Dans un avenir lointain, l'Univers peut s'attendre à différentes variantes du destin , mais si l'énergie noire est vraiment constante - comme toutes les données en témoignent - alors son développement continuera à suivre la courbe rouge. Cette courbe conduira l'Univers à une variante de la mort par la chaleur. Cependant, l'énergie noire ne doit pas être une constante cosmologique.
L'un des composants les plus mystérieux de l'univers est l'énergie noire.... Pour être honnête, ça n'aurait pas dû être là du tout. Auparavant, nous supposions assez logiquement que l'Univers est équilibré et que son expansion est opposée par les forces de gravité agissant sur tout ce qui s'y trouve. Si la gravité l'emporte, l'univers s'effondrera à nouveau. Si l'extension gagne, tout volera dans l'oubli. Cependant, les observations faites après 1990 suggèrent que l'expansion ne fait pas que gagner - des galaxies éloignées s'éloignent de nous à un rythme toujours croissant. Cependant, peut-on appeler cela une nouvelle idée, ou s'agit-il simplement d'une résurrection de ce qu'Einstein appelait autrefois sa plus grande erreur: la constante cosmologique ? Cette question est posée par notre lecteur:
La constante cosmologique d'Einstein et l'énergie sombre sont-elles la même chose? Pourquoi le terme «énergie noire» a-t-il finalement remplacé le terme original «constante cosmologique»? Sont-ils identiques ou non, et pourquoi?
Il y a plusieurs questions ici. Revenons à l'idée originale d'Einstein, la constante cosmologique.
Aujourd'hui, nous savons qu'une proportion importante de galaxies autres que la Voie lactée sont en forme de spirale. Toutes les nébuleuses spirales que nous avons étudiées depuis les années 1920 sont d'autres galaxies. Cependant, à l'époque d'Einstein, cela était loin d'être évident.
Il faut se rappeler que lorsque Einstein a travaillé sur la théorie de la gravité, qui était censée remplacer et supplanter la loi de Newton de la gravitation universelle, nous en savions peu sur l'univers. Bien sûr, l'astronomie existe depuis des milliers d'années et les télescopes existent depuis une grande partie de ce temps. Nous avons mesuré des étoiles, des comètes, des astéroïdes, des nébuleuses. Nous avons vu naître de nouvelles et supernovae. Nous avons découvert des étoiles et des atomes variables. Nous avons trouvé des structures intéressantes dans le ciel - spirale et elliptique.
Mais nous ne savions pas que ces spirales et ellipses étaient des galaxies indépendantes. Cette idée n'était que la deuxième plus populaire; l'opinion dominante était que ce sont certaines entités (formant éventuellement des étoiles) situées à l'intérieur de la Voie lactée, qui représentaient l'univers entier. Einstein cherchait une théorie de la gravité qui pourrait être appliquée à tout - y compris à l'univers connu dans son ensemble.
Le comportement gravitationnel de la Terre près du Soleil s'explique mieux non pas par la présence d'une attraction gravitationnelle invisible, mais par la chute libre de la Terre dans l'espace courbé par le Soleil. La distance la plus courte entre deux points n'est pas une ligne droite, mais une géodésique - une ligne courbe déterminée par la déformation gravitationnelle de l'espace-temps.
Le problème est devenu apparent lorsque Einstein a pu formuler sa plus grande réalisation: la théorie de la relativité générale (GR). Au lieu de s'appuyer sur des masses agissant infiniment rapidement les unes sur les autres sur des distances infinies, Einstein a présenté un concept complètement différent. Premièrement, l'espace et le temps n'étant pas absolus, mais relatifs pour chacun des observateurs, la théorie devait faire des prédictions identiques pour tous les observateurs: comme le disent les physiciens, pour être " relativistiquement invariant«Et cela signifiait que les concepts séparés d'espace et de temps devaient être tissés dans un seul tissu quadridimensionnel d'espace-temps. Les effets gravitationnels ne se propageaient plus à une vitesse infinie, mais étaient limités par la vitesse de la gravité, qui, selon selon la théorie d'Einstein, est égale à la vitesse de la lumière.
La percée clé d'Einstein a été le remplacement des masses attirant les unes les autres par la courbure de l'espace-temps, qui affecte à la fois la matière et l'énergie. L'espace-temps incurvé dictait comment la matière et l'énergie nécessaires pour se déplacer. Et la matière et l'énergie à chaque instant du temps indiquent à l'espace comment se plier. Et c'est ainsi qu'ils s'influencent mutuellement - après chaque déplacement de matière et d'énergie, la courbure de l'espace change légèrement. Leurs changements sont régis par les équations de la relativité générale.
Animation de la réaction de l'espace-temps à une masse en mouvement. Il permet d'imaginer l'espace-temps non pas comme un "tissu" bidimensionnel, mais comme un objet réel. L'espace tridimensionnel est courbé en raison de la présence et des propriétés de la matière et de l'énergie. Le mouvement de plusieurs masses l'une autour de l'autre provoque des ondes gravitationnelles.
Si Einstein s'était arrêté là, il aurait lancé la révolution spatiale. D'une part (pour ainsi dire, d'une part du signe égal dans l'équation) toute la matière et l'énergie de l'univers. D'autre part, la courbure de l'espace-temps. Cela devrait s'arrêter là - les prédictions de l'équation devraient vous dire ce qui se passera dans le futur.
Et quand Einstein a résolu ces équations sur une grande distance d'une petite masse, il a reçu la loi de Newton de la gravitation universelle. Mais à l'approche de la masse, les corrections ont commencé à s'effacer - à la fois expliquant les déviations jusqu'alors inexpliquées de l'orbite de Mercure et prédisant que la lumière des étoiles passant devant le Soleil devrait s'écarter d'une ligne droite. C'est ainsi que la théorie générale de la relativité a été confirmée pour la première fois dans la pratique.
Cependant, dans une autre situation, un autre problème s'est posé. Si nous supposons que l'univers est uniformément rempli de matière, alors d'après les équations, il s'avère qu'il est instable. S'il a commencé à exister dans l'espace-temps statique, alors il doit s'effondrer. Pour remédier à la situation, Einstein a inventé la constante cosmologique.
Si l'univers ne se développe pas, il peut être rempli de matière stationnaire de toute sorte, mais il s'effondrera toujours dans un trou noir. Dans le contexte de la gravité d'Einstein, un tel univers est instable et doit s'étendre.
Nous devons comprendre d'où vient l'idée de la constante cosmologique. Il existe un outil puissant en mathématiques qui est omniprésent en physique: l' équation différentielle . Cela pourrait être quelque chose d'aussi simple que la loi de Newton F = ma. Cette équation explique simplement comment certaines quantités se comporteront dans l'instant suivant. Une fois ce moment passé, ils peuvent être substitués dans la même équation, et cela prédit à nouveau ce qui leur arrivera le moment suivant.
Une équation différentielle, par exemple, peut dire ce qui arrive à une balle roulant sur une colline. Il indique quel chemin il prendra, comment il va accélérer, comment son emplacement changera avec le temps. En résolvant l'équation différentielle décrivant le mouvement d'une balle roulant sur une colline, vous pouvez tracer avec précision sa trajectoire.
L'équation différentielle vous dira presque tout ce que vous voulez savoir sur une balle dévalant une colline. Mais il ne peut pas vous dire une chose: la hauteur de la colline. Vous ne savez pas si cette colline est située sur un plateau de montagne, si elle se termine au niveau de la mer, ou dans le cratère d'un volcan éteint. Des collines identiques situées à des hauteurs différentes seront décrites par la même équation différentielle.
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Un problème similaire se pose en calcul lorsque vous apprenez pour la première fois à prendre l'intégrale indéfinie - la tristement célèbre «constante plus» qui doit être ajoutée à la fin. Bien entendu, la relativité générale n'est pas une équation différentielle, mais une matrice de 16 équations différentielles, dont 10 ne dépendent pas les unes des autres. Mais une constante peut être ajoutée à chacun d'eux d'une certaine manière - et elle est devenue connue sous le nom de constante cosmologique. Vous serez peut-être surpris, mais c'est la seule chose qui puisse être ajoutée à la relativité générale sans changer fondamentalement l'essence de la théorie (sauf pour une autre forme de matière ou d'énergie).
MAIS Einstein a ajouté la constante cosmologique à sa théorie, non pas parce que cela pouvait être fait, mais parce que de son point de vue c'était préférable. Sans ajouter de constante, ses équations disaient que l'univers devrait s'étendre ou se contracter, mais rien de ce genre n'était perceptible. Et au lieu de croire aux équations, Einstein leur a injecté une constante pour «réparer» une situation apparemment brisée. S'il avait écouté les équations, il aurait prédit l'expansion de l'univers. Au lieu de cela, les travaux d'autres scientifiques ont réfuté le choix d'Einstein, et il n'a lui-même abandonné la constante cosmologique que dans les années 1930, lorsque l'expansion de l'univers a été confirmée par des observations.
Au cours de l'expansion de l'Univers, la matière ordinaire et sombre, ainsi que le rayonnement, deviennent moins denses. Cependant, l'énergie noire et l'énergie des champs pendant l'inflation sont inhérentes à l'espace lui-même. Par conséquent, la densité de l'énergie sombre reste constante.
Le problème est que la constante cosmologique n'est pas comme les formes d'énergie que nous connaissons. Prenez la matière - il y a une quantité constante de ses particules dans l'Univers. Avec l'expansion de l'Univers, il ne change pas, donc sa densité diminue. Si nous prenons le rayonnement, non seulement le nombre de quanta est constant, mais le rayonnement, voyageant à travers l'univers en expansion, est étiré du point de vue d'un observateur qui l'attrapera un jour. Sa densité diminue et chaque quantum perd également de l'énergie avec le temps.
Mais la constante cosmologique est une forme constante d'énergie inhérente à l'espace lui-même. C'est comme si la surface de la Terre n'était pas au niveau de la mer, mais s'élevait de plusieurs mètres. Oui, cette nouvelle hauteur pourrait simplement être appelée "niveau de la mer", mais cela ne fonctionnera pas avec l'univers. Il n'y a aucun moyen de connaître l'ampleur de la valeur de la constante cosmologique - nous avons simplement supposé qu'elle était nulle. Mais ce n'est pas nécessaire - il peut s'agir de n'importe quelle valeur, positive, négative ou zéro.
Divers composants et contributions à la densité d'énergie de l'univers et leur dominance relative. Le rayonnement a dominé la matière pendant les 9000 premières années, puis la matière a commencé à dominer, puis la constante cosmologique est apparue. Tous les autres composants sont trop peu nombreux. Cependant, l'énergie noire peut ne pas être équivalente à la constante cosmologique.
En extrapolant dans le temps à un univers plus ancien, chaud, dense et peu profond, nous pouvons ne pas remarquer la constante cosmologique. Au début, il était largement dépassé en nombre par la matière et le rayonnement. Ce n'est qu'après l'expansion et le refroidissement de l'univers que la densité de matière et d'énergie a suffisamment baissé pour que la constante cosmologique se manifeste.
Autrement dit, si cela existe du tout.
L'énergie sombre peut s'avérer être une constante cosmologique. Et, en effet, compte tenu de toutes les observations d'aujourd'hui, il semble qu'il en soit ainsi - le changement du taux d'expansion de l'Univers au fil du temps se déroule comme le dicte la constante cosmologique. Cependant, il y a quelques erreurs ici, donc l'énergie sombre peut, en principe, au fil du temps:
- augmenter ou diminuer,
- changer la densité d'énergie,
- se développer d'une manière nouvelle et complexe.
Bien que nous ayons des limites sur les valeurs de l'énergie noire au cours des 6 derniers milliards d'années, nous ne pouvons pas l'appeler constante avec une précision absolue.
Les densités de matière, de rayonnement et d'énergie noire sont bien connues. Cependant, pour l'énergie sombre, il y a encore beaucoup de marge de manœuvre dans les équations. Cela peut être constant, mais cela peut aussi changer avec le temps.
Nous aimerions bien sûr savoir si elle est constante ou non. Et nous découvrirons, comme cela se fait habituellement en science, en améliorant les observations et en les conduisant de manière cohérente. La clé pour cela est de grands ensembles de données, ainsi que de sonder l'univers sur une large gamme de distances. Après tout, tous les moindres détails du changement du taux d'expansion de l'Univers dans le temps nous aident à découvrir comment la lumière voyageant à travers l'Univers a changé. Si l'énergie noire est exactement égale à la constante cosmologique, son développement suivra une certaine courbe. Sinon, alors un autre, et nous pouvons le voir.
D'ici la fin des années 2020, nous aurons un complexe terrestre énorme et complexe pour observer l'univers. Tout cela grâce à l' observatoire. Vera Rubinqui surpassera les réalisations de tous les instruments existants tels que Pan-STARRS et Sloan Sky Survey . Nous aurons une vaste gamme d'observations spatiales grâce à l' observatoire européen Euclid et au télescope romain de Nancy de la NASA - ils pourront voir 50 fois plus de détails que le télescope Hubble. Toutes ces nouvelles données nous aideront à déterminer si l'énergie noire est effectivement identique à ce que prédit la constante cosmologique, et si elle change avec le temps.
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Il y a une grande tentation - parfois j'en suis coupable - de combiner ces deux concepts et de considérer que l'énergie noire n'est qu'une constante cosmologique. Il est clair pourquoi on veut le faire - la constante cosmologique fait déjà partie de la relativité générale, et elle n'a pas besoin d'être expliquée séparément. De plus, on ne sait pas calculer l'énergie nulle de l'espace vide dans la théorie quantique des champs, et cela apporte exactement la même contribution à l'univers que la constante cosmologique. Enfin, toutes nos observations sont cohérentes avec le fait que l'énergie noire est une constante cosmologique, et rien de plus n'a besoin d'être compliqué.
Cependant, c'est de là que découle l'extrême importance des nouvelles dimensions. Si nous n’avions pas pris la peine de mesurer soigneusement et précisément l’univers, nous n’aurions jamais découvert la théorie de la relativité. Nous n'aurions pas découvert la physique quantique, nous n'aurions pas fait la plupart des recherches qui ont valu les prix Nobel et nous ont propulsés dans les 20e et 21e siècles. Dans 10 ans, nous aurons des données qui aideront à déterminer si l'énergie noire diffère de la constante cosmologique avec une erreur de 1%.
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La constante cosmologique peut s'avérer identique à l'énergie noire, mais ce n'est pas nécessaire. Et même si elles s'avèrent être les mêmes, nous voudrons quand même comprendre pourquoi la constante cosmologique se comporte de cette façon et pas autrement. Au cours de l'année à venir 2021, il est important de se rappeler que les réponses à nos questions cosmiques les plus profondes peuvent être vues sur la face de l'univers. La seule façon de les obtenir est de se tourner vers la réalité physique elle-même.