils ont différentes lois de la nature, il existe différentes constantes physiques. Dans la plupart de ces mondes, la vie ne pourrait jamais surgir. Beaucoup d'entre eux meurent immédiatement, s'effondrent. Mais dans certains univers - par pur hasard! - il existe des conditions dans lesquelles la vie peut naître.
Mais il ne s'agit pas seulement du vide qui subsiste avant le début de «tous les temps et tous les peuples». Des fluctuations lourdes de mondes futurs peuvent également survenir dans un vide qui se diffuse dans notre Univers - plus précisément, dans l'énergie sombre qui le remplit. Ce type de modèle de «l'Univers renouvelé» a été développé par le cosmologiste américain, originaire de l'Union soviétique, Alexander Vilenkin. Ces nouveaux «big bangs» ne nous menacent pas. Ils ne détruiront pas la structure de l'Univers, ils ne la brûleront pas en cendres, mais créeront seulement un nouvel espace au-delà des limites de notre observation et de notre compréhension. Peut-être que de telles "explosions", marquant la naissance de nouveaux mondes, se produisent dans les profondeurs de nombreux trous noirs parsemant l'espace, estime l'astrophysicien américain Lee Smolin.
Un autre natif de l'URSS, vivant en Occident, le cosmologiste Andrei Linde estime que nous sommes nous-mêmes capables de créer un nouveau Big Bang, ayant collecté à un moment donné dans l'espace une énorme quantité d'énergie dépassant une certaine limite critique. Selon ses calculs, les ingénieurs spatiaux du futur pourraient prendre une pincée invisible de matière - seulement quelques centièmes de milligramme - et la condenser à un tel point que l'énergie de ce caillot sera de 1015 giga-volts. Un minuscule trou noir se formera, qui commencera à se dilater de manière exponentielle. Cela créera un «univers fille» 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 observée de l'Univers, l'image de la distribution des éléments chimiques, ainsi que le rayonnement de fond cosmique, qui est appelé la «relique du Big Bang».
Avant le Big Bang?
Le monde n'existe pas pour toujours. Il a pris naissance dans les flammes du Big Bang. Mais s'agit-il d'un phénomène unique dans l'histoire de l'espace? Ou un événement récurrent comme la naissance d'étoiles et de 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 peu importe à quel point un tel état est «minimal simple» - et les lois de la physique ne permettent pas d'exister moins qu'un vide quantique - on ne peut l'appeler «Rien».
Peut-être que l'Univers que nous voyons n'est qu'un autre état global d'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 prédite par la «formule pour tout» qu'Einstein recherchait? Et sera-t-il trouvé dans les décennies à venir? Les scientifiques scrutent intensément le mur de l'inconnu, qui a clôturé notre univers, essayant de comprendre ce qui s'est passé un moment auparavant, selon nos idées habituelles, il n'y avait absolument rien. Quelles formes du cosmos éternel peut-on imaginer en dotant le temps et l'espace de ces qualités inconcevables dans notre univers?
Certaines des théories les plus prometteuses dans lesquelles les physiciens tentent de faire entrer toute une éternité sont peut-être la théorie de la géométrie quantique, de la dynamique de spin quantique ou de la gravité quantique. Les plus grandes contributions à leur développement ont été faites par Abei Ashtekar, Ted Jacobson, Jerzy Lewandowski, Carlo Rovelli, Lee Smolin et Thomas Thiemann. Ce sont toutes les constructions physiques les plus complexes, des palais entiers, érigés à partir de formules et d'hypothèses, juste pour cacher l'écart caché dans leur profondeur et leur obscurité, la singularité du temps et de l'espace.
L'ère de la singularité
Les chemins détournés des nouvelles théories nous obligent à franchir les vérités apparemment évidentes. Ainsi, dans la géométrie quantique, l'espace et le temps, auparavant divisés à l'infini, se brisent soudainement en îles séparées - des portions, des quanta, moins que ce qu'il n'y a rien. Tous les points singuliers peuvent être intégrés dans ces «rochers». 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 séparés.
Le volume de la plus petite boucle d'espace possible n'est que de 10 à 99 centimètres cubes. Cette valeur est si petite qu'il y a beaucoup plus de quanta d'espace dans un centimètre cube que ces mêmes centimètres cubes dans l'Univers que nous observons (son volume est de 1085 centimètres dans un cube). Il n'y a rien à l'intérieur des quanta de l'espace, aucune énergie, peu importe - tout comme à l'intérieur d'un point mathématique - par définition - il n'y a pas de triangle ou d'icosaèdre. Mais si nous appliquons l'hypothèse du "tissu submicroscopique de l'univers" pour décrire le Big Bang, nous obtenons des résultats étonnants, comme l'ont montré Abei Ashtekar et Martin Bojovald de l'Université de Pennsylvanie.
Si nous remplaçons les équations différentielles de la théorie standard de la cosmologie, qui supposent un flux continu d'espace, par d'autres équations différentielles issues de la théorie de la géométrie quantique, alors la singularité mystérieuse disparaît. La physique ne s'arrête pas là où le Big Bang commence - 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.
Dans la théorie de la gravité quantique, il est supposé que notre Univers (comme tous les autres) est né à la suite 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 taille apparaît dans un vide quantique, un nouvel Univers est né. Il «bifurque» de l'environnement homogène dans lequel il s'est formé et commence sa propre vie. Maintenant, elle a sa propre histoire, son propre espace, son propre temps, sa propre flèche du temps.
En physique moderne, un certain nombre de théories ont été créées qui montrent comment, à partir d'un environnement éternellement existant, où il n'y a pas de Macrotime, mais à certains points desquels s'écoule son microtime, un monde aussi énorme peut surgir, comme le nôtre.
Par exemple, les physiciens Gabriele Veneziano et Maurizio Gasperini d'Italie, dans le cadre de la théorie des cordes, suggèrent que le soi-disant «vide des cordes» existait à l'origine. Des fluctuations quantiques aléatoires dans celui-ci ont conduit au fait que la densité d'énergie a atteint une valeur critique, ce qui a provoqué un effondrement local. Ce qui s'est terminé par la naissance de notre Univers à partir du vide.
Dans le cadre de la théorie de la géométrie quantique, Abei Ashtekar et Martin Bojovald ont montré que l'espace et le temps peuvent provenir de structures fondamentales plus primitives, à savoir les «réseaux de spin».
Eckhard Rebhan de l'université de Düsseldorf et - indépendamment de lui - George Ellis et Roy Maartens de l'université du Cap développent l'idée d'un «univers statique», déjà envisagée par Albert Einstein et l'astronome britannique Arthur Eddington. Dans leur quête pour se passer des effets de la gravité quantique, Rebhan et ses collègues ont imaginé un espace sphérique qui se trouve 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 chaud.
Bien sûr, les modèles énumérés sont spéculatifs, mais ils correspondent fondamentalement au niveau moderne 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 ordinaire et naturel, et non unique en son genre.
Ce genre de théorie nous aidera-t-il à comprendre ce qui aurait pu se passer avant le Big Bang? Si l'univers est né, qu'est-ce qui l'a fait naître? Où apparaît «l'empreinte génétique» de son parent dans les théories modernes de la cosmologie? 2005 - Abei Ashtekar, par exemple, rend publics les résultats de ses nouveaux calculs (Tomasz Pavlovsky et Paramprit Singh ont aidé à les faire). D'après eux, il était clair que si les prémisses initiales sont 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 reflétait dans la physique de l'autre monde. Dans ces calculs, le Big Bang, comme un écran miroir, a traversé l'Éternité, plaçant à côté de 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 puisse voir "de l'autre côté du miroir" est que l'Univers n'était pas en expansion à ce moment-là, mais se contractait. Le Big Bang est devenu le point de son effondrement. A ce moment, l'espace et le temps ont été interrompus un instant pour se refléter à nouveau - pour continuer - pour s'élever comme un phénix dans le monde que nous connaissons, cet univers que nous mesurons avec nos formules, nos codes et nos 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 tout l'Univers à partir de rien", mais n'était qu'une transition d'une forme dynamique d'éternité à une autre. Peut-être que l'Univers traverse une série interminable de "big bangs", et ces dizaines de milliards (ou peu importe) d'années séparant ses phases séparées ne sont que des périodes de la "sinusoïde cosmique"selon les lois dont vit l'univers?
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A. Volkov