La récente découverte des ondes gravitationnelles du Big Bang qui a donné naissance à notre univers a déclenché des ondes dans les cercles astrophysiciens et cosmologiques. Certains ont accueilli avec enthousiasme la nouvelle découverte, affirmant qu'elle prouvait finalement la réalité de l'inflation (la soi-disant expansion rapide de l'univers postulée par la théorie après le Big Bang).
D'autres ont appelé à la prudence, soulignant que les vagues détectées pourraient être dues en partie à des facteurs autres que l'inflation uniquement. Certains ont annoncé que ces résultats ont finalement enterré presque toutes les théories alternatives avancées pour expliquer les propriétés observées de l'univers, d'autres ont mis en garde contre une précipitation excessive, appelant d'abord à «prouver de manière fiable» l'incohérence des alternatives possibles. Dans ce contexte général d'agitation, le discours de l'un des principaux cosmologistes modernes, Andrei Linde de l'Université de Stanford, était particulièrement intéressant.
Se félicitant de cette nouvelle découverte, il a déclaré que non seulement elle «supprime 90% de tous les autres modèles d'inflation de la discussion», mais aussi «cadre parfaitement avec la théorie de l'inflation chaotique», c'est-à-dire la théorie que Linde lui-même a développée il y a environ 30 ans. Ce n'est pas un hasard si les paroles de Linde ont suscité l'intérêt particulier de tous ses collègues. Le fait est que si de nouveaux tests confirment vraiment la réalité de l'inflation chaotique, cela signifiera que la cosmologie a finalement réussi à résoudre une question douloureuse et fondamentale, à laquelle elle n'a pas été en mesure de donner une réponse satisfaisante depuis de nombreuses décennies.
Cette question, comme vous le verrez maintenant, est également fondamentale pour nous, les curieux ordinaires, car dans sa forme la plus primitive, cela ressemble à ceci: pourquoi existons-nous?
Laissez-moi vous expliquer maintenant. Déjà au milieu du siècle dernier, on a remarqué que les constantes physiques de base (par exemple, la charge électronique, la constante gravitationnelle dans la loi de la gravitation universelle et un certain nombre d'autres quantités fondamentales) sont ajustées avec une extrême précision pour garantir que la vie dans l'univers puisse exister sous la forme sous laquelle nous nous savons.
Il existe de nombreux autres exemples d'ajustement aussi fin des lois de la nature aux besoins d'un anthropos, c'est-à-dire d'une personne. Disons que notre vie est basée sur le carbone, et le carbone, comme l'a montré l'étude des processus de formation des éléments chimiques, ne pourrait pas apparaître dans l'univers si les niveaux d'énergie en atomes plus légers que le carbone, les éléments diffèrent même par milliardièmes de ce qui est sur vraiment.
Autre exemple, déjà issu de la géométrie de l'espace: pour l'émergence et le développement de la vie, il faut des planètes qui tournent autour de leurs étoiles selon la loi de la gravité. Et la théorie générale de la relativité montre que dans l'espace à deux dimensions, la gravité serait trop faible pour maintenir les planètes près des étoiles, et dans l'espace de quatre dimensions ou plus, il ne peut y avoir aucune gravité.
Pour les anthropos, il ne reste que cet espace à trois dimensions, que nous voyons autour de nous. Et il existe un grand nombre de ces exemples. Ceux qui sont intéressés, je ferai référence au merveilleux livre de Barrow et Tippler, «Le principe anthropologique cosmologique».
Vidéo promotionelle:
Comment expliquez-vous un ajustement aussi subtil? En 1973, le célèbre astrophysicien Brandon Carter, s'exprimant à la conférence de Cracovie en l'honneur du 500e anniversaire de la naissance de Copernic, a formulé une réponse possible à cette question. Cette réponse s'appelle le «principe anthropique». Il soutient que contrairement à l'ancienne croyance (copernicienne) selon laquelle l'emplacement de la Terre dans l'espace n'est pas différent de tous les autres emplacements possibles dans l'univers, en fait, Carter dit, «sa position, bien que pas nécessairement centrale, est encore quelque peu spéciale..
Quelle est cette fonctionnalité? Le fait que dans toute la partie environnante de l'univers visible pour nous, les lois et les constantes de la nature sont exactement ce qui est nécessaire pour l'émergence de la vie et anthropos comme sa «couronne».
En d'autres termes, nous sommes apparus dans un endroit si spécial (de notre point de vue) dans l'univers, où nous seuls pouvions apparaître. Si nous supposons qu'il y a beaucoup d'autres coins de l'univers que nous ne voyons pas, alors il est fort possible que les lois et les constantes de la nature y soient différentes, la vie et l'homme ne pourraient pas y apparaître, et donc personne ne peut se demander pourquoi les lois de la nature sont autour de lui. sont telles qu'elles excluent son apparition.
Ainsi, la réponse à notre question fondamentale se résume au fait que nous existons, car par une coïncidence incroyablement heureuse dans notre partie de l'univers, exactement de telles lois et constantes de la nature se sont formées, qui se sont avérées idéalement ajustées à la possibilité de notre apparition.
Cette formulation du principe anthropique a été appelée plus tard faible, car il est possible de faire une déclaration plus forte, qui est appelée le principe anthropique fort. Selon ce principe, il n'y a pas d'autres parties ou endroits dans l'univers - tout est immédiatement apparu de telle sorte que ses lois et ses constantes sont les mêmes partout et sont partout exactement ajustées à la possibilité de l'apparition de la vie et de la raison. Cela semble plus logique que la déclaration sur les «différents endroits» de l'univers avec des «lois différentes» (pourquoi le ferait-il soudainement?!). Mais sous cette forme, le principe anthropique ressemble fortement à des histoires sur la création délibérée (divine?) De l'univers entier pour le bien de l'homme, et donc la plupart des scientifiques ont résolument refusé de l'accepter. Néanmoins, le fait de l'ajustement fin était évident et demandait à être expliqué. Linde était l'une des rares à avoir essayé sérieusement,c'est-à-dire, à l'aide de calculs théoriques rigoureux, vérifiez: pourrait-il vraiment y avoir de tels scénarios pour la naissance de l'univers qui expliqueraient cet ajustement?
Permettez-moi de vous rappeler que le scénario original du Big Bang est né presque immédiatement après qu'Einstein a créé la théorie générale de la relativité, qui reliait la gravité aux propriétés de l'espace et du temps. Einstein croyait que l'univers est toujours dans un état stationnaire et que la gravité de tous ses corps les uns par rapport aux autres est équilibrée par une sorte de champ éclatant (aujourd'hui, on l'appelle le champ d'énergie sombre).
Mais quelques années plus tard, Hubble a découvert que l'univers est en fait en train de s'étendre (toutes les galaxies s'éloignent les unes des autres) avec une certaine vitesse petite mais perceptible, comme si toutes ces galaxies avaient autrefois reçu un élan initial et continuent de se déplacer par inertie (aujourd'hui on sait que le champ d'énergie noire accélère même ce mouvement). Cette impulsion initiale a été appelée le Big Bang (l'astrophysicien Hoyle l'a baptisé avec dérision Big Bang - "Big Clapperboard").
La théorie du Big Bang décrit très bien la naissance et le développement de l'univers. Elle a fait valoir que l'univers est apparu comme un morceau de plasma extrêmement chaud et dense, qui s'est progressivement étendu (avec son espace) et s'est progressivement refroidi.
Initialement, sa matière ne pouvait pas être divisée en matière et énergie, mais en se refroidissant, des champs de force (énergie) ont commencé à apparaître (séparés les uns des autres) - nucléaires, faibles, électromagnétiques, et avec eux des particules qui leur correspondent ont commencé à apparaître - quarks, électrons, neutrinos, etc. Et enfin (la théorie indiquait qu'environ 380 mille ans après l'explosion) l'univers s'est tellement refroidi que les quanta d'énergie n'ont pas brisé les atomes nouveau-nés, et alors la substance est tombée du plasma général.
Un vide (vide) restait entre les atomes, qui était rempli d'un rayonnement électromagnétique d'une intensité énorme. Les atomes ont commencé à se coller ensemble dans des amas de matière (formant finalement les premières étoiles et galaxies), et le rayonnement résiduel a continué à se refroidir, c'est-à-dire de très courtes longueurs d'onde à des longueurs d'onde de plus en plus longues (à la fois en raison de la perte d'énergie dans les collisions avec la matière, et en raison de l'étirement des ondes de pour l'expansion continue de l'espace), et maintenant il s'est refroidi à 3 degrés Kelvin (sa longueur d'onde est déjà de plusieurs millimètres). Il a été appelé rayonnement cosmique résiduel ou relique.
Cette image élancée et impressionnante a été brillamment confirmée lorsque Penzias et Wilson ont découvert un tel rayonnement avec une température de 2,7 Kelvin et atteignant la Terre de tous les côtés du ciel, c'est-à-dire remplissant l'univers entier. Mais avec la confirmation est venue une autre question, car il s'est avéré que ce rayonnement est uniforme, c'est-à-dire qu'il a la même température dans toutes les directions, c'est-à-dire dans tout l'univers. Comment est-ce possible? La théorie dit que le Big Bang s'est produit il y a 13,7 milliards d'années. Cela signifie que le rayonnement relique s'est formé il y a environ 13,3 milliards d'années.
Les points les plus éloignés d'où cette lumière peut venir sur Terre aujourd'hui peuvent être à 13,3 années-lumière, ce qui signifie que la distance entre deux de ces points sur les côtés opposés du ciel est de 26,6 milliards d'années-lumière. Aucune énergie ne pourrait se déplacer d'un tel point à un autre, car pour cela, il faudrait qu'elle se déplace à deux fois la vitesse de la lumière, ce qui est impossible. Pendant ce temps, les mesures de Penzias et Wilson ont montré que ces deux points émettent un rayonnement résiduel de même température, ce qui signifie qu'ils sont dans un état d'équilibre thermique.
Cette bizarrerie a été appelée le problème d'horizon (parce que les deux points ci-dessus sont sur le bord, ou à l'horizon, de l'univers d'aujourd'hui). Pour tenter de résoudre ce problème, Alan Guth a avancé en 1981 l'idée d'inflation (l'inflation est également traduite par «inflation», «gonflement»), selon laquelle le caillot plasmatique initial résultant du Big Bang était petit, et donc toutes ses parties pourraient échanger de l'énergie, arriver à la même température.
Et puis, en un temps monstrueusement court (10 à la puissance moins 35 de seconde), il y a eu une inflation brève mais monstrueusement rapide de l'espace de l'univers, qui a augmenté jusqu'à sa taille apparente actuelle (10 à la 23e puissance de km). Cela ne vaut pas la peine d'essayer de visualiser ces chiffres. Le taux de cette inflation dépassait inimaginablement la vitesse de la lumière (ce qui, cependant, ne violait pas le principe de la limite de la vitesse de la lumière, car il n'y avait pas de transmission de signal à travers l'espace, mais l'expansion de l'espace lui-même).
Et bien sûr, pendant ce temps, toutes les parties de l'univers ne pouvaient pas changer d'état, et sont donc restées partout dans un état d'équilibre thermique les unes avec les autres.
La théorie inflationniste de Guth a résolu plus que le problème de l'horizon. Dans le même temps, elle a expliqué pourquoi l'univers observé nous apparaît en moyenne (c'est-à-dire à de très grandes distances) pratiquement homogène et plat (c'est-à-dire dans lequel les lois de la géométrie euclidienne sont remplies, et non, par exemple, les lois de la géométrie sphérique de Riemann ou de la géométrie hyperbolique de Lobatchevsky).
En gros, l'inflation a «déroulé» le «tapis» roulé de l'espace universel, supprimant les plus petits écarts du plan et le rendant euclidien, et l'univers lui-même - homogène.
(Pour être strict, pour le plaisir, à notre époque, la découverte de la matière noire, qui dans l'univers est plusieurs fois plus que d'habitude, a de nouveau soulevé le problème de la planéité et de l'uniformité pour les scientifiques, car il s'est avéré que la matière noire est distribuée dans l'espace différemment de l'habituelle, visible. a donné lieu à de nouvelles théories inflationnistes plus complexes, mais elles n'ont rien à voir avec l'histoire du principe anthropique en cosmologie.)
Quelle a été la cause profonde du Big Bang et de l'inflation qui a suivi? Selon Guth, tout a commencé avec les fluctuations quantiques du vide. En gros, en physique quantique, un vide n'est pas un vide, mais un état particulier d'un certain champ dans lequel des fluctuations d'énergie peuvent se produire. Une telle vibration pendant une courte période augmente l'énergie du champ, puis un état instable appelé faux vide apparaît.
Un tel état se désintègre extrêmement rapidement, c'est-à-dire qu'il revient à la normale, mais dans certaines conditions, un morceau d'espace dans lequel un faux vide est apparu puis s'est désintégré peut utiliser l'énergie qui y est soudainement apparue pour son expansion effrénée, en d'autres termes, pour l'inflation. Selon Guth, c'est précisément un tel processus qui a donné naissance à l'univers que nous observons, et il s'est déroulé dans une zone d'équilibre si microscopique, donc homogène, que l'univers qui en est issu s'est également avéré, comme nous l'avons déjà dit, homogène et équilibré.
De plus, le site d'origine était si petit que les lois de la physique y étaient les mêmes partout - donc dans l'univers instantanément gonflé, elles sont restées les mêmes partout. Et le fait qu'en même temps ils se soient avérés favorables à l'émergence de la vie et de la raison est déjà une pure coïncidence. La réponse, en substance, reprend un principe anthropique fort, lui donnant une base scientifique rigoureuse.
Cette conclusion était inacceptable pour Linde, et il a essayé de généraliser la théorie de Guth. Il a rejeté son hypothèse de microscopicité, et donc l'homogénéité de la zone initiale où le faux vide est apparu, et a étudié (théoriquement, bien sûr) ce qui se passerait si l'on considérait une zone d'espace suffisamment grande, qui ne pourrait certainement pas être ni homogène ni énergétiquement équilibrée.
Les calculs l'ont conduit à des résultats inhabituellement intéressants. Il s'est avéré que dans ce cas, des fluctuations quantiques du faux vide peuvent se produire à différents endroits de cette zone à des moments différents et avec des intensités différentes. Pour cette raison, certains endroits vont gonfler à un taux inflationniste, tandis que d'autres ne se développeront pas du tout ou cesseront de s'étendre prématurément. Il n'y aura pas un seul univers, comme dans la théorie de Guth, mais tout un tas d'univers, chacun aussi grand que le seul Guth.
Et puisque cet amas d'univers (semblable à l'univers, Linde l'appelait multivers, c'est-à-dire quelque chose comme un «multivers») est né d'un état chaotique de vide et de désordre chaotique, il sera lui-même chaotique, c'est-à-dire qu'il est impossible d'indiquer un seul au moment de la naissance, dans chacun de ses compartiments (dans chaque univers séparé), il y aura certainement ses propres lois d'espace, de temps et de nature en stricte conformité avec le principe anthropique faible.
La nouvelle théorie s'appelle l'inflation chaotique. En le développant, Linde, dans son travail de 1986, a montré que dans les compartiments à croissance rapide du multivers, ses propres fluctuations quantiques du vide et d'autres champs devraient apparaître, ce qui devrait conduire à une inflation continue et sans fin de tels endroits dans ces compartiments, de sorte que le multivers devrait se reproduire indéfiniment.
Ce processus n'a ni début ni fin, c'est pourquoi Linde a appelé ce nouveau scénario grandiose la théorie de l'inflation chaotique éternelle. Cette inflation infinie sera également chaotique en ce sens que tous les nouveaux compartiments surgissant dans des compartiments différents (ce sont aussi des univers) (ce sont des univers nouveaux et nouveaux), en principe, devraient avoir des géométries différentes (y compris un nombre différent de dimensions de l'espace), des propriétés différentes temps et différents types de particules et de champs.
Il est donc possible que beaucoup d'entre eux aient, disons, six dimensions spatiales ou ne contiennent aucune particule de matière, et ainsi de suite. (Bien sûr, il est également fort probable que beaucoup d'entre eux - et leur nombre est infini - conviendront tout à fait à l'émergence de la vie et de la raison, bien que chacun en son temps, ne coïncide pas nécessairement avec les autres.)
Et maintenant, Linde affirme (et Guth a déjà exprimé son accord avec lui) que les nouvelles données sur les ondes gravitationnelles coïncident le mieux avec les prédictions de cette théorie.
Comme je l'ai dit, si ses paroles sont enfin confirmées, la science recevra enfin une réponse quant aux raisons pour lesquelles nous existons. Parce que dans le processus sans fin et éternel d'apparition chaotique de plus en plus de nouveaux univers avec de plus en plus de nouvelles lois et constantes, un jour (et plus d'une fois) il a dû apparaître un où l'émergence de la vie et de la raison devenait possible. Ce sera une énorme victoire scientifique, mais, bien sûr, uniquement dans le cadre de la physique et de la cosmologie. Car une réponse complète à la question de savoir pourquoi nous existons nécessite, bien sûr, aussi une explication biologique de la façon dont la vie pourrait surgir de la matière «morte» et se développer avant l'apparition de la raison.
La biologie ne peut pas encore expliquer l'émergence de la vie sans ambiguïté. Elle se heurte immédiatement au problème «de la poule et de l'œuf» ici. Les protéines sont nécessaires pour reproduire le premier ADN, et l'ADN est nécessaire pour produire les premières protéines.
Ils tentent de contourner cette difficulté en postulant que des molécules spéciales, l'ARN, ont été les premières à émerger, capables de catalyser leur propre reproduction. Cette catalyse a conduit à l'émergence de tout un monde d'ARN différents, à partir desquels la sélection naturelle a commencé à sélectionner du matériel pour une complication supplémentaire. Mais l'existence d'une telle autocatalyse n'a pas encore été pleinement prouvée, et surtout, on ne sait pas pourquoi la sélection de tous les meilleurs ARN aurait dû conduire à l'apparition de protéines (ou d'ADN). La biologie moderne éprouve également des difficultés à expliquer le développement ultérieur de la vie.
Elle explique ce processus par la théorie de Darwin, dans laquelle l'évolution est présentée comme un processus lent, graduel et continu d'accumulation et de sélection de petits changements aléatoires (mutations) dans les gènes, qui trouve ensuite son expression dans des changements tout aussi petits dans les organismes dans leur ensemble. De cette manière, la théorie prétend que dès la première cellule vivante, divers types de cellules ont commencé à se développer, poussant comme les branches d'un arbre, puis divisées en types d'organismes encore plus nombreux, et ainsi de suite jusqu'à la personne qui a couronné cet «arbre de vie».
Cependant, au cours des dernières décennies, de nombreux faits nouveaux se sont accumulés, indiquant qu'en réalité ce processus n'était pas continu. Il s'agissait plutôt d'une évolution intermittente, au cours de laquelle de courtes périodes d'apparition rapide de nouveaux organismes sous une forme presque finie ont été remplacées par de longues périodes de leur ajustement et de leur fragmentation plus fine en sous-espèces (Eldridge et Gould ont appelé ce processus évolution en pointillés).
De nombreux auteurs ont déjà tenté de faire ces ajustements à la théorie darwinienne, mais tout récemment est apparue la première hypothèse généralisante et très radicale, qui "corrige" Darwin avec l'aide de Linde!
Cette hypothèse appartient à l'excellent biologiste moderne Evgeny Kunin des National Institutes of Health de Bethesda (USA). Il a été entièrement décrit par lui dans son récent livre "The Logic of Randomness", et avant cela - dans deux articles aux titres très remarquables, comme vous le verrez maintenant: "The Cosmological Model of Eternal Inflation and the Transition from Randomness to Evolution in the History of Life" et "The Model of the Biological Big explosion pour les principaux moments de transition de l'évolution ». Dans le premier article, Kunin dit quelque chose comme ceci: «Le modèle de l'inflation éternelle, contrairement au modèle cosmologique traditionnel d'un univers unique et unique, suggère que tous les ensembles possibles de conditions physiques initiales peuvent survenir au hasard et se répéter d'innombrables fois dans différents compartiments du multivers.
Ce modèle indique donc également la possibilité qu'un nombre infini des systèmes les plus complexes apparaissent au hasard dans différents compartiments de ce type, même si la probabilité de chaque occurrence unique d'une telle complexité dans chaque compartiment séparé est extrêmement faible. La vie sur Terre ne fait pas exception à cette règle. Nous existons parce que dans notre compartiment du multivers, par hasard, l'ensemble des molécules qui assuraient à la fois la reproduction de l'ADN et la construction de protéines avec son aide est apparu à la fois. La théorie de l'inflation éternelle dit que dans un multivers éternel et sans cesse auto-multipliant, l'apparition d'un tel accident (comme tout autre) était nécessaire, de sorte que l'évolution darwinienne ne nécessite aucun monde ARN et est, par essence, une conséquence inévitable du principe anthropique.
Dans l'introduction du deuxième article, Kunin écrit: «A toutes les étapes principales de l'évolution biologique, le même scénario de l'apparition soudaine de diverses formes vivantes d'un nouveau niveau de complexité se répète. Ce fut le cas avec l'apparition des premières molécules vivantes (ARN et protéines), les groupes de virus les plus importants, deux classes de protozoaires (archées et bactéries), les fondateurs de la super-famille des eukarites (cellules à noyau) et toutes les familles animales. On pourrait penser que tous ces points sont des lieux de transition d'une phase, explosive, de développement évolutif à une autre, graduelle. La première phase, inflationniste, génère très rapidement une grande variété de nouvelles opportunités d'échange d'informations génétiques (transfert horizontal de gènes, recombinaison, fusion, division, etc.), tandis que dans la deuxième phase, de nouvelles formes de vie ainsi apparues commencent à se développer et à se ramifier. Ce processus ressemble à la naissance d'un nouvel univers dans la théorie de l'inflation chaotique éternelle, où, à la suite de l'expansion rapide (généralement appelée Big Bang), un nouveau compartiment du multivers est né, qui commence à se développer selon ses lois internes. Par conséquent, j'ai appelé les transitions de phase décrites ci-dessus dans l'histoire de la vie «Big Bangs biologiques».
Les deux articles continuent avec une analyse détaillée et la preuve des hypothèses qui y sont avancées, mais leur récit nécessite une histoire à part, et nous ne pouvons qu'espérer que le destin nous permettra d'y revenir. Pour l'instant, je dirai seulement: les idées vertigineuses de la science moderne révèlent des profondeurs sans fond, et la nature, apparemment, n'a pas tant essayé en vain, créant cet instrument de sa connaissance de soi.
Raphael Nudelman