Gros rebond - Big Bounce

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Le Big Bounce est un modèle cosmologique hypothétique pour l'origine de l' univers connu . Il a été suggéré à l'origine comme une phase du modèle cyclique ou de l' interprétation de l' univers oscillatoire du Big Bang , où le premier événement cosmologique était le résultat de l'effondrement d'un univers précédent. Elle s'est éloignée d'un examen sérieux au début des années 1980 après que la théorie de l'inflation a émergé comme solution au problème de l' horizon , qui était né des progrès des observations révélant la structure à grande échelle de l'univers. Au début des années 2000, certains théoriciens ont trouvé que l'inflation était problématique et infalsifiable dans la mesure où ses divers paramètres pouvaient être ajustés pour s'adapter à toutes les observations, de sorte que les propriétés de l'univers observable sont une question de hasard. Des images alternatives, y compris un Big Bounce, peuvent fournir une solution possible prédictive et falsifiable au problème de l' horizon et font l'objet d'une enquête active à partir de 2017.

Expansion et contraction

Le concept du Big Bounce envisage le Big Bang comme le début d'une période d'expansion qui a suivi une période de contraction. Dans cette optique, on pourrait parler d'un Big Crunch suivi d'un Big Bang , ou plus simplement, d'un Big Bounce . Cela suggère que nous pourrions vivre à tout moment dans une séquence infinie d'univers, ou inversement l'univers actuel pourrait être la toute première itération. Cependant, si la condition de la phase d'intervalle "entre les rebonds", considérée comme "l'hypothèse de l'atome primitif", est prise dans une contingence totale, une telle énumération peut être dénuée de sens car cette condition pourrait représenter une singularité dans le temps à chaque instance, si une telle énumération perpétuelle le rendement était absolu et indifférencié.

L'idée principale derrière la théorie quantique d'un Big Bounce est que, à mesure que la densité approche l'infini, le comportement de la mousse quantique change. Toutes les constantes physiques dites fondamentales , y compris la vitesse de la lumière dans le vide, n'ont pas besoin de rester constantes pendant un Big Crunch , en particulier dans l'intervalle de temps plus petit que celui dans lequel la mesure peut ne jamais être possible (une unité de temps de Planck , environ 10 −43 secondes) couvrant ou encadrant le point d'inflexion.

Histoire

Les modèles de gros rebond ont été approuvés pour des raisons principalement esthétiques par des cosmologues tels que Willem de Sitter , Carl Friedrich von Weizsäcker , George McVittie et George Gamow (qui ont souligné que « du point de vue physique, nous devons oublier complètement la période de pré-effondrement »).

Au début des années 1980, la précision et la portée croissantes de la cosmologie observationnelle avaient révélé que la structure à grande échelle de l'univers est plate , homogène et isotrope , une découverte acceptée plus tard comme le principe cosmologique à appliquer à des échelles supérieures à environ 300 millions d' années-lumière. . Il a été reconnu qu'il était nécessaire de trouver une explication sur la façon dont des régions éloignées de l'univers pouvaient avoir des propriétés essentiellement identiques sans jamais avoir été en communication semblable à la lumière. Une solution a été proposée pour être une période d'expansion exponentielle de l'espace dans l'univers primitif, comme base de ce qui est devenu connu sous le nom de théorie de l'inflation . Après la brève période d'inflation, l'univers continue de s'étendre, mais à un rythme moins rapide.

Diverses formulations de la théorie de l'inflation et leurs implications détaillées ont fait l'objet d'une étude théorique intense. En l'absence d'alternative convaincante, l'inflation est devenue la principale solution au problème de l'horizon. Au début des années 2000, certains théoriciens ont trouvé que l'inflation était problématique et infalsifiable dans la mesure où ses divers paramètres pouvaient être ajustés pour s'adapter à toutes les observations, une situation connue sous le nom de problème de réglage fin. De plus, l'inflation s'est avérée inévitablement éternelle , créant une infinité d'univers différents avec des propriétés typiquement différentes, de sorte que les propriétés de l'univers observable sont une question de chance. Un concept alternatif comprenant un Big Bounce a été conçu comme une solution possible prédictive et falsifiable au problème de l'horizon, et fait l'objet d'une enquête active à partir de 2017.

L'expression "Big Bounce" est apparue dans la littérature scientifique en 1987, lorsqu'elle a été utilisée pour la première fois dans le titre d'une paire d'articles (en allemand) dans Stern und Weltraum par Wolfgang Priester et Hans-Joachim Blome. Il est réapparu en 1988 dans Big Bang, Big Bounce de Iosif Rozental , une traduction révisée en anglais d'un livre en russe (par un titre différent), et dans un article de 1991 (en anglais) de Priester et Blome dans Astronomy and Astrophysics . (L'expression semble provenir du titre d' un roman d' Elmore Leonard en 1969, peu de temps après une sensibilisation accrue du public au modèle du Big Bang avec la découverte du fond diffus cosmologique par Penzias et Wilson en 1965.)

L'idée de l'existence d'un grand rebond au tout début de l'univers a trouvé un support divers dans les travaux basés sur la gravitation quantique à boucles . Dans la cosmologie quantique à boucles , une branche de la gravité quantique à boucles, le gros rebond a été découvert pour la première fois en février 2006, pour des modèles isotropes et homogènes par Abhay Ashtekar , Tomasz Pawlowski et Parampreet Singh à la Pennsylvania State University . Ce résultat a été généralisé à divers autres modèles par différents groupes, et inclut le cas de la courbure spatiale, de la constante cosmologique, des anisotropies et des inhomogénéités quantifiées de Fock.

Martin Bojowald , professeur adjoint de physique à l'Université d'État de Pennsylvanie , a publié en juillet 2007 une étude détaillant des travaux quelque peu liés à la gravité quantique en boucle qui prétendaient résoudre mathématiquement le temps avant le Big Bang, ce qui donnerait un nouveau poids à l'univers oscillatoire et à Big Les théories du rebond.

L'un des principaux problèmes de la théorie du Big Bang est qu'au moment du Big Bang, il existe une singularité de volume nul et d'énergie infinie. Ceci est normalement interprété comme la fin de la physique telle que nous la connaissons ; dans ce cas, de la théorie de la relativité générale . C'est pourquoi on s'attend à ce que les effets quantiques deviennent importants et évitent la singularité.

Cependant, les recherches en cosmologie quantique en boucle prétendaient montrer qu'un univers qui existait auparavant s'est effondré, non pas au point de singularité, mais à un point avant celui où les effets quantiques de la gravité deviennent si fortement répulsifs que l'univers rebondit, formant un nouveau branche. Tout au long de cet effondrement et de ce rebond, l'évolution est unitaire.

Bojowald affirme également que certaines propriétés de l'univers qui se sont effondrées pour former la nôtre peuvent également être déterminées. Certaines propriétés de l'univers antérieur ne sont cependant pas déterminables en raison d'une sorte de principe d'incertitude. Ce résultat a été contesté par différents groupes qui montrent qu'en raison des restrictions sur les fluctuations découlant du principe d'incertitude, il existe de fortes contraintes sur le changement des fluctuations relatives à travers le rebond.

Alors que l'existence d'un grand rebond reste à démontrer à partir de la gravitation quantique à boucles , la robustesse de ses principales caractéristiques a été confirmée à l'aide de résultats exacts et de plusieurs études impliquant des simulations numériques utilisant le calcul haute performance en cosmologie quantique à boucles .

En 2003, Peter Lynds a proposé un nouveau modèle de cosmologie dans lequel le temps est cyclique. Dans sa théorie, notre Univers finira par cesser de s'étendre puis se contractera. Avant de devenir une singularité, comme on pourrait s'y attendre de la théorie du trou noir de Hawking, l'univers rebondirait. Lynds prétend qu'une singularité violerait la deuxième loi de la thermodynamique et cela empêche l'univers d'être délimité par des singularités. Le Big Crunch serait évité avec un nouveau Big Bang. Lynds suggère que l'histoire exacte de l'univers se répéterait à chaque cycle dans une récurrence éternelle . Certains critiques soutiennent que si l'univers peut être cyclique, les histoires seraient toutes des variantes. La théorie de Lynds a été rejetée par les physiciens traditionnels pour l'absence d'un modèle mathématique derrière ses considérations philosophiques.

En 2006, il a été proposé que l'application des techniques de gravité quantique à boucle à la cosmologie du Big Bang puisse conduire à un rebond qui n'a pas besoin d'être cyclique.

En 2010, Roger Penrose a avancé une théorie basée sur la relativité générale qu'il appelle la " cosmologie cyclique conforme ". La théorie explique que l'univers s'étendra jusqu'à ce que toute la matière se désintègre et soit finalement transformée en lumière. Puisque rien dans l'univers n'aurait de temps ou échelle de distance qui lui est associée, il devient identique au Big Bang, entraînant à son tour un type de Big Crunch qui devient le prochain big bang, perpétuant ainsi le cycle suivant.

En 2011, Nikodem Popławski a montré qu'un Big Bounce non singulier apparaît naturellement dans la théorie de la gravité d' Einstein-Cartan -Sciama-Kibble. Cette théorie étend la relativité générale en supprimant une contrainte de symétrie de la liaison affine et en considérant sa partie antisymétrique, le tenseur de torsion , comme une variable dynamique. Le couplage minimal entre les spineurs de torsion et de Dirac génère une interaction spin-spin significative dans la matière fermionique à des densités extrêmement élevées. Une telle interaction évite la singularité non physique du Big Bang, la remplaçant par un rebond semblable à une cuspide à un facteur d'échelle minimum fini, avant lequel l'univers se contractait. Ce scénario explique également pourquoi l'Univers actuel aux plus grandes échelles apparaît spatialement plat, homogène et isotrope, offrant une alternative physique à l'inflation cosmique.

En 2012, une nouvelle théorie du grand rebond non singulier a été construite avec succès dans le cadre de la gravité standard d'Einstein. Cette théorie combine les avantages du rebond de la matière et de la cosmologie ekpyrotique . En particulier, la célèbre instabilité BKL, selon laquelle la solution cosmologique de fond homogène et isotrope est instable à la croissance d'une contrainte anisotrope, est résolue dans cette théorie. De plus, les perturbations de courbure semées dans la contraction de la matière sont capables de former un spectre de puissance primordial presque invariant à l'échelle et fournissent ainsi un mécanisme cohérent pour expliquer les observations du fond diffus cosmologique (CMB).

Quelques sources soutiennent que des trous noirs supermassifs lointains dont la grande taille est difficile à expliquer si peu de temps après le Big Bang, comme ULAS J1342+0928 , peuvent être la preuve d'un Big Bounce, ces trous noirs supermassifs se formant avant le Big Bounce.

Voir également

Les références

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Lectures complémentaires

Liens externes