L’une des principales questions qui ne quitte pas la conscience de l’homme a toujours été et est toujours la question suivante : «Comment l’Univers est-il apparu ? Bien sûr, il n’existe pas de réponse univoque à cette question, et il est peu probable qu’elle soit obtenue dans un avenir proche, mais la science travaille dans cette direction et forme un modèle théorique de l’origine de notre Univers. Tout d’abord, il convient d’examiner les propriétés fondamentales de l’Univers, qui doivent être décrites dans le cadre du modèle cosmologique :
- Ce modèle doit prendre en compte les distances observées entre les objets, ainsi que la vitesse et la direction de leur mouvement. Ces calculs sont basés sur la loi de Hubble : cz = H0 D , où z est le décalage vers le rouge d’un objet, D est la distance à cet objet et c est la vitesse de la lumière.
- L’âge de l’Univers dans le modèle doit dépasser l’âge des objets les plus anciens du monde.
- Le modèle doit rendre compte de l’abondance initiale des éléments.
- Le modèle doit rendre compte de la structure à grande échelle observée de l’Univers.
- Le modèle doit prendre en compte le fond relique observé.
La structure à grande échelle de l’Univers
Examinons maintenant de plus près les conceptions de l’origine du monde les plus populaires dans la communauté scientifique.
Table des matières
Une brève histoire de l’Univers
Examinons brièvement la théorie généralement acceptée de l’origine et de l’évolution précoce de l’Univers, qui est soutenue par la plupart des scientifiques. Aujourd’hui, la théorie du Big Bang est considérée comme une combinaison du modèle de l’Univers chaud et du Big Bang. Bien que ces concepts aient d’abord existé indépendamment l’un de l’autre, leur combinaison a permis d’expliquer la composition chimique initiale de l’Univers, ainsi que la présence d’un rayonnement relique.
Selon cette théorie, l’Univers a émergé il y a environ 13,77 milliards d’années d’un objet dense et chauffé — un état singulier qui est mal décrit dans le cadre de la physique moderne. Le problème de la singularité cosmologique, entre autres, est que dans sa description, la plupart des quantités physiques, comme la densité et la température, tendent vers l’infini. Or, on sait qu’à densité infinie, l’entropie (mesure du chaos) doit tendre vers zéro, ce qui ne coïncide pas avec une température infinie.
La singularité vue par l’artiste
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- Les 10 à 43 premières secondes après le Big Bang sont appelées le stade du chaos quantique. La nature de l’Univers à ce stade de l’existence ne peut être décrite dans le cadre de la physique connue. Il y a une désintégration de l’espace-temps continu et unifié en quanta.
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- Moment de Planck — le moment de la fin du chaos quantique, qui tombe à 1 0-43 secondes. À cet instant, les paramètres de l’univers sont égaux aux quantités de Planck, comme la température de Planck (environ 10 32 K). À l’instant de Planck, les quatre interactions fondamentales (faible, forte, électromagnétique et gravitationnelle) ont été réunies en une seule interaction. Il n’est pas possible de considérer l’instant de Planck comme une longue période, car la physique moderne ne travaille pas avec des paramètres plus petits que les paramètres de Planck.
- Le stade de l’inflation. L’étape suivante de l’histoire de l’univers a été la phase d’inflation. Au premier moment de l’inflation, l’interaction gravitationnelle s’est séparée du champ supersymétrique unifié (qui comprenait auparavant les champs d’interactions fondamentales). Pendant cette période, la matière subit une pression négative, ce qui entraîne une croissance exponentielle de l’énergie cinétique de l’Univers. En d’autres termes, au cours de cette période, l’Univers a commencé à gonfler très rapidement et, vers la fin, l’énergie des champs physiques se transforme en énergie des particules ordinaires. À la fin de cette phase, la température de la matière et du rayonnement augmente considérablement. La fin de la phase d’inflation s’accompagne de la libération de l’interaction forte. C’est également à ce moment que l’asymétrie baryonique de l’Univers apparaît.
- Le stade de la prédominance du rayonnement. L’étape suivante du développement de l’Univers, qui comprend plusieurs phases. À ce stade, la température de l’Univers commence à diminuer, les quarks se forment, puis les hadrons et les leptons. À l’ère de la nucléosynthèse, les premiers éléments chimiques se forment et l’hélium est synthétisé. Cependant, le rayonnement domine encore sur la matière.
- L’ère de la domination de la matière. Après 10 000 ans, l’énergie de la matière dépasse progressivement l’énergie du rayonnement et elles se séparent. La matière commence à dominer le rayonnement, le fond relique apparaît. En outre, la séparation de la matière et du rayonnement a considérablement accru les inhomogénéités originelles dans la distribution de la matière, ce qui a entraîné la formation de galaxies et de supergalaxies. Les lois de l’Univers ont pris la forme dans laquelle nous les observons aujourd’hui.
L’image ci-dessus est composée de plusieurs théories fondamentales et donne une idée générale de la formation de l’Univers dans ses premiers stades d’existence.
D’où vient l’Univers ?
Si l’Univers a émergé d’une singularité cosmologique, d’où vient la singularité elle-même ? Il est impossible de donner une réponse précise à cette question. Examinons quelques modèles cosmologiques qui influencent la «naissance de l’Univers».
Modèles cycliques
Ces modèles reposent sur l’affirmation que l’Univers a toujours existé et qu’avec le temps, il ne fait que changer d’état, passant de l’expansion à la contraction — et vice-versa.
- Modèle de Steinhardt-Turok. Ce modèle est basé sur la théorie des cordes (théorie M), car il utilise un objet appelé «brane». Selon ce modèle, l’Univers visible est situé à l’intérieur d’une 3-brane qui, périodiquement, une fois tous les quelques billions d’années, entre en collision avec une autre 3-brane, ce qui provoque une sorte de Big Bang. Ensuite, notre 3-brane commence à s’éloigner de l’autre 3-brane et se dilate. À un moment donné, la fraction d’énergie sombre devient prépondérante et le taux d’expansion de la 3-brane augmente. L’expansion colossale disperse tellement la matière et le rayonnement que le monde devient presque homogène et vide. Les trois membranes finissent par entrer à nouveau en collision, et la nôtre revient alors à la phase initiale de son cycle, donnant naissance à notre «Univers».
- La théorie de Loris Baum et Paul Frampton affirme également que l’Univers est cyclique. Selon leur théorie, le dernier après le Big Bang se développera au détriment de l’énergie noire jusqu’à ce qu’il approche le moment de la «désintégration» de l’espace-temps lui-même — le Big Break. Comme on le sait, dans un «système fermé, l’entropie ne diminue pas» (deuxième principe de la thermodynamique). Il s’ensuit que l’univers ne peut pas revenir à son état initial, car l’entropie doit diminuer au cours d’un tel processus. Toutefois, ce problème est résolu dans le cadre de cette théorie. Selon la théorie de Baum et Frampton, un instant avant le Big Bang, l’Univers se désintègre en de nombreux «lambeaux», chacun d’entre eux ayant une valeur d’entropie assez faible. Après une série de transitions de phase, ces «lambeaux» de l’ancien univers génèrent de la matière et évoluent de la même manière que l’univers d’origine. Ces nouveaux mondes n’interagissent pas entre eux puisqu’ils s’éloignent les uns des autres à des vitesses supérieures à celle de la lumière. Les scientifiques ont ainsi évité la singularité cosmologique qui, selon la plupart des théories cosmologiques, marque le début de la naissance de l’univers. C’est-à-dire qu’au moment de la fin de son cycle, l’Univers se désintègre en de nombreux autres mondes sans interaction, qui deviendront de nouveaux univers.
- La cosmologie cyclique conforme est le modèle cyclique de Roger Penrose et Vahagn Gurzadyan. Selon ce modèle, l’Univers est capable de passer à un nouveau cycle sans violer le second commencement de la thermodynamique. Cette théorie repose sur l’hypothèse que les trous noirs détruisent l’information absorbée, ce qui, d’une certaine manière, réduit «légitimement» l’entropie de l’univers. Ainsi, chaque cycle de l’existence de l’Univers commence par une ressemblance avec le Big Bang et se termine par une singularité.
Infographie de la cosmologie cyclique conforme
Autres modèles pour l’origine de l’Univers
Parmi les autres hypothèses qui expliquent l’émergence de l’Univers visible, les deux suivantes sont les plus populaires :
- Théorie de l’inflation chaotique — Théorie d’Andrei Linde. Selon cette théorie, il existe un champ scalaire inhomogène dans tout son volume. En d’autres termes, dans les différentes régions de l’univers, le champ scalaire a des valeurs différentes. Dans les zones où le champ est faible, il ne se passe rien, tandis que les zones où le champ est fort commencent à s’étendre (inflation) au détriment de son énergie, formant ainsi de nouveaux univers. Un tel scénario implique l’existence de nombreux mondes qui ont émergé de manière non simultanée et qui possèdent leur propre ensemble de particules élémentaires et, par conséquent, les lois de la nature.
- La théorie de Lee Smolin suggère que le Big Bang n’est pas le début de l’existence de l’Univers, mais seulement une transition de phase entre ses deux états. Étant donné qu’avant le Big Bang, l’Univers existait sous la forme d’une singularité cosmologique dont la nature est proche de celle d’un trou noir, Smolin suggère que l’Univers pourrait être né d’un trou noir.
La naissance de l’univers à partir d’un trou noir
Conclusion
Bien que le modèle cyclique et d’autres modèles répondent à un certain nombre de questions auxquelles la théorie du Big Bang ne peut répondre, notamment le problème de la singularité cosmologique. Néanmoins, complété par la théorie inflationniste, le Big Bang explique l’origine de l’univers de manière plus cohérente, et converge également avec de nombreuses observations.
Aujourd’hui, les chercheurs continuent d’étudier intensivement les scénarios possibles de l’origine de l’Univers, cependant, donner une réponse incontestable à la question «Comment l’Univers est-il apparu ? — ne sera probablement pas possible dans un avenir proche. Il y a deux raisons à cela : la preuve directe des théories cosmologiques est pratiquement impossible, seulement indirecte ; même en théorie, il n’y a aucune possibilité d’obtenir des informations précises sur le monde avant le Big Bang. Pour ces deux raisons, les scientifiques en sont réduits à émettre des hypothèses et à construire des modèles cosmologiques qui décriront le plus fidèlement possible la nature de l’univers que nous observons.
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Date de publication: 12-26-2023
Mettre à jour la date: 12-26-2023