👰🏾 👩🏽‍🚒 👨🏽‍💻 Demandez à Ethan n ° 10: pourquoi l'univers est le même partout 🧕🏽 🤚🏾 🙂

L'un des traits humains les plus tragiques est la tendance à sauver des vies. Nous rêvons tous d'une roseraie magique au-delà de l'horizon, au lieu de profiter des roses qui fleurissent devant notre fenêtre.

Dale Carnegie.

Le lecteur demande:

Je ne comprenais pas vraiment l'inflation cosmique et le problème de l'horizon. Je pense que vous en avez déjà parlé, mais j'aimerais entendre plus de détails.

Revenons au début.

Ceci est votre univers. Il s'étend aussi loin que les télescopes les plus puissants peuvent regarder dans toutes les directions. Ils voient des dizaines de milliers de galaxies dispersées sur des distances de dizaines de milliards d'années-lumière dans toutes les directions, où que nous regardions. À grande échelle, tout est à peu près le même - densités, températures, types d'étoiles et de galaxies, métallicité des étoiles (la concentration relative des éléments est plus lourde que l'hélium), etc. Tout ce que nous voyons, c'est que plus nous regardons loin, plus nous voyons de choses jeunes et plus elles s'éloignent rapidement de nous.

Tout cela est lié à l'expansion et à l'évolution de l'univers. Nos trois principales preuves dans le contexte de la théorie générale de la relativité: l'

expansion de Hubble de l'Univers - le décalage vers le rouge est lié à la distance à la galaxie, l'
existence et les propriétés du rayonnement de fond micro-ondes cosmique (KMFI) - une mer de rayonnement presque parfaitement homogène d'un corps noir dans toutes les directions, avec une température légèrement supérieure au zéro absolu
l'abondance des éléments légers - hydrogène, deutérium, hélium (hélium 3 et 4) et lithium dans le jeune univers, avant la formation des étoiles,

nous dit que l'Univers a évolué et s'est étendu d'un état plus chaud et plus dense, et qu'il est déjà dans son état actuel environ 13,8 milliards d'années. Long, mais pas infini. Ce paradigme est connu sous le nom de Big Bang.

Mais il y a un problème. 13,8 milliards d'années, l'Univers se développait selon les lois de la relativité générale, c'est-à-dire que la vitesse d'expansion de l'espace était déterminée par un ensemble de conditions initiales et le contenu énergétique de l'univers (matière ordinaire, matière noire, rayonnement, neutrinos, énergie sombre, courbure spatiale, etc.). Tout va bien avec cela - le problème est que l'Univers est homogène et a approximativement les mêmes propriétés dans toutes les directions, où que nous regardions.

Les densités et les propriétés des amas de galaxies d'un côté de l'Univers sont identiques à celles de l'autre - peu importe comment vous divisez l'Univers en parties. Ça devrait être bizarre, non?

En effet, depuis le Big Bang, les informations n'ont pas pu être transmises plus vite que la vitesse de la lumière. Nous pouvons voir un morceau de l'Univers de 46 milliards d'années-lumière, car la lumière a parcouru cette distance dans l'Univers en expansion au cours des 13,8 milliards d'années. Par conséquent, si nous regardons dans un sens 23 milliards d'années-lumière, puis dans l'autre sens, nous pouvons nous attendre à ce que ces deux sections ne soient pas connectées l'une à l'autre.

Toujours pas clair? Je vais faire une analogie.

Imaginez de l'eau bouillante dans une casserole. Vous le réchauffez par le bas et l'eau bout en même temps partout. Il n'y a pas de différence de température entre les parties supérieures et inférieures de l'eau. Pourquoi donc?

Vous chauffez la casserole par le bas, mais l'eau chauffe partout. En effet, ses molécules se déplacent, se heurtent et partagent leur énergie. L'eau d'en bas échange de l'énergie et des informations avec de l'eau d'en haut, et le temps requis pour cet échange est bien inférieur au temps nécessaire à l'ébullition.

Mais ce n'est pas toujours le cas.

Sur cette photo, la lave s'écoule d'un volcan actif dans l'océan. Lorsqu'une lave chauffée au-dessus de 1000 ° C entre en contact avec de l'eau, elle bout immédiatement. Mais l'océan est grand et la vitesse de propagation de la chaleur est limitée. Pas trop loin de cet endroit, la température de l'eau ne changera pratiquement pas à cause de la lave. D'un point de vue pratique, ces régions sont divisées entre elles, elles n'échangent ni informations ni propriétés.

Il serait étrange que des régions séparées les unes des autres, qui n'entrent pas en contact et n'échangent pas d'informations, aient la même température. Mais dans l'Univers, c'est exactement ce qui se passe.

Un rayonnement de fond cosmique à micro-ondes (KMFI) a été émis lorsque l'Univers n'avait que 380 000 ans, et à cette époque, la lumière ne pouvait pas voyager plus d'un million d'années-lumière dans n'importe quelle direction. Si vous remplissiez le ciel micro-ondes de cercles d'un million de rayons-lumière, vous auriez besoin de plus de dix milliards de régions indépendantes pour remplir tout ce que nous voyons. Néanmoins, dans ces régions qui ne sont pas liées entre elles, la température, le spectre et la densité sont les mêmes avec une précision de 99,99%.

Ce problème, lorsque des régions qui ne sont pas en contact les unes avec les autres, pour une raison quelconque, ont des propriétés identiques, est appelé le problème de l'horizon.

Cela peut être résolu comme suit: peut-être que ces régions n'ont pas eu le temps d'échanger des informations entre elles, mais si, après le Big Bang, elles avaient déjà les mêmes propriétés?

En général, c'est une extension: ce qui s'est passé avant le Big Bang, qui non seulement l'a préparé, mais a également préparé les conditions initiales de notre Univers. Ils ont pris une minuscule région (peut-être infiniment petite), l'ont agrandie de façon exponentielle, et elle s'est étendue à des tailles plus grandes que l'Univers observé, tout en fixant les règles suivantes:

toute matière, particules, énergie ou défauts topologiques qui existaient dans cette région avant l'expansion, sont si réduits en densité qu'il n'y aura pas plus d'une telle particule dans tout l'Univers (le problème des monopôles est résolu),
peu importe la courbure de l'espace avant l'expansion, son expansion est ainsi il tend à devenir indiscernable d'un espace plat (le problème d'un univers plat est résolu),
quelles que soient les variations de température et de densité dans différentes régions de l'espace avant l'expansion, notre univers observable provient d'une petite région. Par conséquent, la température et la densité de l'Univers sont les mêmes partout (le problème de l'horizon est résolu)
les fluctuations quantiques qui se sont produites pendant l'expansion ont conduit à un ensemble clair de prévisions des fluctuations de température et de densité dans la partie visible de l'Univers.

Si nous rejetons la théorie de l'inflation, nous devons alors substituer les trois autres problèmes (monopôles, un univers plat et l'horizon) et une prédiction (sur le spectre des fluctuations de température et densité de l'Univers) sous le tapis, et dites: «Ce ne sont que les conditions initiales du Big Bang» pour faire fonctionner votre modèle.

Ou vous pouvez reconnaître le modèle inflationniste - comme un moyen simple, élégant et immédiat de résoudre tous ces problèmes.

C'est pourquoi notre Univers, à notre connaissance, est le même partout et dans toutes les directions.

Demandez à Ethan n ° 10: pourquoi l'univers est le même partout

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