Si la pollution lumineuse des villes le permet, tous les soirs vous pourrez assister à un spectacle sans pareil. Un noir profond derrière les innombrables points de lumière des étoiles les plus proches de la Terre et, espérons-le, une lueur laiteuse et subtile des milliards d’étoiles de la Voie lactée. Presque toute la lumière que vous voyez a voyagé des années et des siècles pour vous atteindre. Mais dans ces espaces noirs, vous voyez qu’il y a un vide profond habité par des milliards de galaxies bien au-delà, bien au-delà, que vos yeux ne peuvent percevoir.
Jorge Cham et Daniel Whiteson admettent que personne ne le sait dans leur livre “We have no idea : a guide to the unknown Universe” (Capitán Swing Publishing House). Grâce à des explications très divertissantes et amusantes et à de nombreuses illustrations amusantes, vous pourrez apprendre à quel point nous en savons peu sur les questions les plus essentielles de l’Univers. Des choses comme ce dont les choses sont faites, le temps et l’espace, pourquoi vous ne pouvez pas voyager plus vite que la lumière (presque jamais) ou pourquoi il y a des choses comme la matière noire et l’énergie.
L’une des questions que l’on peut se poser en regardant le ciel est celle de la taille de l’Univers. Jusqu’où cela va, s’il y a une limite, et qu’il y en a au-delà, si cela a du sens. Et sinon, l’Univers est-il infini ? Accepter cela implique que tout ce qui a une quelconque probabilité de se produire se produira, et qu’il le fera un nombre infini de fois : l’Univers sera-t-il peuplé d’infinies planètes colorées fluorescentes, habitées par des dragons bleus infinis ?
Ce que nous savons, c’est que “l’Univers est incroyablement grand et pratiquement vide”, écrivent Cham et Whiteson. “Si les étoiles étaient plus rapprochées, le ciel nocturne serait beaucoup plus lumineux. Si les étoiles étaient plus éloignées, le ciel nocturne serait sombre et déprimant. En ce sens, nous vous recommandons de lire cet article sur l’immensité du système solaire et la séparation de vos planètes.
Pourquoi l’Univers a-t-il une structure ?
D’accord, tout est vide et séparé, mais il s’avère qu’il est aussi structuré, fondamentalement par gravité, en d’énormes “morceaux” d’étoiles, groupes de galaxies gigantesques et familles de groupes de galaxies. “La structure de l’Univers est très hiérarchique : les planètes en orbite autour de la lune, les planètes en orbite, les étoiles en orbite autour du centre des galaxies, les galaxies se déplacent autour du centre de leurs amas et les amas tournent autour des centres des superamas, écrivent les auteurs de “We Have no Idea”.
Curieusement, ces supercumulus semblent être, pour le moment, la plus grande structure de l’Univers : ils forment des feuilles et des filaments de centaines de millions d’années-lumière de long et de dizaines de millions d’années-lumière de large (souvenez-vous que le Soleil est à 8,3 minutes-lumière de la Terre, que le système solaire a un rayon d’environ une année-lumière et que la voie lactée mesure 100.Pourquoi n’y a-t-il pas simplement une super galaxie ou un super système solaire, pourquoi y a-t-il une structure si compliquée et pourquoi ne sommes-nous pas simplement une soupe d’atomes ?
Des grumeaux aux galaxies
Sur plusieurs pages, Jorge Cham et Daniel Whiteson expliquent pourquoi. Fondamentalement, on croit que la cause est que dans un Univers très jeune certaines fluctuations sont apparues, fruit du caractère aléatoire de la mécanique quantique, ce qui l’a rendu non homogène. Ces rides se sont répandues partout, pendant la phase de gonflage, et ont ensuite permis à la masse de se concentrer sur certains points et non sur d’autres. Ces amas de masse ne cessèrent de croître et devinrent les graines de galaxies, qui à leur tour permirent la genèse d’étoiles et de planètes, ce qui peut sembler incroyable, mais tout cela a une base scientifique ! Le rayonnement de fond des micro-ondes, par exemple, un écho d’énergie qui montre à quoi ressemblait l’Univers il y a longtemps, a de petites ondulations qui correspondent à ces fluctuations quantiques pertinentes.
Puis la gravité s’en est tirée. Il a formé des planètes et dans certaines d’entre elles, il a réussi à créer des noyaux fusionnés par pression. Il a tellement comprimé le gaz des étoiles qu’il leur a permis d’exploser par fusion nucléaire sans se retrouver en morceaux. Cependant, la plus grande partie de la gravité est associée à la matière noire et à l’attraction qui maintient les galaxies ensemble, même si leurs étoiles tournent à une vitesse vertigineuse (le système solaire tourne à une vitesse incroyable de 828 000 kilomètres à l’heure par rapport à la galaxie).
Mais qu’est-ce que l’espace ?
Maintenant que nous comprenons que les fluctuations quantiques, dans une origine, et la gravité, plus tard, ont permis à la structure de l’Univers d’apparaître, nous avons seulement besoin de comprendre jusqu’où elle va. Facile, n’est-ce pas ?
Pour pouvoir répondre à cette question, il est important de garder à l’esprit quelque chose qui peut être très choquant : l’espace est une chose. Si l’on vous demande d’imaginer l’espace, vous pouvez imaginer un vide, un cube transparent ou blanc situé entre différents points de référence ou objets, ou comme une sorte de scène vide, une absence de choses, où, paradoxalement, des choses se produisent. “Si vous poursuivez ce raisonnement, il s’avère que l’espace est quelque chose qui peut exister par lui-même, sans pour autant le remplir”, écrivent Cham et Whiteson.
Mais il se peut aussi que l’espace soit quelque chose qui ne peut exister sans matière, qui n’est rien d’autre que la relation entre la matière. “Selon cette perspective, on ne peut pas avoir d'”espace vide”, car l’idée d’espace au-delà du dernier fragment de matière n’a pas de sens. Par exemple, vous ne pouvez pas mesurer la distance entre deux particules si vous n’en avez pas. En d’autres termes, le concept d’espace disparaîtrait s’il n’y avait pas de particules pour le définir.
La plupart des physiciens ne considèrent aucune de ces explications comme vraie. L’espace n’est ni un vide qui existe seul, ni une relation entre la matière. C’est une chose physique qui déforme, ondule et se dilate, a des propriétés et des comportements, et réagit à la masse et à l’énergie de l’Univers, comme les scientifiques le découvrent progressivement. Pour l’instant, on a constaté que sa courbure est presque inexistante, qu’elle est pratiquement plate, car il y a en moyenne environ cinq atomes d’hydrogène (l’élément le plus abondant et le plus basique de l’Univers) par centimètre cube d’espace, ce qui correspond exactement à la quantité de matière à être.
L’Univers a-t-il des pixels ?
De plus, on peut se demander si l’espace est composé de bits d’espace individuels, comme les pixels d’un écran de télévision, ou s’il s’agit d’un continuum, infiniment uniforme à la plus petite échelle : y a-t-il un nombre infini d’endroits où une particule peut être entre deux points dans l’espace ? ou y a-t-il un nombre limité de positions ?
Nous n’en avons aucune idée. Les scientifiques savent que tout, la matière, l’énergie, les forces, est quantifié, expérimente des sauts discrets. En outre, on soupçonne qu’il existe une distance minimale entre deux choses, à partir de laquelle l’emplacement d’une particule, par exemple, n’est pas déterminé : en dessous de cette distance, il n’existe aucune information sur son emplacement. Cette séparation est la distance de Planck (h), et est équivalente à 10^-35 mètres. Il est fort possible que ce nombre soit une estimation approximative de la taille des pixels qui composent l’espace.
Si oui, “l’espace est un réseau de nœuds connectés, comme les stations de métro”. Ce que nous appelons espace ne sera donc pas “plus que les relations entre les noeuds, et toutes les particules de l’Univers seraient simplement des propriétés de cet espace, plus que des éléments qui s’y trouvent”, selon les auteurs du livre. En fait, la théorie des particules d’aujourd’hui est basée sur l’existence de champs quantiques remplissant l’espace. “Un champ signifie simplement qu’il y a un nombre ou une valeur associée à chaque point dans cet espace. Selon cette idée, les particules ne sont que des états excités de ces champs.
Quelle est la taille de l’Univers, alors ?
Maintenant que nous savons un peu mieux, ou peut-être même le contraire, ce qu’est l’espace, c’est quand nous pouvons répondre à la question de la taille de l’Univers, pourquoi ? Parce que ce qui s’est passé à l’époque de l’inflation, dans les moments qui ont suivi le Big Bang, a maintenant un sens : l’espace s’est élargi plus vite que la vitesse de la lumière.
Par conséquent, la taille de l’Univers est beaucoup plus grande que la vitesse de la lumière multipliée par l’âge de tous, 13,8 milliards d’années. Grâce à l’expansion de l’espace, nous pouvons voir des choses qui étaient plus proches de nous qu’elles ne le sont maintenant. Jusqu’à quand ? Jusqu’à une distance de 46,5 milliards d’années-lumière. C’est tout l’Univers que nous pouvons voir aujourd’hui.
Mais la vérité est que l’Univers est encore en expansion aujourd’hui à une grande vitesse, de sorte que, minute après minute, il est plus volumineux. Les choses s’éloignent de nous à mesure que l’espace lui-même s’élargit. Et, en fait, il y a des objets dont la distance de nous augmente si rapidement que la lumière qu’ils émettent ne nous atteindra jamais. “En d’autres termes, il est possible que l’Univers observable n’atteigne jamais le reste de l’Univers, et nous ne verrons jamais toute l’étendue des choses qui existent, écrivent les auteurs de We Have No Idea.
Par conséquent, nous ne saurons probablement jamais jusqu’où s’étend l’Univers.
L’Univers est-il infini ?
Mais en dehors de cela, il y a plusieurs conjectures. Comme l’écrivent Cham et Whiteson, certains ont proposé que “l’espace lui-même – cette chose qui se plie et se tord – est fini : il se courbe sur lui-même de sorte que si vous voyagez dans une direction vous finirez par atteindre le point à partir duquel vous êtes parti”. Si l’âge de l’Univers était suffisant (pour que la frontière de l’observable avance suffisamment), les mêmes objets apparaîtraient plusieurs fois dans le ciel.
Il se pourrait aussi que l’Univers soit infini et possède des quantités infinies de matière et d’énergie, pourquoi pas ? Le concept est difficile à accepter, mais n’est-il pas aussi difficile d’accepter l’existence de centaines de milliards de galaxies, ne nous en coûtera-t-il pas de l’accepter parce que l’Univers est la seule chose infinie que nous pouvons observer ? Dans ce scénario, il arrive que tout ce qui peut arriver, avec une certaine probabilité, arrivera – à tel point qu’il arrivera des temps infinis ! Mais pour qu’un Univers infini corresponde à ce que nous voyons, il faut qu’il y ait une circonstance : que le Big Bang se soit produit en même temps partout… Bang !