🧛 👩🏼‍🤝‍👨🏿 🔴 Taille minimale de l'univers 🏪 👶🏾 👩🏾‍🎨

Univers observé

En parlant de notre univers, nous faisons la distinction entre «l'univers» et «l'univers observable». Ce dernier ne comprend que ce que nous pouvons voir. Je ne veux pas dire que nous avons la technologie pour vraiment «voir» tout l'univers observable. Je veux dire par «observable» tous les objets à partir desquels la lumière pourrait en principe nous atteindre, étant donné la durée de vie de l'Univers, la vitesse de la lumière et l'histoire et l'avenir de l'expansion de l'Univers. L'âge de l'univers est de 13,8 milliards d'années. En raison de la vitesse limitée de la lumière, nous ne pouvons pas voir ce qui est si loin de nous qu'il nous faudrait plus de temps pour que la lumière se déplace vers nous que l'Univers n'existe. Ce n'est pas une limitation technologique - c'est une limitation de savoir si, en principe, cette lumière existe que nous pourrions voir si nous avions une technologie à notre disposition.

Lorsque nous regardons la périphérie de l'Univers observable, nous regardons le passé. Si la lumière a mis 13,7 milliards d'années pour nous atteindre, alors nous voyons l'Univers tel qu'il était il y a 13,7 milliards d'années, et non ce qu'il est maintenant.

En général, l'univers est peut-être infini. C'est simple à énoncer, mais ce concept est très difficile à imaginer si on y réfléchit. L'une des solutions à ce problème est la proposition de ne pas s'en préoccuper. Si vous vous posez des questions comme «comment peut-il se développer s'il est infini», vous vous méprenez sur l'infini. L'infini est un concept, pas un nombre.

Cependant, l'univers n'a pas à être infini. Selon la relativité générale, il existe d'autres possibilités. Je vais les diviser en deux catégories, mais nous ne parlerons en détail que d'une seule d'entre elles.

Topologies intéressantes

Il est possible que l'univers ait une topologie intéressante. La topologie est différente de la géométrie. La géométrie comprend des éléments tels que la longueur de ligne, le rayon de courbure, la somme des angles des polygones, etc. La topologie traite de la façon dont les différentes parties de l'espace sont interconnectées.

Prenons, par exemple, le jeu classique Asteroids:

Le jeu se joue dans un tout petit univers bidimensionnel. La géométrie de l'univers des astéroïdes est euclidienne - les lignes parallèles ne se coupent pas, le rapport de la circonférence au diamètre est π, la somme des trois angles internes du triangle est de 180 °, et ainsi de suite. Mais si vous avez joué à ce jeu, vous savez que si vous quittez le bord gauche de l'écran, vous reviendrez du bord droit. Si vous quittez le bord supérieur, vous reviendrez par le bas. L'univers n'a pas de frontières, vous ne rencontrerez jamais une frontière ou un bord. Mais elle est finie. Sa topologie est toroïdale - la même que celle d'une surface de beignet, bien que sa géométrie diffère de celle d'un beignet (la surface de beignet est incurvée).

Il est possible que notre univers se comporte de la même manière. Il peut avoir une géométrie plate, mais une topologie telle que si vous vous déplacez dans une direction, vous retournerez d'où vous venez. S'il a vraiment une telle topologie, alors il apparaît à une échelle plus grande que l'Univers observé. Sinon, nous verrions la confirmation d'une telle topologie (par exemple, des parties du cosmos se répéteraient, si vous allez dans la même direction pendant longtemps) dans le rayonnement cosmique micro-ondes.

Donc pour l'instant, nous supposerons que l'Univers n'a pas de topologies intéressantes. Soit c'est un espace infini, soit c'est un espace fini, qui est l'équivalent tridimensionnel de la surface d'une sphère.

Géométries possibles de l'univers

La géométrie de l'univers n'a pas à être euclidienne. Selon la densité d'énergie totale (y compris la densité de matière ordinaire, de matière noire et d'énergie noire), il existe trois possibilités pour la courbure de l'Univers.

Le paramètre Ω est un moyen pratique de discuter de la densité de l'Univers. Il existe une densité critique, en fonction du taux d'expansion actuel de l'Univers. Elle a 9 * ^10-30g / cm Cela semble être un peu, mais gardez à l'esprit que l'Univers est presque vide. La Terre est un endroit relativement dense par rapport à la plupart de l'univers. Le paramètre Ω est défini comme le rapport de la densité de l'Univers à la critique. Si Ω = 1, alors la géométrie de l'Univers est plate. Plat - ne signifie pas bidimensionnel, dans le sens où vous avez l'habitude de parler d'un avion. Cela signifie que la géométrie de l'espace est euclidienne, comme celle que vous avez étudiée à l'école.

Si Ω> 1, la géométrie de l'Univers est fermée. Dans ce cas, la géométrie de l'Univers sera la même que celle de la surface tridimensionnelle de l'hypersphère quadridimensionnelle. Si cela ne semble pas clair, imaginez-le comme l'équivalent tridimensionnel d'une surface de sphère. Dans ce cas, l'hypersphère à quatre dimensions n'a pas besoin d'avoir une quatrième dimension spatiale. Cela signifie simplement que la géométrie de l'Univers - comment se comportent les lignes parallèles, la somme des angles du triangle ou le rapport de la circonférence au diamètre - est la même que la géométrie à la surface d'une sphère. Les mathématiques de cette géométrie peuvent être décrites en utilisant seulement trois dimensions spatiales, donc des dimensions plus élevées peuvent ne pas être nécessaires. Cependant, pour les besoins de notre description, il vaut la peine d'imaginer la surface de la sphère, car cela aidera à se faire une idée de la structure d'un tel univers.La surface d'une sphère est un univers fermé à deux dimensions. N'oubliez pas que l'univers est une surface. Il n'a pas de centre, il n'est pas dans l'univers - car tout ce qu'il contient est à la surface de la sphère et aucun de ses points n'est différent des autres.

Si Ω <1, la géométrie de l'Univers est ouverte. C'est plus difficile à imaginer. Un morceau d'un univers tridimensionnel ouvert ne peut pas être poussé en trois dimensions pour la visualisation, car il roule avec un univers fermé. Cependant, l'équivalent bidimensionnel le plus proche sera une selle ou des puces (qui sont hyperboloïdes ou paraboloïdes hyperboliques). C'est un univers sans limites et infini. Ça continue pour toujours. Cependant, il n'est pas plat et aura une géométrie intéressante.

La géométrie de notre univers

La géométrie de votre univers peut être trouvée de plusieurs façons. Par exemple, dans l'espace, vous pouvez construire un triangle de trois lignes. Ensuite, vous devez mesurer l'angle entre chacune des paires de lignes. Si vous les pliez et obtenez 180 °, vous êtes dans un univers plat. Si la somme dépasse 180 °, ce sera un univers fermé; si elle est inférieure à 180 °, alors ce sera un univers ouvert. Le seul problème est la précision des mesures. Soit vous devez mesurer ces angles avec une précision incroyable, soit dessiner de très grands triangles - de sorte que la longueur de l'un de ses côtés s'approche du rayon de courbure de votre univers. (Le degré d'approximation dépend de la précision de la mesure des angles).

En fait, nous l'avons fait. Les mesures du rayonnement cosmique micro-ondes (MKI) nous ont donné des triangles. Un côté du triangle est obtenu à partir de la taille caractéristique des fluctuations du MCI. Nous connaissons leur taille physique. D'autres viennent du chemin de la lumière voyageant des deux côtés de cette fluctuation. En mesurant l'angle entre les rayons lumineux provenant de chaque côté, nous pouvons découvrir la géométrie du triangle. Nous l'avons fait. Réponse: notre univers est plat. Cependant, comme pour toute grandeur physique, il y a une erreur dans nos mesures. A en juger par les derniers calculs , la valeur de Ω est comprise entre 0,9916 et 1,0133, avec une précision de 95%. Cela signifie qu'il existe toujours la possibilité que notre Univers soit infini (Ω≤1) ou fini (Ω> 1).

La taille minimale de notre univers

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Nous nous excusons auprès de Douglas Adams et calculons la taille de notre univers.

Premièrement, l'âge de l'univers est de 13,8 milliards d'années. C'est un temps très long par rapport à nos vies, mais pour l'Univers - l'âge est tout à fait approprié. Le bord de l'Univers observable est à 48 milliards d'années-lumière de nous. "Attendez une minute!" Vous pouvez crier. "Comment la lumière peut-elle voyager sur une distance de 48 milliards d'années-lumière en 13,8 milliards d'années!" Rappelez-vous que pendant le temps que la lumière est venue à nous, l'univers s'est étendu. Dans un sens, la lumière essayait de «rattraper» l'expansion. Ceci est une description imparfaite et si vous connaissez la station-service, cela vous dérangera. Mais cela a un certain sens dans le contexte des ressources génétiques.

Comment cette taille est-elle liée à la taille globale de l'univers? Si nous supposons que Ω = 1,0133, et c'est la densité d'énergie maximale correspondant aux données actuelles, et, par conséquent, le plus petit des univers fermés, alors nous pouvons calculer la taille de l'univers. Le résultat ressemble à ceci:

La surface d'une sphère indique la taille de l'Univers entier, où Ω = 1.0133. La partie terne est en dehors de l'univers que nous observons; un morceau au-dessus est l'Univers observable. Le rayon de courbure de cet univers est de 120 milliards d'années-lumière. Sa circonférence est de 760 milliards d'années-lumière. Cela signifie que le diamètre de l'Univers observable est 1/8 de la longueur totale de la ligne qui devrait être tracée dans l'espace pour qu'elle se ferme à elle-même. Le volume de l'Univers entier est 100 fois le volume de l'observable. (Si vous objectez que 8 ³différent de 100, rappelez-vous que notre espace n'est pas euclidien et que votre intuition sur les rayons et les volumes ne fonctionne pas).

Rappelons qu'il s'agit de la taille minimale de l'univers, selon nos données. La plupart soupçonnent que l'Univers est vraiment infiniment plus grand que cela et peut être infini.

La taille et le destin ne sont pas liés

Après avoir ouvert n'importe quel livre sur la cosmologie écrit avant 2000 (et quelques-uns légèrement plus récents), vous lirez très probablement qu'un univers fermé se repliera et qu'un univers ouvert se développera pour toujours. Mais ce n'est que si la densité de l'énergie sombre de l'univers est nulle! Ces descriptions impliquaient implicitement que la matière dominait notre univers, auquel cas la géométrie et le destin de l'univers étaient fortement liés. Dans un univers comme le nôtre, où l'énergie sombre existe, le destin et la géométrie ne sont pas si étroitement liés. La matière noire et l'énergie noire affectent à la fois la forme de l'Univers et son destin, mais elles l'affectent différemment. Ce qui arrivera exactement à notre univers dépend du type d'énergie sombre qui se révélera être. Mais si c'est ce que la plupart d'entre nous imaginent,L'Univers se développera pour toujours et les amas galactiques continueront à voler les uns des autres. Peu importe que notre univers soit plat, ouvert ou fermé.