Que pouvons-nous apprendre d'autre sur l'univers en principe?

Je suis cosmologiste et après mes conférences j'entends le plus souvent de telles questions: qu'est-ce qui est en dehors de l'univers? Dans quoi notre univers se développe-t-il? Va-t-il s'étendre pour toujours? Ce sont des questions naturelles. Mais il y a une question plus profonde. En fait, nous voulons savoir ce qui suit: y a-t-il des limites à nos connaissances? Y a-t-il des limites à la science?

La réponse, bien sûr - nous ne savons pas à l'avance. Nous ne saurons pas si les limites de la connaissance existent, à moins d'essayer de les surmonter. Jusqu'à présent, leurs signes ne sont pas observés. Il y a des obstacles, mais ils sont tous temporaires. Certains me disent: «Nous ne saurons jamais comment l'univers a commencé. Nous ne saurons jamais ce qui s'est passé avant le Big Bang. » Ces déclarations démontrent une vanité remarquable que nous pouvons connaître à l'avance une liste de tout ce que nous ne pouvons pas découvrir. Ceci est non seulement déraisonnable, mais non confirmé par toute l'histoire de la science, qui n'a pas encore rencontré de telles restrictions. Dans le cas de la cosmologie, nos connaissances ont augmenté comme personne ne pouvait l'imaginer il y a 50 ans.


Nous ne pouvons pas voir l'infini, notre champ de vision est limité à 45,3 milliards d'années-lumière. Mais cela ne nous empêche pas de comprendre les lois de la nature.

Et on ne peut pas dire que la nature n'impose aucune restriction à ce qui est observé et à la façon dont nous pouvons observer quoi que ce soit. Par exemple, le principe d'incertitude de Heisenberg limite notre connaissance du mouvement des particules, et la vitesse de la lumière limite la portée de notre champ de vision ou la longueur du chemin qui peut se déplacer dans un temps donné. Mais ces restrictions ne parlent que de ce que nous ne pouvons pas voir, et non de ce que nous ne pouvons pas reconnaître. Le principe d'incertitude n'a pas empêché de comprendre la mécanique quantique, le comportement des atomes ou des particules virtuelles, qui, bien qu'ils ne soient pas visibles, existent toujours.

L'observation de l'expansion de l'Univers implique qu'il y a eu un début, car si vous extrapolez en arrière, alors à un moment donné dans le passé, tout dans l'Univers observable se concentrera à un moment donné. En ce moment, connu sous le nom de Big Bang, les lois de la physique que nous connaissons cessent de fonctionner, car GR, qui décrit la gravité, ne peut pas être intégré à la mécanique quantique, qui décrit la physique à l'échelle microscopique. Mais la plupart des scientifiques ne considèrent pas cela comme un obstacle fondamental à la connaissance, car la relativité générale est susceptible de faire partie d'une théorie quantique cohérente. La théorie des cordes est l'un des efforts en cours dans ce sens.

Avec une telle théorie, nous pourrons peut-être répondre à la question de ce qui s'est passé avant le Big Bang. La réponse la plus simple est à la fois la moins satisfaisante. SRT et GRT connectent l'espace et le temps en une seule entité: l'espace-temps. Si l'espace a été créé pendant le Big Bang, alors peut-être le temps aussi. Dans ce cas, il n'y avait pas de «avant». La question est incorrecte. Bien sûr, ce n'est pas la seule réponse possible, et nous devons attendre la théorie quantique de la gravité et sa confirmation expérimentale avant de gagner en confiance dans notre réponse.

Une autre question est de savoir si nous pouvons savoir ce qui se trouve au-delà de notre Univers dans le sens de l'espace. Quelles sont les limites de notre univers? Nous pouvons essayer de deviner la réponse. Si notre espace-temps est apparu spontanément - ce qui, comme je l'ai expliqué dans mon dernier livre, "L'univers à partir de rien" semble probable - alors son énergie totale est nulle. L'énergie représentée par la matière est compensée par l'énergie représentée par les champs gravitationnels. En d'autres termes, quelque chose peut provenir de riensi quelque chose est égal à rien. À l'heure actuelle, on pense que l'univers, dont l'énergie totale peut être nulle, est fermé. Un tel univers est fini, mais n'a pas de frontières. Tout comme vous pouvez voyager à travers la surface d'une sphère pour toujours sans rencontrer de frontières, vous pouvez probablement vous déplacer dans l'univers. Si vous regardez assez loin dans une direction, vous pouvez voir notre nuque.

En pratique, cela est impossible, car l'Univers observable n'est qu'une partie d'un volume beaucoup plus important. Cela est dû au phénomène d'inflation. La plupart des univers de taille microscopique apparaissant spontanément reculeront en temps microscopique et n'existeront pas avant des milliards d'années. Mais dans certains, l'espace vide sera doté d'énergie, ce qui entraînera l'expansion de l'univers à un rythme exponentiel, au moins pendant un certain temps. On pense que la période d'inflation a eu lieu dans les premiers moments de l'expansion du Big Bang et a empêché l'effondrement de l'univers. Dans ce processus, l'Univers a tellement gonflé qu'en termes pratiques, il semble maintenant plat et sans fin - tout comme le champ de maïs au Kansas semble sans fin, bien qu'il soit situé sur une énorme sphère appelée Terre. Par conséquent, nous ne voyons pas notre dos, regardant dans l'espace,bien que notre univers puisse être fermé sur la plus grande échelle. En principe, après avoir attendu assez longtemps, nous pourrions tout voir ensemble, à moins que l'inflation ne reprenne dans notre Univers observable, et ne se rende pas quelque part dans d'autres régions du cosmos, inaccessibles à nos yeux.

En ce qui concerne la possibilité que des régions invisibles jusqu'à présent (ou pour toujours) puissent connaître une inflation, les théories actuelles appellent ce scénario le plus probable. Si nous renvoyons l'expression «notre univers» à cette région de l'espace avec laquelle nous avons une connexion, ou avec laquelle nous aurons un jour une connexion, l'inflation en dehors de cette région continue de créer d'autres univers. Dans notre région, l'inflation pourrait être brève, mais l'espace restant s'agrandit de façon exponentielle pour toujours, et dans ce processus, des zones isolées, comme la nôtre, se détachent parfois de l'expansion, car des zones de glace isolées se forment à la surface d'une eau qui coule rapidement si la température descend en dessous de zéro. Chacun de ces univers aura un début, indiqué par la fin de l'inflation dans cette étendue d'espace.Dans ce cas, le début de notre univers peut ne pas coïncider avec le début du temps - une autre raison de douter que le Big Bang est une limitation de la connaissance.


Collision de galaxies. De tels phénomènes cesseront un jour, et les observateurs du futur lointain ne sauront peut-être jamais à quel point notre Univers était dynamique.

Selon le processus qui force les univers à bouger de l'espace de fond, les lois de la physique peuvent différer. Nous avons décidé d'appeler cette collection d'univers possibles «multivers». L'idée d'un multivers a pris racine dans la communauté scientifique, non seulement parce qu'elle est inspirée par l'inflation, mais aussi parce que la possibilité de l'existence de nombreux univers différents, dont chacun a ses propres lois de la physique, peut expliquer les différents paramètres fondamentaux, à première vue, de notre univers. Ces paramètres sont simplement des valeurs qui apparaissent au hasard lors de la naissance de l'univers.

Si d'autres univers existent, alors ils sont séparés de nous par d'énormes distances, s'éloignent à des vitesses énormes, et donc ils ne peuvent pas être détectés directement. Est-ce à dire que le multivers n'est que de la métaphysique? La confirmation de l'existence du multivers est-elle la frontière fondamentale de notre savoir? Pas forcément. Bien que nous ne puissions pas voir un autre univers, nous pouvons tester la théorie qui a conduit à son apparition - par exemple, en observant les ondes gravitationnelles générées par l'inflation. Cela nous permettra de tester la nature de l'inflation, qui a conduit à l'émergence de notre univers. Ces ondes sont similaires à celles récemment détectées par le détecteur LIGO, mais ont une source différente. Ils ne proviennent pas de cataclysmes comme des collisions de trous noirs dans des galaxies lointaines, mais des premiers moments du Big Bang, dans la période supposée d'inflation.S'ils peuvent être détectés directement - ce qui est possible dans différentes expériences qui recherchent des traces de ces ondes dans le rayonnement relique laissé par le Big Bang - nous pouvons étudier la physique de l'inflation et déterminer si l'inflation infinie est une conséquence de cette physique. Donc, pas directement, nous pouvons vérifier l'existence d'autres univers, même sans les observer directement.

En général, nous avons constaté que même les questions métaphysiques les plus profondes, y compris l'existence d'autres univers - qui n'étaient pas censés être empiriquement possibles auparavant - pourraient en fait être vérifiées si nous les abordons avec sagesse. Jusqu'à présent, les limites de ce que nous pouvons découvrir en combinant la logique et les observations expérimentales sont inconnues.

Un univers sans frontières nous attire et nous encourage à poursuivre notre recherche. Mais pouvons-nous être sûrs que nous ne respecterons jamais les limites de la connaissance? Pas vraiment.



L'inflation impose une limitation fondamentale à la cognition - en particulier, à la cognition du passé. Il annule l'univers, détruisant toutes les informations sur les processus dynamiques précédents. L'expansion rapide de l'espace pendant l'inflation dilue considérablement le contenu de n'importe quelle région. Ainsi, elle, par exemple, pourrait effacer les traces de monopôles magnétiques, des particules qui, selon la théorie, dans l'Univers primitif auraient dû apparaître en grand nombre. Ce fut l'un des premiers avantages de l'inflation - la réconciliation de la théorie, qui implique une abondance de ces particules, avec le fait qu'elles sont absentes aujourd'hui. Mais en se débarrassant des incohérences, l'inflation efface une partie de notre passé.

Pire, cet effacement peut encore disparaître. Évidemment, nous vivons maintenant une période d'inflation différente. Des mesures fugitives de galaxies lointaines montrent que l'expansion de notre univers s'accélère plutôt qu'elle ne ralentit, ce qui serait observé si l'énergie gravitationnelle régnait dans la matière ou le rayonnement, et non dans l'espace vide. Jusqu'à présent, nous ne comprenons pas l'origine de cette énergie. Chacune des explications potentielles impose des restrictions sur le progrès des connaissances et même sur notre existence.

L'énergie de l'espace vide peut soudainement disparaître si l'Univers subit soudainement une sorte de transition de phase, la version cosmique de la condensation de vapeur en eau liquide. Si cela se produit, la nature des forces fondamentales peut changer et toutes les structures visibles pour nous, à commencer par les atomes, peuvent devenir instables ou disparaître. Et nous disparaîtrons avec tout le reste.

Mais même avec une expansion continue, notre avenir est plutôt terne. En moins de 2 billions d'années - selon les normes des gens, c'est long, mais pas selon les normes de l'espace - le reste de l'univers disparaîtra de notre champ de vision. Tous les observateurs apparaissant sur des planètes autour d'étoiles dans ce futur lointain décideront qu'ils vivent dans une seule galaxie entourée d'un espace vide sans fin, sans aucun signe d'accélération et même de preuve du Big Bang. Tout comme nous avons perdu les monopoles, ils ne pourront pas voir l'histoire que nous connaissons (bien sûr, ils peuvent avoir accès à des phénomènes observables que nous ne voyons pas jusqu'à présent, donc nous ne devrions pas être prétentieux pour l'instant).

Dans tous les cas, vous devriez profiter de notre peu de temps sous le soleil et étudier ce que nous pouvons pendant que nous le pouvons. Apprenez plus diligemment, diplômés!

Source: https://habr.com/ru/post/fr397667/