Les physiciens théoriciens et cosmologistes doivent chercher des réponses aux questions les plus fondamentales: "Pourquoi sommes-nous ici?", "Quand l'univers est-il apparu?" et "Comment est-ce arrivé?" Cependant, malgré l'importance évidente de trouver des réponses à ces questions, il y a une question qui les éclipse toutes de son intérêt: "Que s'est-il passé avant le Big Bang?"
Soyons honnêtes: nous ne pouvons pas répondre à cette question. Personne ne peut. Mais après tout, personne n'interdit de spéculer sur ce sujet et de considérer plusieurs hypothèses intéressantes? Sean Carroll du California Institute of Technology, par exemple, est d'accord avec cela. Le mois dernier, Carroll a assisté à une réunion bisannuelle de l'American Astronomical Society, où il a proposé plusieurs scénarios «pré-explosifs», dont «l'accord final» pourrait être l'émergence de notre univers. Encore une fois, ce n'est que de la spéculation, pas de la théorie, alors veuillez en tenir compte.
«A cette époque, pour ainsi dire, les lois de la physique que nous connaissons n'étaient pas encore en vigueur, car« alors »elles n'existaient pas encore», dit Carroll.
«Quand les physiciens disent qu'ils n'ont aucune idée de ce qui s'est passé alors, ils le disent sérieusement. Ce segment de l'histoire est dans une obscurité absolument impénétrable », reconnaît Peter Voight, physicien théoricien à l'Université de Columbia.
L'une des propriétés les plus étranges de notre univers est qu'il a un très faible niveau d'entropie. Ce terme a de nombreuses interprétations, mais dans ce cas, nous parlons du degré de désordre. Et dans le cas de l'Univers, il y a plus d'ordre que de désordre. Imaginez une bombe remplie de sable. La bombe explose et les milliards de milliards de grains de sable qu'elle contient se dispersent dans différentes directions - en fait, devant vous se trouve un modèle du Big Bang.
«Seulement au lieu de la dispersion chaotique attendue, ces grains de sable, représentant la matière de notre univers, se transforment immédiatement en de nombreux« châteaux de sable »prêts à l'emploi, formés de manière incertaine et sans aide extérieure», explique Stephen Countryman, étudiant diplômé de l'Université de Columbia.
Le résultat du Big Bang pourrait (et aurait peut-être dû) être l'émergence d'un haut niveau d'entropie de masse sous la forme d'une matière inégalement répartie. Au lieu de cela, cependant, nous voyons des systèmes stellaires, des galaxies et des amas entiers de galaxies interconnectés. Nous voyons l'ordre.
En outre, il est important de comprendre que l'entropie, ou le désordre, ne peut qu'augmenter avec le temps - le même château de sable se désintégrera tôt ou tard et sans aide extérieure en de nombreux grains de sable. De plus, comme le souligne Carroll, notre observation du temps est directement liée au niveau d'entropie depuis le début de l'univers. En même temps, l'entropie elle-même peut être considérée comme une sorte de propriété physique dépendant du temps avec une seule direction de mouvement - vers le futur.
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Ainsi, l'entropie, selon les lois de la physique, ne peut qu'augmenter, mais son niveau actuel dans l'Univers est très bas. Selon Carroll, cela ne peut signifier qu'une chose: le premier Univers en avait un niveau encore plus bas, c'est-à-dire que l'Univers aurait dû être encore plus organisé et ordonné. Et cela, à son tour, peut donner lieu à l'idée de ce qui est arrivé à notre Univers en fait avant le Big Bang lui-même.
«De nombreuses personnes croient que l'univers primitif était un système très simple, sans intérêt et sans expression. Cependant, dès que vous connectez l'entropie à ce problème, la perspective change immédiatement, et vous vous rendez compte que dans ce cas, il y a des choses à expliquer », poursuit Carroll.
Même si nous laissons de côté l'entropie, alors nous aurons d'autres aspects tout aussi importants qui doivent être en quelque sorte ajustés à notre Univers actuel dans lequel nous vivons. De plus, dans certains cas, des niveaux d'entropie faibles semblent moins importants que dans d'autres. Par conséquent, nous allons essayer de considérer les trois hypothèses les plus populaires sur ce qui aurait pu arriver à l'Univers avant le Big Bang.
Le modèle du grand rebond
Selon l'une des hypothèses, le faible niveau d'entropie de notre Univers est dû au fait que son apparition elle-même était le résultat de la désintégration d'un certain Univers «précédent». Cette hypothèse dit que notre univers aurait pu se former à la suite d'une compression rapide («rebond»), entraînée par des effets complexes de gravité quantique (singularité), qui à son tour a donné naissance au Big Bang. À son tour, cela peut indiquer que nous pouvons vivre avec un succès égal à la fois en tout point de la séquence infinie des Univers émergents et, inversement, dans la «première itération» de l'Univers.
Ce modèle hypothétique de l'émergence de l'Univers est parfois appelé le modèle du «Big Bounce». La première mention de ce terme remonte aux années 60, mais ce modèle n'est devenu une hypothèse plus ou moins formée que dans les années 80 - début des années 90.
Parmi les points controversés les moins significatifs, le modèle Big Bounce présente également des défauts évidents. Par exemple, l'idée de l'effondrement dans une singularité contredit la théorie générale de la relativité d'Einstein - les règles selon lesquelles la gravité fonctionne. Les physiciens pensent que l'effet de singularité peut exister à l'intérieur des trous noirs, mais les lois physiques que nous connaissons ne peuvent nous fournir un mécanisme pour expliquer pourquoi «un autre univers», ayant atteint la singularité, devrait donner naissance au Big Bang.
«Il n'y a rien dans la relativité générale qui indique un« rebond »du nouvel univers en raison de la singularité», explique Sean Carroll.
Cependant, ce n'est pas le seul gros point controversé. Le fait est que le modèle Big Bounce implique la présence d'un cours du temps rectiligne avec une entropie décroissante, cependant, comme mentionné ci-dessus, l'entropie ne fait qu'augmenter avec le temps. En d'autres termes, selon les lois de la physique que nous connaissons, l'apparition d'un univers rebondissant est impossible.
Le développement ultérieur du modèle a conduit à l'émergence d'une hypothèse selon laquelle le temps dans l'Univers peut être cyclique. Mais en même temps, le modèle est toujours incapable d'expliquer comment l'expansion actuelle de l'Univers sera remplacée par sa contraction. Pourtant, cela ne signifie pas nécessairement que le modèle Big Bounce est complètement faux. Il est possible que nos théories actuelles à ce sujet soient simplement imparfaites et pas entièrement réfléchies. Après tout, les lois de la physique que nous avons maintenant sont dérivées de la limite selon laquelle nous pouvons observer l'univers.
Le modèle de l'univers endormi
«Peut-être avant le Big Bang, l'univers était un espace statique très compact et en évolution lente», théorisent des physiciens tels que Kurt Hinterbichler, Austin Joyce et Justin Khoury.
Cet univers «pré-explosif» devait avoir un état métastable, c'est-à-dire être stable jusqu'à ce qu'un état encore plus stable apparaisse. Par analogie, imaginez une falaise, au bord de laquelle un rocher est en état de vibration. Tout contact avec le rocher entraînera le fait qu'il tombe dans l'abîme ou - ce qui est plus proche de notre cas - un Big Bang. Selon certaines théories, l'univers «pré-explosif» pourrait exister sous une forme différente, par exemple sous la forme d'un espace aplati et très dense. En conséquence, cette période métastable a pris fin: elle s'est considérablement élargie et a acquis la forme et l'état de ce que nous voyons maintenant.
«Le modèle de l'univers endormi, cependant, a aussi ses problèmes», déclare Carroll.
"Cela suppose également que notre Univers a un faible niveau d'entropie et n'explique pas pourquoi il en est ainsi."
Cependant, Hinterbichler, physicien théoricien à la Case Western Reserve University, ne voit pas l'émergence d'une faible entropie comme un problème.
«Nous cherchons juste une explication de la dynamique qui a eu lieu avant le Big Bang, ce qui explique pourquoi nous voyons ce que nous voyons maintenant. Jusqu'à présent, ce n'est que la seule chose qui nous reste », déclare Hinterbichler.
Carroll, cependant, pense qu'il existe une autre théorie d'un univers «pré-explosif» qui peut expliquer le faible niveau d'entropie qui existe dans notre univers.
Le modèle multivers
L'émergence de nouveaux univers à partir de «l'univers parent»
Le modèle hypothétique multivers évite la réticence à la diminution de l'entropie du modèle Big Bounce et fournit une explication à son faible niveau aujourd'hui, dit Carroll. Il provient de l'idée d '«inflation» - un modèle bien accepté mais incomplet de l'univers. Le terme «inflation» et la première explication de ce modèle ont été proposés en 1981 par le physicien Alan Guth, actuellement au Massachusetts Institute of Technology. Selon ce modèle, l'espace après le Big Bang s'est considérablement étendu. Si dramatiquement que la vitesse de cette expansion était supérieure à la vitesse de la lumière. Selon la mécanique quantique, des fluctuations aléatoires et subtiles d'énergie se produisent constamment dans l'espace. À un moment donné de la période inflationniste, les pics de ces fluctuations ont atteint leur maximum et ont provoqué l'apparition de galaxies,des vides et des structures à faible entropie à grande échelle que nous observons dans l'Univers aujourd'hui.
Le modèle inflationniste lui-même a été développé sur la base d'observations du rayonnement de fond de micro-ondes cosmique - le type de rayonnement le plus ancien qui n'est apparu que quelques centaines de milliers d'années après le Big Bang. Les scientifiques pensent que le modèle inflationniste prédit parfaitement son existence.
Une hypothèse est que le multivers pourrait être le résultat de l'inflation. L'hypothèse dit qu'il y a un très, très grand Univers, donnant de temps à autre des univers plus compacts. De plus, aucune forme de communication entre ces univers n'est possible. Markus Wu de PBS Nova explique:
«Au début des années 80, les physiciens sont arrivés à la conclusion que l'inflation peut avoir la nature de l'infini, ne s'arrêtant que dans certaines régions de l'espace, créant une sorte de« poches »fermées. Cependant, entre ces «poches», l'inflation continue, et elle s'écoule plus vite que la vitesse de la lumière. À leur tour, isolées les unes des autres, les «poches» deviennent finalement des univers ».
Carroll est le plus impressionné par ce modèle, bien que son propre modèle proposé soit quelque peu différent de ce qui est décrit ci-dessus:
«Ce n'est qu'une version de la théorie du multivers, mais la principale différence ici est que« l'univers parent »peut avoir un haut niveau d'entropie et engendrer des univers avec un faible niveau d'entropie», explique Carroll.
Selon ce modèle, avant le Big Bang, il y avait une sorte de grand espace en expansion d'où notre et un nombre infini d'autres univers sont nés. D'autres univers sont au-delà de notre capacité à les détecter et auraient pu se former avant et après notre univers.
Il convient de noter que pour le moment, c'est l'un des modèles les plus populaires. Néanmoins, les scientifiques, bien sûr, le perçoivent différemment. Certains soutiennent cette idée, d'autres, au contraire, ne sont pas du tout d'accord avec elle. Mais si nous prenons l'exemple de Peter Voight de l'Université Columbia, alors la théorie du multivers, bien qu'elle semble très attrayante d'un point de vue scientifique populaire, peut rendre les physiciens paresseux et les empêcher de chercher des réponses aux questions les plus fondamentales, par exemple, pourquoi les constantes physiques dans notre univers? exactement comme ils sont - en annulant toute la variabilité.
«Les théoriciens spéculent sur la possibilité d'un nombre infini d'univers, et finalement nous pouvons proposer des modèles clairs qui peuvent expliquer pourquoi les valeurs (telles que les propriétés fondamentales des particules que nous observons) peuvent différer les unes des autres dans chaque univers individuel», dit Voight …
Voight craint qu'un jour la principale question pour la science dans ce domaine soit le raisonnement sur le sujet «quelle chance nous avons d'être dans cet univers aléatoire, où tout se passe de cette façon, et pas différemment, malgré l'infinie variété des possibilités, alors abandonnons cette aventure avec des théories.
Que peut-on résumer? De nombreux physiciens sont payés pour argumenter et écrire des livres dans lesquels ils essaient de décrire comment le Big Bang et le modèle d'un univers «pré-explosif» peuvent expliquer ce que nous voyons aujourd'hui, bien qu'eux-mêmes ne le sachent pas et ne puissent vraiment pas le savoir. pourquoi en est-il ainsi. Le fait est que, même s'il existe de sérieuses simplifications dans les modèles mathématiques et les explications, nous ne sommes pas arrivés à la bonne réponse, et nous avons encore beaucoup de raisonnement sur ce sujet jusqu'à ce que nous arrivions au résultat souhaité.
«Il est important non seulement de proposer des théories et des hypothèses. Il est beaucoup plus important de faire comprendre aux gens qu'en fait, nous ne comprenons pas encore de quoi nous parlons. Tout cela ne se situe qu'au niveau des hypothèses, mais j'espère que tôt ou tard nous pourrons trouver la bonne réponse qui conviendra à tout le monde », déclare Carroll.
NIKOLAY KHIZHNYAK