Astronomie

Expansion de l'espace - comment aboutir à une région inobservable ?

Expansion de l'espace - comment aboutir à une région inobservable ?

Je viens de répondre à une question sur ce problème, en physique SE, et je me suis rendu compte que ma réponse cache un point que je ne comprends pas moi-même.

je comprends que

  • L'expansion de la métrique n'est pas affectée par la vitesse SR de la propagation de la lumière/du signal, et cela a entraîné des objets placés à des séparations (telles que mesurées dans l'espace-temps) où ils ne peuvent pas être détectés ou des signaux reçus d'eux au cours des 13,7 milliards d'années depuis le Big Bang.
  • L'échelle approximative de l'expansion discutée est de ~ 10^26 linéairement (environ 1 nm -> 10 ly) et la plupart de cela s'est produit en un laps de temps infime, à environ 10^-32 secondes environ, continuant beaucoup plus lentement depuis lors, et accélérer à nouveau ces derniers temps.
  • L'expansion est théorisée pour être déclenchée par des énergies/effets d'un changement de phase ou d'une décomposition d'un champ unifié, ce qui signifie qu'elle ne s'est pas produite du tout jusqu'à ce qu'elle se soit produite. Une implication semble être que tout expansion l'augmentation de la distance entre les objets dans l'espace qui auraient pu apparaître avant l'expansion, telle que modélisée par les théories actuelles, aurait été le résultat d'un mouvement physique affectant la distribution de l'énergie/des particules transitoires/de tout ce qui existait, dans l'espace-temps, et n'était pas due à épisode d'expansion métrique.

Jusqu'ici tout va bien.

Ce que je ne comprends pas, c'est ceci :

Supposons que nous modélisions les modes dominants d'expansion de l'univers et de séparation des objets en son sein, comme ceci :

  • changements physiques de la distribution dans l'espace-temps (les objets se séparent dans l'espace) pendant les 10 premières ^-32 secondes
  • expansion métrique instantanément de l'ordre de 10^26, à 10^-32 sec environ.
  • en gros, l'expansion dans l'espace depuis lors - Je sais que c'est un mélange de cela et d'une expansion métrique continue mais plus lente, mais je ne sais pas si cela affecte la ligne de logique.

En partant d'un point au temps zéro, nous trouvons que deux objets seraient distants d'au plus ~ 2 x 10^-32 secondes-lumière au début de l'expansion, ou 2 x (3x10^8) x (10^-32) m de distance = 6 x 10^-24 m. Par conséquent, après expansion, deux objets pourraient être au plus (6 x 10^-24) x (10^26) distants = 600m distants. C'est toujours une distance assez triviale pour que la lumière ou les signaux se propagent, cependant

(Je suis d'accord, si les objets avaient initialement été distants de 1 km ou 1 ly immédiatement avant l'époque d'expansion, ils seraient maintenant distants de milliards d'années-lumière après l'expansion et inobservables. Mais par définition, avant l'expansion, ils n'avaient tout simplement pas le temps de devenir si éloignés, ils pourraient tout au plus devenir à une petite distance, car seulement ~ 10^-32 secondes s'étaient écoulées)

Ainsi, après l'expansion initiale, il semble que l'univers aurait pu mesurer au plus 600 m de diamètre. Une logique similaire s'applique à l'expansion beaucoup plus lente depuis lors.

Mais un effet d'univers non observable semble impliquer qu'après l'expansion initiale, l'univers était à des années-lumière de diamètre et que les objets qu'il contenait pouvaient être suffisamment éloignés les uns des autres pour être inobservables maintenant, ce qui signifie > 13,7 al. Mais cela impliquerait une expansion beaucoup plus grande que 10^26, ou une taille beaucoup plus grande avant l'expansion qu'il n'y avait de temps pour réaliser la pré-expansion (qui aurait été principalement SR limitée et dans l'espace-temps, d'où l'ordre de 10^-24m comme ci-dessus ).

Quelle est la résolution de ce paradoxe/point qui me manque ?


Comment sait-on que l'univers est infini ?

Nous supposons que l'univers s'étend indéfiniment dans l'espace, mais comment pouvons-nous supposer que l'espace est infini ? Pourquoi pensons-nous qu'ils ne peuvent pas être la fin de l'expansion ? L'espace n'est pas autre chose que nous l'occupons. Comment pouvons-nous supposer que l'espace est sans fin ?

Nous ne savons pas que l'univers est infini, et en fait, à de nombreuses fins, l'univers est définitivement fini. L'univers observable a un diamètre d'environ 15 Gpc, mais une grande partie de celui-ci est inaccessible car il se trouve en dehors de l'horizon des événements cosmique, qui a un diamètre d'environ 5 Gpc. Cela signifie que tout ce qui se passe en dehors de cette bulle ne nous parviendra jamais et est donc causalement déconnecté.

Il y a aussi la question ouverte distincte mais liée de la forme de l'univers. Dans un univers avec une grande courbure de l'espace-temps, il serait possible d'atteindre un "côté" de l'univers en voyageant suffisamment loin dans la direction opposée, comme si on vivait sur un globe, mais en 3+1 dimensions. Cependant, des expériences ont montré que la courbure globale de l'univers est probablement plate avec une petite incertitude.


Comment sait-on que l'espace n'est pas infini ?

Vous avez ici une idée fausse fondamentale si vous pensez que "s'éloigner DANS l'espace" et "s'éloigner en raison de l'expansion de l'espace" ne peuvent pas se produire en même temps.

Nous ne savons PAS avec certitude que l'espace est ou n'est pas infini, mais nous savons que l'espace est en expansion. Si je comprends bien, toutes les galaxies se déplacent DANS l'espace dans des directions aléatoires mais leur mouvement les uns par rapport aux autres (petit) est totalement dominé (MAINTENANT) par leur mouvement apparent (LARGE) dû à l'expansion de l'espace.

EDIT : si les galaxies ne se déplaçaient PAS DANS l'espace dans des directions aléatoires, et en particulier si elles s'éloignaient toutes des États-Unis (ou de N'IMPORTE QUEL point) DANS l'espace, cela impliquerait une position de point pour le big bang et je ne le fais pas pense que vous trouverez un support scientifique pour ce point de vue.

EDIT SUPPLÉMENTAIRE: Juste au cas où vous n'obtiendriez pas un autre point, l'expansion de l'espace et l'espace infini ne sont en aucun cas des termes contradictoires.

le observable l'univers est fini. Le big bang s'est produit il y a environ 14 milliards d'années, donc la lumière provenant de points dans l'espace distants de 14 milliards d'années-lumière (en fait 46 à cause de l'expansion) nous parvient tout juste et nous montre le big bang. Si nous essayons de voir à plus de 46 milliards d'années-lumière, nous ne pouvons pas, car il y a un mur de lumière causé par le big bang que nous essayons de voir passer.

le inobservable l'univers peut être infini, mais nous ne pouvons pas le savoir parce que nous ne pouvons pas le voir. Mais même si nous le pouvions, comment pouvez-vous prouver quelque chose comme "infinie". Il faudrait un temps infini pour mesurer quelque chose d'infiniment grand.


Qu'entendons-nous exactement par l'expansion de l'espace ?

l'augmentation de l'espace est simplement une augmentation du volume géométrique, ce volume est rempli du contenu de l'univers.

Vous avez raison de dire que l'espace n'est pas une entité physique, vous lisez souvent des termes impropres qui impliquent que l'espace a une propriété physique, mais pas l'espace lui-même. Il n'a ni propriété physique ni énergie en soi.

c'est l'une des meilleures analogies de ballon que j'ai rencontrées, elle est écrite par un autre membre du forum Phind's. Il couvre cette question plus en détail que moi

http://www.phinds.com/balloonanalogy/ : Un article détaillé sur l'analogie du ballon utilisée pour décrire l'expansion

Non, ce n'est pas le cas. Cela a été discuté ici sur le forum à plusieurs reprises.

"L'expansion de l'espace" ne se produit qu'en dehors des amas galactiques. Que signifierait « contracter » ? Pourquoi serait-ce différent de "rétrécissement de l'espace" ? L'espace ne s'agrandit ni ne rétrécit et n'a pas d'importance. Des choses de la taille d'amas galactiques et plus s'éloignent les unes des autres dans le cadre géométrique que nous appelons "space".

Je vous suggère également de suivre les conseils de Mordred et de lire le lien dans ma signature

Ok, supposons que vous ayez deux objets stationnaires dans une région non liée gravitationnellement. (l'expansion n'affecte pas les objets liés gravitationnellement)

alors la réponse est oui, le volume d'espace entre eux augmentera. Ils auront donc une augmentation de distance entre eux, cependant ils n'auront pas gagné d'inertie, ils resteront tous les deux immobiles. La distance entre eux augmentera simplement. L'expansion ne donne pas d'inertie

Non, ce n'est pas tout à fait vrai. Certes, vous avez raison de dire qu'il n'y a pas de limites à la force gravitationnelle, mais cela n'implique PAS que tous les objets de l'univers sont liés gravitationnellement les uns aux autres.

La terre et la lune sont liées gravitationnellement. La Voie lactée et la galaxie d'Andromède sont liées gravitationnellement. La Voie lactée et le Bullet Cluster ne sont PAS liés gravitationnellement. Je pense que votre exigence de "fortement" lié est correcte si vous considérez que votre définition de ce qui constitue une forte liaison est trop restrictive. Personnellement, je ne sais pas si "fortement" lié A même une définition solide mais "gravitationnellement lié" le fait. cela signifie, en gros, des choses qui ne s'envolent pas les unes des autres.

Ok, supposons que vous ayez deux objets stationnaires dans une région non liée gravitationnellement. (l'expansion n'affecte pas les objets liés gravitationnellement)

alors la réponse est oui, le volume d'espace entre eux augmentera. Ils auront donc une augmentation de distance entre eux, cependant ils n'auront pas gagné d'inertie, ils resteront tous les deux immobiles. La distance entre eux augmentera simplement. L'expansion ne donne pas d'inertie

Je pense qu'il faut être un peu prudent avec ça. Yashbhatt a posé la question pour deux objets immobiles l'un par rapport à l'autre, qui pourraient être considérés comme le Problème de galaxie captive de Tamara Davis et al.

oui le mouvement a une influence sur les observations appelée effet Doppler. à mesure que les objets s'approchent, il y a un décalage de fréquence dans les ondes lumineuses et sonores (décalage bleu) à mesure qu'ils reculent, il y a un décalage vers le rouge

cependant redshift (blueshift) en raison de l'expansion et non du mouvement en soi. est appelé redshift cosmologique
cet article expliquera les trois types de redshifts dans l'utilisation de la cosmologie.

en fait, je n'ai même pas envisagé le scénario captif, mon point principal est qu'aucun élan n'est transmis aux galaxies en raison de l'expansion. dans cet article, il est couvert par la déclaration.

"L'espace est en expansion et est déterminé par l'accélération de l'expansion de l'univers - et non par une force ou une traînée associée à l'expansion elle-même".

c'est toujours un bon point pour être au courant des scénarios captifs

au fait, Jorrie, j'ai récemment essayé de poster le lightcone calc sur le forum et une erreur s'est produite. Quel est le lien de la dernière version ou la version 7 est-elle toujours la dernière?

Jorrie hors sujet est-ce que la version 7 est la dernière version du lightcone calc ?

je vais tester celui de ta signature

Il existe deux manières de décrire un Univers en expansion (également valables en Relativité Générale en raison du difféomorphisme).

1) Gardez les coordonnées de l'espace fixes et les coordonnées des particules changent avec le temps.
2) Laissez les coordonnées spatiales s'étendre avec le temps afin que les coordonnées des particules restent les mêmes.

Ils sont équivalents mais dans le 2ème exemple, il est plus facile de parler d'"espace en expansion" que dans le premier de "galaxies qui s'éloignent les unes des autres".

Lorsque vous modifiez les coordonnées en relativité générale, vous modifiez également les champs gravitationnels. (Tout comme dans les coordonnées qui se déplacent avec un ascenseur qui tombe, il n'y a pas de gravité). Ainsi, dans le 2ème, les particules ne ressentent aucune "force" tandis que dans le premier, elles subissent une force gravitationnelle entre les particules.


Alors, l'espace s'étend-il vraiment ? Cela dépend de votre système de coordonnées!


2 réponses 2

Il se trouve que ce problème vient d'être mentionné dans le Science Fiction Stack Exchange. La réponse simple est que nous ne pouvons pas savoir qu'il y a quoi que ce soit en dehors de l'univers observable. Le mieux que l'on puisse dire, c'est que cela semble probable.

Nous approchons l'univers en utilisant une géométrie de l'espace-temps appelée métrique FLRW. Ceci est basé sur l'hypothèse que l'univers est le même partout - techniquement qu'il est homogène et isotrope. Si l'univers est le même partout, alors évidemment c'est le même au-delà des bits que nous pouvons voir, mais rappelez-vous que ce n'est qu'une supposition.

Il est possible de construire un univers qui ressemble à un univers FLRW localement mais ne contient aucune matière en dehors d'une certaine limite. Cette métrique est appelée métrique d'Oppenheimer-Snyder et a été conçue comme une description approximative d'une étoile en train de s'effondrer formant un trou noir. Cependant on peut inverser le sens du temps et la métrique décrit alors la matière sortant d'un trou blanc. Tant que la frontière est plus éloignée que le bord de l'univers observable, nous ne serions pas en mesure de faire la différence entre un univers Oppenheimer-Snyder et un univers FLRW.

Cependant, la construction Oppenheimer-Snyder est plutôt artificielle. Il est créé en soudant ensemble un patch d'espace-temps décrit par la métrique FLRW et un patch décrit par l'espace-temps du trou noir (Schwarzschild). Bien qu'il soit techniquement possible pour cette géométrie de décrire notre univers, il faudrait une divinité avec un sens de l'humour assez particulier pour organiser l'univers de cette manière. L'univers FLRW semble beaucoup moins artificiel et donc plus probable.


La vie pourrait être commune à travers l'univers, mais pas dans notre région

Les éléments constitutifs de la vie peuvent, et se sont assemblés spontanément dans les bonnes conditions. C'est ce qu'on appelle la génération spontanée, ou l'abiogenèse. Bien sûr, de nombreux détails nous restent cachés, et nous ne savons tout simplement pas exactement comment tout cela s'est passé. Ou à quelle fréquence cela pourrait arriver.

Les religions du monde ont des idées différentes sur la façon dont la vie est apparue, bien sûr, et elles invoquent les mains magiques de diverses divinités surnaturelles pour tout expliquer. Mais ces explications, bien que des histoires colorées, laissent beaucoup d'entre nous insatisfaits. « Comment la vie est-elle apparue ? » est l'une des questions les plus fascinantes de la vie, et une avec laquelle la science se débat continuellement.

Tomonori Totani est un scientifique qui trouve cette question convaincante. Totani est professeur d'astronomie à l'université de Tokyo. Il a écrit un nouvel article intitulé "L'émergence de la vie dans un univers inflationniste". Il a été publié dans Nature Scientific Reports.

Le travail du professeur Totani s'appuie fortement sur quelques concepts. Le premier est l'âge et la taille immenses de l'Univers, la façon dont il s'est gonflé au fil du temps et la probabilité que des événements se produisent. Le second est l'ARN en particulier, la longueur d'une chaîne de nucléotides pour "s'attendre à une activité d'auto-réplication", comme le dit l'article.

Les travaux de Totani, comme presque tous les travaux sur l'abiogenèse, examinent les composants de base de la vie sur Terre : l'ARN, ou acide ribonucléique. L'ADN définit les règles de la façon dont les formes de vie individuelles prennent forme, mais l'ADN est beaucoup plus complexe que l'ARN. L'ARN est encore plus complexe, par ordre de grandeur, que les produits chimiques et molécules bruts trouvés dans l'espace ou à la surface d'une planète ou d'une lune. Mais sa simplicité par rapport à l'ADN le rend plus susceptible de se produire via l'abiogenèse.

Il existe également une théorie de l'évolution selon laquelle, bien que l'ADN porte les instructions pour construire un organisme, c'est l'ARN qui régule la transcription des séquences d'ADN. C'est ce qu'on appelle l'évolution basée sur l'ARN, et cela dit que l'ARN est soumis à la sélection naturelle darwinienne et qu'il est également héréditaire. C'est une partie de la raison d'être de l'examen de l'ARN par rapport à l'ADN.

L'ARN est une chaîne de produits chimiques appelés nucléotides. Certaines recherches montrent qu'une chaîne de nucléotides doit être longue d'au moins 40 à 100 nucléotides avant que le comportement d'auto-réplication appelé vie puisse exister. Au fil du temps, suffisamment de nucléotides peuvent former une chaîne pour répondre à cette exigence de longueur. Mais la question est, y a-t-il eu assez de temps dans la vie de l'Univers ? Eh bien, nous sommes ici, donc la réponse doit être oui, n'est-ce pas ?

Mais attendez. Selon un communiqué de presse annonçant ce nouvel article, "les estimations actuelles suggèrent qu'un nombre magique de 40 à 100 nucléotides n'aurait pas dû être possible dans le volume d'espace que nous considérons comme l'univers observable".

La clé ici est le terme « univers observable ».

<Cliquez pour agrandir> Carte logarithmique de l'univers observable. De gauche à droite, les engins spatiaux et les corps célestes sont disposés en fonction de leur proximité avec la Terre. Crédit d'image: Par Pablo Carlos Budassi – Travail personnel, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=74584660

"Cependant, il y a plus dans l'univers que l'observable", a déclaré Totani. « Dans la cosmologie contemporaine, il est admis que l'univers a subi une période d'inflation rapide produisant une vaste région d'expansion au-delà de l'horizon de ce que nous pouvons observer directement. La prise en compte de ce plus grand volume dans les modèles d'abiogenèse augmente considérablement les chances que la vie se produise.”

Notre Univers a vu le jour pendant le Big Bang, un événement d'inflation unique. Selon l'article de Totani, notre Univers " comprend probablement plus de 10 100 étoiles semblables au Soleil, alors que l'Univers observable ne contient qu'environ 10 sextillions (10 22 ) d'étoiles. Nous savons que la vie s'est produite au moins une fois, il n'est donc pas exclu que l'abiogenèse se soit produite au moins une fois de plus, même si les chances sont infiniment petites.

Diagramme de l'évolution de la (partie observable) de l'univers depuis le Big Bang (à gauche), la rémanence de référence CMB, jusqu'à nos jours. Crédit d'image : par l'équipe scientifique NASA/WMAP – Version originale : NASA modifiée par Cherkash, domaine public, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11885244

Selon les statistiques, la quantité de matière dans l'Univers observable ne devrait être capable de produire que de l'ARN d'une longueur de 20 nucléotides, bien en deçà du nombre de 40 à 100. Mais en raison de l'inflation rapide, une grande partie de l'Univers est inobservable. C'est tout simplement trop loin pour que la lumière émise depuis le Big Bang nous atteigne. Lorsque les cosmologistes additionnent le nombre d'étoiles dans l'Univers observable avec le nombre d'étoiles dans l'Univers non observable, le nombre résultant est de 10 100 étoiles semblables au Soleil. Cela signifie qu'il y a beaucoup plus de matière en jeu et que la création abiogénique de chaînes d'ARN suffisamment longues est non seulement possible, mais probable, voire inévitable.

Dans son article, le professeur Totani énonce la relation fondamentale à l'étude. “Ici, une relation quantitative est dérivée entre la longueur minimale de l'ARN jemin requis pour être le premier polymère biologique, et la taille de l'univers nécessaire pour s'attendre à la formation d'un ARN aussi long et actif en ajoutant au hasard des monomères.

Est-ce que ça devient confus ? Voici un résumé, espérons-le, plus gérable.

"Par conséquent, si des organismes extraterrestres d'origine différente de ceux de la Terre sont découverts à l'avenir, cela impliquerait un mécanisme inconnu à l'œuvre pour polymériser les nucléotides beaucoup plus rapidement que les processus statistiques aléatoires."

Professeur Tomonori Totani, Université de Tokyo

L'Univers est plus grand que sa partie observable et contient probablement 10 100 étoiles semblables au Soleil. Pour que la probabilité de création abiotique d'ARN sur une planète semblable à la Terre soit égale à 1, ou unité, la longueur minimale des nucléotides doit être inférieure à environ 20 nucléotides, ce qui est beaucoup plus petit que le minimum initialement indiqué de 40 nucléotides.

Mais les scientifiques ne pensent pas que l'ARN de seulement 20 nucléotides puisse s'auto-répliquer, du moins pas de notre point de vue d'observateurs de la vie terrestre. Comme le dit Totani dans son article, "Par conséquent, si des organismes extraterrestres d'origine différente de ceux sur Terre sont découverts à l'avenir, cela impliquerait un mécanisme inconnu à l'œuvre pour polymériser les nucléotides beaucoup plus rapidement que les processus statistiques aléatoires".

Quel serait ce processus ?

Qui sait, mais il s'agit probablement d'un point d'inflexion où les croyants peuvent intervenir et dire : « Pourquoi Dieu, bien sûr ».

Le célèbre La création d'Adam sur le plafond de la chapelle Sixtine, par Michel-Ange c. 1512. Par Michelangelo Buonarroti – [1], domaine public, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1326019

Le travail de Totani n'a en aucun cas fourni de réponse. Mais comme beaucoup de travaux scientifiques, il permet d'affiner la question, et invite d'autres à l'étudier.

"Comme beaucoup dans ce domaine de recherche, je suis motivé par la curiosité et les grandes questions", a déclaré Totani. « La combinaison de mes récentes recherches sur la chimie de l'ARN et de ma longue histoire de la cosmologie m'amène à réaliser qu'il existe un moyen plausible pour que l'univers soit passé d'un état abiotique (sans vie) à un état biotique. C'est une pensée passionnante et j'espère que la recherche pourra s'appuyer sur cela pour découvrir les origines de la vie.”


Demandez à Ethan : Comment savons-nous que l'espace s'étend ?

Si vous jetez un œil à l'Univers, et dans toutes les directions que vous regardez, vous voyez des objets s'éloigner de vous, que concluriez-vous ? Serait-ce que vous êtes un répulsif, d'une manière ou d'une autre? Que le tissu de l'espace lui-même s'étend ? Que vous êtes au centre d'une explosion précédente et que tout le reste s'éloigne du point d'explosion ? Ces options, ainsi que d'autres, peuvent toutes sembler raisonnables, mais d'une manière ou d'une autre, les scientifiques disent toujours que «l'Univers est en expansion» comme si aucune autre alternative ne le ferait. Pourquoi donc? Notre lecteur Buck veut savoir, en demandant :

Comment sait-on que l'espace s'agrandit ? Par rapport à quoi ? Les galaxies qui se déplacent vers le rouge et qui s'éloignent les unes des autres pourraient le faire dans un espace infini plutôt que dans un espace en expansion.

Croyez-le ou non, la réponse est écrite sur la face même de l'Univers.

L'un des faits les plus incroyables sur la relativité générale d'Einstein - notre principale théorie de la gravité - est qu'elle établit la relation entre l'espace-temps, d'une part, et la matière et l'énergie, d'autre part. La matière et l'énergie indiquent à l'espace-temps comment courber l'espace-temps indique à la matière comment se déplacer. Si nous savons comment toute la matière et l'énergie de l'Univers sont distribuées à tout instant dans le temps, et si nous savons également comment cette matière et cette énergie se déplacent, nous pouvons reconstruire comment l'espace-temps se courbe et évolue au cours de l'histoire de l'Univers.

Lorsque nous jetons un œil aux galaxies de notre Univers, celles qui sont très proches sont dominées par la dynamique gravitationnelle d'autres galaxies proches. La Voie lactée et Andromède se dirigent l'une vers l'autre, les autres galaxies du groupe local finiront également par fusionner avec nous. En dehors de cela, les galaxies sont attirées vers les autres masses voisines comme les grandes galaxies et les groupes et amas de galaxies. Dans n'importe quelle région de l'espace relativement petite, de quelques millions ou dizaines de millions d'années-lumière, les masses dans cet espace déterminent, globalement, comment les galaxies vont se déplacer.

Mais à plus grande échelle, nous voyons un effet différent. Ces mouvements à petite échelle, connus sous le nom de vitesses particulières, peuvent provoquer des vitesses pouvant atteindre quelques milliers de kilomètres par seconde. Mais ils se superposent à un effet plus grand que vous ne pouvez voir que lorsque vous commencez à regarder à des échelles beaucoup plus grandes : le fait que plus une galaxie est éloignée de nous, plus elle semble s'éloigner rapidement de nous.

Cette observation empirique est connue sous le nom de loi de Hubble et indique simplement que la vitesse apparente de récession d'une galaxie est proportionnelle à sa distance par rapport à nous. La constante de proportionnalité est connue sous le nom de constante de Hubble et a été mesurée très précisément à environ 70 km/s/Mpc, avec une incertitude d'environ 3 à 4 km/s/Mpc, selon la façon dont vous la mesurez.

Mais pourquoi cela se produit-il ? Pourquoi tout se déplace-t-il indépendamment de tout le reste, tant qu'ils sont déliés gravitationnellement ? Revenons aux fondements de la relativité générale, jusqu'à une réalisation qu'Einstein avait avant de publier son idée la plus puissante.

Lorsqu'Einstein a présenté sa théorie de la relativité générale, il a rapidement reconnu qu'il y avait une conséquence dont il était mécontent : un Univers rempli de matière dans toutes les directions serait instable contre l'effondrement gravitationnel. La solution d'Einstein était de créer une force invisible de poussée vers l'extérieur qui empêchait cet effondrement de se produire, une constante cosmologique. Mais si vous n'incluiez pas cette constante cosmologique, d'autres se sont vite rendu compte que vous vous retrouveriez avec un Univers qui n'était pas statique dans le temps, mais où le tissu de l'espace lui-même était soit en expansion, soit en contraction avec le temps.

Même à cela, la solution d'Einstein n'était pas bonne. Sa constante cosmologique a conduit à un Univers instable : certaines poches surdenses s'effondreraient, tandis que les sous-denses reculeraient de façon galopante. Un Univers obéissant aux lois de la Relativité Générale ne peut pas simplement avoir un espace-temps statique tant qu'il est plein de matière. Quand nous regardons le nôtre, nous voyons qu'il apparaît à la fois homogèneet isotrope. Ces deux propriétés sont si importantes, car elles nous disent deux choses importantes :

  1. Homogène signifie que l'Univers est le même partout dans l'espace.
  2. Isotrope signifie que l'Univers est le même dans toutes les directions.

Combinés, ils nous disent que l'Univers a une distribution uniforme de matière/énergie, peu importe où vous allez ou dans quelle direction vous regardez. Cela, combiné au fait que les galaxies lointaines semblent reculer plus rapidement plus elles sont éloignées. nous, laissez très peu d'options en ce qui concerne une explication.

Bien que cela puisse être dû à un certain nombre de facteurs, notamment :

  • La lumière de ces galaxies lointaines se "fatigue" et perd de l'énergie lorsqu'elles voyagent dans l'espace,
  • Un mouvement rapide, où les galaxies les plus rapides s'éloignent au fil du temps,
  • Une première explosion, qui éloigne certaines galaxies de nous par le présent,
  • Ou le tissu de l'espace lui-même en expansion,

seule la dernière option a été validée par la suite complète de données soutenant à la fois la théorie générale de la relativité et la distribution astrophysique et les propriétés de toutes les galaxies observées.

Il est devenu très vite évident — dès les années 30 — qu'il n'y avait pas deux voies : l'Univers est, en fait, en expansion. Le fait que le décalage vers le rouge d'un objet correspondait aussi bien à la relation de distance et au taux d'expansion observé, quelle que soit la distance d'un objet, a contribué à le confirmer.

Mais il y a encore plus de preuves que cela. Si l'Univers était réellement en expansion, nous pourrions nous attendre à voir un certain nombre de choses. Nous verrions que plus nous regardions loin dans le passé lointain, plus la matière dans l'Univers apparaissait dense. Nous verrions que les galaxies étaient regroupées plus étroitement qu'elles ne le sont aujourd'hui. Nous verrions que le spectre de la lumière des objets à corps noir restait un corps noir, plutôt que d'être déplacé en énergie. Et nous verrions que le rayonnement du fond diffus cosmologique était à une température plus élevée à l'époque que les 2,7 K qu'il est aujourd'hui.

Toutes ces preuves s'alignent, nous enseignant que l'Univers est en expansion, et c'est la cause de la récession apparente, plutôt que toute autre explication. Ce n'est pas un mouvement, ce n'est pas une lumière fatiguée, ce n'est pas le résultat d'une explosion. L'espace lui-même est en expansion, et la partie de notre Univers que nous pouvons voir et accéder devient de plus en plus grande tout le temps. Même si cela ne fait que 13,8 milliards d'années depuis le Big Bang, la lumière la plus éloignée arrivant à nos yeux aujourd'hui est située à 46 milliards d'années-lumière de nous en ce moment.

Qu'est-ce qui se cache au-delà? Nous sommes presque certains qu'il y a plus d'« Univers » là-bas, mais c'est simplement que la lumière n'a pas encore eu assez de temps pour voyager jusqu'à nos yeux. L'Univers inobservable, au-delà de ce que nous pouvons observer, peut être fini ou infini que nous ne connaissons tout simplement pas. Mais même s'il est déjà infini, il peut encore s'étendre ! Au fur et à mesure que l'Univers s'étend, vous multipliez simplement sa taille par un «facteur de croissance», donc s'il commence fini, il est toujours fini (mais plus grand), et s'il commence infini, il est toujours infini. Et si votre curiosité vous mène plus loin, vous aimerez peut-être apprendre dans quoi l'Univers s'étend ou 5 autres questions sur l'Univers en expansion. Nous sommes certains que l'Univers change, s'étend et s'étire au fil du temps, car les effets sont cohérents et indéniables. Mais qu'y a-t-il au-delà de l'Univers que nous pouvons actuellement observer ? Nous travaillons toujours pour le savoir. Comme toujours, il y a plus de science à faire !


Expansion de l'espace - comment aboutir à une région inobservable ? - Astronomie

Comme je viens de le dire à quelqu'un d'autre ici, vous feriez peut-être mieux de regarder "A Journey into Gravity and Space-time" de J A Wheeler. Cependant, je vais essayer de répondre aux points que vous soulevez.

1 - Comment délimiter l'espace ?

Nous devons commencer par quelque chose. Comme vous le suggérez, la vitesse de la lumière, étant la même dans tous les référentiels inertiels, est une chose utile. Ensuite, nous pourrions choisir un intervalle de temps ou une distance et, avec la vitesse de la lumière, nous aurions un moyen de mesurer la distance et le temps.

En physique de nos jours, la vitesse de la lumière et la seconde sont fondamentales pour la mesure. La longueur est définie comme la distance parcourue par la lumière dans un certain temps.

La question de savoir si nous pouvons ou non avoir une règle utile est probablement la meilleure réponse dans la section suivante.

2 - Est-ce que cette extension « traîne » a de l'importance ?

Nous observons que les galaxies lointaines s'éloignent de nous et supposons que cela est causé par l'expansion de l'univers, donc évidemment la matière se sépare à mesure que l'univers s'étend. L'espace entre chaque point « s'agrandit » tout le temps.

Cependant, vous pourriez alors demander si cela signifie qu'une règle deviendra également plus grande à mesure que l'espace s'étend. La réponse est non, car les atomes sont maintenus à une distance fixe les uns des autres par des forces électromagnétiques (en fait, c'est la mécanique quantique et la constante de Planck qui sont importantes ici pour décider qu'il existe une échelle de longueur particulière - la taille des atomes - qui ne change pas).

Ainsi, les forces électromagnétiques à l'intérieur d'une règle sont facilement assez fortes pour accélérer les extrémités de la règle (très très légèrement !) contre l'espace-temps en expansion dans lequel la règle est assise. Si vous voulez, les forces électromagnétiques tirent les extrémités de la règle l'une vers l'autre, à travers l'espace-temps en expansion, pour lui garder la même taille !

En revanche la seule force entre galaxies est la gravité, et elle n'est pas suffisamment forte (d'ailleurs, bien sûr, en moyenne, la force gravitationnelle est nulle puisqu'il y a autant de galaxies dans un sens que dans un autre, croyons-nous).

Cela devient un problème difficile lorsque nous voulons calculer comment les galaxies se forment après le big bang, car au début l'expansion est trop rapide pour que quoi que ce soit reste ensemble, mais comme l'expansion ralentit, certaines régions sont suffisamment denses pour que la gravité soit importante, puis le gaz commence à s'accumuler et à former des étoiles. Donc, en général, la stabilité d'une structure à mesure que l'univers s'étend dépend de la force des forces qui la maintiennent ensemble.

Pas d'éther, juste de l'espace. Si nous avons deux blobs qui ne pèsent rien (pas de gravité), qui n'ont pas de charge, etc, et qui les laissent, alors, lorsque nous mesurons l'espace entre eux, il aura augmenté. Il est important de noter que c'est l'espace entre les deux qui s'agrandit - les gouttes n'accélèrent pas séparément.

Vous pourriez vous demander quelle est la différence entre les blobs qui s'éloignent et l'espace qui s'agrandit. Pour une croissance constante il n'y a pas de différence et, en effet, notre univers pourrait être comme ça (le modèle de Milne). Cependant, si la vitesse d'expansion change (comme nous le pensons, lentement) il y a une différence car dans un cas (les gouttes en mouvement) les gouttes ressentiront une accélération ou une décélération, mais dans l'autre cas (l'espace augmente) ils ne sentiront rien car ils sont, localement, au repos.

4 - Les bords sont-ils définis ?

Nous ne voyons aucun bord à travers nos télescopes. En fait, dans les théories que nous utilisons, une hypothèse importante est que l'univers est le même, plus ou moins, partout.

With that assumption (which sounds strange but is the best we can do, really) we can still get self-consistent models of the universe. Either the universe can be infinite, in which case it has no edges, or it is curved so that when you go off to the left (say), you eventually end up returning from the right (as if you have gone round in a circle, or walked round a balloon).

The last example - a `closed' universe - sounds strange. But it can easily be curved over such large distances that we don't notice the effects here on earth.

  1. from what we observe, at the very largest scales, this seems to be true.
  2. if we didn't assume this, we would be free to dream up anything we wanted at the edges and would have too many models to work with!
  3. if we did have edges, our theories wouldn't be for everything, but only for what is inside the edges!

5 - What shape is the universe?

Because (see above!) the universe has no edges and isn't `inside' anything, it doesn't have a shape.

However, it can still have a curvature. Shape is something that you only know about by looking at something from `outside', but curvature can be measured `inside' something. For example, we could have worked out that the earth was curved just by making maps of the surface and finding that you can't make a good, flat map of the whole earth (just like you can't make orange peel lie flat). But to say that the earth is round we have to picture it `inside the universe'. And we can't do the same for the whole universe.

6 - How can everything be expanding from everything else?

Yes, I have problems imagining this too. It's the same as the other questions above - we are so used to thinking about things inside things that we are not very good at thinking about `everything'.

One thing that helps me see that there doesn't need to be a centre is to think about a fruit cake expanding as it is cooked. If you imagine being on one currant, you will see all the other currants moving away from you, no matter where you are in the cake. Of course, you could see from the cake edges where the middle of the cake was - but that's not possible in a universe with no edges.

I don't know if you've read the book I mentioned, but if not check it out - he really does try to explain this better than other people have done. He also goes a lot more into why we talk about the curvature of space-time rather than just space. After reading it you will probably be able to see where I have been a bit careless above in describing certain things. The trouble is that the best way to understand this subject is to do the maths, and that means doing a degree.


I'm not an expert on inflation, but here's my understanding.

Inflation models assume some kind of GUT (perhaps a variation of SU(5)) which is spontaneously broken around 10^15 GeV, which corresponds to 10^-36 s.

If inflation occurs before GUT symmetry breaking, it does not solve the monopole problem (we should see lots of magnetic monopoles but we don't).

If inflation occurs too late after GUT symmetry breaking, we have a problem of baryogenesis. Baryogenesis requires the availability of baryon number changing interactions, we know that there aren't any in the explored region of energies, but most GUTs allow such process near GUT scale. Problem is, inflation wipes any traces of baryogenesis that occurs before its onset, just as it scatters magnetic monopoles.

Therefore the solution is to have inflation right around the GUT scale, it spreads out magnetic monopoles sufficiently to make them virtually unobservable, and then, when inflation is over, the system experiences reheating and gets close enough to the GUT scale again to generate baryons.


How to Get Everything from Nothing

The cover story of the latest issue of Science Focus announced in bold letters they had the answers to the greatest mysteries of the universe.[1] The lead article that caught my attention asked, “Why is there something rather than nothing?”[2] This is a “bedrock question” in science.[3] The article was adapted from the author’s best-selling book, What a Wonderful World: One Man’s Attempt to Explain the Big Stuff (2013).[4] Marcus Chown also has a YouTube video on his idea that the universe came from nothing, explaining how nothing created everything.[5]

The only empirical evidence that the universe came from nothing is the well-documented finding that the universe is expanding. If the expansion event is reversed, it brings us back to the primordial egg that started it all. The conundrum then is, where did the primordial egg come from? The solution accepted by many leading cosmologists is, it came from nothing. Thus the reasoning is that nothing ultimately created everything.

A famous cartoon by Sidney Harris mocks the religion of materialism.

Halt! Violation

The most serious problem is this explanation violates the first law of thermodynamics, which says matter can neither be created or destroyed. This absolute law, the best affirmed law in science, acknowledges that matter cannot be created or destroyed by natural processes. Einstein’s equation E=mc 2 modifies this law to state that the total amount of energy and matter in the universe remains constant, merely changing from one form to the other.[6]

Furthermore, the law states that the universe itself is a closed system, so the total amount of matter+energy in existence has always been the same throughout all of history. The forms that matter and energy take, however, are constantly changing.

To postulate that nothing created everything, one must somehow get around this first law of thermodynamics. One must also conclude that somehow, not only matter popped into existence, but space, time, and energy did as well. Concurrently, the four natural forces believed by mainstream physics to hold matter together, namely gravity, electromagnetism (electricity and magnetism), the strong and weak nuclear forces, must also somehow pop into existence. All of these eight realities must first exist for the universe to exist.

Some would classify the universe as the only “infinite system” and, therefore neither closed, isolated, nor open. Others counter that the entire universe must be an “isolated system” separate from the environment of ‘hyperspace’ because it is expanding and, therefore, it cannot be infinite. Still others argue that only the observable universe must be considered an “open system” affecting and affected by the unobservable universe.

How are the problems of the nothing produced everything claim solved?

In short, materialists solve these problems by ignoring them or obfuscating. Professor Chown, in answer to “Why is there something rather than nothing?” explained: “In the beginning, according to the standard picture of cosmology, was the ‘inflationary vacuum.’ It had a super-high energy density and repulsive gravity, causing it to expand.”[7] Obvious questions in response to this claim include where did the super-high energy density come from? Furthermore, what is an inflationary vacuum? By definition, a vacuum is space devoid of matter, from the Latin adjective vacuus for “vacant” or “void.” Thus, an inflationary vacuum is an oxymoron, a figure of speech containing two words that contradict each other, like being alone together, ou alors giant shrimp. Likewise, repulsive gravity or antigravity, defined as a hypothetical force opposing gravity, has been sought for eons but never found.[8] This last concept is also explained by the plasma cosmology notion that claims gravity is ne pas a fundamental force but is actually an electromagnetic phenomena which, of course, can be either an attractive force or repulsive force. This idea is also problematic.

Chown continues: “This vacuum was unpredictable. At random locations, it decayed.” How can space devoid of matter decay? Chown continues, speculating that the “tremendous energy [which popped into existence] of the inflationary vacuum had to go somewhere. [Why didn’t it just remain energy?] And it went into creating matter and heating it to a blisteringly high temperature into creating big bangs. Our universe is merely one such Big Bang bubble in the ever-expanding inflationary vacuum.” The conundrum that has to be asked is, “How can a vacuum create energy?” And what evidence exists to assume that many Big Bangs existed that have created multi-universes? The idea has never been proved, and indeed cannot be proved.[9] One of several reasons the multiverse cannot be proved is because the universe includes, by definition, everything that exists, including the universe-generating system, whatever it is.[10]

The Multiverse and QM Escape Plots

Furthermore, we are not even able to view the end of les universe we live in, and, assuming the multiple universes are separate, we are thus unable to view their origin and demise as well. The main reason the multiverse concept was developed is because the known universe is fine-tuned to an improbably high degree to support life. If many universes with different parameters exist, it is consequently more likely that one of them evolved to support life.

Furthermore, Chown speculates, the entire process could have started “with a mass equivalent to a bag of sugar.” My issues with this statement include “Where did the bag-of-sugar mass come from? and “How do we get a universe with 100 billion galaxies, each with 100-million stars, as postulated by cosmologists, from a mass the size of a bag of sugar?” What we need is a universe, not a mass the size of a bag of sugar! Chown merely retorts with: “quantum theory permit[s] matter to pop into existence from nothing.”[11]

After this it gets more bizarre. In answer to “Where did the laws of physics come from?,” Chown responds, from the “deep symmetries of space and time.” These symmetries can occur in “an entirely empty universe.”[12] The Oxford dictionary defines symmetries as the “quality of being made up of exactly similar parts facing each other or around an axis.”[13] This does not make sense. It may be that cosmologists are referring to the definition used in science, namely “symmetry as an “object that is invariant under some transformations.”[14] Actually, neither definition makes sense. Having taught physics and cosmology at the college level for many years, this bizarre esoteric language ignores the main question, “How did nothing become something? In conclusion Chown opines, “maybe the transition from nothing to something was not such a big deal.”[15]

Ignoring the Big Questions

Such logic of the explanations of how nothing became everything obviously involves numerous contradictions and word-salads. Chown’s explanation is not a crackpot idea by some fringe pseudoscience writer. Nonetheless, it is baffling how the most eminent cosmologist, the late Steven Hawking, wrote that the explanation Chown offered was to him totally convincing. As Hawking explained, it answered what he considered the most important questions that humans can ask, namely:

2) “How did the universe and life begin?” and

3) “Does intelligent life exist elsewhere in the universe?”

Hawking notes the first two questions can be answered either by religion or science. He explains that religion was an early attempt to answer where all matter and life came from until science began developing about 200 years ago. Now, he informs us, science has shown religion to be wrong. In Hawking’s words, “science provides better and more consistent answers, but people will always cling to religion, because it gives comfort, and they do not . . . understand science.”[16] Furthermore, Hawking believes that we do not need ‘God’ to explain either the existence of the universe or of life all we need is gravity.[17] Gravity explains everything. The question, then, is how did gravity come into existence?

Cover of Lawrence M. Krauss’s best-selling book. From amazon.com.

One of the leading cosmologists of our generation, Lawrence Krauss, produced a 202-page book defending “a universe from nothing.”[18] Krauss, referring to his materialism (a belief common among scientists) says that science tells us “a universe without purpose or guidance may seem … to make life itself meaningless.” Krauss responded by saying “one person’s dream is another person’s nightmare.” He adds that “it does not really matter either way, and what we would like for the universe is irrelevant.”[19] Of course, for most people it is very relevant because a universe created from nothing, in contrast to a universe created by intelligence, has profound implications for life. The afterword to Krauss’s book by Richard Dawkins promotes the idea of a universe from nothing as being, at least to him, invigorating, adding the universe will eventually

flatten into a nothingness that mirrors its beginning. Not only will there be no cosmologists to look out on the universe, there will be nothing for them to see even if they could. Nothing at all. Not even atoms. Nothing.[20]

This is the atheists’ worldview. Bleak, without an enduring purpose or ultimate meaning. In the beginning was nothing and in the end will be nothing as well, nothing for all of eternity a view in stark contrast to the monotheistic Christian, Muslim and Jewish worldviews.

The choice is either intelligence created the universe or, somehow, by some unknown so-far-unexplainable means, it came out of nothing. The unbridgeable gaps evolution faces include from non-life to life, from prokaryotes to eukaryotes, from asexual life to sexual life, from invertebrates to vertebrates, and from simian primates to humans. le greatest gap is from nothing to everything strictly by blind evolutionary processes operating via undirected chance over deep time. In contrast, the worldviews of the major monotheistic religions are purposeful. Christianity adds the promise of eternal life in heaven by repentance from sin and faith in the Lord Jesus Christ (John 3:16 1 John 2:25).

“Professing themselves to be wise, they became fools” (Romans 1:22) —Ed.

[1][1] Chown, Marcus. 2021. “The Universe’s 7 biggest mysteries (and why they’re unsolved).” Science Focus. Issue 359, February 16 the magazine comes from Great Britain and I just received my issue mid-March 2021.

[3] Hedin, Eric. 2021. Canceled Science. Seattle, WA: Discovery Press, p. 43.

[4] Chown, Marcus. 2013. What a Wonderful World: One Man’s Attempt to Explain the Big Stuff. London, UK: Faber & Faber.

[5] Chown, Marcus. 2013. “How the universe came from nothing.” NewScientist Live. YouTube video, December 5. https://www.youtube.com/watch?v=ow8iX6RNDd8

[6] Moskowitz, Clara. 2014. “Fact or Fiction?: Energy Can Neither Be Created Nor Destroyed. Is energy always conserved, even in the case of the expanding universe?” Scientifique américain, August 5. https://www.scientificamerican.com/article/energy-can-neither-be-created-nor-destroyed/

[8] Siegel, Ethan. 2018. “Is Anti-Gravity Real? Science Is About To Find Out.” Forbes, October 26. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2018/10/26/is-anti-gravity-real-science-is-about-to-find-out/?

[9] Goff , Philip. 2021. “Our Improbable Existence Is No Evidence for a Multiverse. Experts in probability have spotted a logical flaw in theorists’ reasoning” Scientifique américain January 10. https://www.scientificamerican.com/article/our-improbable-existence-is-no-evidence-for-a-multiverse/

[10] Hedin, Eric. 2021. Canceled Science. Seattle, WA: Discover Institute Press p. 14-15

[13] Oxford Languages. https://languages.oup.com/google-dictionary-en/

[16] Hawking, Stephen. 2018. Brief Answers to the Big Questions. New York, NY: Bantam Books, p. 25.

[18] Krauss, Lawrence M. 2012. A Universe from Nothing: Why There Is Something Rather than Nothing. New York, NY: Atria Books.

[20] Afterword by Richard Dawkins in Krauss, 2012, p. 188 (see Ref. 15).

B.C. cartoon by the late Johnny Hart

Dr. Jerry Bergman has taught biology, genetics, chemistry, biochemistry, anthropology, geology, and microbiology for over 40 years at several colleges and universities including Bowling Green State University, Medical College of Ohio where he was a research associate in experimental pathology, and The University of Toledo. He is a graduate of the Medical College of Ohio, Wayne State University in Detroit, the University of Toledo, and Bowling Green State University. He has over 1,300 publications in 12 languages and 40 books and monographs. His books and textbooks that include chapters that he authored are in over 1,500 college libraries in 27 countries. So far over 80,000 copies of the 40 books and monographs that he has authored or co-authored are in print. For more articles by Dr Bergman, see his Author Profile.


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