L; Чи має Всесвіт обмеження Science & Avenir?

Опубліковано 08.08.2020 о 16:00.

Космос закінчений чи ні? Спостереження не дозволяють нам вирішити. Але останні дані вказують, що він може бути сферичним і без полів. І не виключайте існування інших всесвітів. необмежений !

Ілюстрація розширення Всесвіту.

MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRA/MGA/Science Photo Library через AFP

Ця стаття взята з "Незамінних" de Sciences et Avenir n ° 202, присвяченої темі "нескінченності", що продається на газетних кіосках з липня по вересень 2020 р.

Чи існує у Всесвіту межа? Якою б не була відповідь, у вас паморочиться голова. Це так "? Отже, ми знаходимось серед парадоксу, як це вже зазначав грецький Архит Таранто в IV столітті до нашої ери. Тому що якщо ми знаходимось на межі, що там далі, якщо це ще не Всесвіт (якщо говорити "цілим" по-грецьки)? Відповідь "ні"? Це означає, що Всесвіт може бути нескінченним. Але якщо це поняття є фундаментальним у математиці, воно дивно резонує у фізиці. "Коли фізична теорія веде до нескінченності, можна думати, що вона вже не в змозі описати світ", - резюмує Жан-Філіп Узан, директор з космології в Інституті астрофізики в Парижі. Механіка, яку уявляв собі Галілей, швидкість може бути нескінченним. Починаючи з Ейнштейна, ми знаємо, що ні в якому разі не можемо перевищувати світловий ".

Уявіть собі глобальний Всесвіт, постулюючи, що наш маленький куточок є представником великого цілого

Шкода для запаморочення, і ми почнемо своїми думками подорож до меж Космосу. Через десятки мільярдів світлових років ми приходимо до кордону, того Всесвіту, який ми можемо спостерігати, що складається з усіх зірок, світло яких досягло нас від Великого Вибуху 13,8 мільярда років тому. Це куля, центр якої ми займаємо і радіус якої становить близько 46 мільярдів світлових років, оскільки Всесвіт постійно розширюється з моменту свого народження. Ця сфера продовжує зростати, але вона цілком і справді закінчена. Крім цього, жодна інформація не може дістатись до нас, оскільки їй доведеться подорожувати швидше, ніж світло. Однак можна уявити, як виглядає глобальний Всесвіт, постулюючи, що властивості нашого маленького куточка простору-часу репрезентативні властивостям великого цілого.

"Кінцевість Всесвіту заснована, зокрема, на його кривизні, пояснює Жан-Філіпп Узан. Якщо вона позитивна, то Всесвіт сферичний, і його обсяг обов'язково скінченний. Якщо він негативний, він гіперболічний. Якщо він є нуль, евклідова і, отже, плоска. Ці два останні випадки можуть відповідати нескінченному Всесвіту ". Ця кривизна залежить від кількості баріонової речовини (звичайна класична) і темної речовини (ніколи не спостерігається, відома лише маса), що міститься у Всесвіті, який певним чином ліпить простір-час, як описано в теорії загальної теорії відносності. Ми також повинні взяти до уваги космологічну константу, введену в рівняння відносності, щоб врахувати поточне прискорення космічного розширення. Цю інформацію можна зробити з властивостей космічного дифузного фону, першого світла, що випромінюється Всесвітом, через 380 000 років після Великого Вибуху. Він був нанесений з великою точністю супутником Планка в 2013 році, що дозволило визначити значення кривизни. Перший вирок? Це дуже близько до нуля, до кількох тисячних, більш-менш, через похибку ... Іншими словами, трохи позитивну чи негативну.

Уявіть собі глобальний Всесвіт, постулюючи, що наш маленький куточок є представником великого цілого

"Кінцевість Всесвіту заснована, зокрема, на його кривизні, пояснює Жан-Філіпп Узан. Якщо вона позитивна, то Всесвіт сферичний, і його обсяг обов'язково скінченний. Якщо він негативний, він гіперболічний. Якщо він є нуль, евклідова і, отже, плоска. Ці два останні випадки можуть відповідати нескінченному Всесвіту ". Ця кривизна залежить від кількості баріонової речовини (звичайна класична) і темної речовини (ніколи не спостерігається, відома лише маса), що міститься у Всесвіті, який певним чином ліпить простір-час, як описано в теорії загальної теорії відносності. Також необхідно враховувати космологічну константу, введену в рівняння відносності, щоб врахувати поточне прискорення космічного розширення. Цю інформацію можна зробити з властивостей космічного дифузного фону, першого світла, що випромінюється Всесвітом, через 380 000 років після Великого Вибуху. Він був нанесений з великою точністю супутником Планка в 2013 році, що дозволило визначити значення кривизни. Перший вирок? Це дуже близько до нуля, до кількох тисячних, більш-менш, через похибку ... Іншими словами, трохи позитивну або негативну.

Однак дослідження, опубліковане в журналі Nature у листопаді 2019 року, і на основі нової інтерпретації даних Планка, цього разу вказує на позитивну кривизну "з імовірністю 99%". "Цей результат заслуговує на підтвердження, підкреслює Жан-Філіпп Узан. Але ідея сферичного Всесвіту тому не виключається. У будь-якому випадку, теорія інфляції, яка описує експоненціальне збільшення розмірів Всесвіту під час Великого вибуху, означає, що в масштабі спостережуваного Всесвіту кривизна повинна бути дуже маленькою. Так само, як на кулі, настільки розширеній, що її поверхня, горизонт здається рівним ".

Мандрівник, який прямує прямо, врешті-решт повернеться на Землю, обійшовши Космос !

Припустимо, що Всесвіт сферичний, а отже, скінченний. Тоді ми не стикаємося з парадоксами "краю" Всесвіту? Ні. Якщо Всесвіт має позитивну кривизну, вона скінченна, але не має краю. Це 3-сфера або гіперсфера. Куля - це двовимірна поверхня тривимірної кулі. За аналогією, гіперсфера - це тривимірний об’єкт, що оточує чотиривимірну кулю ... Неможливо візуалізувати! Але майте на увазі, що це відбувається в гіперсфері, як у сфері: будь-яка подорож по прямій лінії неминуче веде назад до вихідної точки. Мандрівник, який прямує прямо, врешті-решт повернеться на Землю ... після кружляння Всесвіту !

Але гіперсфера розповідає не всю історію. Оскільки кожному типу кривизни відповідають кілька топологічних класів, декілька фігур таким чином. Двовимірна куля належить до того ж класу, що і будь-яка яйцеподібна форма. Так само гіперсфера може мати різні форми, усі без полів, з різними обсягами. Тож навіть позитивна кривизна залишає великі питання про масштаби і темпи нашого Всесвіту. Не кажучи вже про те, що гіперболічний Всесвіт залишається можливим. Як вирішити? "На даний момент це неможливо, згадує Жан-Філіп Узан. За допомогою наших інструментів ми маємо доступ лише до спостережуваного Всесвіту. Достатньо було б, щоб глобальний Всесвіт був лише на 15% більшим за цей. Тут, щоб ми не могли розрізнити скінченний (і дуже великий) простір з нескінченного Всесвіту. Однак найсвіжіші дані, отримані супутником Планка, вказують на Всесвіт, принаймні на 92% більший ... "

Тим не менш, навіть закінчений, цей Всесвіт міг би включати ... інші всесвіти, чому б не нескінченні! "Концепція множинних всесвітів народилася у 1980-х роках, коли деякі астрофізики намагалися пояснити явище інфляції, пояснює Еміліан Дудас, директор дослідження в Політехнічному інституті Парижа. Однією з моделей є порівняння інфляції з фазовим переходом, як коли вода кипить. Мікроскопічні бульбашки пари утворюються в рідині і раптом зливаються, утворюючи більші. Ми інтерпретували перші моделі інфляції: маленькі просторово-часові бульбашки ростуть під впливом космологічної константи. Коли вони зустрінуться, явище захоплюється і породжує дуже великий міхур: наш Всесвіт. Але можна уявити, що маленькі бульбашки утворюються деінде, за межами спостережуваного Всесвіту, і в свою чергу зустрічаються, щоб змусити Всесвіт виникнути ... " вже не з одним всесвітом, а з кількома, штовхаючи туди-сюди, як нарости. І це, вони були б кінцевими чи нескінченними ?

Це питання набуває особливого повороту, якщо розглядати його з точки зору теорії струн, метою якої є узгодження квантового світу, що описує нескінченно малі елементарні частинки, з теорією загальної теорії відносності, яка має справу з великими масштабами. простір-час. При цьому підході частинки розглядаються вже не як точкові (безрозмірні) об’єкти, а як одновимірні струни, що вібрують, як у гітари. Їх властивості (маса, заряд тощо) обумовлені різними режимами вібрації в десяти вимірах простору, а не лише в трьох, додаткові розміри складаються самі по собі і тому недоступні для нашого масштабу. Але вони могли приймати різні форми або топології, з яких випливають фізичні закони Всесвіту.

Кожна топологія пов'язана з фундаментальним даним: щільністю енергії вакууму. Енергія вакууму, як випливає з назви, це енергія простору-часу за відсутності речовини. Це було б у походження взаємно винищувальних частинок, які ледве виходять з нічого. Тому в дуже малому масштабі вакуум простору можна розглядати як бульбашку примарних частинок, що утворюються енергією вакууму. Більше того, це повинно бути джерелом сили відштовхування, яка допомогла б розширити Всесвіт. Отже, він, разом із таємничою темною енергією, яка складала б понад дві третини Всесвіту, представляється кандидатом на фізичну інтерпретацію космологічної константи.

Від 10 до 500 можливих всесвітів, найбільш порожніх речовин

"Однією з цілей теорії струн є пошук щільності енергії вакууму, що відповідає нашому Всесвіту, продовжує Еміліан Дудас. Ми зрозуміли, що існує багато можливих рішень, кожна з яких відповідає різним топологіям, тому що багато параметрів потрібно враховувати Це може призвести до 10500 можливих всесвітів! "Ось знову запаморочення. Оскільки кожен із цих всесвітів мав би різні властивості, свої власні фізичні закони, навіть якщо б більшість з них були порожніми від матерії, атоми не могли утворитися. Дійсно, крихітної зміни основних констант (швидкості світла, постійної сили тяжіння тощо) було б достатньо, щоб викликати зникнення речовини у нашому власному Всесвіті. Тому існує апріорі не так багато виграшних комбінацій основних констант ...

Тому теоретики струн намагаються знайти правильну конфігурацію, що було б шаленим успіхом для їхньої моделі ... Але як відсортувати серед 10 500 рішень? Деякі дослідники, такі як Камрун Вафа з Гарвардського університету (США), вважають, що це може бути простіше, ніж очікувалося, оскільки, здається, жодне з цих рішень не враховує космологічну константу. За його словами, "константу" слід замінити змінною щільністю енергії вакууму. Іншими словами, константи більше не буде. постійний. "Це те, що ми називаємо моделями" квінтесенційного "типу, продовжує Еміліан Дудас. Привабливо, але вони включають дуже легкі частинки, яких ніколи не спостерігалося. Я сподіваюся, що серед цих 10 500 рішень є і такі. космологічна постійна ".

Тому неможливо зробити висновок, тим більше, що ми також повинні враховувати інфляцію Всесвіту. Таким чином, ми могли б мати кінцевий Всесвіт, який набрякає до нескінченності ... Ми можемо мріяти про парадокси, які могли б породити нескінченний Всесвіт. " Нескінченне "- це неможливе слово, яке може зробити всілякі речі можливим, робить висновок Жан-Філіпп Узан. Наприклад, усі комбінації атомів можливі у нескінченному Всесвіті. Таким чином, ми можемо підрахувати, що існує копія вуглецю. будь-яка людина до 10 до 10 до 28 метрів звідси ... ". Запаморочення, ми тобі говоримо.

Швидше світла ?

Ніщо не може йти швидше, ніж світло, заявив Ейнштейн у своїй спеціальній теорії відносності. То як це, що інфляція, той момент, коли простір-час розбухнув у 10 26 разів, сталася (за стандартною моделлю) за частку секунди під час Великого вибуху? Ейнштейн пояснив, що ця межа діє для будь-якого масивного тіла. Зараз простір-час сам по собі є лише тканиною Всесвіту. Це по суті порожнє будь-яке тіло та будь-яка інформація. Висновок: ніщо не заважає йому розширюватися швидше, ніж світло. Назад на Землю ... Як це так, що в басейнах ядерних реакторів електрони перетинають стінку світла? Досить просто тому, що у воді фотони рухаються "у повільному темпі" зі 75% швидкості у вакуумі. Отже, електрони можуть рухатися зі швидкістю, більшою, ніж фотони, і, отже, світло. Потім виробляється якийсь синюватий світловий вибух, який називається ефектом Черенкова.