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Demandez à Ethan n ° 63: la naissance de l'espace et du temps

Si quelque chose existait avant le Big Bang, qu'est-ce que cela signifie pour la naissance de notre univers?


Vous pouvez essayer de vous mentir. Vous pouvez vous dire que vous avez investi tout votre temps et tous vos efforts. Mais vous connaissez la vérité - et je la connais.
J.J. Watt


Un demi-siècle s'est écoulé depuis que les plus grandes prédictions de la théorie du Big Bang ont été confirmées et ont changé à jamais notre compréhension de l'Univers. Au lieu du concept d'un univers éternel et infini, nous comprenons maintenant que tout ce que nous pouvons observer existait depuis environ 14 milliards d'années de temps cosmique, et le Soleil et le système solaire n'existent que le tiers de cette période. Ce qui rend la question de Sebastian posée dans notre rubrique si intéressante:

Quand l’espace-temps a-t-il commencé? Quand j'étais enfant, j'ai appris que le début de tout était le Big Bang. Maintenant, apparemment, cette idée n'est pas entièrement vraie, car avant le Big Bang, il y avait une inflation cosmique, et l'explosion n'était pas du tout une explosion, mais un état où l'Univers était plus chaud et plus dense. S'il y avait de l'inflation avant le Big Bang, il y avait aussi de l'espace-temps avant lui?

Pour répondre pleinement à la question, nous devons considérer trois choses. Le premier est ce que nous entendons par espace et temps.



Vous êtes habitué au concept habituel d'espace - longueur, largeur, hauteur - et de temps, que vous pouvez simplement imaginer comme des réponses aux questions «quand» et «où». Et ce n'est pas une si mauvaise idée - mais il y a deux caractéristiques de l'espace et du temps que vous devez connaître et qui peuvent ne pas sembler si intuitives. Il a fallu Einstein pour le comprendre, et même lui n'aurait pas pu faire face sans aide!

Premièrement, l'espace et le temps ne sont pas deux entités distinctes, comme le croyait Newton. Si vous vous déplacez dans l'espace, votre mouvement change le cours du temps pour vous, et si deux personnes se déplacent dans l'espace à des vitesses différentes, elles perçoivent différemment à la fois leur temps et le temps écoulé pour une autre.



La façon dont la façon la plus simple de décrire ce qui se passait n'a même pas été inventée par Einstein, mais par le mathématicien allemand Minkowski . Il est nécessaire de considérer l'espace-temps uni, où au lieu de trois dimensions spatiales et d'une dimension temporelle, il y a une essence à quatre dimensions de l'espace-temps. En 1908, Minkowski a écrit ce qui suit:
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Et bien qu'Einstein se soit initialement opposé à une telle révolution, son adoption d'un nouveau concept a conduit à une découverte encore plus grande.



Le point n'est pas seulement que l'espace et le temps sont combinés en un tissu à quatre dimensions de l'espace-temps, mais aussi que la courbure de ce tissu est déterminée par la présence de matière et d'énergie. Tout comme le mouvement dans l'espace-temps affecte la façon dont les observateurs évaluent le temps et les distances qui passent de différentes manières, la présence de matière et d'énergie (et la courbure dans le cas général) affectent la perception de l'espace et du temps.

Dans les exemples les plus extrêmes de concentration de matière et d'énergie - singularités - les concepts d'espace et de temps sont violés.



Il est le plus courant pour nous de présenter une singularité comme le centre d'un trou noiroù une densité arbitraire (et peut-être infinie) de matière et d'énergie devient réalisable. Dans ce cas, le concept d'espace-temps est violé, car les équations d'Einstein donnent des résultats dénués de sens.

La deuxième question à considérer est le schéma du Big Bang.



L'univers d'aujourd'hui nous semble relativement froid et vide, à l'exception des endroits où se concentrent la matière, les étoiles, les planètes et la vie, formés sur des milliards d'années d'existence. Toute cette pyramide cosmique, des échelles subatomiques aux énormes amas galactiques, existe grâce à la gravité, l'électromagnétisme et les forces nucléaires.

En remontant dans le temps, nous constatons que tout dans le passé était plus uniforme d'un point de vue gravitationnel et que l'Univers était plus chaud (les longueurs d'onde de la lumière étaient plus courtes) et plus dense, du fait que l'espace-temps était en constante expansion.



On peut remonter dans le temps arbitrairement loin, vers des énergies toujours plus élevées, des températures élevées et des densités croissantes. Par exemple, jusqu'au moment où: les

étoiles et les galaxies n'étaient pas encore formées, et l'Univers était une mer d'atomes neutres chauds;
il faisait trop chaud pour la formation d'atomes neutres, et l'Univers était un plasma ionisé de noyaux et d'électrons;
il faisait trop chaud pour la formation de noyaux, et il n'y avait que des protons et des neutrons libres;
était si chaud que, à la suite de collisions de particules, des paires matière / antimatière ont été générées pour toutes les particules connues.

Vous voudrez peut-être aller encore plus loin dans le passé, vers une densité, une température arbitraires et même vers cet événement qui correspond à une singularité: le moment où l'Univers entier était enfermé à un moment donné.



Et s'il en était ainsi, alors l'espace et le temps commenceraient à partir de là - puisqu'il n'y a pas «où» hors de l'espace, et «quand» hors du temps. Mais en prenant cette position comme le véritable début de l'Univers, nous rencontrerions un grand nombre d'énigmes qui ne pourraient pas être résolues. Maintenant, la physique nous apprend que vous ne pouvez pas aller loin dans le passé, et que l'état d'inflation - un espace-temps en expansion exponentielle, avec l'énergie inhérente à l'espace lui-même - a précédé et conduit à cet état chaud et dense, que nous appelons le Big Bang.



En effet, au moment même où l'énergie attachée à l'espace lui-même est convertie en matière et en rayonnement, et l'expansion exponentielle cesse, ce qui conduit à l'émergence d'un tel univers tel que nous le pensions dans le passé.



Et nous arrivons à la troisième question, en gardant à l'esprit les singularités et le Big Bang: si l'Univers avant le Big Bang, pendant l'inflation, consistait en un espace-temps en expansion exponentielle, d'où venait cet espace-temps?

Curieusement, il y a trois réponses intuitives:

l'Univers pouvait avoir un commencement auquel il n'y avait rien;
il pourrait exister pour toujours, comme une ligne sans fin s'étendant dans deux directions;
cela peut être cyclique, comme un cercle qui se répète encore et encore.



Si nous nous tournons vers le concept du Big Bang sans inflation préalable, alors tous les faits parlent de la première option: l'Univers est né au «moment», quand il avait une énergie infinie et au même «moment» l'espace-temps a commencé.

Mais l'inflation change tout. Au lieu d'une singularité avec t = 0, au moment du Big Bang, l'Univers apparaît, qui existe dans un état d'inflation, lorsqu'il se dilate exponentiellement sur une durée indéterminée.




Les lignes bleues et rouges représentent la version «traditionnelle» du Big Bang, quand tout commence au temps t = 0, y compris l'espace-temps. Mais dans la variante avec inflation (jaune) on ne parvient pas à la singularité. Au lieu de cela, l'espace peut être arbitrairement petit et le temps peut être rembobiné à l'infini.

Un tel scénario convient mieux à la deuxième option, à savoir l'univers éternel. Mais il s'avère, et il y a un hic. Selon un théorème, l'Univers inflationniste ne peut pas exister indéfiniment et devait partir d'une singularité.



Certes, ce théorème est basé sur les lois connues de la physique, et il est proposé de les appliquer au moment où les lois de la physique cessent de fonctionner. De plus, bien que l'Univers soit immense et contienne beaucoup de tout, la quantité de matière qu'il contient n'est pas encore infinie. Il a environ 1090 particules (y compris les photons et les neutrinos) qui ont pris naissance pendant l'état chaud et en expansion du Big Bang, et même 10 à 30 secondes plus tôt, aux derniers moments de l'inflation - et pourtant, il y a certaines choses que nous ne pouvons pas observer.



Malheureusement, parmi eux se trouve l'origine de l'espace-temps inflationniste.

On ne sait pas si tout ce qui précède signifie que l'Univers inflationniste ne pourrait pas exister pour toujours, ou que nos lois de la physique ne sont pas applicables à ce problème, ou qu'il a eu un début, ou qu'il est cyclique ... Il est même possible que le temps soit cyclique, et les cycles changent avec chacun itération. Et, malgré tous nos progrès, nous avons encore trois de ces possibilités dont les philosophes et les théologiens discutent depuis si longtemps:le temps bien sûr, le temps est infini, le temps est cyclique .



Nous savons seulement que s'il y avait une singularité dans le passé, cela n'a rien à voir avec notre chaud et Big Bang, auquel chaque particule de matière et d'énergie dans l'Univers observable peut être retracée.

Si nous ne trouvons pas un moyen d'obtenir des informations sur l'époque où l'Univers observable existait dans un sens acceptable, la réponse à cette question pourrait s'avérer inaccessible. Toutes les questions de la colonne «Ask Ethan» ne recevront pas de réponse sans ambiguïté - nous discutons uniquement de ce qui est connu sur la base des données collectées.

Source: https://habr.com/ru/post/fr395501/

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