Le premier univers 2. Cosmologie de l'inflation: notre univers fait-il partie du multivers? 2e partie

Sur le site de conférences gratuites MIT OpenCourseWare a posté un cours de conférences sur la cosmologie Alan Gus, l'un des créateurs du modèle inflationniste de l'univers.

Nous vous proposons une traduction de la deuxième conférence: «Cosmologie inflationniste. Notre univers fait-il partie d'un multivers? Partie 2 ".




Inflation et paysage de la théorie des cordes
Je voudrais commencer par répéter brièvement ce dont nous avons discuté la dernière fois dans le cadre de la conférence de révision que nous terminerons aujourd'hui. Un résumé de la dernière conférence est présenté sur cinq diapositives. Nous avons commencé par discuter du Big Bang standard, j'entends par là le Big Bang sans inflation. J'ai remarqué qu'en fait cette théorie ne décrit que les conséquences de l'explosion. Il commence par une description de l'univers comme une substance chaude et dense de particules qui remplit plus ou moins uniformément tout l'espace disponible et se dilate.


L'inflation cosmique est une préquelle du Big Bang. Elle décrit comment la gravité répulsive, qui dans la théorie générale de la relativité peut être le résultat d'une pression négative, amène une infime partie du premier univers dans un processus d'expansion exponentielle gigantesque. Notre univers visible est le résultat d'un tel événement.

L'énergie totale d'un tel site peut être très faible et peut même être exactement nulle. Cela est possible du fait que le champ gravitationnel qui remplit l'espace a une contribution négative à l'énergie. Autant que nous puissions en juger, dans notre univers réel, les contributions positives et négatives sont approximativement égales entre elles. Ils peuvent se compenser pleinement. Ainsi, l'énergie totale peut être nulle, ce qui vous permet de créer un immense univers, à partir de rien, ou presque.


Le point suivant est la preuve de l'inflation. Pourquoi pensons-nous qu'il y a une forte probabilité que notre univers ait connu une inflation? J'ai indiqué trois raisons. Premièrement, l'inflation peut expliquer l'uniformité de l'univers à grande échelle. L'homogénéité à grande échelle de l'univers est plus prononcée dans le rayonnement de fond des micro-ondes cosmiques. On voit qu'il est homogène avec une précision de cent millième. Si nous effectuons un ajustement pour le mouvement de la Terre, alors son intensité dans le ciel est la même avec une précision de cent millième, quelle que soit la direction.

Deuxièmement, l'inflation peut expliquer le fait remarquable de la valeur de Ω, où Ω est la densité de masse réelle de l'univers divisée par la densité de masse critique, c'est-à-dire la densité qui rend l'univers complètement plat. On sait que dans la première seconde après le Big Bang, leur rapport était égal à l'unité avec une précision d'environ 15 décimales. Avant l'inflation, nous n'avions aucune explication à ce fait. Cependant, l'inflation rapproche Ω de l'unité et nous explique pourquoi Ω au début du Big Bang était si proche de l'unité.

En fait, l'inflation fait une prédiction. Nous supposons que si la théorie de l'inflation est correcte, alors Ω devrait toujours être égal à 1. Ω a été mesuré et une valeur de 1,0010 ± 0,0065 a été obtenue, ce qui, à mon avis, est un merveilleux résultat. Enfin, l'inflation explique les hétérogénéités que nous observons dans l'univers. Elle les explique comme des fluctuations quantiques survenues pendant l'inflation. À la fin de l'inflation, les fluctuations quantiques ont fait que l'inflation a duré un peu plus longtemps à certains endroits qu'à d'autres. Ces hétérogénéités sont donc apparues.

Actuellement, nous pouvons mesurer ces hétérogénéités avec une grande précision. Les hétérogénéités, bien sûr, sont énormes au niveau des galaxies, ici elles sont évidentes, mais elles sont difficiles à associer à l'univers primitif. Par conséquent, nous pouvons faire la comparaison la plus précise entre ce que nous observons et les théories de l'univers primitif à l'aide d'une étude approfondie du rayonnement de fond cosmique, qui n'est pas complètement uniforme et présente de petites fluctuations d'intensité. Ces fluctuations sont au niveau du cent millième, et nous pouvons actuellement les observer.


L'inflation donne une prévision claire du spectre de ces fluctuations, comment leur intensité devrait varier en fonction de la longueur d'onde. La dernière fois, je vous ai montré un graphique avec les données du satellite Planck. La correspondance entre la prédiction et la théorie est frappante. Nous y reviendrons vers la fin du cours.


Enfin, dans une conférence précédente, j'ai commencé à parler des conséquences possibles de l'inflation, comme le multivers. Que notre univers peut être intégré dans une entité beaucoup plus grande composée de nombreux univers, que nous appelons le multivers. Le point clé est que la plupart des modèles tendent à conduire à une inflation perpétuelle. Une fois que l'inflation commence, l'inflation ne s'arrête jamais.

La raison en est que la matière métastable, répulsive par gravité, qui provoque l'inflation, se désintègre, mais en même temps, elle se dilate exponentiellement. Pour les modèles typiques, l'expansion exponentielle est beaucoup plus rapide que la décroissance. Ainsi, malgré le fait que cette matière instable se désintègre, son volume total ne diminue pas réellement, mais augmente exponentiellement avec le temps.

Cependant, la décomposition de la matière se produit, et partout où la décomposition a lieu, ce que nous appelons l'univers de poche se forme. Nous vivons dans l'un de ces univers de poche. Le nombre d'univers de poche croît de façon exponentielle avec le temps, à mesure que l'ensemble du système se développe, ce qui se poursuivra, pour autant que nous puissions en juger, pour toujours. C'est l'image multivers à laquelle l'inflation mène.


À la toute fin de la conférence, j'ai parlé d'un problème très important pour notre compréhension moderne de la physique et de la cosmologie. C'est la découverte de l'énergie sombre. Vers 1998, on a découvert que l'expansion de l'univers ne ralentit pas sous l'influence de la gravité, comme on pouvait s'y attendre, mais s'accélère plutôt. L'univers se développe de plus en plus vite.

Cela indique que l'espace est actuellement rempli de matière répulsive par gravité, que nous appelons énergie sombre. L'explication la plus simple de l'énergie sombre est simplement l'énergie du vide, l'énergie de l'espace vide. L'espace a une densité d'énergie qui a exactement les propriétés que nous observons. Par conséquent, il semble naturel d'établir un lien entre l'énergie sombre et l'énergie du vide.

L'énergie du vide, au premier abord, peut sembler étrange. Si le vide est vide, pourquoi devrait-il avoir une densité d'énergie? Mais dans la théorie des champs quantiques, cela n'est pas surprenant, car dans la théorie des champs quantiques, le vide n'est en fait pas vide. Dans la théorie quantique des champs, il n'y a pas de vide réel. Au lieu de cela, des fluctuations de champ quantique constantes se produisent dans le vide. Dans le modèle standard moderne de la physique des particules, il existe même un champ appelé champ de Higgs qui, en plus des fluctuations, a une valeur moyenne non nulle dans le vide.

Ainsi, le vide est une condition très complexe. Cela fait du vide qu'elle est dans l'état de densité d'énergie la plus basse possible, mais cette densité n'a pas besoin d'être nulle et il ne semble pas qu'il y ait une raison pour qu'elle soit nulle. Par conséquent, il n'y a aucun problème à expliquer le fait que le vide peut avoir une densité d'énergie non nulle. Le problème se pose lorsque nous essayons de comprendre l'ampleur de cette énergie de vide. Si le vide a une densité d'énergie, alors, selon nos hypothèses, il devrait être beaucoup plus grand que celui que nous observons sous forme d'accélération de l'expansion de l'univers.

Un ordre de grandeur typique pour l'énergie du vide en physique des particules est d'environ 120 ordres de grandeur supérieur au nombre obtenu en fonction de l'accélération observée de l'expansion de l'univers. C'est un gros problème. Nous avons commencé à discuter d'une solution possible à ce problème. Ceci est juste une solution possible, personne ne dit que c'est absolument vrai. Cette décision est basée sur la théorie des cordes et, en particulier, sur une idée appelée le paysage de la théorie des cordes.

La plupart des théoriciens des cordes pensent que la théorie des cordes n'a pas de vide unique. Au lieu de cela, il y a un nombre colossal, environ ^{10 500}
divers états métastables, qui, malgré le fait qu'ils soient métastables, très longue durée de vie, longue durée de vie par rapport à l'âge de notre univers. Ainsi, n'importe lequel de ces ^{10 500} états différents peut servir de vide à l'un des univers de poche.

De plus, tout état de vide du paysage peut être réalisé dans une sorte d'univers de poche, incarnant ainsi en réalité toutes les possibilités qui se présentent dans la théorie des cordes. Chaque type de vide a sa propre densité d'énergie, car les contributions positives et négatives se produisent dans la théorie des champs quantiques.

L'énergie de vide d'un état typique peut être positive ou négative. Pour ces ^{10 500} aspirateurs différents, la gamme des densités énergétiques varie de -10 ¹²⁰ à +10 ¹²⁰ valeurs observées. La valeur observée se situe dans cette plage, mais représente une très petite partie des valeurs possibles.

ÉTUDIANT: La plage de -10 ¹²⁰ à +10 ^{120 est} choisie simplement parce que nous voyons une différence de 120 commandes, ou y a-t-il d'autres raisons?

ENSEIGNANT: Lorsque nous parlons d'une différence de 120 ordres de grandeur, une déclaration plus précise est que l'estimation d'une plage d'énergie typique est de 10 ¹²⁰ fois la valeur observée. En fait, 10 ¹²⁰ n'est précis que dans quelques ordres de grandeur, 10 ¹²³ est probablement un nombre légèrement plus précis. Mais pour nos besoins, cela suffit.

ÉTUDIANT: Une question générale sur les propriétés de l'inflation. Nous pensons qu'une gravité attrayante contrôle le mouvement des objets dans l'espace. Alors pourquoi pensons-nous que la gravité répulsive contrôle l'expansion de l'espace lui-même?

ENSEIGNANT: Elle se comporte différemment. La gravité répulsive qui apparaît dans la théorie générale de la relativité n'est pas seulement la gravité ordinaire avec le signe opposé. Si nous avons deux corps, alors la gravité ordinaire les fait s’attirer avec une force proportionnelle aux masses de ces objets. La gravité répulsive est un effet causé par une pression négative dans l'espace entre eux. Par conséquent, s'il y a deux corps, ils commenceront à s'accélérer l'un de l'autre d'une quantité complètement indépendante de leurs masses.

La gravité répulsive n'est pas créée par les masses. Ce pouvoir est complètement différent, nous ne pouvons donc pas les comparer. En tout cas, lorsque tout s'éloigne les uns des autres, il s'agit du point de vue de savoir si un tel mouvement est considéré comme une extension de l'espace ou s'il est considéré comme le mouvement d'objets à travers l'espace. Dans la théorie de la relativité, il n'y a aucun moyen de coller une aiguille dans l'espace, de l'épingler avec une épingle et de dire qu'elle est immobile. Nous ne pouvons donc pas dire si l'espace se déplace ou non.

En cosmologie, une image est généralement plus simple, dans laquelle l'espace se dilate avec la matière, et nous utiliserons généralement une telle image. Cela donne une description beaucoup plus simple de ce qui se passe. Bonne question.

ÉTUDIANT: Pourquoi l'énergie du premier univers semblait-elle proche de zéro? Existe-t-il des modèles théoriques qui peuvent expliquer ou prédire qu'il est exactement nul?

ENSEIGNANT: Oui, il existe de telles théories. Cela se produit dans le cas d'un univers fermé. Même si l'univers est presque plat, il peut toujours être fermé. S'il est fermé, il doit avoir exactement zéro énergie.

ÉTUDIANT: Le fond cosmique des micro-ondes est le même dans toutes les directions. Cela implique que le principe cosmologique est valable pour l'univers entier. Est-il possible qu'en réalité, à très grande échelle, l'univers soit hétérogène, qu'en réalité c'est comme si tacheté, seuls les spots sont très grands? Que sommes-nous vraiment dans un tel endroit, et est-ce différent des autres endroits très éloignés?

ENSEIGNANT: Bien sûr, si l'image du multivers est correcte. Elle prédit exactement cela. D'autres univers de poche peuvent être considérés comme d'autres spots, en utilisant votre terminologie, et ils seront très différents de ce que nous observons.

Ainsi, l'inflation modifie l'attitude à l'égard de cette question. Auparavant, avant l'inflation, l'homogénéité de l'univers n'avait aucune explication, c'était donc un postulat. Personne n'a postulé que l'univers est homogène à certaines échelles. Si un postulat est fait, il est simplement affirmé que l'univers est homogène, et un tel postulat a été utilisé.

Mais maintenant, quand on considère que l'uniformité de l'univers est causée par un processus dynamique, l'inflation, alors il est naturel de se demander quelle uniformité de taille crée l'inflation. Ceci, bien sûr, est une taille beaucoup plus grande que ce que nous pouvons observer. Ainsi, nous n'avons vraiment pas l'intention de voir l'hétérogénéité causée par divers foyers d'inflation. Mais le modèle inflationniste rend très plausible que nous les verrions si nous pouvions voir assez loin.

ÉTUDIANT: Si l'univers est en expansion, et nous sommes également en expansion, alors comment pouvons-nous observer un changement dans les distances?

ENSEIGNANT: Une très bonne question. Il peut sembler que si l'univers se développe, alors tout devrait se développer. Et si tout se dilate, alors mesurer quelque chose avec une règle, nous obtenons la même longueur. Comment voyons-nous que tout se développe? La réponse à cette question est que l'expansion de l'univers ne signifie pas vraiment que tout est en expansion. Quand ils disent que l'univers est en expansion, cela signifie que les galaxies s'éloignent, mais les atomes individuels n'augmentent pas.

La longueur de la règle, déterminée par le nombre d'atomes et leur taille, n'augmente pas avec l'univers. Actuellement, l'expansion est partiellement due à la gravité répulsive, ce qui provoque l'expansion rapide de l'univers. Mais fondamentalement, l'expansion n'est plus que la vitesse résiduelle du Big Bang. Dans ce cas, la substance se déplace simplement dans l'espace et ce mouvement ne fait pas grossir les atomes.

ÉTUDIANT: Quel est l'avenir de notre univers? Va-t-il s'étendre indéfiniment ou s'arrêtera-t-il à un moment donné?

ENSEIGNANT: Comme vous le devinez probablement, personne ne le sait vraiment. Mais les modèles dont je parle donnent une réponse définitive au niveau de notre univers de poche et au niveau de l'ensemble du multivers. Au niveau de notre univers de poche, notre univers sera aminci. La vie deviendra finalement impossible, car la densité de la matière deviendra trop petite.

Peut-être que l'univers se décomposera. Notre vide peut ne pas être complètement stable. Très peu de choses sont stables dans la théorie des cordes si la théorie des cordes est la bonne théorie. Mais même si le vide se désintègre, il se dilate encore plus vite qu'il ne se désintègre. La décomposition entraînera donc des trous dans notre univers. Il ressemblera au fromage suisse. Mais l'univers dans son ensemble se développera simplement de façon exponentielle, pour autant que nous puissions en juger, pour toujours.

Le multivers est un objet plus intéressant. Le multivers, comme je l'ai dit, créera constamment de nouveaux univers de poche. Le multivers sera vivant pour toujours, même si chaque univers de poche dans le multivers est formé, puis finit par mourir, meurt par amincissement complet et se transforme en rien.

ÉTUDIANT: En plus de la question précédente. Autorisez-vous la possibilité d'un processus cyclique? C'est-à-dire l'univers se dilate, atteint son maximum, puis commence à rétrécir, s'effondre, puis recommence à se développer, et tout se répète?

ENSEIGNANT: Une telle opportunité existe certainement, et il y a des gens qui prennent cela très au sérieux. Je n'en vois aucune preuve. De plus, il n'y a jamais eu et il n'y a toujours pas de théorie raisonnable du rebond, qui devrait faire partie de cette théorie.

ÉTUDIANT: En quoi, en plus de la constante cosmologique, les différents aspirateurs sont-ils différents?

ENSEIGNANT: Ils peuvent varier de nombreuses façons. Ils diffèrent fondamentalement les uns des autres par la façon dont leur structure interne est organisée dans l'espace. Si vous n'entrez pas dans des détails que je ne comprends peut-être pas moi-même, la théorie des cordes prétend que l'espace a neuf dimensions, et non trois que nous observons. Neuf dimensions deviennent trois en raison du fait que des dimensions supplémentaires sont tordues en de minuscules nodules trop courts pour être vus.

Cependant, il existe de nombreuses façons différentes de tordre ces dimensions supplémentaires, ce qui conduit à un très grand nombre d'aspirateurs possibles. Des mesures supplémentaires peuvent être tordues de différentes manières. Cela signifie que la physique à basse énergie dans ces aspirateurs peut être très différente. Presque tout peut être différent, même la dimension de l'espace peut être différente, car vous pouvez avoir un nombre différent de dimensions torsadées.

L'ensemble des particules peut être complètement différent, car ce que nous considérons comme une particule n'est en fait qu'une fluctuation du vide.Si vous avez une structure différente du vide lui-même, les types de particules qui y existent peuvent être complètement différents. Ainsi, la physique à l'intérieur d'un autre univers de poche peut être très différente de ce que nous observons, même si nous supposons qu'en fin de compte, les mêmes lois de la physique s'appliquent partout.

ÉTUDIANT: Si initialement dans la région qui a commencé l'expansion inflationniste, il n'y avait que quelques particules, alors quand cette région se transformera en un immense univers, aura-t-elle aussi seulement quelques particules?

ENSEIGNANT: Le nombre de particules ne peut pas être enregistré. Lorsqu'une des régions se dilate de façon exponentielle pendant l'inflation, l'énergie qu'elle contient n'est pas bien décrite dans le langage des particules. Il est décrit en termes de champs. Les champs se comportent parfois comme des particules, mais pas toujours. En principe, il y a une description en termes de particules, mais ce n'est pas aussi évident qu'une description en termes de champs.

Ainsi, il y a de l'énergie composée de différents domaines, alors que la région se développe. L'énergie stockée dans ces champs augmente avec l'expansion de la région. La densité d'énergie reste à peu près constante. Cela semble être une violation de la loi de conservation de l'énergie, mais comme nous l'avons dit, une région en expansion est remplie d'un champ gravitationnel, qui occupe un volume de plus en plus grand, et le champ gravitationnel a une densité d'énergie négative. Ainsi, l'énergie totale à conserver reste très faible et éventuellement nulle. De plus, la région peut croître sans restrictions, ayant toujours cette énergie totale très petite ou nulle.

Puis, finalement, la région se désagrège. Quand il se désintègre, de nouvelles particules naissent, un grand nombre de nouvelles particules. Telle est la substance dont nous sommes issus. Il y a beaucoup plus de nouvelles particules que le nombre de particules qui se trouvaient dans la région au début de l'inflation.

ÉTUDIANT: Donc tout ce qui se passe pendant l'inflation est déterminé par la loi de conservation de l'énergie?

ENSEIGNANT: Il me semble que c'est une exagération, car si rien ne se passait, alors l'énergie serait également économisée. Par conséquent, pour décrire le développement de l'univers, vous avez besoin de plus que de simples économies d'énergie.


Principe anthropique
Continuons. Je me suis installé sur le paysage de la théorie des cordes et comment elle forme tous ces aspirateurs possibles. La théorie des cordes compte ^{10 500} aspirateurs différents. Nous ne connaissons pas vraiment la quantité exacte, mais elle est approximativement égale à ce nombre énorme. Et seulement 10 ^-120 aspirateurs du nombre total ont très peu d'énergie. Par conséquent, la densité d'énergie est répartie de +10 ¹²⁰ à -10 ¹²⁰ de l'énergie de vide que nous observons.

Cela signifie que l'énergie que nous observons n'est que dans une coupe étroite au milieu, occupant 10 ^-120la largeur de la distribution entière. Tous ces éléments, bien sûr, sont des estimations très approximatives. Ce qui compte, ce n'est pas la quantité, mais le fait que vous soyez d'accord avec l'idée. Nous supposons qu'environ 10 à ¹²⁰ aspirateurs différents auront une densité d'énergie assez faible.

Mais en même temps, il y aura toujours un grand nombre de ces aspirateurs, car ^10-120 fois 10 ^{500, il en} résulte 10 ³⁸⁰ . Même si ces aspirateurs seront très rares, il y en a ^{10 380}différents types d'aspirateurs, qui ont tous une densité d'énergie de vide observable. Ainsi, dans le paysage de la théorie des cordes, il n'y a aucun problème à trouver un vide dont la densité d'énergie est aussi faible que celle que nous observons. Mais alors la question se pose, s'ils sont si incroyablement rares, n'est-ce pas un miracle que nous vivions dans l'un de ces aspirateurs inhabituels avec une densité d'énergie extrêmement faible.

Cela conduit à ce que l'on appelle parfois le principe anthropique ou effet de sélection. Pour montrer comment cela fonctionne pour que cela ne semble pas aussi fou que cela puisse paraître, je veux commencer par un exemple où je pense que vous pouvez vraiment dire que cet effet se produit. Regardons simplement notre position dans notre propre univers visible et prêtons attention, par exemple, à la densité de masse.

L'endroit où nous vivons est très inhabituel à bien des égards, mais l'un des paramètres qui est simple et quantitatif est la densité de masse. La densité des objets autour de cette pièce est d'environ un gramme par centimètre cube, peut-être 10 fois plus ou moins. Le facteur 10 n'est pas très important pour ce dont je vais parler.

Le fait est que la densité de masse moyenne de l'univers visible est d'environ 10 à ³⁰ grammes par centimètre cube. C'est tout simplement incroyable de voir à quel point l'univers est vide. C'est une densité beaucoup plus faible que ce que nous pouvons atteindre dans les laboratoires sur Terre avec de meilleurs systèmes de vide.

Dans le lieu où nous vivons, densité de masse de 10 ³⁰fois supérieure à la densité moyenne de l'univers visible. Nous ne vivons donc pas à l'endroit typique de notre univers visible. Nous vivons dans un endroit extrêmement atypique. On peut se demander comment expliquer cela. Est-ce juste une coïncidence si nous vivons dans une zone avec une densité de masse aussi élevée? Si c'est une question de hasard, cela ne semble pas très probable. C'est de la chance? Est-ce la providence divine ou quoi?

Je pense que la plupart d'entre vous conviendront qu'il s'agit très probablement d'un effet de sélection. C'est l'endroit où la vie naît. La vie ne se pose pas dans la plupart de l'univers visible. Il apparaît dans des endroits rares, tels que la surface de notre planète, qui est spéciale à bien des égards, mais juste la densité de masse est suffisante pour la rendre extrêmement spéciale. Nous différons dans 10 ³⁰ fois de la valeur moyenne de notre environnement.


Si nous expliquons pourquoi nous vivons dans un endroit aussi inhabituel dans notre univers visible, simplement par les exigences de la vie, il n'est pas si difficile d'étendre cette idée plus loin. Steve Weinberg a d'abord attiré l'attention sur ce point en 1987. Bien sûr, il n'était pas le premier à exprimer cette idée, mais il était le premier à qui les autres croyaient au moins un peu.

Il a noté que la faible densité énergétique du vide peut être expliquée de manière similaire. Si nous vivons dans un endroit atypique au sein de notre univers visible, alors, de même, il n'y a aucune raison de s'attendre à vivre dans un endroit typique du multivers. Peut-être que seule une petite fraction des différents types d'univers de poche peut soutenir la vie. La seule façon d'avoir la vie est peut-être d'avoir une très faible densité d'énergie sous vide.

Derrière cela, il y a de la physique. Rappelons que la densité d'énergie d'un vide accélère l'expansion. Par conséquent, si la densité d'énergie du vide était beaucoup plus élevée que ce que nous observons, l'univers se développerait incroyablement rapidement et se séparerait avant que le temps ne vienne pour quelque chose d'intéressant, par exemple, pour la formation de galaxies. Weinberg a basé ses arguments sur l'hypothèse que les galaxies sont une nécessité pour l'émergence de la vie.

Si la densité d'énergie du vide était significativement supérieure à ce que nous observons, l'univers se séparerait si rapidement que les galaxies ne pourraient jamais se former. Par conséquent, il n'y aurait pas de planètes, rien qui soit lié à la vie que nous connaissons.

Au contraire, si la densité d'énergie du vide était négative, mais avait une plus grande valeur par rapport à ce que nous observons, alors une forte accélération négative se produirait. De tels univers vont simplement rétrécir, s'effondrer en très peu de temps, trop vite pour que la vie de tout type que nous connaissons prenne forme. Ainsi, il existe un argument physique qui prétend que la vie ne se forme que lorsque la densité d'énergie du vide est très petite.

Weinberg et ses collègues ont calculé quelles devraient être les exigences pour la formation de galaxies. Il s'est avéré que pour que les galaxies se forment, la densité d'énergie sous vide ne devrait pas dépasser la densité d'énergie observée d'environ 5 fois. Cela peut être une explication possible. Bien que cela, bien sûr, ne soit pas une explication généralement acceptée et elle est très controversée.


Certains physiciens acceptent cette idée de sélection. Je suis enclin à l'accepter. Mais de nombreux physiciens le trouvent absolument absurde, affirmant que de tels arguments peuvent tout expliquer. Et il y a du vrai là-dedans. Vous pouvez expliquer beaucoup, si vous le souhaitez, simplement en affirmant qu'il est nécessaire que la vie se lève.

Par conséquent, à mon avis, les arguments de l'effet de sélection ou du principe anthropique doivent toujours être considérés comme des arguments de dernier espoir. Autrement dit, jusqu'à ce que nous comprenions le paysage de la théorie des cordes, et nous ne le comprenons pas en détail, et jusqu'à ce que nous comprenions vraiment ce qui est nécessaire pour créer la vie, nous ne pouvons vraiment rien faire de plus, que de donner des arguments plausibles au principe anthropique.

Mais ces arguments semblent raisonnables. Je pense qu'il n'y a rien d'illogique en eux, ils peuvent bien être des explications à certaines choses. Comme je l'ai noté, cela explique pourquoi nous vivons dans un endroit aussi inhabituel dans notre propre univers visible. Les arguments en faveur de l'effet de sélection deviennent très intéressants lorsqu'une recherche d'explications plus directes échoue. Dans le cas d'une tentative d'explication de la très faible densité énergétique du vide, d'autres explications ont échoué. Nous n'avons aucune compréhension quantitative et directe de la raison pour laquelle l'énergie du vide devrait être si petite.


Est-il temps d'accepter cette explication du dernier espoir que la densité d'énergie du vide est si petite, simplement parce qu'elle est nécessaire au développement de la vie? Je ne sais vraiment pas. Mais je dirai que dans le cas d'une faible densité d'énergie sous vide, les gens ont essayé très, très dur pendant plusieurs années de trouver une explication à cela en physique des particules, et personne n'a trouvé quoi que ce soit que d'autres trouveraient acceptable. C'est donc certainement un problème très grave. Je pense que le moment est venu de prendre au sérieux l'argument du dernier espoir. Que la densité d'énergie du vide est faible uniquement parce que dans les parties du multivers où ce n'est pas le cas, personne ne vit. Il me semble que l'effet de sélection est la plus plausible de toute explication actuellement connue.


Résumons ce que nous avons appris. J'ai montré que le paradigme inflationniste est désormais en excellent état. Il explique l'uniformité de l'univers à grande échelle. Il prédit la densité de masse de l'univers avec une précision de 1% et explique les vibrations que nous voyons dans le rayonnement de fond cosmique, les traitant comme le résultat des fluctuations quantiques qui se sont produites dans le premier univers.

L'image inflationniste conduit à trois idées qui indiquent la possibilité d'un multivers. Bien sûr, cela ne prouve pas que nous vivons dans un multivers, mais néanmoins. Premièrement, c'est l'affirmation selon laquelle presque tous les modèles inflationnistes conduisent à l'idée d'une inflation perpétuelle, que l'expansion exponentielle de la matière inflationniste est en avance sur la décroissance de cette matière, de sorte que son volume croît pour toujours et de façon exponentielle.


Le deuxième point est qu'en 1998, les astronomes ont découvert le fait étonnant que l'expansion de l'univers ne ralentit pas à mesure qu'il se dilate, mais s'accélère plutôt. Cela indique que dans l'univers, il doit y avoir une matière spéciale, différente de la substance que nous connaissons déjà, et cette matière spéciale est appelée énergie sombre. Nous n'avons pas une interprétation simple de ce que c'est, mais très probablement c'est l'énergie du vide. Si c'est le cas, cela conduit immédiatement à la question importante de l'importance de cette énergie, que nous observons. Apparemment, il est beaucoup plus petit que vous ne le pensez.

Et troisièmement, les théoriciens qui étudient la théorie des cordes nous donnent une explication intéressante. Ils disent que peut-être, selon les lois de la physique, il n'y a pas de vide unique, mais il existe un grand nombre d'aspirateurs différents que la théorie des cordes prédit. Si tel est le cas, nous supposons que parmi de nombreux aspirateurs différents, il y en aura un grand nombre qui ont une densité d'énergie très faible. Ils représentent une fraction négligeable du nombre total d'aspirateurs différents, mais néanmoins, ils sont nombreux. L'idée de l'effet de sélection peut alors expliquer pourquoi nous vivons dans l'un de ces aspirateurs très inhabituels qui ont cette densité d'énergie incroyablement faible.

Je veux terminer avec une petite histoire. Dans quelle mesure les physiciens prennent-ils vraiment tout cela au sérieux? Je vais vous parler de la conversation qui a eu lieu lors de la conférence il y a plusieurs années. Je vais commencer par Martin Reese. Il s'agit d'un astronome du Royaume-Uni, ancien président de la Royal Society, ancien chef du Trinity College, une personne très respectée et, incidemment, une bonne personne. Il a dit qu'il était suffisamment confiant dans le multivers pour y mettre la vie de son chien.

Andrew Linde de Stanford, un vrai passionné de l'idée du multivers, également l'un des fondateurs de la théorie de l'inflation, a déclaré qu'il était suffisamment confiant dans le multivers pour y mettre sa vie. Steve Weinberg n'était pas à cette conférence, mais il a écrit un article qui est devenu connu plus tard, commentant cette discussion. Que pensez-vous qu'il était prêt à livrer? Il a dit qu'il était si confiant dans le multivers qu'il était prêt à lui mettre la vie d'Andrei Linda et la vie du chien Martin Reese.

Ceci conclut notre bref examen. Y a-t-il des questions avant d'arriver au début, au vrai début de notre cours?

ÉTUDIANT: L'effet de sélection prétend que Ω est 1, et l'énergie du vide est bien inférieure à ce qu'elle peut être, uniquement parce que la vie existe dans ces limites, que la vie ne peut exister que de cette façon. Mais nous envisageons une vie basée sur le carbone. Et s'il y a d'autres formes de vie qui vous permettent d'avoir une énergie, une densité et ainsi de suite différentes?

ENSEIGNANT: Oui, ce que vous signalez, bien sûr, c'est la grande faiblesse de l'argument de l'effet de sélection. Nous connaissons vraiment la vie basée sur le carbone, une vie similaire à la nôtre, et nous pouvons parler des conditions nécessaires à une telle vie. Mais il y a peut-être une vie complètement différente de la nôtre, dont nous ne savons rien, et qui peut exister dans des conditions complètement différentes. C'est vraiment une faiblesse.

Néanmoins, je veux dire, bien que cela puisse également être argumenté, et tout le monde ne sera pas d'accord avec moi, mais une situation similaire se produit si nous voulons expliquer les caractéristiques inhabituelles de cette partie de l'univers dans laquelle nous vivons. Disons, en utilisant l'exemple que j'ai utilisé auparavant, que nous vivons dans un endroit où la densité de masse est 10 à 30 fois supérieure à la moyenne. Si nous sommes prêts à utiliser les arguments du principe anthropique pour expliquer cela, alors je pense que les mêmes problèmes se posent ici.

Si dans l'univers, en réalité, une autre vie est abondante, s'épanouissant dans le vide, alors nous aurions beaucoup plus de chances d'être l'un d'entre eux que de devenir une créature extrêmement inhabituelle vivant à la surface de la planète. Par conséquent, je pense que c'est une faiblesse possible qu'il faut garder à l'esprit, mais je ne pense pas que cela devrait nous interdire complètement d'utiliser ces arguments. Bien que ce soit certainement une occasion de scepticisme.

ÉTUDIANT: Vous avez mentionné la dernière fois que les divers univers de poche qui composent le multivers sont séparés les uns des autres, bien qu'ils émergent comme de petites régions dans le vide d'origine. Comment sont-ils séparés les uns des autres? S'ils se forment tous dans le même espace, ne restent-ils pas dans cet espace?

ENSEIGNANT: Ils restent vraiment, mais l'espace dans lequel ils sont formés se développe très rapidement. Ainsi, dans la plupart des cas, bien que pas toujours dans la réalité, deux univers de poche se formeront assez loin l'un de l'autre pour ne jamais se toucher à mesure qu'ils grandissent, car l'espace entre eux se dilate trop rapidement pour leur permettre se rencontrer.

Cependant, une collision d'univers de poche se produira si deux univers de poche se forment suffisamment près l'un de l'autre. L'expansion de l'espace entre eux ne suffira pas à les séparer les uns des autres, et ils entreront en collision. La fréquence à laquelle cela se produit est une question extrêmement difficile à laquelle personne ne connaît la réponse. Il y a au moins un article par un groupe d'astronomes qui ont recherché des signes possibles d'une collision d'univers dans le passé. Ils n'ont rien trouvé de précis. Mais c'est ce à quoi vous devez penser, et c'est ce que les gens pensent. Les publications contiennent en fait beaucoup de travail sur les collisions des univers.

ÉTUDIANT: Quand vous avez dit «longue vie», à quelle heure vouliez-vous dire cela?

ENSEIGNANT: J'ai utilisé le mot «longue vie» dans au moins deux contextes. J'ai parlé d'un vide métastable de longue durée. Ici, par longue vie, je voulais dire une longue par rapport à l'âge de notre univers depuis le Big Bang. Ici, long signifie long comparé à 10 ¹⁰ ans.

J'ai également dit que si l'énergie de vide de l'univers était grande et négative, l'univers s'effondrerait très rapidement. Cela peut se produire en 10 à ²⁰ secondes. Cela peut se produire très rapidement en fonction de la taille de la constante cosmologique.

ÉTUDIANT: J'ai lu qu'il y a un tel effet lorsque différents observateurs peuvent voir le vide de différentes manières. Par exemple, si un observateur dans un système inertiel voit un vide, un autre observateur qui accélère par rapport à cet observateur verra des particules, un gaz chaud. Dans quelle mesure observons-nous cet effet du fait que l'univers se dilate rapidement, et que nous accélérons éventuellement par rapport à un certain vide?

ENSEIGNANT: Vous avez en fait affaire avec une question très controversée. Vous avez dit avoir entendu dire que si vous prenez un observateur accélérateur se déplaçant dans le vide, cet observateur accélérateur verrait quelque chose de différent d'un vide. Il verrait des particules qui ont l'air d'avoir une température qui peut être calculée et qui est déterminée par l'accélération.

La question est de savoir ce que nous voyons réellement dans la réalité et ce qui est causé par notre propre mouvement. Je ne connais pas la réponse exacte à cette question. Mais lorsque de telles questions se posent, nous pensons généralement qu'un observateur qui se déplace librement signifie en fait un observateur qui se déplace librement dans un champ gravitationnel, ou comme le dit parfois un observateur géodésique. Un tel observateur détermine essentiellement ce que l'on peut appeler la réalité. Ensuite, nous pouvons calculer ce que les observateurs accélérateurs voient par rapport à cette réalité.

Nous sommes pratiquement des observateurs géodésiques. La Terre nous presse, ce qui viole légèrement notre inertie. Mais à l'échelle cosmique, où tout est comparé à la vitesse de la lumière, nous sommes essentiellement des observateurs inertiels ou géodésiques.

ÉTUDIANT: J'ai une question philosophique. Nous ne pouvons pas observer d'autres univers. Supposons que nous ayons une théorie, comme l'inflation, qui fasse beaucoup de prédictions. Et elle fait également une prédiction de l'existence du multivers. Mais nous ne pouvons pas vérifier empiriquement si cela est vrai ou non, très probablement nous n'obtiendrons jamais de réponse. Si nous voulons être des empiristes stricts, cela vaut-il la peine de traiter cette question?

ENSEIGNANT: Ceci est également discuté dans la communauté scientifique, et les gens acceptent les deux points de vue. Il y a un point de vue auquel je suis enclin à ne pas nécessairement tester tous les aspects de nos théories. Si vous prenez une théorie, même la gravité newtonienne, vous pouvez imaginer les conséquences de la gravité newtonienne, que personne n'a jamais testée.

Par conséquent, je pense que dans la pratique, nous devons accepter les théories qui ont fait suffisamment de prédictions que nous avons testées pour que la théorie devienne convaincante. Dans ce cas, nous devons en même temps prendre au sérieux les conséquences de la théorie qui ne peuvent pas être directement vérifiées.

Comme pour les autres univers de poche. Bien qu'il soit peu probable, très improbable, extrêmement improbable que nous trouvions jamais des preuves observationnelles directes de l'existence d'un autre univers de poche, en théorie, cela n'est pas impossible, car les univers de poche, en principe, peuvent entrer en collision. Ainsi, nous pouvons, en principe, trouver des preuves que notre univers dans le passé a été en contact avec un autre univers de poche.

ÉTUDIANT: Qu'est-ce qui détermine la stabilité d'un état de vide particulier? Les aspirateurs à haute énergie sont-ils moins stables que les aspirateurs à basse énergie?

ENSEIGNANT: Pour autant que je sache, il y a vraiment une tendance pour les aspirateurs à haute énergie à être moins stables et les aspirateurs à basse énergie pour être plus stables. Mais ce n'est pas si simple. Il existe de nombreux paramètres indépendants de la densité d'énergie.

ÉTUDIANT: Si notre univers a une si faible densité d'énergie par rapport à la moyenne, cela signifie-t-il qu'il aura également une durée de vie beaucoup plus longue que la moyenne?

ENSEIGNANT: Je pense que oui. Mais cela ne change pas l'image du fromage suisse que j'ai décrite pour notre futur final. Cela modifie simplement le taux de décroissance. Mais puisque l'avenir de l'univers de poche, si cette image est vraie, sera infini, les déclins se produiront, quelle que soit la probabilité. En fait, un nombre infini de désintégrations se produira.

Nous devons continuer, même s'il y a encore des questions. Nous avons encore tout un semestre devant nous pour discuter de tout cela.


Donc, nous allons commencer le cours en discutant de la loi Hubble, bien que la loi Hubble nous conduise rapidement à la question du biais Doppler, dont je parlerai principalement jusqu'à la fin d'aujourd'hui et la plupart de la prochaine conférence. La loi de Hubble est une simple équation v = H ∙ r , où v est le taux d'élimination de toute galaxie typique.

La loi de Hubble n'est pas une loi exacte; les galaxies individuelles s'écartent de la loi de Hubble. Mais en principe, la loi de Hubble indique quelle est la vitesse de retrait d'une galaxie, au moins avec une précision raisonnable. H est souvent appelé la constante de Hubble. Il est parfois appelé paramètre Hubble.

Le problème avec le nom de «constante de Hubble» est qu'il ne s'agit pas d'une constante pendant la durée de vie de l'univers. Il est constant tout au long de la vie de l'astronome, mais pas constant tout au long de la vie de l'univers. Nous parlerons principalement des univers, pas des astronomes. Même tout au long de notre histoire, ce n'est pas une constante, car l'estimation de la constante de Hubble a changé environ 10 fois depuis l'estimation de Hubble initiale.

r dans l'équation est la distance jusqu'à la galaxie. Si vous regardez les notes de cours il y a deux ans, elles commencent par le fait que la loi Hubble a été découverte par Hubble en 1929. Lorsque j'ai commencé à réviser mes notes cette année, j'ai réalisé que j'avais entendu que cette déclaration était controversée. Presque tout en cosmologie est controversé, et même cette déclaration est controversée.

On pense qu'en fait, Lemeter et non Hubble mérite l'honneur de découvrir la loi Hubble. Il y a quelques raisons à cette déclaration. Certains historiens sont amateurs, il me semble qu'ils sont souvent mentionnés dans la presse, ils disent que nous connaissons les œuvres de Lemaitre principalement par la traduction faite en 1931 de son travail en 1927, où il écrivait sur les bases de la cosmologie.

Il s'est avéré que, apparemment, plusieurs points importants de l'article français de 1927, des points sur la constante de Hubble, pour une raison quelconque, ne sont pas tombés dans la traduction anglaise de 1931. Pendant un moment, cela a semblé être un jeu sale, il y avait des allégations selon lesquelles Hubble ou les amis de Hubble n'avaient pas inclus ces points lors de la traduction de l'article.

Certes, il a finalement été trouvé il y a quelques années par un physicien du nom de Mario Livio, qui a étudié les archives des lettres astronomiques mensuelles. Il s'est avéré que Lemeter lui-même a supprimé ces points.

Les paragraphes donnaient principalement une estimation numérique de la constante de Hubble, mais en 1931, l'article de Hubble avait déjà été publié. Lemeter a compris que dans son article, il n'y avait qu'une estimation moins précise de la même valeur que Hubble a indiqué, alors il l'a coupé de sa traduction. Cependant, bien sûr, il est vrai que Lemeter connaissait la loi de Hubble par des considérations théoriques, puisque Lemeter construisait un modèle d'un univers en expansion.

Je ne sais pas s'il était vraiment la première personne à avoir réalisé que le modèle en expansion de l'univers donne lieu à une relation linéaire entre vitesse et distance, mais bien sûr, il le savait, comprenait la loi de Hubble et a donné une estimation basée sur des données d'observation. Cependant, il n'a pas essayé d'utiliser des données d'observation pour montrer qu'il existe une relation linéaire. Dans les paragraphes qui n'ont pas été traduits, Lemeter a simplement examiné un grand groupe de galaxies, calculé la valeur moyenne de v , la valeur moyenne de r et déterminé H en divisant les deux valeurs moyennes. Mais il a admis qu'en fait, il n'y avait pas suffisamment de bonnes données pour dire si la relation était linéaire.

Je pense qu'il est juste de dire que Hubble est la personne qui a vraiment fait l'argument, au début plutôt faible, mais ensuite de plus en plus convaincant au fil du temps qu'il existe des preuves astronomiques d'une relation linéaire entre la vitesse et la distance. Donc, très probablement, la loi continuera d'être appelée la loi Hubble. Si vous regardez ce qu'on appelle sur Wikipédia, vous verrez que les deux options sont acceptables pour le moment, mais les articles de Wikipédia changent rapidement, nous verrons donc ce qu'elle écrit l'année prochaine. De plus, nous devrions probablement être fiers de Lemeter. Il est souvent écrit que Lemeter était un prêtre belge, mais il était également étudiant au MIT, il avait un doctorat en philosophie du MIT, qu'il a reçu en 1927.

Vous pouvez lire sa thèse. Quand j'ai écrit mon livre, je me souviens comment je suis allé aux archives du MIT, j'ai pris sa thèse et je l'ai lue. En fait, ce n'est pas très facile à écrire, mais intéressant. Bien qu'il ait obtenu son doctorat au MIT, il s'est avéré qu'il faisait la plupart de son travail à l'Observatoire du Harvard College. Mais l'Observatoire du Harvard College à l'époque ne donnait pas de diplômes. Ce n'était qu'un observatoire. Il voulait obtenir un diplôme, alors il s'est inscrit au MIT, a écrit une thèse et a obtenu un doctorat. D.

La loi de Hubble indique que l'univers est en expansion. Einstein a proposé à l'origine un modèle de l'univers qui était statique. Et c'est Hubble qui a convaincu Einstein que selon les observations, l'univers n'est pas statique, mais obéit à sa loi d'expansion.

Cela a créé la théorie d'un univers en expansion. Aujourd'hui, je veux parler de la façon de mesurer v , la vitesse dans la loi de Hubble. Il y a aussi beaucoup de discussions sur la façon de mesurer r , la distance. Je pense que cela est assez bien décrit dans le livre de Steve Weinberg. Je veux vous donner une étude indépendante du livre de Steve Weinberg pour découvrir comment les distances aux galaxies lointaines sont estimées. En gros, ils sont estimés en trouvant des objets dans des galaxies éloignées, dont la luminosité, comme vous le pensez, vous le savez, d'une manière ou d'une autre.

La difficulté est de comprendre pour quels objets nous sommes sûrs de connaître leur luminosité. Pour de tels objets, il existe un nom commun - des bougies standard. Une bougie standard est un objet dont nous connaissons la luminosité. Dès que nous trouvons un objet dont la luminosité, comme il nous semble, nous le savons, nous pouvons dire à quelle distance se trouve l'objet en mesurant sa luminosité. Cela devient un moyen très simple d'estimer les distances, et c'est le seul moyen d'estimer les distances aux galaxies lointaines. C'est en fait un sujet beaucoup plus complexe, vous pouvez en lire plus dans le livre de Weinberg.

Décalage Doppler
La vitesse d'élimination des galaxies est mesurée à l'aide du décalage Doppler, j'en parlerai pendant les quelques minutes restantes de la conférence d'aujourd'hui. Dans les prochaines conférences, nous prévoyons d'étudier comment le décalage Doppler est calculé dans des cas non relativistes et relativistes. Nous étudierons les cas les plus simples: lorsque l'observateur est immobile et que la source se déplace en ligne droite; la source est stationnaire et l'observateur se déplace.

Je commencerai par l'option lorsque l'observateur est immobile et que la source se déplace, ce que nous considérons généralement dans le cas de galaxies éloignées. Nous sommes dans notre propre référentiel, donc nous sommes immobiles, et la galaxie bouge. Nous devons calculer le redshift.Cependant, je dois vous dire que le décalage vers le rouge cosmologique est en fait un peu différent de ce que nous calculerons dans cette conférence et la prochaine.

Dans les prochaines conférences, nous calculerons le décalage vers le rouge dans la théorie spéciale de la relativité. Mais la cosmologie n'est pas régie par la théorie spéciale de la relativité, car la théorie spéciale de la relativité ne décrit pas la gravité, et la gravité joue un rôle important en cosmologie. Nous parlerons un peu plus tard du décalage cosmologique vers le rouge. À l'heure actuelle, comme Hubble, nous ignorons la gravité, ce qui est normal pour les étoiles proches. Plus ils sont éloignés, plus l'influence gravitationnelle est importante. En ignorant la gravité, vous pouvez simplement utiliser la relativité restreinte ou même la cinématique newtonienne pour calculer la relation entre$$$v$ et redshift.

Donc, la première tâche que nous allons résoudre, je pense que je vais juste la formuler, c'est tout ce que nous avons le temps, c'est le problème où il y a une source de rayonnement qui dans notre figure se déplace vers la droite avec vitesse $$$v$et un observateur immobile.

Bien sûr, toutes ces déclarations dépendent du cadre de référence. Nous travaillons dans un cadre de référence dans lequel l'observateur est immobile. Pour le cas non relativiste, nous supposons également que l'air, et nous parlerons de l'onde sonore, est immobile dans ce référentiel. Ainsi, notre référentiel n'est pas seulement le référentiel de l'observateur, mais également le référentiel dans lequel l'air est stationnaire, et nous considérons le cas non relativiste d'une onde sonore.

Définissons notre notation. Soit $$$u$égale à la vitesse de l'onde sonore. Il est généralement mesuré par rapport à l'air, mais l'air est au repos dans notre dessin, donc$$$u$ sera la vitesse de l'onde sonore par rapport à l'image. $$$v$- vitesse de la source. Nous serons intéressés par deux périodes.$$$Δt_s$ où $$$s$désigne une source (de source anglaise - source), est la période de l'onde sonore à la source, c'est-à-dire qu'elle est la même que la période de l'onde, qui est mesurée par la source.

$$$Δt_o$- c'est la période de l'onde sonore de l'observateur (de l'observateur anglais - observateur) ou la période observée. L'indice est la lettre$$$O$ , pas zéro. Un point important, qui peut être qualitativement évident, est que ces deux périodes ou intervalles de temps ne sont pas égaux. La raison en est que la source se déplace. J'ai identifié$$$v$ positif, comme l'auraient déterminé les astronomes pour reculer les objets. À mesure que la source s'éloigne de nous, chaque vague suivante qui se déplace de la source vers nous doit parcourir une distance légèrement plus grande.

Cela signifie que chaque crête de l'onde est légèrement retardée lorsqu'elle arrive au récepteur, par rapport à la situation où la source est stationnaire. Si chaque crête de la vague est retardée, cela signifie que le temps entre les arrivées des crêtes est plus long. C’est$$$Δt_o$ sera plus que $$$Δt_s$en raison de la distance supplémentaire que chaque crête de la vague doit parcourir. Nous traiterons de ces calculs dans la prochaine conférence.

Ensuite, nous ferons les calculs pour le cas où l'observateur se déplace et la source est stationnaire. Ensuite, nous parlerons un peu de la théorie spéciale de la relativité et répéterons les deux calculs en tenant compte de la théorie spéciale de la relativité, nous parlerons des rayons lumineux et des vitesses, qui peuvent être comparables à la vitesse de la lumière.