Le titre de cet article peut ne pas sembler une blague intelligente. Selon le concept cosmologique généralement accepté, la théorie du Big Bang, notre Univers est né d'un état extrême d'un vide physique généré par une fluctuation quantique. Dans cet état, ni le temps ni l'espace n'existaient (ou ils étaient enchevêtrés dans une mousse d'espace-temps), et toutes les interactions physiques fondamentales étaient fusionnées. Plus tard, ils se sont séparés et ont acquis une existence indépendante - d'abord la gravité, puis une forte interaction, et alors seulement - faible et électromagnétique.
Revenons à la science
La théorie du Big Bang est approuvée par la majorité absolue des scientifiques qui étudient les débuts de l'histoire de notre Univers. En effet, cela explique beaucoup et ne contredit en rien les données expérimentales. Récemment, cependant, il a un concurrent face à une nouvelle théorie cyclique, dont les fondements ont été développés par deux physiciens extra-classe - le directeur de l'Institut des sciences théoriques de l'Université de Princeton Paul Steinhardt et le lauréat de la médaille Maxwell et du prestigieux prix international TED Neil Turok, directeur de l'Institut canadien pour les études avancées en théorie. Physique (Institut Perimeter de Physique Théorique). Avec l'aide du professeur Steinhardt, Popular Mechanics a tenté de parler de la théorie cyclique et des raisons de son apparition.
Le moment précédant les événements, lorsque «première gravité, puis interaction forte, et seulement ensuite - faible et électromagnétique». Apparu, est généralement désigné par temps zéro, t = 0, mais c'est une pure convention, un hommage au formalisme mathématique. Selon la théorie standard, l'écoulement continu du temps n'a commencé qu'après que la force de gravité est devenue indépendante. Ce moment est généralement attribué à la valeur t = 10-43 s (plus précisément 5,4x10-44 s), que l'on appelle le temps de Planck. Les théories physiques modernes ne sont tout simplement pas capables de travailler de manière significative avec des périodes de temps plus courtes (on pense que cela nécessite une théorie quantique de la gravité, qui n'a pas encore été créée). Dans le contexte de la cosmologie traditionnelle, cela n'a aucun sens de parler de ce qui s'est passé avant le moment initial dans le temps,parce que le temps dans notre compréhension n'existait tout simplement pas à l'époque.
Le concept d'inflation est une partie essentielle de la théorie cosmologique standard (voir encadré). Après la fin de l'inflation, la gravité a pris toute son ampleur et l'Univers a continué à s'étendre, mais à un rythme décroissant. Cette évolution a duré 9 milliards d'années, après quoi un autre champ antigravitationnel de nature encore inconnue, appelé énergie noire, est entré en action. Cela a de nouveau amené l'Univers dans un mode d'expansion exponentielle qui, semble-t-il, devrait se poursuivre dans les temps futurs. Il est à noter que ces conclusions sont basées sur des découvertes astrophysiques faites à la fin du siècle dernier, près de 20 ans après l'apparition de la cosmologie inflationniste.
L'interprétation inflationniste du Big Bang a été proposée pour la première fois il y a environ 30 ans et a été affinée à plusieurs reprises depuis. Cette théorie a résolu plusieurs problèmes fondamentaux auxquels la cosmologie précédente n'avait pas réussi à faire face. Par exemple, elle a expliqué pourquoi nous vivons dans un univers à géométrie euclidienne plate - selon les équations classiques de Friedmann, c'est exactement ce qu'il devrait faire avec une expansion exponentielle. La théorie inflationniste a expliqué pourquoi la matière cosmique est granulaire à une échelle ne dépassant pas des centaines de millions d'années-lumière et est uniformément répartie sur de grandes distances. Elle a également donné une interprétation de l'échec de toute tentative de détection de monopôles magnétiques, des particules très massives avec un seul pôle magnétique, que l'on pense êtresont nés en abondance avant le début de l'inflation (l'inflation a étiré l'espace extra-atmosphérique de sorte que la densité initialement élevée de monopoles a été réduite à presque zéro, et donc nos instruments ne peuvent pas les détecter).
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Peu de temps après l'apparition du modèle inflationniste, plusieurs théoriciens se sont rendu compte que sa logique interne ne contredisait pas l'idée de naissance multiple permanente de plus en plus de nouveaux univers. En effet, les fluctuations quantiques, comme celles auxquelles nous devons notre monde, peuvent survenir en toute quantité, à condition que les conditions soient réunies. Il est possible que notre univers ait quitté la zone de fluctuation formée dans le monde prédécesseur. De la même manière, on peut supposer qu'à un moment et quelque part dans notre propre Univers se formera une fluctuation qui «soufflera» un jeune univers d'un genre complètement différent, également capable de «procréation» cosmologique. Il existe des modèles dans lesquels de tels univers d'enfants émergent continuellement, se détachent de leurs parents et trouvent leur propre place. De plus, il n'est pas du tout nécessaire que les mêmes lois physiques soient établies dans de tels mondes. Tous ces mondes sont «imbriqués» dans un seul continuum espace-temps, mais ils sont si espacés qu'ils ne ressentent en aucune façon la présence de l'autre. En général, le concept d'inflation permet - d'ailleurs, oblige! - de croire que dans les gigantesques mégacosmos il y a beaucoup d'univers isolés avec des arrangements différents.
Les physiciens théoriciens aiment proposer des alternatives aux théories les plus généralement acceptées. Le modèle inflationniste du Big Bang a également des concurrents. Ils n'ont pas reçu un large soutien, mais ils ont et ont leurs propres adeptes. La théorie de Steinhardt et Turok parmi eux n'est pas la première et certainement pas la dernière. Cependant, aujourd'hui, il a été développé plus en détail que les autres et explique mieux les propriétés observées de notre monde. Il existe en plusieurs versions, dont certaines sont basées sur la théorie quantique des cordes et les espaces multidimensionnels, tandis que d'autres reposent sur la théorie quantique des champs traditionnelle. La première approche donne des images plus vives des processus cosmologiques, nous allons donc nous y attarder.
La version la plus avancée de la théorie des cordes est connue sous le nom de théorie M. Elle affirme que le monde physique a 11 dimensions - dix spatiales et une temporelle. Des espaces de dimensions inférieures, les soi-disant branes, y flottent. Notre univers n'est qu'une de ces branes, avec trois dimensions spatiales. Il est rempli de diverses particules quantiques (électrons, quarks, photons, etc.), qui sont en fait des cordes vibrantes ouvertes avec une seule dimension spatiale - la longueur. Les extrémités de chaque corde sont fermement fixées à l'intérieur d'une brane tridimensionnelle et la corde ne peut pas quitter la brane. Mais il y a aussi des chaînes fermées qui peuvent migrer hors des branes - ce sont des gravitons, des quanta du champ gravitationnel.
Comment la théorie cyclique explique-t-elle le passé et l'avenir de l'univers? Commençons par l'époque actuelle. La première place appartient maintenant à l'énergie noire, qui provoque l'expansion exponentielle de notre univers, doublant périodiquement de taille. En conséquence, la densité de matière et de rayonnement diminue constamment, la courbure gravitationnelle de l'espace s'affaiblit et sa géométrie devient de plus en plus plate. Au cours des mille milliards d'années à venir, la taille de l'univers doublera environ cent fois et se transformera en un monde presque vide, complètement dépourvu de structures matérielles. À côté de nous se trouve une autre brane tridimensionnelle, séparée de nous par une petite distance dans la quatrième dimension, et elle aussi subit une expansion exponentielle et un aplatissement similaires. Pendant tout ce temps, la distance entre les branes ne change pratiquement pas.
Et puis ces branes parallèles commencent à converger. Elles sont poussées l'une vers l'autre par un champ de force dont l'énergie dépend de la distance entre les branes. Maintenant, la densité d'énergie d'un tel champ est positive, donc l'espace des deux branes se dilate de façon exponentielle - c'est donc ce champ qui fournit l'effet qui s'explique par la présence d'énergie noire! Cependant, ce paramètre diminue progressivement et dans un billion d'années tombera à zéro. Les deux branes continueront de se développer de toute façon, mais pas de manière exponentielle, mais à un rythme très lent. Par conséquent, dans notre monde, la densité de particules et de rayonnement restera quasiment nulle, et la géométrie restera plate.
Mais la fin de la vieille histoire n'est qu'un prélude au prochain cycle. Les branes se déplacent l'une vers l'autre et finissent par entrer en collision. À ce stade, la densité d'énergie du champ interbranche tombe en dessous de zéro, et il commence à agir comme la gravité (laissez-moi vous rappeler que l'énergie potentielle de la gravité est négative!). Lorsque les branes sont très proches, le champ interbrane commence à amplifier les fluctuations quantiques en tout point de notre monde et les transforme en déformations macroscopiques de la géométrie spatiale (par exemple, en un millionième de seconde avant la collision, la taille calculée de ces déformations atteint plusieurs mètres). Après la collision, c'est dans ces zones que la part du lion de l'énergie cinétique libérée lors de l'impact est libérée. En conséquence, c'est là que se produit le plasma le plus chaud avec une température d'environ 1023 degrés. Ce sont ces régions qui deviennent des nœuds gravitationnels locaux et se transforment en embryons de futures galaxies.
Une telle collision remplace le Big Bang de la cosmologie inflationniste. Il est très important que toute la matière nouvellement formée avec de l'énergie positive apparaisse en raison de l'énergie négative accumulée du champ interbranche, donc la loi de conservation de l'énergie n'est pas violée.
Et comment se comporte un tel champ à ce moment décisif? Avant la collision, la densité de son énergie atteint un minimum (et négatif), puis commence à augmenter et lors de la collision elle devient nulle. Les branes se repoussent alors et commencent à se disperser. La densité de l'énergie interconnectée subit une évolution inverse - à nouveau elle devient négative, nulle, positive. La brane, enrichie de matière et de rayonnement, se dilate d'abord avec une vitesse décroissante sous l'effet de freinage de sa propre gravitation, puis passe à nouveau en expansion exponentielle. Le nouveau cycle se termine comme le précédent - et ainsi de suite à l'infini. Les cycles qui ont précédé le nôtre se sont également produits dans le passé - dans ce modèle, le temps est continu, donc le passé existe au-delà des 13,7 milliards d'années qui se sont écoulées depuis le dernier enrichissement de notre brane en matière et en rayonnement!Qu'ils aient eu un quelconque début, la théorie est silencieuse.
La théorie cyclique explique les propriétés de notre monde d'une manière nouvelle. Il a une géométrie plate, car à la fin de chaque cycle il s'étire excessivement et ne se déforme que légèrement avant de commencer un nouveau cycle. Les fluctuations quantiques, qui deviennent les précurseurs des galaxies, surviennent de manière chaotique, mais en moyenne uniformément - par conséquent, l'espace extra-atmosphérique est rempli d'amas de matière, mais à de très grandes distances, il est assez homogène. Nous ne pouvons pas détecter les monopôles magnétiques simplement parce que la température maximale du plasma du nouveau-né ne dépassait pas 1023 K, et des énergies beaucoup plus élevées sont nécessaires pour l'apparition de telles particules - de l'ordre de 1027 K.
La théorie cyclique existe en plusieurs versions, tout comme la théorie de l'inflation. Cependant, selon Paul Steinhardt, les différences entre eux sont purement techniques et n'intéressent que les spécialistes, le concept général reste inchangé: «Premièrement, dans notre théorie, il n'y a pas de moment du début du monde, pas de singularité. Il y a des phases périodiques de création intense de matière et de rayonnement, dont chacune, si on le souhaite, peut être appelée le Big Bang. Mais aucune de ces phases ne marque l'émergence d'un nouvel univers, mais seulement une transition d'un cycle à un autre. L'espace et le temps existent à la fois avant et après l'un de ces cataclysmes. Par conséquent, il est tout à fait naturel de se demander quel était l'état des lieux 10 milliards d'années avant le dernier Big Bang, à partir duquel l'histoire de l'univers est comptée.
La deuxième différence clé est la nature et le rôle de l'énergie noire. La cosmologie inflationniste n'a pas prédit la transition d'une expansion lente de l'Univers vers une expansion accélérée. Et lorsque les astrophysiciens ont découvert ce phénomène en observant les explosions de supernovae éloignées, la cosmologie standard ne savait même pas quoi faire à ce sujet. L'hypothèse de l'énergie noire a été avancée simplement pour lier en quelque sorte les résultats paradoxaux de ces observations à la théorie. Et notre approche est bien mieux scellée par la logique interne, puisque nous avons initialement l'énergie noire et c'est cette énergie qui assure l'alternance des cycles cosmologiques. " Cependant, comme le note Paul Steinhardt, la théorie cyclique présente également des points faibles: «Nous n'avons pas encore été en mesure de décrire de manière convaincante le processus de collision et de rebond des branes parallèles qui a lieu au début de chaque cycle. D'autres aspects de la théorie cyclique sont beaucoup mieux développés, mais il reste encore de nombreuses ambiguïtés à lever."
Mais même les plus beaux modèles théoriques nécessitent une vérification expérimentale. La cosmologie cyclique peut-elle être confirmée ou réfutée par des observations? «Les théories inflationnistes et cycliques prédisent l'existence d'ondes gravitationnelles reliques», explique Paul Steinhardt. - Dans le premier cas, elles résultent de fluctuations quantiques primaires, qui se répandent dans l'espace lors de l'inflation et génèrent des oscillations périodiques de sa géométrie - et celles-ci, selon la théorie générale de la relativité, sont des ondes gravitationnelles. Dans notre scénario, les fluctuations quantiques sont également à l'origine de telles ondes - les mêmes qui sont amplifiées par les collisions de branes. Les calculs ont montré que chaque mécanisme génère des ondes avec un spectre et une polarisation spécifiques. Ces ondes devaient laisser des empreintes sur le rayonnement micro-ondes cosmique, qui est une source inestimable d'informations sur l'espace primitif. Jusqu'à présent, de telles traces n'ont pas été trouvées, mais, très probablement, cela sera fait dans la prochaine décennie. De plus, les physiciens réfléchissent déjà à l'enregistrement direct des ondes gravitationnelles reliques à l'aide de vaisseaux spatiaux, qui apparaîtra dans deux à trois décennies.
Une autre différence, selon le professeur Steinhardt, est la répartition de la température du rayonnement micro-ondes de fond: «Ce rayonnement provenant de différentes parties du ciel n'est pas totalement uniforme en température, il comporte de plus en moins de zones chauffées. Au niveau de précision de mesure fourni par les équipements modernes, le nombre de zones chaudes et froides est approximativement le même, ce qui coïncide avec les conclusions des deux théories - à la fois inflationnistes et cycliques. Cependant, ces théories prédisent des différences plus subtiles entre les zones. En principe, ils pourront identifier l'observatoire spatial européen «Planck» lancé l'année dernière et d'autres engins spatiaux les plus récents. J'espère que les résultats de ces expériences aideront à faire un choix entre les théories inflationnistes et cycliques. Mais ça peut arriver de cette façon,que la situation restera incertaine et qu'aucune des théories ne recevra de soutien expérimental sans équivoque. Eh bien, alors je vais devoir trouver quelque chose de nouveau."
Selon le modèle inflationniste, peu de temps après sa naissance, l'Univers s'est développé de façon exponentielle pendant une très courte période, doublant ses dimensions linéaires plusieurs fois. Les scientifiques pensent que le début de ce processus a coïncidé dans le temps avec la séparation de l'interaction forte et s'est produit à un temps de 10-36 s. Cette expansion (avec la main légère du physicien théoricien américain Sidney Coleman, on l'appelait l'inflation cosmologique) fut extrêmement de courte durée (jusqu'à 10-34 s), mais augmenta les dimensions linéaires de l'Univers d'au moins 1030-1050 fois, et peut-être beaucoup plus. Selon la plupart des scénarios spécifiques, l'inflation a été déclenchée par un champ scalaire quantique anti-gravitationnel, dont la densité d'énergie a progressivement diminué pour finalement atteindre un minimum. Avant que cela ne se produise, le champ a commencé à osciller rapidement,générer des particules élémentaires. En conséquence, à la fin de la phase inflationniste, l'Univers était rempli d'un plasma superhot composé de quarks libres, de gluons, de leptons et de quanta de rayonnement électromagnétique à haute énergie.
Une alternative radicale
Dans les années 80, le professeur Steinhardt a apporté une contribution significative au développement de la théorie standard du Big Bang. Cependant, cela ne l'a pas empêché de chercher une alternative radicale à la théorie, dans laquelle tant de travail avait été investi. Comme Paul Steinhardt l'a lui-même dit à Popular Mechanics, l'hypothèse de l'inflation révèle de nombreux mystères cosmologiques, mais cela ne veut pas dire qu'il ne sert à rien de chercher d'autres explications: «Au début, je voulais juste essayer de comprendre les propriétés fondamentales de notre monde sans recourir à l'inflation. Plus tard, quand j'ai approfondi cette question, je suis devenu convaincu que la théorie inflationniste n'est pas du tout aussi parfaite que le prétendent ses partisans. Lorsque la cosmologie inflationniste venait juste d'être créée, nous espérions qu'elle expliquerait la transition de l'état chaotique original de la matière à l'Univers ordonné actuel. Elle l'a fait - mais elle est allée beaucoup plus loin.
La logique interne de la théorie exigeait de reconnaître que l'inflation crée constamment un nombre infini de mondes. Ce serait bien si leur appareil physique copiait le nôtre, mais cela ne fonctionne tout simplement pas. Par exemple, avec l'aide de l'hypothèse inflationniste, il était possible d'expliquer pourquoi nous vivons dans un monde euclidien plat, mais après tout, la plupart des autres univers n'auront certainement pas la même géométrie. En bref, nous construisions une théorie pour expliquer notre propre monde, et elle est devenue incontrôlable et a engendré une variété infinie de mondes exotiques. Cet état de choses ne me convenait plus. De plus, la théorie standard est incapable d'expliquer la nature de l'état antérieur, qui a précédé l'expansion exponentielle. En ce sens, elle est aussi incomplète que la cosmologie pré-inflationniste. Finalement,elle est incapable de dire quoi que ce soit sur la nature de l'énergie noire, qui conduit l'expansion de notre univers depuis 5 milliards d'années.