Vous pouvez donc imaginer un ensemble d'univers indépendants, non unis par des relations de cause à effet dans l'océan cosmique en constante expansion. L'idée d'un multivers vient de l'étude de la théorie de l'inflation cosmique dans un univers quantique, mais c'est difficile à prouver.
Malgré toutes nos connaissances sur le Big Bang, l'un des plus grands mystères scientifiques reste la question de l'apparition de l'univers avec exactement les propriétés que nous y observons. Nous comprenons comment notre univers moderne a évolué d'un état plus chaud, plus dense et plus homogène. Nous comprenons comment cet état est né d'une période antérieure d'inflation cosmique. Mais si nous remontons assez loin dans le temps, nous perdrons à un moment donné la capacité de mesurer les propriétés qui existaient alors ou de trouver des traces de processus anciens. Il ne nous reste que des équations et des hypothèses. Et l'une des prédictions qui sont apparues sur la base d'une étude théorique de ces tout premiers temps est que notre Univers n'est que l'un des nombreux univers qui composent un seul le multivers . Mais d'où viendront la masse et l'énergie pour le multivers? Voici ce que demande le lecteur:
Je ne comprends pas comment expliquer la masse du multivers. S'il se divise constamment en de nouveaux univers, comment fonctionne la loi de conservation de l'énergie? Est-ce parce que la gravité est une énergie négative? Est-ce parce que l'expansion génère une nouvelle énergie? Je suis sûr qu'il me manque quelque chose d'élémentaire, mais ... Où puis-je obtenir suffisamment de masse pour autant d'univers?
C'est une question très profonde, et la meilleure réponse sera pleine de surprises.
Des univers de nombreux types possibles pourraient apparaître dans le multivers. Certains d'entre eux conviennent à une vie comme la nôtre, d'autres non. Dans le contexte d'un univers en expansion, l'existence d'un multivers est inévitable, mais il est difficile de le comprendre en termes d'énergie.
La plupart des gens, en pensant au multivers, imaginent un nombre énorme - peut-être infini - d'univers apparus il y a quelque temps. Notre Univers, il n'y en a qu'un parmi tant d'autres. De plus, nous ne pouvons nous-mêmes observer qu'une petite partie de notre univers. La partie observable de l'Univers s'étend sur 46 milliards d'années-lumière de notre emplacement dans toutes les directions.
A la frontière de ce que l'on voit, on ne remarque rien d'anormal. Mais il existe en raison de la vitesse limitée de la lumière et du temps qui s'est écoulé depuis le Big Bang dans notre Univers. Par conséquent, nous ne sommes pas en mesure de dire exactement dans quelle mesure notre Univers s'étend au-delà de ce que nous voyons. Il peut continuer encore plus loin sur d'énormes distances incommensurables, il peut même être infini dans toutes les directions. Mais cela peut s'avérer limité, juste cette frontière se trouvera au-delà des limites de notre horizon cosmique. Peu importe combien nous attendons, la quantité d'espace disponible pour nos recherches sera toujours limitée.
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Heureusement, en étudiant ce que nous pouvons voir, nous pouvons imaginer ce qui se trouve au-delà des limites de ce qui est disponible. Bien que l'Univers soit en expansion et que tous les signaux qui le traversent soient limités par la vitesse de la lumière, nous avons plusieurs «jalons» intéressants à notre disposition, faisant allusion à ce qui se trouve à une certaine distance de nous. Nous existons dans le présent, 13,8 milliards d'années après le Big Bang. Nous vivons dans un univers en expansion à une vitesse mesurable de l'ordre de 70 km / s / Mpc. Autrement dit, chaque mégaparsec (environ 3,26 millions d'années-lumière) qui nous sépare d'un autre objet, en moyenne, ajoute environ 70 km / s à sa vitesse par rapport à nous.
Nous pouvons en dire long sur ces limitations cosmiques étant donné tout ce que nous savons sur le contenu énergétique de l'univers. À savoir - 68% d'énergie noire, 27% de matière noire, 4,9% de matière ordinaire, 0,1% de neutrinos et 0,01% de photons (c'est-à-dire la lumière).
- Nous ne pourrons jamais atteindre des galaxies à plus de 18 milliards d'années-lumière - même si nous nous envolons vers elles aujourd'hui à la vitesse de la lumière.
- La lumière du Big Bang atteindra un objet situé à 46 milliards d'années-lumière de nous aujourd'hui - tout comme nous voyons cette lumière émaner du point tel qu'il était il y a 13,8 milliards d'années.
- Un objet situé à une distance de 61 milliards d'années-lumière de nous aujourd'hui n'est pas visible pour nous, mais lorsque la lumière qui en provient nous atteindra, ce sera l'objet le plus éloigné que nous observerons.
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Ce sont les limites de l'univers que nous observons uniquement. Nous ne savons pas jusqu'où le reste de la partie non observable de celui-ci s'étend après le même Big Bang. Mais, bien sûr, nous pouvons lui imposer des restrictions. Si l'Univers est en quelque sorte fermé sur lui-même - sous la forme d'une boucle, ou se répète d'une autre manière - alors l'échelle de cette répétition est plus grande que la partie que nous voyons aujourd'hui. S'il n'est pas fermé, la restriction sur la courbure de l'espace (et elle devrait être inférieure à ~ 0,002% de la densité d'énergie de l'Univers) suggère que l'Univers devrait s'étendre à une distance au moins 400 fois plus grande que la partie que nous voyons dans tous les sens. Autrement dit, son volume doit être au moins 64 millions de fois plus grand que le volume de l'Univers que nous observons. Et en principe, l'univers peut être infini en général.
Mais, quelle que soit la taille de notre Univers, cela ne signifie pas qu'il est si seul. Même s'il est infini, il peut y en avoir d'autres - rappelez-vous que l'infini a des pouvoirs différents .
L'essentiel dans ce cas est de comprendre d'où vient l'idée physique du multivers. Cela apparaît lorsque vous prenez au sérieux l'idée d'inflation cosmique. Et ceci, à son tour, est la meilleure théorie et le meilleur mécanisme à ce jour, expliquant ce qui s'est passé avant le Big Bang, comment tout y a conduit et y a donné naissance.
Les fluctuations quantiques qui apparaissent lors de l'inflation s'étendent sur tout l'Univers, et à la fin de l'inflation, elles deviennent des fluctuations de la densité de la matière. Au fil du temps, cela conduit à l'apparition de structures à grande échelle, ainsi qu'aux fluctuations de température observées dans . .
En essayant d'extrapoler dans le temps les processus qui ont eu lieu au début du Big Bang, sur la base des observations d'aujourd'hui, nous rencontrons plusieurs phénomènes mystérieux. Nous voyons que dans toutes les directions de l'Univers, en moyenne, la même densité de matière et la même température sont préservées. Dans le même temps, les parties opposées de l'Univers, éloignées les unes des autres, n'ont pas eu le temps d'échanger des informations pour toute l'histoire connue. Nous voyons que la densité d'énergie totale et le taux d'expansion d'origine auraient dû être les mêmes au début du Big Bang chaud à moins de 25 chiffres significatifs après la virgule décimale - ce que le Big Bang n'explique pas. Nous ne voyons pas de traces à haute énergie de l'Univers primitif, dont l'existence pourrait être attendue si des températures et des densités infiniment élevées étaient observées dans les premiers stades de son développement.
Comment est-ce possible? D'où l'idée d'inflation cosmique surgit: peut-être y a-t-il eu une phase dans l'histoire de l'Univers qui a précédé le Big Bang. Dans cette phase, l'Univers n'était pas rempli de particules, d'antiparticules, de rayonnement et d'autres formes d'énergie quantifiantes comme il l'est aujourd'hui. Il était rempli d'une sorte d'énergie, rappelant l'énergie sombre - une énergie inhérente à l'espace-temps lui-même. Dans cet état, l'univers se développe sans relâche à un rythme exponentiel. Et ce n'est que lorsque cette expansion s'arrête, que l'énergie se transforme en particules, en antiparticules et en rayonnement - le Big Bang se produit.
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C'est l'une des plus grandes idées de la cosmologie d'aujourd'hui, et l'une des plus réussies à la fois pour expliquer les phénomènes que nous observons et pour en prédire de nouveaux que nous avons pu tester plus tard. L'Univers a les mêmes propriétés dans toutes les directions car il a émergé d'un morceau d'espace qui appartenait autrefois à une seule région, étiré à des tailles énormes par l'inflation. Il y a un équilibre entre la densité d'énergie et la courbure spatiale parce que ces propriétés ont été déterminées par la dynamique de l'inflation, les obligeant à être en équilibre. Et il n'y avait plus de reliques de haute énergie parce que l'univers n'a jamais atteint des températures arbitrairement élevées - elles étaient limitées par l'échelle énergétique de l'inflation.
Si l'inflation était un champ quantique, elle doit être soumise à des fluctuations quantiques. Et c'était inévitablement un tel champ, étant donné que dans l'univers (probablement) tout est fondamentalement de nature quantique. Les fluctuations d'énergie créent des régions de densité accrue à partir desquelles les galaxies sont fabriquées, ainsi que des régions de densité inférieure, qui se transforment en vides cosmiques . L'inflation peut être considérée comme une balle qui roule du haut d'une colline très plate vers le bas. Des fluctuations quantiques découle l'existence de «poches» de l'univers inflationniste, dans lesquelles l'inflation se termine plus tôt que dans d'autres lieux. Et il doit aussi y avoir des endroits où l'inflation n'est pas terminée aujourd'hui.
Ci-dessus: le gonflage se termine lorsque la balle roule vers le bas.
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Lorsque l'inflation prend fin, il y a un Big Bang chaud et une nouvelle chance pour un univers comme le nôtre. Peu importe où et quand cela se produit, peu importe si l'inflation se poursuit dans les régions environnantes. Nous ne savons pas grand-chose sur la plupart de ces univers, même en théorie. Mais si la théorie inflationniste est correcte et que les lois de la physique continuent de fonctionner pendant l'inflation, alors l'existence de ces univers est inévitable. C'est de là que vient l'idée d'un multivers - d'un point de vue purement physique, sans références à la philosophie, aux interprétations de la mécanique quantique ou à l'univers tel qu'il était avant l'inflation.
C'est là que l'idée de l'univers est sortie de rien. Si par «rien» nous entendons un espace vide apparu lors de l'inflation, alors cela donnera lieu non seulement à un univers comme le nôtre, mais aussi à un nombre énorme (et peut-être infini) d'autres univers indépendants. Chacun d'eux sera rempli de ses propres particules, antiparticules, radiations et autres formes d'énergie autorisées.
Mais, malgré toute cette histoire merveilleuse, vous pouvez toujours être préoccupé par la question - d'où vient l'énergie pour tout cela?
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C'est à ce moment que les processus commencent à contredire notre intuition. Vous, bien sûr, avez entendu parler de la loi de conservation de l'énergie - que l'énergie ne peut pas être créée ou détruite, et qu'elle ne peut passer que d'une forme à une autre. C'est le cas de tout événement dans l'Univers - que ce soit avant l'interaction, la transformation ou tout phénomène physique qui se produit à un certain endroit à un certain moment dans le temps. Un tel événement peut être une collision de deux particules, un coup de lumière sur une surface, une rencontre de deux observateurs en un seul endroit. Autant que nous sachions, dans tous les événements qui se sont jamais produits dans l'Univers, l'énergie a été conservée.
Mais dans tout l'Univers dans son ensemble, et dans tout espace-temps, l'énergie n'est pas toujours conservée ni même précisément déterminée. L'énergie peut être clairement définie dans l'espace-temps statique - ne changeant pas d'un moment à l'autre. Un exemple d'un tel espace est la proximité d'un trou noir. Ses propriétés ne changent pas tant que le trou noir n'a pas changé de masse. Cependant, un univers en expansion ou en contraction change avec le temps. Avec la croissance de l'espace, l'énergie de divers composants change de différentes manières, cédant à une détermination quantitative.
Si la densité de matière et d'énergie dans un univers en expansion diminue en raison d'une augmentation de son volume, l'énergie noire est une forme d'énergie inhérente à l'espace lui-même. Dans l'univers en expansion, un nouvel espace est créé, tandis que la densité d'énergie sombre reste constante.
La matière normale et la matière noire sont toutes deux composées de particules - elles ont une certaine masse, elles occupent un certain volume. Avec l'expansion de l'Univers, le nombre de particules ne change pas, mais le volume augmente, mais l'énergie totale reste constante.
Le rayonnement se comporte différemment. L'énergie des ondes lumineuses est déterminée par leur longueur. Plus la longueur est courte, plus l'énergie est élevée et vice versa. Avec l'expansion de l'Univers, le nombre de quanta de rayonnement ne change pas, mais les longueurs d'onde sont étirées, ce qui fait que chaque quantum perd son énergie. Avec le passage du temps et l'augmentation du volume, l'énergie totale diminue.
L'énergie sombre se comporte également à sa manière. C'est l'énergie inhérente au tissu même de l'espace. Sa valeur aujourd'hui est extrêmement faible, mais pendant l'inflation, elle était énorme. Avec l'expansion de l'espace, la densité d'énergie ne change pas, mais le volume augmente. L'énergie totale de l'univers augmente avec le temps, car elle est considérée comme la densité d'énergie multipliée par le volume.
Nous sommes habitués à avoir une pression positive à l'intérieur de différents objets. L'énergie sombre dans ce cas est contre-intuitive, car sa pression est négative, mais en même temps elle fait étendre le tissu de l'espace.
Beaucoup de gens n'aiment pas cela, mais en fait, dans l'Univers, dont l'espace se dilate ou se contracte avec le temps, l'énergie n'est pas conservée et n'est même pas déterminée avec précision. Vous pouvez le faire persister en postulant une définition globale de l'énergie, dans laquelle vous isolez une partie de l'univers et exigez que l'énergie soit conservée dans ses limites. Cela ne peut être fait qu'en introduisant une autre définition - le travail effectué sur la frontière que vous avez dessinée à mesure que l'Univers se développe. Le rayonnement fait un travail positif en perdant de l'énergie. L'énergie sombre (énergie d'inflation) fait un travail négatif, augmentant l'énergie globale.
Malgré son attractivité, cette approche ne peut pas être qualifiée de fiable. Nous pouvons le choisir par décision volontaire, uniquement pour satisfaire nos idées sur la nécessité de conserver l'énergie. Mais en fait, la loi de conservation ne fonctionne que dans un certain endroit de l'espace, et non pour tout l'Univers en expansion. Vous avez peut-être entendu cette expression: il n'y a pas de déjeuner gratuit. Cela peut ne pas arriver sur Terre, mais cela ne s'applique pas à l'univers en expansion. Si les idées sur l'inflation et le multivers sont correctes, alors peut-être que tout l'univers est un déjeuner gratuit géant. Dans nos moments difficiles, on peut au moins être reconnaissant de ce fait.