Que s’est-il passé avant le Big Bang ? Le nouveau livre de vulgarisation scientifique du physicien UB explique l’une des principales théories

Newswise – BUFFALO, NY – Au début, le monde était vide et froid.

Avant le Big Bang – oui, avant Le Big Bang : L’univers a subi une expansion cosmique à couper le souffle, doublant de taille au moins 80 fois en une fraction de seconde. Cette inflation rapide, alimentée par une mystérieuse forme d’énergie imprégnant l’espace vide lui-même, a laissé l’univers désolé et froid.

Ce n’est que plus tard que les conditions chaudes et denses du Big Bang ont émergé : lorsque le dédoublement de l’univers a cessé, l’énergie du vide a subi une métamorphose, se transformant en particules de matière et de rayonnement. Cette métamorphose a inondé l’espace de plasma super chaud du Big Bang, qui a forgé les éléments primordiaux qui ont ensuite formé les étoiles et les galaxies que nous voyons aujourd’hui.

C’est l’histoire épique que Will Kinney, physicien de l’Université de Buffalo, explore dans son nouveau livre, “An Infinity of Worlds: Cosmic Inflation and the Beginning of the Universe”. Il sera publié le 5 avril par MIT Press.

Images de couverture du livre et de Kinney : https://www.buffalo.edu/news/releases/2022/03/033.html

L’inflation cosmique – une théorie développée pour la première fois vers 1980 par des physiciens dont Alan Guth, Alexei Starobinsky, Andrei Linde et Katsuhiko Sato – est le concept d’expansion exponentielle de l’univers primitif. Aujourd’hui, c’est l’une des idées directrices de ce qui a pu se passer dans les moments qui ont précédé les incendies profondément anciens du Big Bang.

Parsemé des diagrammes dessinés à la main de Kinney, “Une infinité de mondes” présente aux lecteurs la science de l’inflation cosmique et des preuves à l’appui, ainsi que les lacunes de la théorie. Le livre plonge également dans les conséquences étranges mais merveilleuses de l’inflation cosmique, comme l’idée, dans un modèle d’inflation éternelle, que notre univers fait partie d’un nombre peut-être infini d’univers que nous ne pourrons jamais voir.

“Les humains créent des histoires d’origine depuis que les humains racontent des histoires, et c’est une autre répétition de cela”, déclare Kinney, PhD, professeur de physique à l’UB College of Arts and Sciences.

Mais cette histoire particulière a une tournure : si l’inflation cosmique décrit correctement ce qui s’est passé avant le Big Bang, elle pourrait pousser la réponse définitive à la question de savoir d’où nous venons hors de portée de la science.

« Nous ne savons rien de ce qui s’est passé avant l’inflation. Il est peu probable que nous sachions jamais », dit Kinney. “L’une des raisons est que l’inflation cosmique est un gros caoutchouc. Toute trace des conditions initiales de la façon dont il a commencé est diluée en raison de cette expansion exponentielle. Toute trace des circonstances qui ont conduit à l’inflation est effacée par l’inflation elle-même : peu importe où elle commence, elle finit aux mêmes endroits. »

Dans une séance de questions-réponses, Kinney discute de “Une infinité de mondes” et de l’inflation cosmique :

Q : Dans le livre, vous expliquez que le concept classique du Big Bang est une théorie incomplète. Qu’est-ce que tu laisses de côté ?

Kinney : “La théorie standard du Big Bang n’explique pas pourquoi l’univers est si lisse et si uniforme, pour toutes ces propriétés de base du cosmos que nous voyons. L’inflation cosmique crée cet état initial. C’est une théorie qui explique les conditions initiales du Big Bang.

“L’inflation nous dit que la période de temps avant le Big Bang était extrêmement froide, proche du zéro absolu, et qu’elle était vide de tout sauf de l’espace vide, et que cet espace vide transportait de l’énergie qui étendait l’univers à cette taille énorme. et dans l’initiale état avant le Big Bang.

“Pour expliquer les propriétés de l’univers que nous voyons aujourd’hui, l’univers a dû doubler sa taille au moins 80 fois. C’est une limite inférieure, donc vous deviez avoir au moins ce double. Pour visualiser ce dédoublement, imaginez un échiquier. Mettez un sou sur le premier carré, deux sur le suivant et quatre sur le suivant. Si vous continuez à doubler le nombre de centimes sur chaque case, vous serez millionnaire sur la 28ème case et milliardaire sur la 38ème case. Lorsque vous remplirez les 64 cases, vous deviendrez milliardaire des milliers de fois. L’inflation se traduit par au moins 80 fois le double, étendant un morceau d’espace de la taille d’un pamplemousse à la taille de tout notre univers observable en moins d’un billionième de seconde.”

Q : Comment vous êtes-vous intéressé à la question de savoir comment l’univers a commencé ?

Kinney : « Je m’intéresse à la cosmologie en général depuis que je suis enfant. L’une des choses les plus formatrices pour moi a été lorsque j’étais au lycée, la lecture de Steven Weinberg dans “The First Three Minutes”, qui était un livre sur tout ce que l’on savait sur les premiers instants de l’univers au moment où le livre a été publié. .en 1977.

« J’ai commencé à travailler sur l’inflation en tant qu’étudiant diplômé. J’ai fait ma thèse de doctorat sur un certain ensemble de modèles appelés “l’inflation naturelle”. “

Q : Quel est le public de votre livre ?

Kinney : « Le livre est pour les gens qui ne sont pas physiques. C’est peut-être un peu différent de beaucoup de livres scientifiques destinés aux profanes dans le sens où je présente des idées très compliquées et je ne m’éloigne pas de la complexité. Je veux donner au lecteur profane un aperçu des controverses actuelles qui sont à la pointe de notre compréhension.

“Quand j’ai lu pour la première fois “Les trois premières minutes” de Steven Weinberg au lycée, je n’en ai compris qu’un tiers, mais cela a stimulé mon imagination. J’ai aimé le fait qu’il le rendait accessible et utilisait un langage simple mais qu’il abordait des idées complexes. Ce fut une lecture difficile, dans le meilleur sens du terme. J’ai essayé d’imiter cela, et je m’attends à ce que mon livre soit quelque chose que les étudiants en physique de premier cycle et des cycles supérieurs puissent lire et réaliser, et certaines parties sont destinées à mes pairs, donc cela fait partie d’une conversation plus large sur le terrain. Mais le but est de rendre cette conversation accessible à un public profane.

« Une autre chose que j’essaie de faire dans le livre est de souligner les limites actuelles de l’inflation cosmique, où nous ne savons rien et où nous spéculons. C’est juste de l’honnêteté élémentaire. Vous dites la vérité. Je pense que la publicité pour des choses spéculatives menace en fin de compte la confiance des gens dans la science en tant qu’entreprise rigoureuse. »

Q : L’inflation cosmique a, en théorie, plus de 40 ans. Pourquoi en parler maintenant ?

Kinney : “Ce n’est que récemment que de véritables preuves d’observation soutiennent le modèle, donc jusqu’aux 10 ou 15 dernières années, il a été un terrain de jeu pour les théoriciens.

“Les gens commencent à le prendre plus au sérieux car il existe désormais des données pour étayer la théorie. Un exemple est les mesures de précision du fond cosmique des micro-ondes, qui ont créé un support pour l’inflation et tué de nombreuses théories concurrentes. »

Q : Qu’avez-vous appris pendant le processus d’écriture du livre ?

Kinney : “Quand j’ai commencé à écrire le livre, je n’avais pas une idée aussi claire de la mesure dans laquelle je finirais par le structurer autour d’un point de vue copernicien : l’idée que nous ne sommes pas spéciaux, que dans un sens nous sommes ordinaire.

« Copernic a proposé que la Terre ne soit pas dans une position privilégiée dans le cosmos, que la Terre est l’une des nombreuses planètes qui tournent autour du soleil. Giordano Bruno s’est basé sur les idées de Copernic et les a poussées encore plus loin. Bruno a dit : « Dieu est infini, donc son univers doit l’être aussi. … Il n’est pas glorifié dans un seul, mais dans d’innombrables soleils ; non pas dans une terre, dans un monde, mais dans mille mille, je veux dire dans une infinité de mondes ».

« Le titre de mon livre est de Bruno. Je pense qu’il avait vraiment des centaines d’années d’avance sur son temps pour résoudre bon nombre des problèmes auxquels nous sommes confrontés aujourd’hui en cosmologie.”

D : Le livre plonge dans des horizons cosmiques. Quels sont-ils et pourquoi importent-ils dans l’inflation cosmique ?

Kinney : « Un horizon cosmique est une frontière au-delà de laquelle nous ne pouvons pas voir. Notre univers observable – ce qui se trouve à l’intérieur de notre horizon – est une petite portion d’un espace infiniment plus grand. Nous ne pouvons pas voir plus loin que la distance que la lumière a eu le temps de parcourir depuis le Big Bang, mais il y a en fait plus de l’univers au-delà de ce que nous pouvons voir. La limite extérieure de l’univers observable s’appelle l’horizon cosmique.

«Voici comment je l’ai mis dans le livre:« Comme pour l’horizon sur Terre, l’horizon cosmique est un artefact de notre point de vue, pas une propriété de l’univers lui-même. Les observateurs à différents endroits voient différents horizons, toujours avec eux-mêmes au centre. L’univers observable vu de n’importe quel point est fini, mais l’univers dans son ensemble continue vers l’extérieur pour toujours. L’univers en dehors de l’horizon d’un observateur est en tout point invisible parce que la lumière de là n’a pas encore eu le temps de l’atteindre.

“Pendant l’inflation, l’espace s’étend si rapidement que des parties de l’univers sont expulsées de l’horizon cosmique alors que les objets s’éloignent les uns des autres plus rapidement que la vitesse de la lumière ; l’horizon en contient de moins en moins. L’inflation et sa relation avec l’horizon cosmique aident à expliquer un certain nombre de propriétés de l’univers primitif.

« La présence d’horizons dans l’univers pose un problème intéressant pour la science, car ils représentent une limite à nos connaissances. Nous ne pouvons pas, même en principe, voir au-delà des limites de l’univers observable. Cela soulève de nombreuses questions intéressantes sur la nature de la connaissance scientifique elle-même, que j’explore dans le livre.”

Q : Pourquoi la recherche sur l’univers primitif nécessite-t-elle une connaissance de la physique du “très grand” et du “très petit”, comme vous le dites dans le livre ?

Kinney : “L’univers dans les premiers instants du temps impliquait une énergie incroyablement élevée, qui est du domaine de la physique des particules. C’est ici que la physique des choses les plus grandes que l’on puisse décrire, à l’échelle du cosmos lui-même, rencontre la physique des choses les plus petites, des particules élémentaires et des champs.

“On pense que l’inflation s’est produite à une échelle d’énergie extrême, environ cent milliards de fois supérieure aux énergies détectées par les collisions de particules au Large Hadron Collider à Genève, en Suisse, où travaillent nombre de mes collègues. Nous pouvons utiliser l’univers comme un laboratoire pour sonder la physique bien au-delà de la portée des accélérateurs de particules sur Terre. »

Q : L’inflation cosmique concerne les débuts de l’univers. Que réserve l’avenir?

Kinney : “L’énergie noire provoque une expansion accélérée de l’univers aujourd’hui. Si l’énergie noire est stable, si c’est effectivement une constante cosmologique – et nous ne savons pas si c’est vrai, mais c’est l’idée la plus simple – alors l’avenir de l’univers est que tout ce que nous voyons qui n’est pas dans notre voisinage immédiat sera être détourné de nous. Les galaxies lointaines s’éloigneront de plus en plus vite, plus vite que la vitesse de la lumière en raison de l’expansion, et disparaîtront de la vue.

“La Voie lactée se heurtera à l’autre grande galaxie spirale du groupe local, la galaxie d’Andromède, dans environ 4 milliards d’années, juste au moment où le soleil manquera de carburant et explosera, nous ne serons donc plus là pour ça.

“En fin de compte, la seule chose qui restera dans l’univers que nous pourrons voir sera les quelques dizaines de galaxies les plus proches de nous, et notre univers observable sera simplement sombre et vide. C’est le destin final. Seul ce petite île d’étoiles. dans un espace complètement vide et noir. Après environ cent billions d’années, les dernières étoiles s’éteindront et l’univers descendra dans les ténèbres pour toujours. “

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