Quoi d'autre la science exige du temps

Cet article est l'un des deux suppléments de l'article principal de Time. L'autre est "Foire aux questions sur le temps".

Table des matières
Que sont les théories de la physique?
La théorie de base
Théorie de la relativité
Théorie des quanta
Le modèle standard
Big Bang
Inflation cosmique
L'inflation éternelle et le multivers
Temps infini
1. Que sont les théories de la physique?

La réponse à cette question est philosophiquement controversée, et il existe une abondante littérature sur le sujet. Voici quelques brèves remarques.

Les théories de la physique sont parmi les outils les plus précieux de notre civilisation pour expliquer, prédire, et la compréhension. Différentes théories pourraient traiter le temps différemment. Dans nos théories fondamentales de la physique, la position philosophique standard est qu'un état de notre système physique décrit ce qu'il y a à un moment donné, et une loi décrit comment les choses changent avec le temps. Une loi est, tout au moins, un motif, celui qui décrit comment un état évolue vers un autre état. Une théorie est un ensemble de ces lois. Les lois des théories fondamentales peuvent être formulées sous forme d'équations mathématiques. Les lois sont locales dans le sens où elles doivent mentionner l'ici-bas maintenant mais pas l'univers lointain, ni le passé ni le futur. Ces lois sont les mêmes partout et à tout moment. Nous n'avons aucune raison a priori de penser que les théories physiques doivent être comme ça, mais l'hypothèse a été très fructueuse. Nous avons de la chance de vivre dans un monde si explicable, prévisible et compréhensible, et qui est régi par si peu de lois.

Le terme théorie dans cet article est utilisé dans un sens technique, pas dans le sens d'une explication comme dans la remarque, "Ma théorie est que la souris a volé le fromage,» ni dans le sens d'une prédiction comme dans la remarque, "Ma théorie est que la souris volera le fromage." La théorie générale de la relativité est un exemple de notre sens voulu du terme « théorie ». Les théories scientifiques sont conçues pour produire des explications, de ne pas englober tous les faits spécifiques. C'est pourquoi il n'y a pas de théorie scientifique qui précise votre numéro de téléphone. Certaines théories sont exprimées assez précisément, et certains sont exprimés avec moins de précision. Ceux qui sont assez précis sont souvent appelés modèles, et en physique, les lois de ces modèles sont exprimées dans le langage des mathématiques. Ce sont les théories de la physique mathématique discutées ci-dessous. La plupart des chercheurs diraient que le modèle devrait nous dire comment le système modélisé se comporterait si certaines conditions devaient être modifiées d'une manière spécifiée., par exemple, si la densité était doublée ou si la Lune n'était pas présente. Cela nous renseigne sur la structure causale du système modélisé.

Les lois sont les principales, affirmations générales d'une théorie. L'affirmation selon laquelle Mars est plus éloignée du Soleil que la Terre n'est pas considérée comme une loi car elle n'est pas assez générale. En raison de l'influence d'Isaac Newton, les physiciens suivants ont supposé que les lois de la physique sont invariantes par translation dans le temps. Cette invariance dans le temps implique que les lois de la physique que nous avons maintenant sont les mêmes que celles qui s'appliquaient dans le passé et qui s'appliqueront dans le futur.. La loi selon laquelle les lois de la science physique ne changent pas d'un moment à l'autre et sont donc invariantes par translation dans le temps n'est pas elle-même invariante par translation dans le temps, de sorte que la loi est considérée comme une méta-loi plutôt qu'une loi. Que ce soit vrai est une autre affaire.

À. La théorie de base

Certaines théories physiques sont fondamentales, et certains ne le sont pas. Les théories fondamentales sont fondamentales dans le sens où leurs lois ne peuvent pas être dérivées des lois d'autres théories physiques, même en principe. Par exemple, la deuxième loi de la thermodynamique n'est pas fondamentale, ni les lois de la tectonique des plaques en géophysique. Les deux théories suivantes sont fondamentales: (J’ai) la théorie de la relativité générale, et (Ii) mécanique quantique, y compris le modèle standard de la physique des particules. Leur fusion est ce que le lauréat du prix Nobel Frank Wilczek a appelé la théorie du noyau, la théorie de presque tout ce qui est physique. Les scientifiques pensent que cela ne tient pas seulement dans notre système solaire, mais partout dans l'univers. Wilczek a revendiqué:

[J]il Core a un tel succès prouvé sur une énorme gamme d'applications que je ne peux pas imaginer que les gens voudront un jour le jeter. j'irai plus loin: Je pense que le Core fournit une base complète pour la biologie, chimie, et l'astrophysique stellaire qui ne nécessitera jamais de modification. (Bien, "Jamais est un long temps. Disons pour quelques milliards d'années.)

Cette affirmation selon laquelle le Noyau nous donne toutes les lois fondamentales dont nous aurons besoin pour expliquer les phénomènes de nos vies ordinaires implique que c'est tout ce qui est nécessaire pour expliquer la cause de la mort de votre futur arrière-petit-enfant et pourquoi cette feuille particulière est maintenant couché dans la rue. La théorie du noyau n'inclut pas la théorie du big bang, et il n'utilise pas les termes flèche du temps ou maintenant ou même midi. Le concept de temps dans la Théorie fondamentale est primitif ou « brut ». Il est utilisé pour définir et expliquer d'autres concepts temporels tels que simultané et antérieur..

La théorie du noyau ne contient pas les concepts de pomme de terre, planète, ou personne; ce sont des concepts émergents qui sont nécessaires dans de bonnes explications aux échelles supérieures. Patates, les planètes et les personnes ont été considérées par un certain nombre de philosophes du XXe siècle comme étant simplement des sommes méréologiques différentes de particules, mais le point de vue majoritaire au XXIe siècle est que la pomme de terre, les planètes et les personnes sont, plutôt, modèles stables dans le temps des champs quantiques pertinents.

Le Core a été testé dans de nombreuses circonstances extrêmes et avec une grande sensibilité, donc les physiciens ont une grande confiance en lui. Il ne fait aucun doute que pour les besoins de la physique, la théorie du noyau fournit une représentation manifestement supérieure de la réalité à celle fournie par ses alternatives., y compris l'image du manifeste. Mais tous les physiciens savent que le Core n'est pas vrai, et ils savent que toutes ses théories fondamentales ont besoin d'être révisées. Les physiciens sont motivés pour trouver où cela échoue, car une telle découverte peut susciter de grands éloges de la part du reste de la communauté des physiciens.. Wilczek dit que le noyau n'aura jamais besoin de modification pour comprendre les sciences spéciales de la biologie, chimie, astrophysique stellaire, informatique et ingénierie, mais il conviendra que le noyau devra être révisé pour des problèmes plus ésotériques tels que les neutrinos changeant d'identité au fil du temps, le déséquilibre entre la matière et l'antimatière, l'incompatibilité de la relativité générale et de la mécanique quantique, et pourquoi l'énergie de l'espace vide est aussi petite qu'elle est.

La théorie du noyau présuppose que le temps existe, qu'il émerge de l'espace-temps, et que l'espace-temps est fondamental et non émergent. Dans la théorie du noyau, la théorie de la relativité permet à l'espace de se courber, ondulation, et développez; et la courbure, ondulation, et l'expansion peut changer avec le temps. La théorie quantique ne permet rien de tout cela, bien qu'une future révision de la théorie du noyau via une théorie de la gravité quantique permettra sûrement toutes ces caractéristiques de la relativité.

La théorie du noyau repose sur une autre hypothèse, le paradigme laplacien bien accepté qui implique que les physiciens devraient rechercher des lois décrivant comment un état d'un système à un moment donné se transforme en un état différent à un autre moment. David Allemand, Claire Marletto, et leurs corroborants (Deutsch 2013) ont défié ce paradigme et proposé leur alternative, Théorie des constructeurs, qui, entre autres, nécessite du temps pour être une caractéristique émergente de la nature à partir d'un substrat intemporel. L'hypothèse selon laquelle l'espace-temps est fondamental a également été remise en question par une suggestion selon laquelle l'espace-temps émerge peut-être d'un enchevêtrement quantique dans un système de dimension inférieure..

2. Théorie de la relativité

Le temps est fondamental dans la théorie de la relativité, et la théorie a beaucoup à dire sur la nature du temps. Lorsque le terme théorie de la relativité est utilisé, it usually means the general theory of relativity of 1915, but sometimes it means the special theory of relativity of 1905. Les théories spéciales et générales ont été bien testées; et ils continuent d'être testés. Ils sont presque universellement acceptés, et les physiciens d'aujourd'hui les comprennent mieux qu'Einstein.

La relation entre les théories spéciales et générales est légèrement compliquée. Les deux théories concernent le mouvement des objets et les deux approchent l'accord avec la théorie de Newton plus la vitesse des objets est lente, plus les forces gravitationnelles sont faibles, et plus l'énergie de ces objets est faible. La relativité restreinte implique que les lois de la physique sont les mêmes pour tous les observateurs inertiels, c'est, les observateurs qui se déplacent à une vitesse constante les uns par rapport aux autres constateront que tous les phénomènes obéissent aux mêmes lois. La relativité générale implique que les lois sont les mêmes même pour les observateurs accélérant les uns par rapport aux autres, comme changer leur vitesse en raison de l'influence de la gravitation. La relativité générale est valable dans tous les référentiels, mais la relativité restreinte ne vaut que pour les référentiels inertiels, à savoir les trames non accélératrices.

La relativité restreinte permet aux objets d'avoir une masse mais pas de gravité. Il nécessite toujours une géométrie plate, c'est-à-dire, une géométrie euclidienne pour l'espace et une géométrie minkowskienne pour l'espace-temps. La relativité générale n'a pas ces restrictions. La relativité générale est une théorie spécifique de la gravité, en supposant que la théorie est complétée par une spécification de la distribution de la matière-énergie à un moment donné. La relativité restreinte n'est pas une théorie spécifique mais plutôt un cadre général pour les théories, et ce n'est pas une version spécifique de la relativité générale. La relativité générale n'est pas non plus une généralisation de la relativité restreinte. La principale différence entre les deux est que, en relativité générale, l'espace-temps n'existe pas simplement passivement en tant qu'arène d'arrière-plan pour des événements. Plutôt, l'espace-temps est dynamique en ce sens que les changements dans la distribution de la matière et de l'énergie sont des changements dans la courbure de l'espace-temps (mais pas nécessairement l'inverse).

La théorie de la relativité est généralement considérée comme une théorie basée sur la causalité:

On peut prendre la relativité générale, et si vous demandez ce que ces mathématiques sophistiquées affirment vraiment sur la nature de l'espace et du temps, ce qu'il affirme à propos de l'espace et du temps, c'est que les relations les plus fondamentales sont des relations de causalité. C'est la façon moderne de comprendre la théorie de la relativité générale d'Einstein… Si vous écrivez une liste de toutes les relations causales entre tous les événements de l'univers, vous décrivez la géométrie de l'espace-temps presque complètement. Il reste encore quelques informations à fournir, qui compte, c'est combien d'événements ont lieu.... La causalité est l'aspect fondamental du temps. (Lee Smolin)

Dans les théories fondamentales, the word time is a theoretical term, et la dimension du temps est traitée un peu comme une seule dimension de l'espace. L'espace est un ensemble de tous les emplacements de points possibles. Le temps est un ensemble de tous les instants possibles. L'espace-temps est un ensemble de tous les événements ponctuels possibles. L'espace-temps est supposé être à quatre dimensions et également lisse, avec le temps étant un distingué, sous-espace unidimensionnel de l'espace-temps. Parce que la dimension temporelle est si différente de la dimension spatiale, les physiciens parlent très souvent de (3+1)-dimensional spacetime rather than 4-dimensional spacetime. Techniquement, n'importe quel espace-temps, peu importe combien de dimensions il a, doit être une variété différentiable avec un champ de tenseur métrique défini dessus qui indique quelle géométrie il a à chaque point. La théorie de la relativité et la théorie quantique supposent que l'espace tridimensionnel est isotrope (rotation symétrique) et homogène (traduction symétrique) et qu'il existe une symétrie de translation dans le temps. Although physical laws determine the totality of physically allowed situations and processes, les systèmes physiques spécifiques dans l'espace-temps n'ont pas besoin de montrer ces symétries; seules les lois physiques doivent.

(Pour les connaisseurs: Les espaces-temps relativistes généraux sont des variétés construites à partir de cartes impliquant des sous-ensembles ouverts de R4. La relativité générale ne considère pas un temps comme un ensemble d'événements simultanés qui se produisent ou pourraient se produire à ce moment; c'est une conception newtonienne. Au lieu de cela, la relativité générale définit le temps en termes de structures de cônes de lumière à chaque endroit. La théorie exige que l'espace-temps ait au moins quatre dimensions, pas exactement quatre dimensions.)

La théorie de la relativité implique que le temps est lisse, continu, et sans lacunes, comme une ligne mathématique. Cette caractéristique a été soulignée pour la première fois par le philosophe John Locke à la fin du XVIIe siècle, mais il est entendu ici de manière plus détaillée, sens technique développé vers la fin du XIXe siècle pour le calcul.

Selon la théorie de la relativité et la mécanique quantique, le temps n'est pas discret ou quantifié ou atomistique. Plutôt, la structure des points-temps est un continuum linéaire avec la même structure que la ligne mathématique ou que les nombres réels dans leur ordre naturel. Pour n'importe quel moment, il n'y a pas de prochaine fois parce que les temps sont tellement serrés. Le temps étant un continuum implique qu'il existe un nombre indénombrable infini de points-temps entre deux points-temps non simultanés. Certains philosophes des sciences ont objecté que ce nombre était trop grand, et nous devrions utiliser la notion d'infini potentiel d'Aristote et non la notion de la fin du XIXe siècle d'un infini achevé. Néanmoins, accepter la notion d'un infini réel non dénombrable est l'idée clé utilisée pour résoudre les paradoxes de Zénon et pour supprimer les incohérences dans le calcul.

Les lois fondamentales de la physique supposent que l'univers est une collection d'événements ponctuels qui forment un continuum à quatre dimensions, et les lois nous disent ce qui se passe après que quelque chose d'autre se soit produit ou parce que cela se produit. Ces lois décrivent le changement mais ne changent pas elles-mêmes. C'est du moins ce que sont les lois dans le premier quart du XXIe siècle, mais on ne peut pas savoir a priori que c'est toujours ainsi que les lois doivent être.

Bien que la théorie de la relativité considère le temps comme ayant la même structure exotique que la ligne mathématique en ce sens qu'il consiste en un continuum de points temporels, aucune expérience n'est si fine qu'elle pourrait montrer que les temps sont aussi proches les uns des autres, bien qu'il existe des expériences possibles qui pourraient montrer que l'hypothèse est fausse si elle était fausse et si la granularité du temps devait être suffisamment grande.

Au XXIe siècle, l'un des objectifs les plus importants de la physique est de découvrir/inventer une théorie de la gravité quantique qui unit les meilleures parties de la théorie quantique et de la théorie de la relativité. Einstein claimed in 1916 that his general theory of relativity needed to be replaced by a theory of quantum gravity. Un grand nombre de physiciens du 21e siècle pensent qu'une théorie réussie de la gravité quantique nécessitera de quantifier le temps afin qu'il y ait des atomes de temps.

S'il existe une chose telle qu'un atome de temps et donc une chose telle qu'un instant suivant et un instant précédent, alors le temps ne peut pas être comme la ligne des nombres réels, car aucun nombre réel n'a de nombre suivant. On suppose que si le temps était discret, a good estimate for the duration of an atom of time is 10-44 seconds, le temps dit de Planck. Aucun physicien ne peut encore proposer une expérience pratique sensible à cette petite échelle de phénomènes. Pour plus de discussions, voir (Tegmark 2017).

Les théories de la relativité restreinte et générale impliquent que placer un cadre de référence sur l'espace-temps revient à choisir quelle partie de l'espace-temps est la partie spatiale et quelle est la partie temporelle. Aucun choix n'est objectivement correct, bien que certains choix soient beaucoup plus pratiques à certaines fins. Cette relativité du temps, à savoir la dépendance du temps à un choix de cadre de référence, est l'une des implications les plus importantes des théories de la relativité restreinte et générale.

Depuis la découverte de la théorie de la relativité, les scientifiques en sont venus à croire que toute description objective du monde ne peut être faite qu'avec des déclarations qui sont invariantes sous les changements du cadre de référence. En disant, “It is 8:00” n'a pas de valeur de vérité à moins qu'un cadre de référence spécifique ne soit impliqué, tel qu'un fixé à la Terre avec le temps étant le temps qui est mesuré par l'horloge standard de notre civilisation. Cette relativité du temps aux cadres de référence est à l'origine de la remarque selon laquelle les théories de la relativité d'Einstein impliquent que le temps lui-même n'est pas objectivement réel mais que l'espace-temps est réel.

En ce qui concerne l'idée de relativité pour encadrer, Newton dirait que si vous êtes assis dans un véhicule circulant sur une route, alors ta vitesse par rapport au véhicule est nulle, mais ta vitesse par rapport à la route n'est pas nulle. Einstein serait d'accord. Toutefois, il surprendrait Newton en disant que la longueur de votre véhicule est légèrement différente dans les deux référentiels, celui dans lequel le véhicule est à l'arrêt et celui dans lequel la route est à l'arrêt. Tout aussi surprenant pour Newton, la durée de l'événement où vous buvez une tasse de café dans le véhicule est légèrement différente dans ces deux cadres de référence. Ces effets relativistes sont appelés contraction de l'espace et dilatation du temps, respectivement. Ainsi, la longueur et la durée dépendent de la trame et, pour cette raison, disent les physiciens, ce ne sont pas des caractéristiques objectivement réelles des objets. Les vitesses sont également relatives au cadre de référence, à une exception près. La vitesse de la lumière dans le vide a la même valeur c dans tous les référentiels. Et la contraction de l'espace et la dilatation du temps changent ensemble de sorte que la vitesse de la lumière dans le vide est toujours le même nombre.

La théorie de la relativité permet une grande latitude dans la sélection des classes d'événements simultanés, comme indiqué sur ce schéma. Parce qu'il n'y a pas de cadre unique objectivement correct à utiliser pour spécifier quels événements sont présents et lesquels sont passés, mais seulement des événements plus ou moins pratiques, une implication philosophique de la relativité du temps est qu'il semble plus difficile de défendre l'A de McTaggart. -théorie qui implique que les propriétés temporelles des événements tels que "se passe maintenant" ou "s'est produit dans le passé" sont intrinsèques aux événements et sont objectives, propriétés sans cadre de ces événements. En bref, the relativity to frame makes it difficult to defend absolute time.

La théorie de la relativité remet en question d'autres ingrédients de l'image manifeste du temps. Pour deux événements A et B se produisant au même endroit mais à des moments différents, la théorie de la relativité implique que leur ordre temporel est absolu dans le sens d'être indépendant du cadre de référence, et cela s'accorde avec le sens commun et donc l'image manifeste du temps, mais s'ils sont éloignés l'un de l'autre et se produisent suffisamment près dans le temps pour être dans l'ailleurs absolu de l'autre, alors la théorie de la relativité implique que l'événement A peut se produire avant l'événement B dans un cadre de référence, mais après B dans un autre cadre, et simultanément avec B dans un autre cadre. Personne avant Einstein n'a jamais imaginé que le temps avait une caractéristique aussi étrange.

Les théories restreintes et générales de la relativité fournissent des descriptions précises du monde lorsque leurs hypothèses sont satisfaites. Les deux ont été soigneusement testés. La théorie spéciale ne mentionne pas la gravité, and it assumes there is no curvature to spacetime, mais la théorie générale exige une courbure en présence de masse et d'énergie, et il faut que la courbure change à mesure que leur distribution change. La présence de la gravité dans la théorie générale a permis à la théorie d'être utilisée pour expliquer des phénomènes qui ne peuvent pas être expliqués avec la relativité restreinte et la théorie de la gravité de Newton et la théorie de l'électromagnétisme de Maxwell.

En raison de la relation entre l'espace-temps et la gravité, les équations de la relativité générale sont beaucoup plus compliquées que celles de la relativité restreinte. Mais la relativité générale suppose que les équations de la relativité restreinte tiennent au moins dans toutes les régions infinitésimales de l'espace-temps.

Pour donner un exemple de la complexité que je viens de mentionner, the special theory clearly implies there is no time travel to events in one’s own past. Experts do not agree on whether the general theory has this same implication because the equations involving the phenomena are too complex to solve directly. Des solutions approximatives doivent être utilisées, pourtant il y a toujours un désaccord sur le voyage dans le temps.

À propos de la courbure du temps et de l'espace, la présence de masse en un point implique une courbure intrinsèque de l'espace-temps en ce point, mais toutes les courbures de l'espace-temps n'impliquent pas la présence de masse. L'espace-temps vide peut toujours avoir une courbure, selon la théorie de la relativité. Ce point a été interprété par de nombreux philosophes comme une bonne raison de rejeter le relationnisme classique de Leibniz. Le point a été mentionné pour la première fois par Arthur Eddington.

Deux précis, les horloges synchronisées ne restent pas synchronisées si elles subissent des forces gravitationnelles différentes. C'est un deuxième type de dilatation du temps, en plus de la dilatation due à la vitesse. Ainsi, l'heure d'une horloge correcte dépend de l'histoire de l'horloge de la vitesse et de l'influence gravitationnelle. La dilatation gravitationnelle du temps serait particulièrement apparente si une horloge s'approchait d'un trou noir. Le rythme de tic-tac d'une horloge s'approchant du trou noir ralentit radicalement à l'approche de l'horizon du trou, à en juger par le rythme d'une horloge qui reste en toute sécurité sur Terre. Ce ralentissement est parfois décrit à tort comme un ralentissement du temps. Après qu'une horloge tombe à travers l'horizon des événements, il ne peut plus rapporter ses valeurs à la Terre, et quand il atteint le centre du trou, non seulement il s'arrête, mais il atteint aussi la fin des temps, la fin de son temps propre.

La théorie générale de la théorie de la relativité a des implications supplémentaires pour le temps. In 1948-9, le logicien Kurt Gödel a découvert des solutions radicales aux équations d'Einstein, solutions dans lesquelles il existe des courbes fermées de type temps dans les représentations graphiques de l'espace-temps. La courbure inhabituelle est due à la rotation de toute la matière dans l'univers possible de Gödel. Au fur et à mesure que l'on progresse dans le temps le long d'une de ces courbes, on revient à son point de départ. Heureusement, il n'y a aucune preuve empirique que notre propre univers a cette rotation. Voici la réaction d'Einstein aux travaux de Gödel sur le voyage dans le temps:

L'essai de Kurt Gödel constitue, à mon avis, une contribution importante à la théorie de la relativité générale, notamment à l'analyse de la notion de temps. Le problème posé ici m'a dérangé déjà à l'époque de la construction de la théorie générale de la relativité, sans que j'aie réussi à le préciser.

En physique mathématique, l'ordre des instants par la relation de préséance temporelle qui se passe avant est complet en ce sens qu'il n'y a pas de lacunes dans la séquence des instants. Tout intervalle de temps est lisse, donc les points du temps forment un continuum linéaire. Contrairement aux objets physiques, on pense que le temps physique est divisible à l'infini, c'est-à-dire, divisible dans le sens de l'infini en réalité, pas simplement dans le sens d'Aristote de potentiellement infini. Concernant la densité des instants, les instants ordonnés sont si denses qu'entre deux, il y en a un troisième, de sorte qu'aucun instant n'a d'instant suivant. Concernant la continuité, le temps étant un continuum linéaire implique qu'il existe une infinité non dénombrable d'instants entre deux instants non simultanés. La ligne des nombres rationnels n'a pas autant de points entre une paire de points différents; elle n'est pas continue comme l'est la droite des nombres réels, mais contient plutôt de nombreuses lacunes. Les nombres réels tels que pi, qui n'est pas un nombre rationnel, combler les lacunes.

La structure temporelle réelle des événements peut être intégrée dans les nombres réels, au moins localement, mais que diriez-vous de l'inverse? C'est, dans quelle mesure sait-on que les nombres réels peuvent être intégrés de manière adéquate dans la structure des instants, au moins localement? Cette question demande la justification de dire que le temps n'est pas discret ou atomistique. The problem here is that the shortest duration ever measured is about 250 zeptoseconds. Une zeptoseconde est de 10 à 21 secondes. For times shorter than about 10-43 second, qui est le candidat préféré des physiciens pour la durée d'un atome de temps, la science n'a aucune base expérimentale pour affirmer qu'entre deux événements quelconques il y a un troisième. Plutôt, la justification de dire que les réels peuvent être intégrés dans un intervalle d'instants est que (J’ai) l'hypothèse de continuité est très utile car elle permet d'utiliser les méthodes mathématiques de calcul dans la physique du temps; (Ii) il n'y a pas d'incohérences connues dues à cette hypothèse; et (iii) il n'y a pas de meilleures théories disponibles. La qualification plus tôt dans ce paragraphe à propos de "au moins localement" est là dans le cas où il y a un voyage dans le temps vers le passé de sorte que la durée totale de la boucle temporelle est finie. Un cercle est continu, et unidimensionnel, mais c'est fini, et c'est comme les nombres réels seulement localement.

On peut imaginer deux tests empiriques qui révéleraient la discrétion du temps s'il était discret -(1) être incapable de mesurer une durée plus courte que certains minimums expérimentaux malgré des essais répétés, mais en s'attendant à ce qu'une plus petite durée soit détectable avec l'équipement actuel s'il y a vraiment une plus petite durée, et (2) détecter une petite panne de l'invariance de Lorentz. Mais si un résultat expérimental prétendument discret résiste à être traité comme une simple anomalie, peut-être en raison d'une erreur dans l'appareil de mesure, alors il devrait être soutenu par une théorie confirmée qui implique la valeur pour la durée de l'atome de temps. Cette situation est un exemple du noyau de vérité dans la blague de physique selon laquelle aucune observation n'est digne de confiance tant qu'elle n'est pas étayée par la théorie.

On remarque communément que, selon la théorie de la relativité, rien ne peut aller plus vite que la lumière. La remarque mérite quelques éclaircissements, sinon c'est faux. Voici trois façons d'aller plus vite que la lumière. (1) D'abord, le support doit être spécifié. La vitesse de la lumière dans certains cristaux peut être bien inférieure à c, say 40 miles per hour, et un cheval à l'extérieur du cristal pourrait distancer le faisceau lumineux. (2) Deuxième, la limite c s'applique uniquement localement aux objets dans l'espace par rapport à d'autres objets proches dans l'espace, et il faut qu'aucun objet ne passe un autre objet localement à plus vite que c. Toutefois, globalement, la théorie de la relativité générale n'impose aucune restriction sur la vitesse à laquelle l'espace lui-même peut s'étendre. Ainsi, deux galaxies distantes peuvent s'éloigner l'une de l'autre à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière simplement parce que l'espace intermédiaire s'agrandit. (3) Imaginez que vous êtes immobile à l'extérieur sur un sol plat et que vous dirigez votre pointeur laser vers une galaxie extrêmement lointaine. Dirigez maintenant le pointeur vers vos pieds. Au cours de ce processus, le point d'intersection du pointeur et du plan tangent au sol se déplacera vers vos pieds plus vite que la vitesse c. Cela ne viole pas la théorie de la relativité car le point d'intersection est simplement un objet géométrique, pas un objet physique, donc sa vitesse n'est pas limitée par la théorie de la relativité.

3. Théorie des quanta

Quantum theory is a special relativistic theory of quantum mechanics that includes the Standard Model of particle physics. La mécanique quantique et la théorie quantique ont leurs noms car elles impliquent que divers phénomènes, comme l'énergie et la charge, sont quantifiés en ce sens qu'ils ne changent pas de manière continue mais uniquement par multiples de pas discrets minimaux, étapes dites quantiques. Alors que dans le discours populaire un saut quantique est décrit comme un grand, saut significatif, c'est une description erronée. Un saut quantique est en fait le plus petit saut possible. Considérez un saut quantique comme un changement brusque. La théorie de la relativité ne quantifie pas l'énergie et la théorie quantique le fait, c'est donc l'une des nombreuses façons dont les deux théories sont en désaccord l'une avec l'autre. Mais tout n'est pas quantifié en mécanique quantique; c'est, certains observables ont un continuum de résultats plutôt que des résultats possibles discrets. Le temps est un continuum à la fois dans la mécanique quantique et la théorie quantique comme dans la théorie de la relativité et la mécanique de Newton.

La théorie quantique est notre théorie la plus réussie dans toute la science. L'éventail et la variété des phénomènes qu'il peut expliquer avec succès sont remarquables. Pour deux exemples, cela explique pourquoi vous pouvez voir à travers une vitre mais pas une pomme de terre et pourquoi une vitre est dure, unlike light which is extremely soft. Before quantum theory, ceux-ci ont été pris pour des faits bruts de la nature.

Pour les philosophes, l'impact le plus important de la théorie quantique sur notre compréhension de l'univers est que soit (1) l'univers n'est pas local (parce qu'il y a un enchevêtrement dans tout système composite ou ce qu'Einstein a appelé "l'action effrayante à distance"), ou sinon (2) les mesures n'ont pas de résultats uniques (parce que chaque résultat possible se produit dans l'un des nombreux mondes alternatifs). Les deux disjonctions impliquent la non-séparabilité. C'est, ils impliquent que s'il y a intrication dans un système composite dans le monde réel, alors même si vous saviez tout ce qu'il était possible de savoir sur un système composite, vous serez toujours ignorant de certains des comportements de ses parties individuelles, ses parties ne peuvent donc pas être réellement "séparées" du tout. ==C'est le plus grand impact de la science sur notre image manifeste.

Étonnamment, les physiciens ne sont toujours pas d'accord sur la formulation exacte de la théorie quantique. Ses nombreuses soi-disant « interprétations » sont en réalité des versions concurrentes de la théorie. C'est pourquoi il n'y a pas d'accord sur ce que sont les axiomes de la théorie quantique. There is a disagreement among philosophers of physics regarding whether the competing interpretations are (1) empiriquement équivalent et sous-déterminé par les preuves et doit donc être décidé par des caractéristiques telles que leur élégance et leur simplicité mathématiques, ou (2) ne sont pas des théories empiriquement équivalentes et, plutôt, ils ont le statut de ne pas encore être réfutés par des preuves expérimentales.

Malgré le fait que l'équation de Schrödinger de l'univers évolue de manière déterministe, pour tout observateur humain qui n'est pas le démon de Laplace, les équations de la mécanique quantique ne nous disent pas précisément où se trouve une particule à un instant ultérieur mais seulement les probabilités de la retrouver à divers endroits si une mesure devait y être faite. Pensez à votre propre situation comme celle-ci. À tout moment, vous êtes confronté à une distribution de probabilité de ce qui se passera au cours des prochains instants possibles. Dans l'instant suivant, vous pouvez faire un pas à gauche ou à droite avec une probabilité égale, le soleil pourrait continuer à briller (avec une forte probabilité) ou arrête de briller (avec une faible probabilité), et ainsi de suite. Vous êtes confronté à tout moment à une distribution de probabilité concernant ce qui pourrait arriver. La distribution de probabilité évolue de manière déterministe selon la théorie quantique, mais cela n'enlève pas la probabilité.

Physicists assume the universe’s information is preserved from one time to the next. All the information was present at the Big Bang and persists today. D'après George Musser:

La préservation de l’information est synonyme de déterminisme…. Cela vient avec la mise en garde importante que l'information dont nous parlons est l'état quantique global, qui évolue selon l'équation de Schrödinger. Car tout sous-système de l'univers verra la génération ou la destruction d'informations. SCI. Suis., Jan. 2023, p. 6.

Et nous ne pouvons pas échapper aux probabilités. Parce que la théorie quantique décrit les objets en utilisant des probabilités et des ondes, les objets quantiques sont différents des objets décrits par la physique newtonienne et relativiste. Ces derniers, les théories classiques impliquent que les objets ont simultanément des positions et des vitesses définies, mais cette implication semble être incompatible avec le principe d'incertitude de Heisenberg dans la théorie quantique.

Aussi, en théorie quantique des champs, two particles with the same quantum values are absolutely identical except for location, tout comme deux instances du nombre sept sont parfaitement identiques, alors que nos meilleures instances de deux balles ne sont pas tout à fait les mêmes.

The famous two-slit experiment is usually interpreted as showing that a particle can be in two places at once. Malheureusement, les philosophes de la physique ne sont pas d'accord sur ce que la théorie quantique implique sur ce qu'est un objet, ce que cela signifie pour lui d'avoir un emplacement, nor on how an object maintains its identity over time before and after passing through a slit. Nor do they agree on what happens during a measurement, en particulier si la fonction d'onde quantique s'effondre ou non à une valeur spécifique (appelée « décohérence »). En supposant qu'il s'effondre pendant la mesure, les scientifiques ne sont pas d'accord sur le fait que l'effondrement est instantané ou juste bref. Georges Ellis, co-auteur avec Stephen Hawking du livre définitif The Large-Scale Structure of Space-Time, identifie une difficulté clé avec notre compréhension de la mesure quantique dans les théories qui disent que la fonction d'onde s'effondre pendant la mesure: "Généralement, on suppose que l'appareil de mesure n'obéit pas aux règles de la théorie quantique, mais cela contredit la présupposition selon laquelle toute matière est à sa base de nature mécanique quantique.

Concernant la probabilité, les physiciens sont en désaccord quant à savoir si la probabilité est objective ou subjective. Les partisans de l'interprétation relationnelle de la théorie quantique insistent sur le fait que l'état quantique d'un système dépend de l'observateur. Les partisans de l'interprétation des mondes multiples ou multivers de la théorie quantique disent que le chat de Schrödinger est vivant dans la moitié des univers qui se sont séparés depuis le début de l'expérience du chat, et il n'y a pas de probabilités fondamentales dans la Nature parce que la Nature est déterministe, ou du moins c'est quand tous les univers sont mis en scène. Concernant notre seul univers réel, the 50% probability is a product of our lack of knowledge of what is going on; nous ne sommes pas un dieu, nous ne pouvons donc pas avoir une vision objective du multivers et de sa fonction d'onde et nous ne pouvons donc pas savoir comment notre univers particulier évoluera dans le temps, mais un être omniscient ne s'encombre pas d'utiliser des probabilités.

L'état d'un système dans la théorie quantique est très différent de celui de la théorie newtonienne qui traite l'univers comme étant un déterministe., univers mécanique dans lequel il existe des entités matérielles bien définies dans l'espace et le temps. A cause de la superposition, les particules subatomiques peuvent exister dans plusieurs états simultanément et même à plusieurs endroits simultanément.

En mécanique quantique, l'état d'un système est une superposition de tous les résultats de mesure possibles, appelée « fonction d'onde » du système. La fonction d'onde est une combinaison de tous les résultats que vous pourriez obtenir en faisant une observation, avec des poids différents pour chaque possibilité. L'état d'un électron dans un atome, par exemple, sera une superposition de toutes les orbites autorisées avec des énergies fixes. La superposition représentant un état quantique donné peut être fortement concentrée sur un résultat spécifique - l'électron peut être presque parfaitement localisé sur une orbite avec une énergie particulière - mais en principe, tous les résultats de mesure possibles peuvent faire partie de l'état quantique.... Quand on dit qu'un état quantique est une superposition, we don’t mean “it could be any one of various possibilities, nous ne savons pas lequel. Nous voulons dire "c'est une combinaison pondérée de toutes ces possibilités en même temps". Si vous pouviez en quelque sorte jouer au "poker quantique,"Votre adversaire aurait vraiment une combinaison de chacune des mains possibles à la fois, et leur main ne deviendrait une alternative spécifique qu'une fois qu'ils auraient retourné les cartes pour que vous les regardiez. (Carroll, 2016, p. 163)

La fonction d'onde est un vecteur décrivant l'état d'un système. La fonction d'onde d'un système évolue en douceur et de manière réversible dans le temps et de manière déterministe, au moins lorsqu'une mesure n'est pas effectuée sur le système. Mais les philosophes ne sont pas d'accord sur la question de savoir si un état doit être interprété de manière réaliste ou instrumentale. Bien que la théorie quantique soit la théorie la plus réussie de l'histoire de la physique, les philosophes de la physique ne sont pas d'accord sur le point de savoir si la théorie quantique est une théorie de la réalité ou simplement un outil pour effectuer des mesures. Ils ne sont pas non plus d'accord sur le point de savoir si la fonction d'onde quantique est une représentation de la réalité ou plutôt une représentation de notre connaissance de la réalité.. Les physiciens ne sont pas d'accord sur le point de savoir si nous possédons actuellement les lois fondamentales de la théorie quantique, comme le croyait Everett, ou plutôt seulement une version incomplète des lois, comme le croyait Einstein.

Il existe de nombreuses interprétations concurrentes de la théorie quantique. David Alpert dit que la théorie des mondes multiples est la moins susceptible d'être vraie, et Sean Carroll dit que c'est le plus susceptible d'être vrai. La première théorie a été développée par Niels Bohr dans les années 1920. C'est ce qu'on appelle l'interprétation de Copenhague. L'idée de complémentarité de Bohr pour interpréter la mécanique quantique est que toutes les particules ont à la fois des aspects d'onde et de particule. Une description complète de la particule nécessite de spécifier à la fois son caractère ondulatoire et son caractère particulaire. L'implication est qu'aucune expérience ne peut fournir un résultat précis simultanément pour la valeur de la vitesse et de la position d'un électron.. L'implication n'a aucun effet pratique sur une mesure de votre comptoir de cuisine.

Considérez un proton. Examiné comme une particule, un proton a une largeur définie. Examiné comme une vague, le proton est une "bosse" relativement stable dans un champ de protons. La bosse n'a pas de largeur définie. Ainsi, dans un sens imparfait, un proton a et n'a pas une largeur définie. L'amplitude de la bosse est quantifiée; l'amplitude ne peut pas changer continuellement mais seulement par pas quantifiés.

L'interprétation de Copenhague dit que, quand quelqu'un fait une mesure sur un système, ce processus réduit la fonction d'onde qui décrit le système, et la probabilité de chute à une valeur particulière de la mesure est le carré de l'amplitude de la fonction d'onde. Toutefois, si aucune mesure n'est effectuée, alors le système ne s'effondre pas, mais est plutôt décrit complètement par la fonction d'onde qui obéit à l'équation de Schrödinger. Bohr donne à cette situation une interprétation antiréaliste: il n'y a aucun moyen que le monde soit quand il n'est pas observé. « Il est faux de penser que la tâche de la physique est de découvrir comment la nature est," il a dit. La physique n'est qu'un instrument pour nous dire ce que nous pouvons dire sur la nature. De nombreux physiciens s'opposent à cette interprétation anti-réaliste de la théorie quantique. L'interprétation d'Everett, par exemple, est réaliste, universel, et ne permet aucun effondrement de la fonction d'onde.

Le philosophe David Chalmers a promu une théorie radicale de la théorie quantique, celui qui promeut le dualisme de la propriété. Cette théorie implique que la conscience est une caractéristique fondamentale de la nature. Il spécule qu'il existe des propriétés intrinsèques de la conscience qui peuvent interagir avec les propriétés physiques ordinaires, et il suggère que la conscience effondre la fonction d'onde d'une manière similaire à la façon dont la mesure le fait dans l'interprétation de Copenhague.

La question du déterminisme occupe une place importante dans la théorie quantique. L'interprétation de Copenhague implique que lorsqu'un seul noyau d'uranium radioactif se désintègre à un moment donné, il n'y a pas de cause déterminante pour la carie; le mieux que notre théorie quantique puisse dire est qu'il y avait une certaine probabilité que la désintégration se produise à ce moment-là et qu'il y avait certaines probabilités pour d'autres résultats expérimentaux possibles. Selon l'interprétation de Copenhague, le voile statistique de la théorie quantique ne peut être percé. Ainsi, la mécanique quantique est indéterministe. Des situations de mesure identiques ne conduisent pas nécessairement au même résultat. Et en supposant que les raisons sont des causes, l'interprétation de Copenhague est également incompatible avec le principe de raison suffisante de Leibniz.

Toutefois, il existe des interprétations déterministes de la théorie quantique qui impliquent un type très différent de voile statistique. L'interprétation à plusieurs mondes ou interprétation Everettienne de la théorie quantique est déterministe sur la totalité des mondes, mais pas dans un seul monde tel que le monde réel. La théorie des mondes multiples implique que nous ne pouvons pas savoir quel monde est déterminé à se produire ensuite - par exemple, un monde dans lequel le chat de Schrödinger est vivant ou un monde dans lequel le chat est mort. Ce que nous pouvons savoir à l'avance, ce ne sont que les probabilités de nous trouver dans différents mondes .

La fonction d'onde de Schrödinger décrit comment les états d'un système quantique évoluent dans le temps. Cette fonction d'onde quantique détermine à un moment donné la fonction d'onde à tous les autres moments. Ainsi, si le Démon de Laplace connaissait la fonction d'onde, il pourrait calculer la fonction du tout plus tard et à tous les temps antérieurs. Toutefois, plutôt paradoxalement, Le principe d'incertitude de la théorie quantique de Heisenberg implique que, s'il existe des informations plus précises sur le moment où un événement se produit, alors il ne doit exister que des informations moins précises sur l'énergie impliquée. En raison de ce manque de précision de principe, il s'ensuit que la probabilité est inéliminable. Mais le débat philosophique se poursuit pour savoir si l'existence de cette probabilité est une contrainte épistémique ou un signe d'indéterminisme physique.

Le principe d'incertitude implique que les incertitudes dans les mesures simultanées de temps et d'émission ou d'absorption d'énergie doivent obéir à l'inégalité ΔE ∙ Δt ≥ h/4π, où ΔE est le (écart-type de la) l'incertitude de l'énergie, Δt est l'incertitude sur le temps, et h est la constante de Planck. Selon le montage expérimental, Δt pourrait être la durée pour effectuer la mesure d'énergie, ou il pourrait s'agir de la durée d'existence d'un état de particule mesuré. Ces incertitudes sont produites sur un ensemble de mesures parce que toute mesure unique a, en principe, une valeur précise et non « floue ». Des mesures répétées produisent une dispersion des valeurs qui révèlent les caractéristiques ondulatoires du phénomène mesuré. Normalement, la propagation est définie comme étant la variance ou l'écart type des mesures. Les philosophes de la physique ne sont pas d'accord sur le point de savoir si Δt est un manque de précision dans la nature elle-même ou un manque de connaissance des résultats précis des mesures ou une perturbation inévitable lors de la mesure. Heisenberg lui-même pensait que son principe d'incertitude concernait la façon dont il doit y avoir des perturbations dans les mesures. Indépendamment de, Δt est une mesure de la dispersion des valeurs pour plusieurs mesures de durée, et on peut considérer le principe d'incertitude comme une limitation des statistiques de mesures.

Une implication significative de ces remarques sur le principe d'incertitude pour le temps et l'énergie est qu'il peut y avoir des violations de la loi classique de la conservation de l'énergie. The classical law can be violated by ΔE for a time Δt. La théorie quantique contient une loi de conservation de l'énergie, mais cette loi est fréquemment décrite avec insouciance comme exigeant que, dans une région isolée de l'espace, la quantité totale d'énergie ne peut pas changer, peu importe ce qui se passe dans la région; seule l'énergie peut changer de forme. Cette explication n'est pas strictement correcte. Cette version de la loi est fréquemment violée pendant des intervalles de temps très courts et est moins susceptible d'être violée à mesure que l'intervalle de temps augmente. À long terme, mais, l'énergie est toujours conservée.

Considérez ce qui se passe pendant l'une de ces violations. Dans un système isolé, quantum theory allows so-called virtual particles to be created out of the quantum vacuum. These particles are real, mais ils empruntent de l'énergie au vide et la remboursent très rapidement. Ce qui se passe, c'est que, lorsqu'une paire de particules virtuelles énergétiques - disons, un électron et un anti-électron - sont créés à partir du vide, les deux n'existent que très peu de temps avant d'être anéantis ou réabsorbés et de rendre ainsi leur énergie empruntée. Plus l'énergie de la paire virtuelle est grande, plus l'intervalle de temps pendant lequel les deux existent avant d'être réabsorbés est court, tel que décrit par le principe d'incertitude de Heisenberg. Aux intervalles les plus courts, black holes would be continually created and the microscopic structure of spacetime would become a turbulent sea, la mousse dite quantique. Le cas échéant, la structure lisse de l'espace-temps n'est qu'une approximation qui fonctionne au-dessus de l'échelle de Planck. La question de savoir si la mousse quantique de Wheeler existe est une question ouverte. Ainsi, à proprement parler, la théorie quantique permet de créer quelque chose à partir de rien. Certains théologiens ont été scandalisés par cette conclusion, suggérant que seul Dieu a le pouvoir de créer quelque chose à partir de rien.

Les particules virtuelles provoquent une déformation de l'espace-temps autour d'elles, puis de se déformer car les particules disparaissent très rapidement. This coming in and out of existence creates all sorts of ultra-microscopic fluctuations known collectively as the quantum foam or space-time foam. The existence of this foam is why quantum mechanics implies there is turbulence at the smallest scales.

L'effet de toutes ces particules se tortillant dans et hors de l'être est une "énergie de vide" vibrante qui remplit le cosmos et pousse vers l'extérieur sur l'espace lui-même. Cette activité est l'explication la plus probable de l'énergie noire - la raison pour laquelle l'univers, plutôt que de rester statique ou même de se développer à un rythme régulier, accélère vers l'extérieur de plus en plus vite à chaque instant (Moskowitz 2021, p. 26).

Concernant la mousse quantique, John Wheeler a suggéré que la structure ultramicroscopique de l'espace-temps pour des périodes de l'ordre du temps de Planck (about 5.4 x 10-44 seconds) dans des régions de la taille de la longueur de Planck (about 1.6 x 10-35 meters) est probablement une mousse quantique dont la courbure change rapidement de l'espace-temps, avec des trous noirs et des paires de particules virtuelles et peut-être des trous de ver se formant et se dissolvant rapidement.

Le temps de Planck est le temps que met la lumière pour parcourir une longueur de Plank. Les termes longueur de Planck et temps de Planck étaient des inventions de Max Planck au début du XXe siècle au cours de sa quête pour trouver des unités de base de longueur et de temps qui ne pouvaient être exprimées qu'en termes de constantes universelles.. Il a défini l'unité de temps de Planck algébriquement comme

√(hG/c5).

√ est le symbole de la racine carrée. ħ est la constante de Planck en théorie quantique divisée par 2π; G est la constante gravitationnelle en mécanique newtonienne; c est la vitesse de la lumière dans le vide en théorie de la relativité. Trois théories différentes de la physique sont liées ensemble dans cette seule expression. The Planck time is a theoretically interesting unit of time, mais pas pratique. Aucune procédure expérimentale connue ne peut détecter des événements aussi brefs.

Il n'y a pas de particules isolées selon la mécanique quantique. Chaque particule est entourée de nombreuses autres particules, mostly virtual particles. Jusqu’à présent, cet article a parlé de particules virtuelles comme s'il s'agissait de particules ordinaires mais de courte durée. Ce n'est pas tout à fait correct. Les particules virtuelles ne sont pas exactement des particules comme les autres particules des champs quantiques. Les deux sont des excitations de ces champs, et ils ont tous deux des effets gravitationnels et donc des effets sur le temps, mais les particules virtuelles ne sont pas équivalentes aux particules quantiques ordinaires, bien que celles qui ont une durée de vie plus longue ressemblent davantage à des excitations de particules ordinaires que celles qui ont une durée de vie courte.

Les particules virtuelles ne sont qu'un moyen de calculer le comportement des champs quantiques, en prétendant que des particules ordinaires se transforment en particules étranges avec des énergies impossibles, et jetant ces particules d'avant en arrière entre elles. Un photon réel a exactement une masse nulle, mais la masse d'un photon virtuel peut être absolument n'importe quoi. Ce que nous entendons par « particules virtuelles » sont des distorsions subtiles dans la fonction d'onde d'une collection de champs quantiques… mais tout le monde les appelle des particules. [afin de garder leurs noms simples] (Carroll 2019, p. 316).

Pour résumer la discussion ci-dessus sur les particules virtuelles et la mousse quantique, on peut dire que si l'on pouvait se fier aux théories fondamentales, alors le temps est un continuum lisse. Toutefois, il y a des raisons de ne pas faire confiance aux théories fondamentales. A great many physicists believe time might be required to not be smooth and to break up for durations around the Planck interval of 10-43 seconds. Le raisonnement fait appel à la mécanique quantique, en particulier le principe d'incertitude de Heisenberg. Pour ces très courtes durées, de très grandes quantités de rayonnement peuvent être « empruntées ». Pour les intervalles de Planck dans de petits volumes comparables, John Wheeler a conjecturé que la gravité de cette grande quantité d'énergie deviendrait si forte que des trous noirs seraient créés et que la structure microscopique de l'espace-temps deviendrait une mer turbulente., la mousse dite quantique. Le cas échéant, la structure lisse de l'espace-temps n'est qu'une approximation qui fonctionne au-dessus de l'échelle de Planck. La question de savoir si la mousse quantique de Wheeler existe est une question ouverte.

L'intrication est une caractéristique inhabituelle de la théorie quantique qui implique le temps. ontologiquement, l'idée clé est que si une particule s'emmêle avec une ou plusieurs autres particules, alors il perd un peu de son individualité. Même si les théories de la relativité restreinte et générale placent la limite de vitesse c sur la vitesse à laquelle une influence causale peut se propager dans l'espace, la mécanique quantique classique n'a pas cette limite. Une mesure quantique d'un membre d'une paire de particules intriquées déterminera instantanément la valeur de toute mesure similaire qui pourrait être effectuée sur l'autre membre de la paire. Le concept de détermination de la valeur n'est pas tout à fait le même que celui de causer, et l'intrication ne peut pas être utilisée pour provoquer le transfert d'informations d'un endroit à un autre à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière.

Speaking about entanglement in 1935, Erwin Schrödinger a déclaré:

Mesures sur (spatialement) des systèmes séparés ne peuvent pas s'influencer directement, ce serait magique.

Einstein a accepté. Pourtant la magie semble exister. Avec des paires enchevêtrées, il y a de l'instantané, coordinated behavior across great distances. Voici un exemple. Considérons la production de deux électrons intriqués avec des spins corrélés. Considérez le spin comme l'inertie de l'orientation, le genre de chose qui maintient une toupie pointant dans la même direction. Ce qui est excitant et spécial, c'est que, bien que les deux électrons intriqués aient été créés pour qu'ils donnent, let’s say, les mêmes valeurs lorsque leurs spins sont mesurés, on peut montrer qu'ils n'ont pas été créés avec le même spin. Ce n'est pas que les deux ont commencé avec un spin up ou les deux ont commencé avec un spin down, mais seulement qu'il faudra plus tard qu'ils aient le même spin. Pour apprécier ce point "magique", séparer les deux par une grande distance. Effectuez maintenant une mesure de spin sur l'un des deux électrons intriqués. Supposons que le spin de cet électron soit mesuré jusqu'à. Si une mesure similaire devait être faite sur l'électron très éloigné, sa rotation serait relevée également. Et cette deuxième mesure peut être faite avant qu'une particule se déplaçant à la vitesse de la lumière n'ait le temps de transporter l'information au très lointain, deuxième particule à propos de ce qui s'est passé à la première particule. The transmission of coordinated behavior happens in zero time. It is hard for us who are influenced by the manifest image to believe that the two electrons did not start out with the spins that they were later found to have. L'image manifeste présuppose cette localité. La théorie quantique implique que l'intrication ou la non-localité se produit presque partout, c'est donc la valeur par défaut, et ce qu'il faut expliquer, c'est toute occurrence de localité - ou bien la théorie du multivers est correcte et les mesures n'ont pas de résultats uniques.

Certains physiciens, dont le philosophe David Albert, suggèrent que l'explication de phénomènes non locaux tels que l'intrication nécessite une certaine notion de simultanéité absolue, et donc une révision de l'hypothèse de la théorie générale de la relativité selon laquelle tous les cadres de référence sont légitimes (une hypothèse appelée invariance de Lorentz).

Tous les physiciens pensent que la relativité et la théorie quantique sont logiquement contraires. Ainsi, les deux théories doivent être remplacées par une théorie habituellement appelée gravité quantique qui est « plus fondamentale ». Il n'est généralement pas précisé ce qui fait qu'une théorie fondamentale est fondamentale, mais l'ensemble, idée vague est qu'une théorie fondamentale ne devrait pas laisser clairement quoi que ce soit nécessitant une explication qui pourrait recevoir une explication. Pour plus de détails sur ce que l'on entend ou devrait entendre par les termes théorie fondamentale, théorie plus fondamentale, et théorie finale, voir (Crowther 2019).

À. Modèle standard

Le modèle standard de la physique des particules a été proposé dans les années 1970, et il a ensuite été perfectionné et très bien testé. C'est la théorie physique la plus précise et la plus puissante de notre civilisation. Par exemple, il peut être utilisé pour expliquer pourquoi le tableau périodique a les valeurs qu'il a, et cela explique pourquoi le verre est rigide et transparent, mais les raisins ne sont ni raides ni transparents.

Le modèle standard de la physique des particules est en réalité une collection lâche de théories sur différents champs de particules. Il décrit tous les champs et forces connus et les particules avec quelques exceptions décrites à la fin de cet article. La principale exception concerne la gravité.

La théorie fixe les limites de ce qui existe et de ce qui peut arriver. Ça implique, par exemple, qu'un photon ne peut pas se désintégrer en deux photons. Cela implique que les protons attirent les électrons et ne les repoussent jamais. Cela implique également que chaque proton est constitué en partie de deux quarks up et d'un quark down qui interagissent entre eux en échangeant des gluons. Les gluons collent les particules ensemble via la force nucléaire forte tout comme les photons collent les électrons aux protons via la force électromagnétique. Gravitons, les particules porteuses de la gravité, coller une lune à une planète et une planète à une étoile. Contrairement à la façon dont Isaac Newton envisageait les forces, toutes les forces sont transmises par des particules. C'est, toutes les forces ont des particules porteuses qui "transportent" la force d'un endroit à un autre. Les gluons sont sans masse et transmettent la force forte; cette force "colle" les quarks ensemble à l'intérieur d'un proton. More than 90% of the mass of the proton consists in virtual quarks, antiquarks virtuels et gluons virtuels. Parce qu'ils n'existent que sur des échelles de temps très courtes, ils sont trop difficiles à détecter par une expérience pratique, et on les appelle donc « particules virtuelles ». Cependant, ce mot « virtuel » ne signifie pas « non réel ».

Les propriétés des points de l'espace-temps qui servent à distinguer une particule d'une autre sont les valeurs d'un point de l'espace-temps pour la masse, rotation, et charger à ce point. Il n'y a pas d'autres différences entre les points, donc dans ce sens la physique fondamentale est simple. Charge, mais, n'est pas simplement une charge électromagnétique. Il existe trois types de charge de couleur pour la force nucléaire forte, et deux types de charge pour la force nucléaire faible.

Sauf pour la gravité, le modèle standard décrit toutes les forces et interactions de l'univers, mais à proprement parler, ces théories portent sur les interactions plutôt que sur les forces. Une force n'est qu'un type d'interaction. Certaines interactions n'impliquent pas de forces mais transforment plutôt un type de particule en un autre type. Le proton, par exemple, change d'apparence en fonction de la façon dont il est sondé. L'interaction faible peut transformer un neutron en proton. C'est à cause de telles transformations que les concepts de quelque chose étant fait d'autre chose et d'une chose faisant partie d'un tout deviennent imprécis pendant de très courtes durées et de courtes distances.. La méréologie classique échoue; c'est l'étude formelle des parties et des touts qu'elles forment.

Most every kind of event and process in the universe is produced by one or more of the four interactions. When any particle interacts, dire avec une autre particule, les deux particules échangent d'autres particules, les soi-disant porteurs des interactions. Ainsi, quand le lait est renversé sur le sol, ce qui se passe, c'est que les particules du lait et les particules du sol et les particules de l'air ambiant échangent entre elles un grand nombre de particules porteuses, et l'échange est ce qu'on appelle « renverser du lait sur le sol ». Pourtant, toutes ces particules variées ne sont que de minuscules fluctuations de champs. L'image scientifique ici s'est éloignée très loin de l'image manifeste.

Selon le modèle standard, mais pas selon la théorie de la relativité générale, toutes les particules doivent se déplacer à la vitesse c à moins qu'elles n'interagissent avec d'autres champs. Toutes les particules de votre corps telles que ses protons et ses électrons se déplaceraient à la vitesse c si elles n'interagissaient pas continuellement avec le champ de Higgs. Le champ de Higgs peut être considéré comme une mer de mélasse qui ralentit tous les protons et électrons et leur donne la masse et l'inertie qu'ils ont.. Les neutrinos ne sont pas affectés par le champ de Higgs, mais ils bougent un peu moins que c car ils sont légèrement affectés par l'interaction faible.

Dès le premier quart du XXIe siècle, le modèle standard est incomplet car il ne peut pas tenir compte de la gravité, matière noire, énergie noire, et le fait qu'il y a plus de matière que d'anti-matière. Quand une nouvelle version du modèle standard fait tout cela, alors elle deviendra peut-être la « théorie du tout » tant recherchée.

4. Big Bang

La théorie classique du big bang implique que l'univers observable était autrefois extrêmement petit, dense, chaud, presque uniforme, et en expansion; et il avait une densité d'énergie extrêmement élevée et une courbure sévère de son espace-temps. Maintenant, il a perdu toutes ces propriétés, sauf qu'il est toujours en expansion et qu'il est presque uniforme à grande échelle..

Il y a beaucoup de preuves pour cela, mais la meilleure preuve est que, d'après nos observations des mouvements des galaxies, nous remarquons que, si le temps était inversé, toutes les galaxies se rejoindraient en même temps.

L'explosion du big bang était un gonflement de l'espace, not an explosion in a pre-existing void. C'est arrivé partout et pas au centre de quoi que ce soit.

On ne sait pas si l'univers existait avant le big bang, et la théorie classique du big bang n'a rien à dire sur la façon dont le bang a commencé.

Dans les années 1960, la théorie du big bang a remplacé la théorie de l'état stationnaire en tant que théorie dominante de la cosmologie, et la théorie est passée d'une spéculation à un fait. La théorie de l'état stationnaire a permis à l'espace de s'étendre en volume, mais il a compensé cela en fournissant une création spontanée de matière afin de maintenir la densité de l'univers stable, violant ainsi la loi de la conservation de l'énergie. Avant les années 1960, physicists were unsure whether proposals about cosmic origins were pseudoscientific and so should not be discussed in a well-respected physics journal. The term “big bang” was a derisive term coined by proponents of the steady state theory to emphasize that the big bang theory is incorrect, mais en raison de la large acceptation ultérieure de la théorie, le terme n'a plus de connotations négatives.

À en juger principalement par le taux actuel d'expansion spatiale de l'univers, plus l'hypothèse que la gravité a été la principale force affectant le changement de la taille de l'univers, it is estimated the explosion began 13.8 billion years ago. À ce moment-là, l'univers aurait eu un volume ultramicroscopique. Le processus explosif a créé un nouvel espace, et il crée encore un nouvel espace. En fait, in 1998, la théorie classique du big bang a été révisée pour dire que le taux d'expansion n'est pas constant mais s'est accéléré au cours des cinq derniers milliards d'années en raison de la présence omniprésente de l'énergie noire. L'énergie noire porte ce nom car on en sait si peu à part que sa quantité par unité de volume reste constante à mesure que l'espace s'étend. C'est, ça ne dilue pas.

Voici un diagramme radial de la façon dont l'univers ressemble à un observateur au soleil. Les distances par rapport au soleil sont sur une échelle logarithmique depuis le début du big bang, qui est représenté par le cercle extérieur. Le diagramme montre à l'envers à quel point l'univers s'est agrandi depuis qu'il était de taille ultramicroscopique:

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La présentation est inversée car le courant, grand volume de l'univers est affiché comme le petit centre du diagramme et l'ancien, tiny volume is displayed as the large outer ring.

On suppose qu'un diagramme radial centré sur n'importe quelle autre étoile ou n'importe quel endroit de l'univers ressemblerait beaucoup au diagramme ci-dessus, surtout plus on s'éloigne de son centre. En regardant depuis le centre du diagramme, vous voyez en arrière dans le temps - plus vous regardez loin, plus vous remontez dans le temps. Regarder de plus en plus loin, c'est regarder des moments où l'univers avait une entropie de plus en plus faible. La principale chose à retenir lorsque vous regardez ce diagramme est que plus vous vous éloignez du centre du diagramme, plus l'univers est petit; la limite extérieure du diagramme représente un univers ultramicroscopique au début du big bang. Les scientifiques sont très sûrs qu'il y a eu un big bang, et ils en savent beaucoup sur l'univers une seconde après le big bang, mais ils en savent très peu moins d'une microseconde après le big bang.

La théorie du Big Bang sous une forme ou une autre (avec ou sans gonflage) est accepté par presque tous les cosmologistes, astronomes, astrophysiciens, et philosophes de la physique, mais elle n'est pas aussi fermement acceptée que la théorie de la relativité. La théorie est née avec plusieurs personnes, although Edwin Hubble’s observations in 1929 were the most influential. In 1922, le physicien russe Alexandr Friedmann a découvert que la théorie de la relativité générale permet un univers en expansion. Malheureusement, Einstein a réagi en disant que c'est une simple possibilité physique mais sûrement pas une caractéristique de l'univers réel. Then the Belgian physicist Georges Lemaître suggested in 1927 that there is some evidence the universe is expanding, et il a défendu sa demande en utilisant des mesures publiées précédemment pour montrer un modèle selon lequel plus la distance d'une galaxie à la Terre est grande, plus la vitesse de la galaxie loin de la Terre est grande.. Il a calculé ces vitesses à partir des décalages Doppler de leur fréquence lumineuse. In 1929, l'astronome américain Edwin Hubble a soigneusement enregistré des amas de galaxies s'éloignant les uns des autres, les grappes les plus éloignées s'éloignant à des vitesses plus élevées, et ces observations ont eu une influence cruciale sur l'acceptation par les scientifiques de ce qu'on appelle maintenant la théorie du big bang de l'univers. Les calculs de Lemaître et les observations de Hubble suggèrent que, si le temps était inversé, toutes les galaxies se réuniraient dans un tout petit volume. Actuellement, l'espace s'agrandit car la plupart des amas de galaxies s'éloignent les uns des autres, même si les molécules, planètes, et les galaxies elles-mêmes ne sont pas en expansion. Finalement, même ils vont s'étendre.

À mesure que les clusters s'éloignent, le rayonnement électromagnétique qu'ils émettent devient plus décalé vers le rouge sur son chemin vers la Terre. La meilleure explication du décalage vers le rouge est que l'univers est en expansion. L'expansion est également la raison pour laquelle le ciel est sombre la nuit au lieu d'être extrêmement lumineux.

L'acceptation de la théorie de la relativité a établi que l'espace se courbe près de toutes les masses. Toutefois, la théorie n'a aucune implication sur la courbure au niveau cosmique. Concernant cette courbure, l'image radiale ci-dessus de l'univers peut être mal interprétée en ne distinguant pas l'univers de l'univers observable. Le diagramme ne montre que l'univers observable sphérique. C'est ce que l'on pouvait en principe voir depuis la Terre. The sphere with its contents of 350 billion large galaxies is called “our Hubble Bubble” and “our pocket universe.” Its diameter is about 93 billion light years, mais ça grandit vite. Toutefois, l'image ne doit pas être interprétée comme impliquant que le plus grand univers lui-même a maintenant une courbure sphérique. La théorie du big bang présuppose que l'univers ultramicroscopique à très tôt avait une courbure extrêmement grande, but most cosmologists believe that the universe has straightened out and now no longer has any spatial curvature on the largest scale of billions of light years. Les observations astronomiques révèlent que la distribution actuelle de la matière dans l'univers tend vers l'uniformité à mesure que l'échelle augmente. A très grande échelle, il est homogène et isotrope.

Voici une autre image qui affiche les mêmes informations différemment, avec le temps croissant vers la droite et (deux dimensions de notre tridimensionnel) l'espace s'agrandit, bas, dehors et dans l'image:

Attribution: Équipe scientifique NASA/WMAP

En cliquant sur l'image, vous obtiendrez une image agrandie avec plus de détails.

Le terme big bang n'a pas de définition précise. Il ne se réfère pas toujours à un seul, premier événement; plutôt, il se réfère plus souvent à une brève durée d'événements précoces alors que l'univers a subi une expansion rapide. En fait, la théorie du big bang elle-même n'est pas une théorie spécifique, mais plutôt un cadre pour des théories plus spécifiques du Big Bang.

Astronomers on Earth detect microwave radiation arriving in all directions from the light produced about 380,000 des années après le big bang. C'est alors que l'univers est devenu transparent pour la première fois. This occurred because the universe had cooled to 3,000 degrés Kelvin, qui était suffisamment froide pour former des atomes et permettre pour la première fois aux photons de se déplacer librement sans être immédiatement réabsorbés par les particules voisines. Ce rayonnement électromagnétique primordial a maintenant atteint la Terre en tant que lumière la plus ancienne de l'univers. But it is no longer bright light. Sa longueur d'onde a augmenté; il est maintenant devenu un rayonnement micro-ondes parce que sa longueur d'onde a été continuellement étirée (décalé vers le rouge) as the universe expanded during the time of its travel toward Earth. Measuring this incoming Cosmic Microwave Background (CMB) le rayonnement révèle qu'il est très uniforme dans toutes les directions du ciel. The energy or temperature of the radiation once was high but now is only 2.728 degrees Celsius above absolute zero (la température la plus froide possible). Cette température n'est pas parfaitement lisse, mais. Il varie légèrement avec l'angle d'un dix millième de degré de température. Cette température presque uniforme implique que les premiers temps du big bang avaient une uniformité encore plus grande, et cela implique que l'entropie du big bang était très faible. Les minuscules fluctuations de température des micro-ondes dans différentes directions sont des traces de fluctuations ultramicroscopiques de la densité de la matière primordiale très tôt pendant le big bang. Ces premiers, petites fluctuations, sont probablement des fluctuations quantiques, et ils sont probablement à l'origine de ce qui deviendra plus tard les premières galaxies. Probablement toute la structure à grande échelle de l'univers d'aujourd'hui a été déclenchée par l'incertitude quantique précoce.

Depuis la première seconde du big bang, le taux d'expansion de l'univers n'a pas été uniforme car il existe une autre source d'expansion, la répulsion de l'énergie noire. L'influence de l'énergie noire était initialement insignifiante, mais sa principale caractéristique est qu'il ne se dilue pas lorsque l'espace dans lequel il se trouve subit une expansion. Ainsi, enfin, après environ sept milliards d'années d'expansion de l'espace, l'énergie noire est devenue un facteur influent et a commencé à accélérer l'expansion. Le taux d'expansion devient de plus en plus important. Cette influence est illustrée dans le diagramme ci-dessus par la courbure qui se produit juste en dessous et avant le mot "etc". La plupart des cosmologistes pensent que l'énergie noire est l'énergie de l'espace lui-même.

The initial evidence for this dark energy came from observations in 1998 of Doppler shifts of supernovas. Ces observations s'expliquent mieux par l'hypothèse que les distances entre les supernovas augmentent à un rythme accéléré. En raison de cette augmentation de taux, it is estimated that the volume of the universe will double every 1010 years. Any galaxy cluster that is now 100 light-years away from our Milky Way will, in another 13.8 billion years, be more than 200 light-years away and will be moving much faster away from us. Finalement, il s'éloignera si vite de nous qu'il deviendra invisible. Dans suffisamment de temps, toutes les galaxies autres que la Voie lactée deviendront invisibles. Après cela, toutes les étoiles de la Voie lactée deviendront invisibles. Dans ce sens, les astronomes ne verront jamais plus que ce qu'ils pourraient voir maintenant.

Concernant l'expansion de l'univers, les atomes ne sont pas actuellement en expansion. Ils sont maintenus étroitement ensemble par la force électromagnétique et la force forte (avec un peu d'aide de la force faible et de la gravité) qui surpassent la valeur actuelle de la force répulsive de l'énergie noire ou quoi que ce soit qui cause l'expansion de l'espace. Ce qui augmente maintenant, ce sont les distances moyennes entre les amas de galaxies. C'est comme si les amas explosaient les uns des autres, et, à l'avenir, ils seront beaucoup plus éloignés l'un de l'autre. Selon le cosmologiste Sean Carroll, actuellement "l'idée que l'univers est en expansion globale n'est vraie qu'aux plus grandes échelles. C'est une approximation qui s'améliore à mesure que l'on considère les galaxies qui sont de plus en plus éloignées."

Finalement, mais, à mesure que le taux d'expansion augmente, tous les amas de galaxies seront déchirés. Alors les galaxies elles-mêmes seront déchirées, alors tous les systèmes solaires, et finalement même les molécules et les atomes et toutes les autres configurations de particules élémentaires.

Pourquoi la théorie du big bang dit-elle que l'espace a explosé au lieu de dire que la matière-énergie a explosé dans un espace préexistant? C'est un problème subtil. S'il avait dit que la matière-énergie avait explosé mais pas l'espace, alors il y aurait des questions inconfortables: Où est le point dans l'espace d'où il a explosé, et pourquoi ce point? En choisir un serait arbitraire. Et il y aurait ces questions supplémentaires inconfortables: Quelle est la taille de cet espace préexistant? Quand a-t-il été créé? Les observations expérimentales indiquent clairement que certains amas de galaxies doivent se séparer les uns des autres plus rapidement que la vitesse de la lumière, mais ajouter qu'ils le font parce qu'ils se déplacent aussi vite dans un espace préexistant nécessiterait une révision ad hoc de la théorie de la relativité pour faire des exceptions à la limite de vitesse d'Einstein. Ainsi, il est beaucoup plus "confortable" de dire que le big bang est une explosion de l'espace ou de l'espace-temps, pas une explosion de matière-énergie dans l'espace-temps.

Le terme "notre univers observable" et le terme synonyme "notre bulle Hubble,» fait référence à tout ce qu'une personne sur Terre pourrait en principe observer. Toutefois, il y a des endroits éloignés dans l'univers où un astronome pourrait voir plus de choses que ce qui est visible depuis la Terre. Les physiciens sont d'accord pour dire que, à cause de ce raisonnement, il existe des objets qui sont dans l'univers mais pas dans notre univers observable. Parce que ces objets inobservables sont aussi le produit de notre big bang, les cosmologistes supposent que les objets non observables sont similaires aux objets que nous observons sur Terre - que ces objets forment des atomes et des galaxies, et que le temps s'y comporte comme ici. Mais il n'y a aucune garantie que cette hypothèse pratique soit correcte.

Because the big bang happened about 14 billion years ago, you might think that no visible object can be more than 14 billion light-years from Earth, mais ce serait une erreur qui ne tient pas compte du fait que l'univers s'est étendu tout ce temps. The increasing separation of clusters of galaxies over the last 14 billion years is why astronomers can see about 45 billion light-years in any direction and not merely 14 billion light-years.

Certaines galaxies lointaines s'éloignent si vite de nous qu'elles sont invisibles. Leur vitesse de récession est supérieure à c. Néanmoins, en supposant que la relativité générale est correcte, rien dans notre univers ne passe, ou est déjà passé, ou passera n'importe quoi à plus vite que c; donc, dans ce sens, c est toujours notre limite de vitesse cosmique.

Quand les physiciens contemporains parlent de l'âge de notre univers et du temps écoulé depuis notre big bang, ils se réfèrent implicitement au temps cosmique mesuré dans le cadre de repos cosmologique. Il s'agit du temps mesuré dans un cadre de référence unique dans lequel le mouvement moyen de toutes les galaxies est stationnaire et le rayonnement de fond cosmique des micro-ondes est aussi proche que possible d'être le même dans toutes les directions. Ce cadre n'est pas celui dans lequel la Terre est stationnaire. Le temps cosmique est le temps mesuré par une horloge qui resterait aussi immobile que possible pendant que l'univers s'étend autour d'elle. Dans le temps cosmique, t = 0 years is when the big bang occurred, and t = 13.8 billion years is our present. Si vous étiez au repos à l'origine spatiale dans ce cadre, alors le rayonnement de fond cosmique des micro-ondes à très grande échelle aurait la même température dans n'importe quelle direction. C'est à l'anneau dans le diagramme radial ci-dessus que l'univers est devenu transparent pour la première fois à la lumière. When the universe was smaller than it is now and it was about 100 million light years across, la matière de l'univers serait à peu près uniformément distribuée. A cette échelle, c'est comme si toutes les galaxies étaient des particules de poussière flottant dans une grande pièce, et au centre de la pièce, la répartition de la poussière dans une direction est la même que dans n'importe quelle autre direction, et dans n'importe quelle région de la pièce il y a autant de poussière que dans n'importe quelle autre région. A une échelle plus fine, la matière dans l'univers est inégalement répartie.

Le cadre de repos cosmique est unique, référentiel privilégié pour la commodité astronomique, mais il n'y a aucune raison de supposer qu'il est autrement privilégié. Ce n'est pas le cadre recherché par le théoricien A qui croit en un présent unique, ni par Isaac Newton qui croyait au repos absolu, ni par Maxwell qui croyait en son éther du XIXe siècle.

Le point d'origine spatiale du cadre cosmique est décrit comme suit:

En fait, il n'est pas tout à fait vrai que le rayonnement thermique de fond cosmique soit complètement uniforme dans le ciel. Il fait très légèrement plus chaud (c'est à dire., plus intense) dans la direction de la constellation du Lion que perpendiculairement à celle-ci…. Bien que la vue depuis la Terre soit celle d'un bain de chaleur cosmique légèrement asymétrique, il doit exister un mouvement, un référentiel, ce qui ferait apparaître la baignoire exactement la même dans toutes les directions. It would in fact seem perfectly uniform from an imaginary spacecraft traveling at 350 km per second in a direction away from Leo (vers les Poissons, comme ça arrive)…. Nous pouvons utiliser cette horloge spéciale pour définir un temps cosmique…. Heureusement, the Earth is moving at only 350 km per second relative to this hypothetical special clock. This is about 0.1 percent of the speed of light, et le facteur de dilatation du temps n'est que d'environ une partie sur un million. Ainsi à une excellente approximation, Le temps historique de la Terre coïncide avec le temps cosmique, pour pouvoir raconter l'histoire de l'univers en même temps que l'histoire de la Terre, malgré la relativité du temps.

Des horloges hypothétiques similaires pourraient être situées partout dans l'univers, dans chaque cas dans un cadre de référence où le rayonnement thermique de fond cosmique semble uniforme. Remarquez que je dis "hypothétique"; nous pouvons imaginer les horloges là-bas, et des légions d'êtres sensibles les inspectant consciencieusement. Cet ensemble d'observateurs imaginaires s'accordera sur une échelle de temps commune et un ensemble commun de dates pour les événements majeurs de l'univers, même s'ils se déplacent les uns par rapport aux autres en raison de l'expansion générale de l'univers…. Ainsi, le temps cosmique mesuré par cet ensemble spécial d'observateurs constitue un type de temps universel... (Davies 1995, pp. 128-9).

C'est une convention selon laquelle les cosmologistes s'accordent à utiliser le temps cosmique de ce cadre de référence spécial, mais c'est un fait intéressant et non une convention que notre univers est tellement organisé qu'il y a un temps cosmique tellement utile disponible pour être adopté par les cosmologistes. Tous les espaces-temps physiquement possibles obéissant aux lois de la relativité générale ne peuvent pas avoir un tel temps cosmique.

À. Inflation cosmique

Selon une révision populaire de la théorie classique du big bang, la théorie de l'inflation cosmique, the universe underwent an inflationary expansion soon after t = 0. C'était une expansion soudaine et hyper rapide, une transition de phase cosmologique, avec un taux croissant de façon exponentielle pendant une très courte période. Personne ne sait s'il s'est étendu uniformément dans toutes les directions. Cela a commencé tôt pour une raison inconnue, et, encore une fois pour une raison inconnue, il a cessé de gonfler très peu de temps après avoir commencé.

L'inflation a commencé peu de temps après que la grande force unifiée s'est scindée en trois forces distinctes - la force forte, la force faible, et la force électromagnétique.

Environ la moitié des cosmologistes ne croient pas à l'inflation; ils espèrent qu'il existe une autre explication des phénomènes pour lesquels la théorie de l'inflation a été conçue. La théorie a été créée afin d'expliquer pourquoi il n'y a pas de monopôles magnétiques ponctuels presque partout (appelé le problème du monopole), pourquoi le rayonnement micro-onde qui arrive sur Terre de toutes les directions est si uniforme (le problème de l'horizon cosmique), pourquoi nous avons été incapables de détecter la désintégration des protons (le problème de la désintégration du proton), et pourquoi il y a actuellement si peu de courbure de l'espace (le problème de planéité). Ces problèmes sont très difficiles à résoudre sans supposer que l'inflation.

La théorie du big bang est considérée comme confirmée, mais la théorie de l'inflation n'est toujours pas confirmée. Le cosmologiste de Princeton Paul Steinhardt et le lauréat du prix Nobel Roger Penrose sont deux de ses adversaires notables.

Assuming the big bang began at time t = 0, puis l'époque de l'inflation (l'époque de la gravité radicalement répulsive) a commencé peut-être à t = 10−36 secondes et a duré jusqu'à environ t = 10−34 ou t = 10−33 secondes, during which time the volume of space increased by a factor of at least 1026, et toute irrégularité initiale dans la répartition de l'énergie a été presque entièrement lissée, c'est, lissé du point de vue à grande échelle, par analogie avec la façon dont gonfler un ballon supprime ses plis et plis initiaux.

Pour apprécier à quel point l'inflation initiale a été rapide, considérez cette analogie. Although the universe at the beginning of inflation was a lump of repulsive gravity material much smaller than the size of a proton that then expanded to the size of a marble at the end of the inflationary period, pensez-y plutôt comme si l'inflation commençait avec l'univers ayant la taille d'une bille. Puis pendant cette période de t = 10−36 secondes à t = 10−34 secondes, le marbre s'est étendu à une sphère dont le rayon s'étend de la Terre au superamas de galaxies le plus proche.

La vitesse de cette expansion inflationniste était beaucoup plus rapide que la vitesse de la lumière. Cela ne viole pas la théorie générale de la relativité d'Einstein car sa théorie est une théorie locale, et localement lors du gonflage aucune entité n'est passée à côté d'une autre à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière.

A la fin de cette époque inflationniste à, dire, t = 10−33 secondes environ, le matériau explosif s'est décomposé pour une raison inconnue et n'a laissé que de la matière normale avec une gravité attrayante. C'est, la gravité est passée du négatif au positif. Cette désintégration a commencé la période post-inflation de la soi-disant soupe de quarks. En ce moment, notre univers a continué à s'étendre, bien que maintenant à un rythme presque constant. Il est entré dans sa phase de "roue libre". Indépendamment de toute courbure précédente dans notre univers, à la fin de la période d'inflation, la structure globale de l'espace avait très peu de courbure spatiale, et son espace était extrêmement homogène. Aujourd’hui, on voit que l'univers est homogène à sa plus grande échelle. Mais au tout début de la période inflationniste, il y avait de très petites imperfections dues aux fluctuations quantiques. Les régions les plus denses ont attiré plus de matière que les régions les moins denses, et ces régions denses se sont transformées en ce qui allait devenir des galaxies. Les fluctuations quantiques elles-mêmes ont laissé leurs traces dans les très légères différences d'un cent millième de degré dans la température du rayonnement de fond cosmique des micro-ondes à différents angles lorsque l'on regarde l'espace depuis la Terre..

Pour ajouter un peu plus de détails à l'histoire de l'inflation, avant le début de l'inflation, pour une raison inconnue, l'univers contenait un champ d'inflation instable ou un faux champ de vide. Ce champ a subi une transition de phase spontanée (analogue à de l'eau liquide surchauffée qui se transforme soudainement et spontanément en vapeur). Cette transition de phase a provoqué une hyper-gonflage exponentielle du matériau primordial hautement répulsif en volume pendant une très courte période.. Au cours de cette époque inflationniste primordiale, le champ gravitationnel stocké, négatif, l'énergie gravitationnelle a été rapidement libérée, et tout l'espace sauvagement élargi. A la fin de cette première époque inflationniste, le matériau hautement répulsif s'est décomposé pour une raison encore inconnue en matière et énergie ordinaires, et le taux d'expansion de l'univers s'est stabilisé juste en dessous du taux d'expansion observé dans l'univers aujourd'hui. Pendant la période inflationniste, l'entropie augmente continuellement, donc la deuxième loi de la thermodynamique n'a pas été violée.

Alan Guth a décrit la période inflationniste de cette façon:

Il y a eu une période d'inflation entraînée par la gravité répulsive d'un type particulier de matériau qui a rempli l'univers primitif. Parfois, j'appelle ce matériau un "faux vide," mais, dans tous les cas, c'était un matériau qui avait en fait une pression négative, c'est ce qui lui permet de se comporter ainsi. La pression négative provoque une gravité répulsive. Notre physique des particules nous dit que nous nous attendons à ce que des états de pression négative existent à de très hautes énergies, nous émettons donc l'hypothèse qu'au moins une petite partie de l'univers primitif contenait ce matériau de gravité répulsif particulier qui a ensuite entraîné une expansion exponentielle. Finalement, au moins localement là où nous habitons, cette expansion s'est arrêtée parce que ce matériau de gravité répulsif particulier est instable; et il s'est décomposé, devenir une matière normale avec une gravité attractive normale. À ce moment-là, l'énergie noire était là, les experts pensent. Il a toujours été là, mais ce n'est pas dominant. C'est un tout petit, infime fraction de la densité d'énergie totale, donc à ce stade, à la fin de l'inflation, l'univers commence juste à s'éloigner. Il a une énorme poussée vers l'extérieur de l'inflation, qui le porte. Ainsi, l'expansion continue, et au fur et à mesure que l'expansion se produit, la matière ordinaire s'amincit. L'énergie noire, nous pensons, reste à peu près constant. Si c'est de l'énergie du vide, il reste exactement constant. Ainsi, il vient un moment plus tard où la densité d'énergie de tout le reste tombe au niveau de l'énergie noire, et nous pensons que cela s'est produit il y a environ cinq ou six milliards d'années. Après cela, alors que la densité d'énergie de la matière normale continue de diminuer, l'énergie noire [densité] reste constant [et] l'énergie noire commence à dominer; et c'est la phase dans laquelle nous sommes maintenant. Nous pensons qu'environ soixante-dix pour cent de l'énergie totale de notre univers est de l'énergie noire, et ce nombre continuera d'augmenter avec le temps à mesure que la matière normale continue de s'amincir. (Session en direct de World Science U: Alan Guth, published November 30, 2016 at https://www.youtube.com/watch?v=IWL-sd6PVtM.)

Before about t = 10-46 seconds, il y avait une seule force de base plutôt que les quatre que nous avons maintenant. Les quatre forces fondamentales sont: la force de gravité, la force nucléaire forte, la force faible, et la force électromagnétique. At about t = 10-46 seconds, the energy density of the primordial field was down to about 1015 GEV, qui a permis la rupture spontanée de symétrie (analogue au changement de phase spontané dans lequel la vapeur se refroidit suffisamment pour se transformer spontanément en eau liquide); ce changement de phase a créé la force gravitationnelle en tant que force de base distincte. Les trois autres forces n'étaient pas encore apparues comme des forces distinctes.

Plus tard, après le début puis la fin de l'inflation, at t = 10-12 seconds, il y avait plus de rupture de symétrie spontanée. D'abord la force nucléaire forte, puis la force nucléaire faible et enfin les forces électromagnétiques sont devenues des forces séparées. Pour la première fois, l'univers avait maintenant exactement quatre forces distinctes. At t = 10-10 seconds, le champ de Higgs est activé (c'est, est venu au monde). Cela a ralenti de nombreux types de particules en leur donnant une masse afin qu'elles ne se déplacent plus à la vitesse de la lumière.

Une grande partie de l'énergie considérable qui restait à la fin de la période d'inflation a été convertie en matière, antimatière, et rayonnement, comme les quarks, antiquarks, et les photons. La température de l'univers a augmenté avec ce nouveau rayonnement, et cette période s'appelle la période de réchauffement cosmique. Paires matière-antimatière de particules combinées et annihilées, enlever toute l'antimatière et presque toute la matière de l'univers, et laissant une petite quantité de matière et encore plus de rayonnement. At t = 10-6 seconds, l'univers s'était suffisamment refroidi pour que les quarks se combinent et créent des protons et des neutrons. After t = 3 minutes, l'univers s'est suffisamment refroidi pour permettre à ces protons et neutrons de commencer à se combiner fortement pour produire de l'hydrogène, deutérium, et noyaux d'hélium. At about t = 379,000 années, la température était assez basse (around 2,700 degrees C) pour que ces noyaux capturent des électrons et forment l'hydrogène initial, deutérium, et les atomes d'hélium de l'univers. Avec ces premiers atomes venant à l'existence, l'univers est devenu transparent dans le sens où cette lumière de courte longueur d'onde (environ un millionième de mètre) était maintenant capable de voyager librement sans toujours être absorbé très rapidement par les particules environnantes. En raison de l'expansion de l'univers depuis lors, this early light is today invisible on Earth because it is at much longer wavelength than it was 379,000 il y a des années. That radiation is now detected on Earth as having a wavelength of 1.9 millimeters, et c'est ce qu'on appelle le rayonnement de fond diffus cosmologique ou CMB. Cette énergie arrive continuellement à la surface de la Terre de toutes les directions. Il est presque homogène et presque isotrope.

Alors que l'univers s'étend, le rayonnement CMB perd de l'énergie; mais cette énergie n'est pas perdue de l'univers, la loi de conservation de l'énergie n'est pas non plus violée. Il y a conservation parce que la même quantité d'énergie est gagnée en allant dans l'expansion de l'espace.

Dans la littérature en physique et en philosophie, les descriptions du big bang en parlent souvent comme s'il s'agissait du premier événement, mais la théorie du big bang n'exige pas qu'il y ait un premier événement, un événement qui n'avait pas d'événement antérieur. Cette description mentionnant le premier événement est une position philosophique, pas quelque chose exigé par les preuves scientifiques. Les physiciens James Hartle et Stephen Hawking ont un jour suggéré que revenir sur le big bang revient à suivre les nombres réels positifs jusqu'à des nombres positifs toujours plus petits sans jamais atteindre le plus petit nombre positif.. Il n'y a pas de plus petit. Si Hartle et Hawking ont raison, ce temps est strictement analogue à ce, puis le big bang n'a eu aucun événement de point de départ, pas de temps initial.

La théorie classique du big bang est basée sur l'hypothèse que l'expansion universelle des amas de galaxies peut être projetée jusqu'à une singularité, un volume nul, at t = 0. Les physiciens conviennent que la projection doit devenir indigne de confiance pour tout temps inférieur au temps de Planck. Si une théorie de la gravité quantique est un jour confirmée, on s'attend à ce qu'il fournisse des informations plus fiables sur l'époque de Planck de t=0 au temps de Planck, et cela peut même permettre aux physiciens de répondre aux questions, "Qu'est-ce qui a causé le big bang?" et " Est-ce que quelque chose s'est passé avant?”

Pour une courte conférence de Guth sur ces sujets adressée aux étudiants, voir https://www.youtube.com/watch?v=ANCN7vr9FVk.

b. L'inflation éternelle et le multivers

Bien qu'il n'y ait pas de consensus parmi les physiciens quant à savoir s'il existe plus d'un univers, de nombreuses théories inflationnistes du big bang sont des théories de l'inflation éternelle, de l'éternelle création de plus de big bang ou d'univers multiples. La théorie est aussi appelée inflation chaotique. L'idée clé est qu'une fois l'inflation commencée, elle ne peut pas être facilement arrêtée.. Le champ d'inflation est le carburant de notre big bang et de tous les autres big bangs. Probablement, disent les partisans de l'inflation éternelle, tout le carburant de l'inflation n'est pas utilisé pour produire un seul big bang, donc le carburant restant est disponible pour créer d'autres big bangs, qui eux-mêmes gonflent et conduisent à encore plus de big bangs, à un rythme exponentiel. Le carburant d'inflation augmente plus vite qu'il ne s'use. Probablement, il n'y a aucune raison pour que ce processus se termine un jour, il y aura donc un nombre potentiellement infini d'univers dans le multivers. Aussi, il n'y a aucune bonne raison de supposer que notre univers actuel était le premier.

Après n'importe quel big bang, finalement l'hyper-inflation initiale s'arrête dans certaines régions. L'expansion de cette région ne s'arrête pas, cependant, et il produit ce que les cosmologistes appellent un univers à bulles en expansion. Notre propre bulle qui a été produite par notre big bang s'appelle la bulle de Hubble. Ce terme est ambigu car souvent les cosmologistes exigent que la bulle soit simplement notre univers visible plutôt que notre univers.. À tout moment dans le multivers, la plupart de l'espace se gonfle.

The original theory of inflation was created by Guth and Linde in about 1980. The theory of eternal inflation with a multiverse was created by Linde in 1983 plus work by Gott and Vilenkin. La multiplicité des univers est aussi appelée mondes parallèles, de nombreux mondes, univers alternatifs, et mondes alternatifs. Chaque univers du multivers doit normalement utiliser une partie de la même physique (il n'y a pas d'accord sur lequel "certains") et les mêmes mathématiques. Cette restriction n'est pas requise par un univers logiquement possible du type proposé par le philosophe David Lewis. Ces multiples univers dans le multivers sont « ailleurs," mais il n'y a pas d'accord sur le fait qu'ils soient dispersés dans "l'espace" du multivers, avec notre petit, univers observable ayant sa propre localisation dans cet espace. A chaque univers son espace, mais il vaut mieux ne pas penser du tout à des univers multiples comme existant dans un espace commun, ni un temps commun. Le bon sens ne peut pas encore être fait de l'idée que votre homologue dans un autre univers spécifique a eu 21 ans avant vous.

Il existe des versions concurrentes de la théorie du multivers, mais une version, appelée l'interprétation des nombreux mondes de la mécanique quantique, implique qu'à chaque événement l'univers se divise en plusieurs nouveaux univers, un pour chaque possibilité qui aurait pu arriver. Il existe de nombreux mondes contenant une personne comme vous, mais l'atome de phosphore dans l'œil droit de votre homologue ne sera pas le même atome de phosphore qui se trouve dans votre œil droit.

Une nouvelle énergie n'est pas nécessaire pour créer ces univers inflationnistes, il n'y a donc aucune implication sur le fait que l'énergie soit ou non conservée dans le multivers.

Dans certains de ces multiples univers, il n'y a peut-être pas de dimension temporelle.

L'expansion de notre univers pourrait-elle éventuellement ralentir? Oui. L'expansion du multivers pourrait-elle éventuellement ralentir? Non. Le matériau explosif primordial ou antérieur dans n'importe quel univers se désintègre rapidement, mais à mesure qu'il se décompose, la partie qui ne s'est pas décomposée continue d'augmenter, et donc l'expansion du multivers continue. Le taux de création de nouveaux univers de bulles augmente de façon exponentielle.

Normalement, les philosophes des sciences disent que ce qui rend une théorie scientifique n'est pas qu'elle puisse être falsifiée (comme l'a proposé le philosophe Karl Popper), mais plutôt qu'il peut y avoir des preuves expérimentales pour ou contre. Parce qu'il est si difficile de concevoir des expériences qui fourniraient des preuves pour ou contre les théories du multivers, de nombreux physiciens se plaignent que leurs collègues physiciens qui développent ces théories font de la spéculation métaphysique technique, pas la physique. Toutefois, la réponse des défenseurs des théories du multivers est généralement qu'ils peuvent imaginer un jour, peut-être dans les siècles futurs, mener des expériences cruciales, et, outre, le terme physique est mieux défini comme étant tout ce que font les physiciens.

Pour une explication officielle du multivers, see episode 200 of Sean Carroll’s Mindscape podcast called “Solo: La philosophie du multivers.

5. Temps infini

Le temps est-il infiniment divisible? Oui, parce que la théorie de la relativité générale et la théorie quantique nécessitent du temps pour être un continuum. Mais cette réponse deviendra « non » si ces théories sont éventuellement remplacées par une théorie centrale qui quantifie le temps.. "Bien qu'il y ait eu des suggestions selon lesquelles l'espace-temps pourrait avoir une structure discrète,” Stephen Hawking said in 1996, "Je ne vois aucune raison d'abandonner les théories du continuum qui ont si bien réussi." Deux décennies plus tard, lui et d'autres physiciens étaient beaucoup moins sûrs.

Le temps a-t-il commencé au big bang, ou y avait-il une période de temps finie ou infinie avant notre big bang? La réponse est inconnue.

Stephen Hawking et James Hartle ont déclaré que la difficulté de savoir si le passé et le futur sont d'une durée infinie dépend de notre ignorance quant à savoir si l'énergie positive de l'univers est exactement annulée par son énergie négative.. Toute l'énergie de la gravitation et de la courbure de l'espace-temps est négative. Si le total de l'énergie de l'univers est non nul et si la mécanique quantique est digne de confiance, y compris la loi de la conservation de l'énergie, alors le temps est infini dans le passé et le futur. Voici l'argument de cette conclusion. La loi de conservation de l'énergie implique que l'énergie peut changer de forme, mais si jamais le total devait être non nul, then the total energy can never become zero in the future or once have been zero because any change in the total to zero from non-zero or from non-zero to zero would violate the law of conservation of energy. Ainsi, si le total de l'énergie de l'univers est non nul et si la mécanique quantique est digne de confiance, alors il y a toujours eu des états dont l'énergie totale est une énergie non nulle, et il y aura toujours des états d'énergie non nulle. Cela implique qu'il ne peut y avoir de premier instant ou de dernier instant et donc que le temps est éternel.

Il n'y a aucune preuve solide que le total est différent de zéro, mais une faible majorité d'experts est favorable à un total non nul, bien que leur confiance en cela ne soit pas forte. En supposant qu'il y ait un total non nul, la théorie préférée de l'avenir de l'univers est la théorie du grand froid. La théorie du grand froid implique que l'avenir ne se termine jamais et que l'univers ne cesse de se refroidir à mesure que l'espace s'étend et se dilue. L'espace vide est auto-répulsif, et probablement il s'étendra pour toujours. Ainsi, il y aura toujours de nouveaux événements produits à partir d'anciens événements.

Voici plus de détails sur la théorie du grand froid. The last star will burn out in 1015 years. Ensuite, toutes les étoiles et la poussière de chaque galaxie tomberont dans des trous noirs. Ensuite, la matière entre les galaxies tombera également dans les trous noirs, and finally in about 10100 years all the black holes will evaporate, ne laissant qu'une soupe de particules élémentaires qui devient moins dense et donc plus "froide" à mesure que l'expansion de l'univers se poursuit. Le rayonnement de fond des micro-ondes se décalera de plus en plus vers le rouge en ondes radio de plus grande longueur d'onde. L'espace futur ressemblera beaucoup à un vide. Mais à cause de l'énergie du vide, la température ne fera qu'approcher, mais jamais tout à fait atteindre, zéro sur l'échelle Kelvin. Ainsi l'univers descend dans un « grand frisson,” ayant la même quantité d'énergie totale qu'il a toujours eue.

La situation est très différente de celle de la théorie du grand froid si l'énergie totale de l'univers est maintenant nulle. Dans ce cas, le temps n'est pas fondamental (l'espace-temps non plus). Peut-être que le temps émerge d'une collection finie de moments comme décrit dans l'équation intemporelle de Wheeler-DeWitt de la mécanique quantique (à savoir l'équation d'onde de Schrödinger lorsqu'il n'y a pas de changement).

Voici plus de commentaires à ce sujet de Carroll (2016, pp. 197-8):

Il y a deux possibilités: celui où l'univers est éternel, celui où il a eu un début. C'est parce que l'équation de Schrödinger de la mécanique quantique s'avère avoir deux types de solutions très différents, correspondant à deux types d'univers différents.

Une possibilité est que le temps est fondamental, et l'univers change avec le temps. Dans ce cas, l'équation de Schrödinger est sans équivoque: le temps est infini. Si l'univers évolue vraiment, il a toujours évolué et évoluera toujours. Il n'y a pas de démarrage et d'arrêt. Il y a peut-être eu un moment qui ressemble à notre Big Bang, mais cela n'aurait été qu'une phase temporaire, et il y aurait plus d'univers qui était là même avant l'événement.

L'autre possibilité est que le temps n'est pas vraiment fondamental, mais plutôt émergent. Alors, l'univers peut avoir un commencement. L'équation de Schrödinger a des solutions décrivant des univers qui n'évoluent pas du tout: ils sont juste assis là, immuable.

… Et si c'est vrai, alors il n'y a aucun problème à ce qu'il y ait un premier moment dans le temps. Toute l'idée de "temps" n'est qu'une approximation de toute façon.

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Informations sur l’auteur

Bradley Dowden
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Université d'État de Californie, Sacramento
tu. S. UN.