Alan Guth décrit l’inflation comme une théorie du Bang | Paul

“Tout notre univers était dans un état chaud et dense, puis il y a près de 14 milliards d’années, l’expansion a commencé. Attendez …” (de La théorie du Big Bang Chanson d’introduction de l’émission télévisée).

Cette chanson d’introduction de la sitcom La théorie du Big Bang a fait un excellent travail de synthèse des principales idées du Big Bang pour le public. L’univers n’est pas statique ; il s’étend à partir d’un point chaud et dense au début de tout. Cependant, la théorie du Big Bang en cosmologie n’est qu’une théorie sur l’origine de l’univers, pas sur son évolution ultérieure. Que s’est-il passé juste après le Bang ? Pour reprendre les mots d’Alan Guth (né en 1947), un cosmologiste du MIT qui est l’un des pionniers qui ont théorisé sur un univers inflationniste, “l’inflation explique le bang” (de Alan Guth explique la théorie de l’inflationhttps://www.youtube.com/watch?v=rEXDgpttmyc).

D’abord le Big Bang

Le terme “Big Bang” a été inventé par le cosmologiste anglais Fred Hoyle (1915-2001) pour le décrire comme un “processus irrationnel” et une pseudoscience, cependant, le Big Bang est la théorie la plus favorable du Cosmos depuis sa découverte. du rayonnement de fond cosmique dans les années 1960, le rayonnement résiduel du Big Bang (Fred Hoyle. Dans Wikipédia).

Grâce aux travaux de l’astronome américain Edwin Hubble (1889-1953), on sait que l’univers est en expansion grâce à une relation entre la distance à une galaxie et sa vitesse de récession. En général, plus les galaxies sont éloignées de nous, plus elles s’éloignent rapidement (Edwin Hubble. Dans Wikipédia). Avant Hubble, le moins connu prêtre catholique belge et cosmologiste Georges Lemaitre (1894-1966) a proposé que l’univers a commencé comme ce qu’il a appelé un atome primitif, où “l’expansion de l’univers observable a commencé avec l’explosion d’une seule particule à un moment “(à partir de Horizons cosmiques : l’astronomie à la pointe de la technologie. Édité par Neil de Grasse Tyson et Steven Soter).

L’Univers est “ennuyeusement plat”

La théorie du Big Bang existe depuis environ 100 ans depuis sa formulation, mais la théorie est allée plus loin avec la proposition de la cosmologie inflationniste, entre autres, par le cosmologiste américain Alan Guth. En termes simples, la taille de l’univers a augmenté de sa taille subatomique dans le domaine quantique à la taille d’une balle de tennis plus rapidement qu’un clignement d’œil ou un éternuement (en une fraction de seconde extrêmement petite). Cette inflation peut ne pas sembler impressionnante, mais si vous gonflez un ballon de football au même rythme, il atteindra la taille de notre système solaire en si peu de temps (Ben McAdam, dans Quelle était la vitesse de l’inflation cosmique selon la théorie de l’inflation ? Quora, https://www.quora.com/How-long-did-cosmic-inflation-last). Par la suite, l’inflation s’est arrêtée et le taux d’expansion de l’univers a ralenti (les scientifiques des années 1990 ont découvert que le taux d’expansion s’accélérait, mais c’est une autre histoire).

La “croissance exponentielle” de l’univers a été introduite en 1979 par Guth en raison de son intérêt pour la résolution du problème de “planéité” de l’univers (plat au sens d’un univers à géométrie euclidienne où la somme des angles dans un triangle vaut 180 degrés). Les mesures de l’univers pour déterminer s’il sera fermé ou ouvert sont incroyablement parfaitement réglées pour maintenir un équilibre qui est presque un miracle ou une absurdité, d’où le “problème”.

Un univers fermé finira par s’effondrer sur lui-même à cause de la gravité (le Big Crunch) ou un univers ouvert s’étendra pour toujours (le Big Rip). Cependant, notre univers a les bons chiffres pour exister comme il le fait (en tant qu’univers plat) et tout petit changement dans ces mesures aurait modifié son destin. En d’autres termes, les cosmologistes se sont demandé comment la densité actuelle de l’énergie dans l’univers était “si étroitement ajustée” à la densité à ses débuts ; un univers parfaitement équilibré entre ouvert et fermé lui conférant une géométrie euclidienne à courbure nulle si l’on considère sa grande échelle infinie (Problème de planéité. Dans Wikipédia).

Encore une fois, pas un univers fermé, pas ouvert non plus, mais un univers où “la courbure créée dans l’espace par les innombrables étoiles, trous noirs, nuages ​​de poussière, galaxies, etc. ne constitue qu’un tas de petites bosses sur un espace qui est, dans l’ensemble, ennuyeusement plat »(Davide Castelvecchi. Que voulez-vous dire, l’univers est plat ? Partie 1. Scientific American, https://blogs.scientificamerican.com/degrees-of-freedom/httpblogsscientificamericancomdegrees-of-freedom20110725what-do-you-mean-the-universe-is-flat-part-i/)

Je vois un problème à l’horizon

Lorsque vous envoyez un SMS ou appelez quelqu’un dans un autre État ou pays, pensez à la possibilité de pouvoir communiquer entre de si grandes distances. De très petites distances si l’on considère la distance à l’étoile la plus proche (environ 4 années-lumière) ou la distance à travers la Voie lactée (environ 100 000 années-lumière) ou même la distance à la plus grande galaxie la plus proche, la nébuleuse d’Andromède (plus de 2 000 000 d’années-lumière -années). La lumière que nous voyons ce soir lorsque nous regardons la nébuleuse d’Andromède a mis plus de 2 millions d’années pour nous atteindre ici sur Terre. Les humains émergeaient d’Afrique et appartenaient à une espèce différente, Homo erectus, lorsque la lumière d’Andromède a commencé son voyage (Jusqu’où remontons-nous dans le temps? Univers aujourd’hui, https://www.universetoday.com/119226/how-far-back-are-we-looking-in-time/).

Ces vastes distances nous amènent à nous demander pourquoi l’univers est-il homogène (le même à tous les endroits) ? Un côté du cosmos n’est pas censé être en communication avec l’autre côté, si loin, en termes de milliards d’années-lumière. Une année-lumière est la distance parcourue par la lumière en un an (environ 6 000 000 000 000 de miles), alors comment l’univers peut-il rester aussi uniforme alors que ses parties sont si éloignées les unes des autres ? C’est ce qu’on appelle le problème d’horizon.

L’univers a environ 13,8 milliards d’années, donc si vous observez deux galaxies distantes de 20 milliards d’années-lumière (c’est-à-dire la Terre au milieu et chaque galaxie à 10 milliards d’années-lumière dans des directions opposées), alors la distance totale entre les galaxies est de 20 milliards d’années-lumière (Problème d’horizon. Dans Wikipédia). Cela pose un problème car le temps de communication entre ces deux galaxies est plus long que l’âge de l’univers lui-même, mais elles habitent un univers globalement lisse. L’univers n’est pas censé être homogène, c’est-à-dire à moins qu’il n’y ait eu un temps où toutes les parties de l’univers étaient en contact.

Entrez dans l’univers homogène

Guth explique que si l’univers était beaucoup plus petit, juste après le Big Bang, alors toutes ses parties étaient en contact les unes avec les autres, donc il fut un temps où il était homogène (le même). Cette uniformité a été préservée lorsque la singularité a été gonflée lors d’une expansion soudaine, donc les endroits du cosmos qui n’ont pas eu le temps d’interagir partageront une température approximative car ils étaient en contact étroit lorsque l’univers était jeune et, en gros, l’expansion à une taille beaucoup plus grande était plus rapide que la vitesse de la lumière.

L’univers inflationnisteCrédit : Ida Lee

Pour en revenir aux galaxies distantes de 20 milliards d’années-lumière, l’espace qu’elles habitent a eu le temps d’interagir et d’atteindre l’équilibre avant l’inflation. L’inflation incroyablement rapide de l’univers est une explication raisonnable de la raison pour laquelle le vaste univers affiche encore des températures presque uniformes. Alan Guth explique: “Dans les modèles inflationnistes, l’univers commence si petit que l’uniformité est facilement établie … Ensuite, l’inflation étend la région pour qu’elle soit suffisamment grande pour inclure l’univers visible” (de Master Class WSU: Cosmologie inflationniste avec Alan Guth, https://www.youtube.com/watch?v=ZjTrWSkkD8I). Cela nous amène à la question : Qu’est-ce qui a causé l’inflation soudaine ?

Anti-gravité

Nous pouvons connaître la thèse et l’antithèse en littérature et en philosophie, un héros et un anti-héros dans une histoire, ou même la matière et l’antimatière en physique. En cosmologie, il y a aussi quelque chose appelé antigravité, considéré par beaucoup comme de la science-fiction. Nous sommes principalement habitués à la gravité ordinaire, une force attractive responsable de ce qui fait tomber les objets et maintient les planètes en orbite. Cependant, dans la relativité générale d’Albert Einstein, la gravité peut aussi être répulsive (Constante cosmologiquehttps://en.wikipedia.org/wiki/Cosmological_constant).

Il s’avère que la principale force motrice de l’inflation est l’antigravité, plus précisément, “un matériau à gravité répulsive”, qui existait dans une très petite “pièce” ou région de l’univers primitif, et en raison de sa répulsion, cette pièce s’est rapidement développée pour une taille plus grande en des fractions de seconde extrêmement petites. Parce que ce “matériau à gravité répulsive” est instable, il se désintègre à mesure que les substances radioactives se désintègrent, provoquant l’arrêt de l’inflation et l’énergie libérée produit de la matière ordinaire et du rayonnement. Tout au long du processus, la loi de conservation de l’énergie est conservée car la matière positive annule la gravité négative. “L’énergie totale de l’univers est nulle”, comme le dit Alan Guth, “je dis souvent que l’univers est le repas gratuit ultime, car il ne nécessite en fait aucune énergie pour produire un univers. À un moment donné, l’inflation se termine parce que le répulsif -la matière de la gravité devient métastable… À ce stade, la gravité répulsive s’éteint, mais la région continue de s’étendre en roue libre pendant des milliards d’années à venir. Ainsi, l’inflation est une préquelle de l’ère que les cosmologistes appellent le Big Bang ” (depuis 3 questions : Alan Guth sur de nouvelles perspectives sur le « Big Bang » (https://news.mit.edu/3-q-alan-guth-on-new-insights-into-the-big-bang).

L’inflation a inspiré de nombreux scientifiques et il existe d’autres modèles inflationnistes de l’univers. Cela a même conduit à la possibilité d’un multivers, où différentes régions de l’univers ont continué à gonfler et à créer de nouveaux univers comme des bulles dans une mousse. D’autres pensent que l’inflation est trop spéculative, peut-être une raison pour laquelle Alan Guth n’a pas reçu de prix Nobel pour son travail (il a remporté de nombreux autres prix prestigieux). Cependant, les conséquences de l’inflation continueront de m’étonner car elles se répercutent pour l’éternité.