L'une des principales questions qui ne sortent pas de la conscience humaine a toujours été et reste la question: "Comment l'univers est-il apparu?" Bien sûr, il n'y a pas de réponse sans ambiguïté à cette question, et il est peu probable qu'elle soit reçue dans un avenir proche, mais la science travaille dans ce sens et forme un certain modèle théorique de l'origine de notre Univers. Tout d'abord, il faut considérer les propriétés de base de l'Univers, qui doivent être décrites dans le cadre du modèle cosmologique.
*** Le modèle doit prendre en compte les distances observées entre les objets, ainsi que la vitesse et la direction de leur mouvement. Ces calculs sont basés sur la loi de Hubble: cz = H0D, où z est le décalage vers le rouge d'un objet, D est la distance à cet objet et c est la vitesse de la lumière.
*** L'âge de l'Univers dans le modèle doit dépasser l'âge des objets les plus anciens du monde.
*** Le modèle doit prendre en compte l'abondance initiale des éléments.
*** Le modèle doit prendre en compte la structure à grande échelle observée de l'Univers.
*** Le modèle doit prendre en compte le bruit de fond observé.
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Une brève histoire de l'univers. Singularité vue par l'artiste (photo)
Considérez brièvement la théorie généralement acceptée de l'origine et de l'évolution précoce de l'Univers, qui est soutenue par la plupart des scientifiques. Aujourd'hui, la théorie du Big Bang signifie une combinaison d'un modèle d'un Univers chaud avec un Big Bang. Et, bien que ces concepts aient d'abord existé indépendamment les uns des autres, du fait de leur unification, il a été possible d'expliquer la composition chimique initiale de l'Univers, ainsi que la présence de rayonnement relique.
Selon cette théorie, l'Univers est né il y a environ 13,77 milliards d'années d'un objet chauffé dense - un état singulier difficile à décrire dans le cadre de la physique moderne. Le problème avec la singularité cosmologique, entre autres choses, est que lorsqu'on la décrit, la plupart des quantités physiques, telles que la densité et la température, tendent vers l'infini. En même temps, on sait qu'à une densité infinie, l'entropie (mesure du chaos) devrait tendre vers zéro, ce qui ne coïncide pas avec une température infinie.
Évolution de l'univers
*** Les 10 premiers en -43 secondes après le Big Bang s'appellent le stade du chaos quantique. La nature de l'univers à ce stade d'existence défie toute description dans le cadre de la physique que nous connaissons. Il y a désintégration d'un seul espace-temps continu en quanta.
*** Moment de Planck - le moment de la fin du chaos quantique, qui tombe à 10 en -43 secondes. A ce moment, les paramètres de l'Univers étaient égaux aux valeurs de Planck, comme la température de Planck (environ 1032 K). À l'époque de l'ère Planck, les quatre interactions fondamentales (faible, forte, électromagnétique et gravitationnelle) étaient combinées en un seul type d'interaction. Il n'est pas possible de considérer le moment de Planck comme une certaine période longue, car la physique moderne ne fonctionne pas avec des paramètres inférieurs à ceux de Planck.
*** Stade d'inflation. La prochaine étape de l'histoire de l'Univers fut la phase inflationniste. Au premier moment de l'inflation, l'interaction gravitationnelle s'est séparée du champ supersymétrique unifié (qui comprenait auparavant les champs d'interactions fondamentales). Pendant cette période, la matière a une pression négative, ce qui provoque une augmentation exponentielle de l'énergie cinétique de l'univers. En termes simples, pendant cette période, l'Univers a commencé à gonfler très rapidement, et vers la fin, l'énergie des champs physiques est convertie en énergie de particules ordinaires. A l'issue de cette étape, la température de la substance et du rayonnement augmente considérablement. Parallèlement à la fin de la phase d'inflation, une forte interaction ressort. À ce moment également, l'asymétrie baryonique de l'Univers se produit.
[L'asymétrie baryonique de l'Univers est le phénomène observé de la prédominance de la matière sur l'antimatière dans l'Univers]
*** Stade de dominance de rayonnement. La prochaine étape du développement de l'Univers, qui comprend plusieurs étapes. A ce stade, la température de l'Univers commence à diminuer, des quarks se forment, puis des hadrons et des leptons. À l'ère de la nucléosynthèse, la formation des éléments chimiques initiaux se produit, l'hélium est synthétisé. Cependant, le rayonnement domine toujours la matière.
*** L'ère de la domination de la substance. Après 10 000 ans, l'énergie de la matière dépasse progressivement l'énergie du rayonnement et leur séparation se produit. La substance commence à dominer le rayonnement, un fond de relique apparaît. En outre, la séparation de la matière par rayonnement a considérablement augmenté les inhomogénéités initiales dans la distribution de la matière, à la suite desquelles des galaxies et des supergalaxies ont commencé à se former. Les lois de l'univers ont pris la forme sous laquelle nous les observons aujourd'hui.
L'image ci-dessus est composée de plusieurs théories fondamentales et donne une idée générale de la formation de l'univers aux premiers stades de son existence.
D'où vient l'univers?
Si l'univers est né d'une singularité cosmologique, alors d'où vient la singularité? Il n'est pas encore possible de donner une réponse exacte à cette question. Considérez certains des modèles cosmologiques affectant la «naissance de l'univers».
Modèles cycliques. Modélisation du son (photo)
Ces modèles sont basés sur l'affirmation que l'Univers a toujours existé et qu'au fil du temps seul son état change, passant de l'expansion à la contraction - et vice versa.
*** Modèle Steinhardt-Turok. Ce modèle est basé sur la théorie des cordes (théorie M), car il utilise un tel objet comme "brane".
[Bran (de la membrane) en théorie des cordes (théorie M) est un objet physique multidimensionnel fondamental hypothétique de dimension inférieure à la dimension de l'espace dans lequel il se trouve]
Selon ce modèle, l'Univers visible est situé à l'intérieur d'une tri-brane, qui périodiquement, une fois tous les plusieurs trillions d'années, entre en collision avec une autre tri-brane, ce qui provoque une sorte de Big Bang. De plus, notre tri-brane commence à s'éloigner de l'autre et à se dilater. À un moment donné, la part de l'énergie noire prévaut et le taux d'expansion de la tri-brane augmente. L'expansion colossale disperse tellement la matière et les radiations que le monde devient presque homogène et vide. En fin de compte, une collision répétée de tri-branes se produit, à la suite de laquelle la nôtre retourne à la phase initiale de son cycle, donnant à nouveau naissance à notre «Univers».
*** La théorie de Loris Baum et Paul Frampton parle également de la nature cyclique de l'univers. Selon leur théorie, ce dernier après le Big Bang se développera en raison de l'énergie sombre jusqu'à ce qu'il approche le moment de la «désintégration» de l'espace-temps lui-même - le Big Rip. Comme vous le savez, dans un «système fermé, l'entropie ne diminue pas» (deuxième loi de la thermodynamique). Il découle de cette déclaration que l'Univers ne peut pas revenir à son état d'origine, car au cours d'un tel processus, l'entropie doit diminuer. Cependant, ce problème est résolu dans le cadre de cette théorie. Selon la théorie de Baum et Frampton, un instant avant le Big Rip, l'Univers se désintègre en de nombreux "patchs", dont chacun a une valeur d'entropie assez faible. Expérimentant une série de transitions de phase, ces «fragments» de l'ancien Univers donnent naissance à de la matière et se développent de façon similaire à l'Univers d'origine. Ces nouveaux mondes n'interagissent pas les uns avec les autres, car ils se dispersent à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière. Ainsi, les scientifiques ont évité la singularité cosmologique, avec laquelle la naissance de l'univers commence selon la plupart des théories cosmologiques. Autrement dit, à la fin de son cycle, l'Univers se décompose en de nombreux autres mondes sans interaction qui deviendront de nouveaux univers.
*** La cosmologie cyclique conforme est le modèle cyclique de Roger Penrose et Vahagn Gurzadyan. Selon ce modèle, l'Univers est capable d'entrer dans un nouveau cycle sans violer la deuxième loi de la thermodynamique. Cette théorie est basée sur l'hypothèse que les trous noirs détruisent l'information absorbée, ce qui en quelque sorte "légalement" abaisse l'entropie de l'Univers. Ensuite, chacun de ces cycles d'existence de l'Univers commence par un semblant de Big Bang et se termine par une singularité.
Autres modèles de l'origine de l'univers
Parmi les autres hypothèses expliquant l'apparition de l'Univers visible, les deux suivantes sont les plus populaires:
*** Théorie chaotique de l'inflation - Théorie d'Andrey Linde. Selon cette théorie, il existe un certain champ scalaire, qui est inhomogène dans tout son volume. Autrement dit, dans différentes régions de l'univers, le champ scalaire a des significations différentes. Ensuite, dans les zones où le champ est faible, rien ne se passe, tandis que les zones avec des champs forts commencent à se dilater (inflation) du fait de son énergie, formant ainsi de nouveaux univers. Ce scénario implique l'existence de nombreux mondes qui ne sont pas apparus simultanément et qui ont leur propre ensemble de particules élémentaires et, par conséquent, les lois de la nature.
*** La théorie de Lee Smolin - suppose que le Big Bang n'est pas le début de l'existence de l'Univers, mais seulement une transition de phase entre ses deux états. Depuis avant le Big Bang l'univers existait sous la forme d'une singularité cosmologique, proche par nature de la singularité d'un trou noir, Smolin suggère que l'univers aurait pu surgir d'un trou noir.
Il existe également des modèles dans lesquels des univers émergent continuellement, jaillissent 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.
Malgré le fait que les modèles cycliques et autres répondent à un certain nombre de questions, auxquelles la théorie du Big Bang ne peut pas répondre, y compris le problème de la singularité cosmologique. Pourtant, avec la théorie inflationniste, le Big Bang explique plus complètement l'origine de l'Univers, et converge également avec de nombreuses observations.
Aujourd'hui, les chercheurs continuent d'étudier de manière intensive les scénarios possibles pour l'origine de l'Univers, cependant, pour donner une réponse irréfutable à la question "Comment l'Univers est-il apparu?" - a peu de chances de réussir dans un proche avenir. Il y a deux raisons à cela: la preuve directe des théories cosmologiques est pratiquement impossible, seulement indirecte; même en théorie, il n'y a aucun moyen d'obtenir des informations précises sur le monde avant le Big Bang. Pour ces deux raisons, les scientifiques ne peuvent émettre que des hypothèses et construire des modèles cosmologiques qui décriront le plus précisément la nature de l'univers que nous observons.