Univers

Le mot Univers vient du vieux mot français Univers, qui vient du mot latin universum. Le mot latin a été utilisé par Cicéron et, plus tard, par les auteurs latins, dans de nombreux sens identiques à ceux du mot anglais moderne.

Une autre interprétation (façon d'interpréter) de l'unversum est "tout tourné comme un seul" ou "tout tourné par un seul". Cela fait référence à un modèle grec ancien de l'Univers. Dans ce modèle, toute la matière se trouvait dans des sphères rotatives centrées sur la Terre ; selon Aristote, la rotation de la sphère la plus extérieure était responsable du mouvement et du changement de tout ce qui se trouvait à l'intérieur. Il était naturel pour les Grecs de supposer que la Terre était stationnaire et que les cieux tournaient autour de la Terre, car des mesures astronomiques et physiques minutieuses (comme le pendule de Foucault) sont nécessaires pour prouver le contraire.

Le terme le plus courant pour "Univers" parmi les philosophes de la Grèce antique à partir de Pythagore était το παν (Le Tout), défini comme toute la matière (το ολον) et tout l'espace (το κενον).

Sens le plus large

Le sens le plus large du mot Univers se trouve dans le De divisione naturae du philosophe médiéval Johannes Scotus Eriugena, qui le définit comme étant simplement tout : tout ce qui existe et tout ce qui n'existe pas.

Le temps n'est pas pris en compte dans la définition d'Eriugena ; ainsi, sa définition inclut tout ce qui existe, a existé et existera, ainsi que tout ce qui n'existe pas, n'a jamais existé et n'existera jamais. Cette définition globale n'a pas été adoptée par la plupart des philosophes ultérieurs, mais quelque chose de similaire se trouve dans la physique quantique.

Définition comme réalité

En général, on pense que l'Univers est tout ce qui existe, a existé et existera. Selon cette définition, l'Univers est constitué de deux éléments : l'espace et le temps, appelés ensemble espace-temps ou vide ; et la matière et les différentes formes d'énergie et d'élan occupant l'espace-temps. Les deux types d'éléments se comportent selon des lois physiques, dans lesquelles nous décrivons la manière dont les éléments interagissent.

Une définition similaire du terme "Univers" est tout ce qui existe à un moment donné, comme le présent ou le début du temps, comme dans la phrase "L'Univers était de taille 0".

Dans son livre La Physique, Aristote a divisé το παν (tout) en trois éléments à peu près analogues : la matière (la substance dont est fait l'Univers), la forme (l'arrangement de cette matière dans l'espace) et le changement (comment la matière est créée, détruite ou modifiée dans ses propriétés, et de même, comment la forme est modifiée). Les lois physiques étaient les règles régissant les propriétés de la matière, la forme et leurs changements. Des philosophes ultérieurs tels que Lucrèce, Averroès, Avicenne et Baruch Spinoza ont modifié ou affiné ces divisions. Par exemple, Averroès et Spinoza ont des principes actifs régissant l'Univers qui agissent sur les éléments passifs.

Définitions de l'espace-temps

Il est possible de former des espaces-temps, chacun existant mais ne pouvant pas se toucher, se déplacer ou se modifier (interagir les uns avec les autres. Une façon simple de penser à cela est un groupe de bulles de savon séparées, dans lequel les personnes vivant sur une bulle de savon ne peuvent pas interagir avec celles qui vivent sur d'autres bulles de savon. Selon une terminologie commune, chaque "bulle de savon" de l'espace-temps est désignée comme un univers, alors que notre espace-temps particulier est désigné comme l'Univers, tout comme nous appelons notre lune la Lune. L'ensemble de ces espaces-temps distincts est désigné comme le multivers. En principe, les autres univers non connectés peuvent avoir des dimensions et des topologies différentes de l'espace-temps, des formes différentes de matière et d'énergie, et des lois physiques et des constantes physiques différentes, bien que ces possibilités soient des spéculations.

Réalité observable

Selon une définition encore plus restrictive, l'Univers est tout ce qui, dans notre espace-temps connecté, pourrait avoir une chance d'interagir avec nous et vice versa.

Selon l'idée générale de la relativité, certaines régions de l'espace pourraient ne jamais interagir avec la nôtre, même pendant la durée de vie de l'Univers, en raison de la vitesse finie de la lumière et de l'expansion continue de l'espace. Par exemple, les messages radio envoyés depuis la Terre peuvent ne jamais atteindre certaines régions de l'espace, même si l'Univers existait pour toujours ; l'espace peut s'étendre plus vite que la lumière ne peut le traverser.

Il convient de souligner que ces régions éloignées de l'espace sont considérées comme existant et faisant partie de la réalité tout autant que nous ; pourtant, nous ne pouvons jamais interagir avec elles, même en principe. La région spatiale à l'intérieur de laquelle nous pouvons affecter et être affectés est désignée comme l'univers observable.

À proprement parler, l'univers observable dépend de l'endroit où se trouve l'observateur. En voyageant, un observateur peut entrer en contact avec une plus grande région de l'espace-temps qu'un observateur qui reste immobile, de sorte que l'univers observable est plus grand pour le premier que pour le second. Néanmoins, même le voyageur le plus rapide peut ne pas être capable d'interagir avec tout l'espace. En général, l'"univers observable" désigne l'univers vu de notre point d'observation dans la Voie lactée.

L'Univers est immense et peut-être infini en volume. La matière que l'on peut voir s'étend sur un espace d'au moins 93 milliards d'années-lumière. À titre de comparaison, le diamètre d'une galaxie type n'est que de 30 000 années-lumière, et la distance type entre deux galaxies voisines n'est que de 3 millions d'années-lumière. À titre d'exemple, notre galaxie, la Voie lactée, a un diamètre d'environ 100 000 années-lumière, et notre galaxie sœur la plus proche, la galaxie d'Andromède, est située à environ 2,5 millions d'années-lumière. L'Univers observable contient plus de 2 billions (¹⁰¹²) de galaxies et, globalement, pas moins de 1×1024 étoiles (plus d'étoiles que tous les grains de sable de la planète Terre).

Les galaxies typiques vont des galaxies naines avec aussi peu que dix millions (¹⁰⁷) d'étoiles jusqu'aux géantes avec un trillion (^{1012) d'}étoiles, toutes en orbite autour du centre de masse de la galaxie. Ainsi, une estimation très approximative de ces chiffres suggérerait qu'il y a environ un sextillion (^{1021) d'étoiles} dans l'univers observable ; bien qu'une étude réalisée en 2003 par des astronomes de l'Université nationale australienne ait abouti à un chiffre de 70 sextillions (7 x 1022).

La matière que l'on peut voir est répartie dans tout l'univers, lorsqu'on fait la moyenne sur des distances supérieures à 300 millions d'années-lumière. Cependant, à des échelles de longueur plus petites, on observe que la matière forme des "amas", que de nombreux atomes sont condensés en étoiles, que la plupart des étoiles sont des galaxies, que la plupart des galaxies sont des groupes de galaxies et des amas et, enfin, que les structures à grande échelle comme la Grande Muraille des galaxies.

La densité globale actuelle de l'Univers est très faible, environ 9,9 × ^10-30 grammes par centimètre cube. Cette masse-énergie semble se composer de 73 % d'énergie noire, de 23 % de matière noire froide et de 4 % de matière ordinaire. La densité des atomes est d'environ un atome d'hydrogène pour quatre mètres cubes de volume. Les propriétés de l'énergie noire et de la matière noire ne sont pas connues. La matière noire ralentit l'expansion de l'Univers. L'énergie sombre accélère son expansion.

L'Univers est vieux et changeant. La meilleure estimation de l'âge de l'Univers est de 13,798±0,037 milliards d'années, sur la base de ce que l'on a vu du rayonnement de fond des micro-ondes cosmiques. Des estimations indépendantes (basées sur des mesures telles que la datation radioactive) concordent, bien qu'elles soient moins précises, allant de 11-20 milliards d'années. à 13-15 milliards d'années.

L'univers n'a pas toujours été le même au cours de son histoire. Cela explique pourquoi les habitants de la Terre peuvent voir la lumière d'une galaxie située à 30 milliards d'années-lumière, même si cette lumière n'a voyagé que pendant 13 milliards d'années ; l'espace même qui les sépare s'est élargi. Cette expansion est conforme à l'observation selon laquelle la lumière des galaxies lointaines a été décalée vers le rouge ; les photons émis ont été étirés à des longueurs d'onde plus grandes et à une fréquence plus basse pendant leur voyage. Le rythme de cette expansion spatiale s'accélère, d'après les études des supernovae de type Ia et d'autres données.

Les quantités relatives des différents éléments chimiques - en particulier les atomes les plus légers tels que l'hydrogène, le deutérium et l'hélium - semblent identiques dans tout l'univers et tout au long de son histoire que nous connaissons. L'univers semble avoir beaucoup plus de matière que d'antimatière. L'Univers semble n'avoir aucune charge électrique nette. La gravité est l'interaction dominante aux distances cosmologiques. L'Univers semble également n'avoir aucun moment net ou moment angulaire. L'absence de charge et de moment net est attendue si l'univers est fini.

L'Univers semble avoir un continuum espace-temps lisse composé de trois dimensions spatiales et d'une dimension temporelle (temps). En moyenne, l'espace est presque plat (courbure proche de zéro), ce qui signifie que la géométrie euclidienne est expérimentalement vraie avec une grande précision dans la majeure partie de l'Univers. Cependant, l'Univers peut avoir d'autres dimensions et son espace-temps peut avoir une topologie globale à multiples connexions.

L'Univers a les mêmes lois physiques et les mêmes constantes physiques partout. Selon le modèle standard de physique en vigueur, toute la matière est composée de trois générations de leptons et de quarks, qui sont tous deux des fermions. Ces particules élémentaires interagissent par le biais de trois interactions fondamentales au maximum : l'interaction électrofaible qui comprend l'électromagnétisme et la force nucléaire faible ; la force nucléaire forte décrite par la chromodynamique quantique ; et la gravité, qui est actuellement mieux décrite par la relativité générale.

La relativité spéciale est présente dans tout l'univers, dans l'espace et le temps locaux. Dans le cas contraire, la relativité générale s'applique. Il n'y a pas d'explication pour les valeurs particulières que les constantes physiques semblent avoir dans tout notre Univers, comme la constante de Planck h ou la constante gravitationnelle G. Plusieurs lois de conservation ont été identifiées, comme la conservation de la charge, la conservation du moment, la conservation du moment angulaire et la conservation de l'énergie.

Théorie générale de la relativité

Des prévisions précises du passé et de l'avenir de l'univers nécessitent une théorie précise de la gravitation. La meilleure théorie disponible est la théorie générale de la relativité d'Albert Einstein, qui a passé avec succès tous les tests expérimentaux jusqu'à présent. Cependant, comme des expériences rigoureuses n'ont pas été menées sur les échelles de longueur cosmologique, la relativité générale pourrait être inexacte. Néanmoins, ses prédictions semblent être conformes aux observations, il n'y a donc aucune raison d'adopter une autre théorie.

La relativité générale fournit un ensemble de dix équations différentielles partielles non linéaires pour la métrique espace-temps (équations de champ d'Einstein) qui doivent être résolues à partir de la distribution de la masse-énergie et du moment dans l'univers. Comme ces équations sont inconnues dans leurs détails exacts, les modèles cosmologiques ont été basés sur le principe cosmologique, qui stipule que l'univers est homogène et isotrope. En effet, ce principe affirme que les effets gravitationnels des différentes galaxies qui composent l'univers sont équivalents à ceux d'une fine poussière distribuée uniformément dans tout l'univers avec la même densité moyenne. L'hypothèse d'une poussière uniforme permet de résoudre facilement les équations de champ d'Einstein et de prédire le passé et l'avenir de l'univers sur des échelles de temps cosmologiques.

Les équations de champ d'Einstein comprennent une constante cosmologique (Lamda : Λ), qui est liée à une densité énergétique de l'espace vide. Selon son signe, la constante cosmologique peut soit ralentir (Λ négatif), soit accélérer (Λ positif) l'expansion de l'univers. Bien que de nombreux scientifiques, dont Einstein, aient spéculé que Λ était nul, de récentes observations astronomiques de supernovae de type Ia ont détecté une grande quantité d'énergie sombre qui accélère l'expansion de l'univers. Des études préliminaires suggèrent que cette énergie sombre est liée à un Λ positif, bien que d'autres théories ne puissent pas encore être écartées.

Le modèle du Big Bang

Le modèle de Big Bang dominant explique bon nombre des observations expérimentales décrites ci-dessus, telles que la corrélation entre la distance et le décalage vers le rouge des galaxies, le rapport universel entre les atomes d'hydrogène et d'hélium, et l'omniprésence du rayonnement de fond isotrope des micro-ondes. Comme indiqué ci-dessus, le redshift résulte de l'expansion métrique de l'espace ; à mesure que l'espace lui-même s'étend, la longueur d'onde d'un photon voyageant dans l'espace augmente également, ce qui diminue son énergie. Plus un photon a voyagé longtemps, plus il a subi d'expansion ; par conséquent, les photons plus anciens provenant de galaxies plus lointaines sont les plus décalés vers le rouge. La détermination de la corrélation entre la distance et le décalage vers le rouge est un problème important en cosmologie physique expérimentale.

D'autres observations expérimentales peuvent être expliquées en combinant l'expansion globale de l'espace avec la physique nucléaire et la physique atomique. À mesure que l'univers s'étend, la densité énergétique du rayonnement électromagnétique diminue plus rapidement que celle de la matière, puisque l'énergie d'un photon diminue avec sa longueur d'onde. Ainsi, bien que la densité énergétique de l'univers soit aujourd'hui dominée par la matière, elle était autrefois dominée par le rayonnement ; poétiquement parlant, tout était lumière. À mesure que l'univers s'est étendu, sa densité énergétique a diminué et il est devenu plus froid ; ce faisant, les particules élémentaires de la matière ont pu s'associer de façon stable en des combinaisons toujours plus grandes. Ainsi, au début de l'ère dominée par la matière, des protons et des neutrons stables se sont formés, qui se sont ensuite associés en noyaux atomiques. À ce stade, la matière dans l'univers était principalement un plasma chaud et dense d'électrons négatifs, de neutrinos neutres et de noyaux positifs. Les réactions nucléaires entre les noyaux ont conduit à l'abondance actuelle des noyaux plus légers, en particulier l'hydrogène, le deutérium et l'hélium. Finalement, les électrons et les noyaux se sont combinés pour former des atomes stables, qui sont transparents à la plupart des longueurs d'onde du rayonnement ; à ce stade, le rayonnement s'est découplé de la matière, formant le fond isotrope omniprésent du rayonnement micro-ondes observé aujourd'hui.

D'autres observations ne trouvent pas de réponse claire dans la physique connue. Selon la théorie dominante, un léger déséquilibre de la matière par rapport à l'antimatière était présent lors de la création de l'univers, ou s'est développé très peu de temps après. Bien que la matière et l'antimatière se soient pour la plupart annihilées l'une l'autre, produisant des photons, un petit résidu de matière a survécu, donnant l'univers actuel dominé par la matière.

Plusieurs sources de données suggèrent également qu'une inflation cosmique rapide de l'univers s'est produite très tôt dans son histoire (environ 10 à 35 secondes après sa création). Des observations récentes suggèrent également que la constante cosmologique (Λ) n'est pas nulle, et que le contenu énergétique massique net de l'univers est dominé par une énergie sombre et une matière sombre qui n'ont pas été caractérisées scientifiquement. Elles diffèrent par leurs effets gravitationnels. La matière noire gravite comme la matière ordinaire, et ralentit donc l'expansion de l'univers ; en revanche, l'énergie sombre sert à accélérer l'expansion de l'univers.

Certaines personnes pensent qu'il y a plus d'un Univers. Ils pensent qu'il existe un ensemble d'univers appelé le multivers. Par définition, il n'y a aucun moyen pour qu'un élément d'un univers affecte un élément d'un autre univers. Le multivers n'est pas encore une idée scientifique car il n'y a aucun moyen de le tester. Une idée qui ne peut pas être testée ou qui n'est pas basée sur la logique n'est pas une science. On ne sait donc pas si le multivers est une idée scientifique.

L'avenir de l'univers est un mystère. Cependant, il existe quelques théories basées sur les formes possibles de l'univers :

• Si l'univers est une sphère fermée, il cessera de s'étendre. L'univers fera le contraire et deviendra une singularité pour un autre Big Bang.
• Si l'univers est une sphère ouverte, il accélérera l'expansion. Au bout de 22 000 000 000 (22 milliards) d'années, l'univers se déchirera avec la force.
• Si l'univers est plat, il s'étendra à jamais. Toutes les étoiles perdront leur énergie pour cela et deviendront une étoile naine. Après une année de googol, les trous noirs auront également disparu.