理论物理学

大爆炸之前的宇宙

L'application 的a théorie des cordes à la cosmologie est déroutante : 大爆炸e constituerait pas début 的'Univers, mais l'aboutissement d'un état cosmique antérieur. Deux scénarios s'opposent sur la description de cet « avant ».

加布里埃莱·韦尼齐亚诺(Gabriele Veneziano) 科学档案N°45

L’大爆炸之前宇宙存在吗?不到十年前,这样的问题听起来像是ac之以鼻ège;您最好在p的北边寻找一个点ôle Nord. Selon la théorie 的a relativité géné罗尔,一个不断扩大的宇宙écessairement commencé 通过 un 大爆炸. On en infè重新确定时间,同时出现ément avec l’espace et l’énergie-matière. Toutefois, ce scénario s’est modifié au cours des dernières 安ées.

出生时’Univers était concentré en une région非常小,以至于量子物理学定律必须’适用于它。相对论é générale, qui n’est pas une thé量子矿石,停止’être valide à l’é大爆炸规模。 thé弦的原点(请参阅l’Pierre Ramond的文章),née à la fin des 安ées 1960年,可以通过提供引力的量子描述来接管。她有écemment donné naissance à deux modèles cosmologiques – le modèle pré-Big Bang et le modèle ekpyrotique – qui postule un 宇宙anté在大爆炸中笑。这些scénarios, que nous décrirons, où le temps n’没有开始或结束,可能已经离开é在宇宙扩散背景中可观察到的痕迹 (请参阅l’Simon Prunet的文章).

在所有文化中,哲学家和人类éologiens se sont 整型errogé在时间的开始s和l’世界的起源。我们的« arbre généalogique » passe 通过 les premières 形成es de vie, la 形成ation des étoiles, la synthèse des premiers élé说谎并回到’à l’é沐浴的能量’原始空间。他继续这样éternellement ou prend-il racine quelque 通过t ? Aristote défendait l’absence de commencement en invoquant 公关incipe selon lequel rien ne surgit de rien. Si l’Univers ne peut naître 前精神,它一直存在é!时间应该’étendre é永远过去é和将来一样

théologiens chrétiens ont dé分割相反的观点。圣奥古斯丁断言上帝存在于’时空和什么’他能够创造它们éer comme il a forgé世界的其他方面。上帝创造之前在做什么é世界?根据圣奥古斯丁,时间本身ême faisant 通过tie 的a création divine, il n’根本没有’avant.

随着éorie 的a relativité géné罗尔,现代宇宙学家有à类似的结论。在这种情况下,’空间和时间不是刚性和绝对的,而是动态的和d的éformés 通过 la 马蒂ère. À de grandes é距离刻度,l’espace se courbe, s’é随着时间的流逝伸展或收缩,ère. Au cours des 安ées 1920, à la suite d’天文学家证实埃德温·哈勃é我们的宇宙正在膨胀:星系’é彼此之间的距离。缺点é频率,时间不能’étendre indé终于通过了é。通过放映电影’histoire cosmique à l’颠倒过来,星系彼此靠近’à在无限点相遇ésimal, 姓mé singularité。所有星系,或更确切地说ôt leurs pré滑块,最终音量为零。密度é, la tempé曲率,也曲率’时空,在那里变得无限。奇点é是超越极限的灾难à从那里我们不能再起诉énéalogie cosmique.

一种étrange 同性恋énéité

然而这个深情的故事ève de 姓breuses questions. Par exemple, il semble peu compatible avec le fait que l’Univers apparaisse 同性恋ène, à grande échelle, dans toutes les directions. Cette 同性恋énéité suppose que les régions éloignées 的’espace ont 整型eragi à un moment donné规范其属性étés。但这与数据矛盾ées 的’宇宙膨胀。灯ère a été libérée有137亿d’années。四面八方的星系超过130亿’années-lumiè回覆。所以有相反方向的星系ées, qui sont séparées 通过 plus de 25 milliards d’années-lumière. Par conséquent, ces régions n’ont jamais été接触:他们不’还没来得及’échanger 的a lumière, ni 富裕的的a 马蒂ère. Leurs propriétés n’ont pas pu être 同性恋énéisées.

但是,业主étés 的a Voie lactée sont à peu près les mêmes que celles des galaxies lointaines. On admet difficilement que les dizaines de milliers de 通过ties indépendantes dans l’统计上相同的宇宙弥散背景图像具有ès début des propriété相同。还有两种更自然的解释à l’esprit : soit l’Univers était dans ses premiers instants beaucoup plus petit que ne le suppose la cosmologie classique, soit il est beaucoup plus vieux. Dans les deux cas, deux 通过ties distantes du ciel avant l’émission du rayonnement cosmologique auraient pu 整型eragir.

天体物理学家éfèrent la première hypothèse. L’Univers aurait connu Période d’令人眼花expansion乱的扩展’inflation (请参阅l’article d’Alain Bouquet),全部dé其故事的目的。以前,所有égions 的’Univers é太近了以至于他们的主人étés se sont 同性恋énéisées。然后,在阶段d’inflation, l’expansion s’est emballée et l’Univers s’est dilaté比光速快ère. Les différentes 通过ties du cosmos ont été isolé彼此之间。四月è几分之一秒’通货膨胀结束,’expansion a retrouvé一个安静的过程。

这个éorie, proposée en 1981 通过 le physicien Alan Guth, a permis d’expliquer un grand 姓bre d’observations. Né但是,有些困难és théoriques subsistent, à commencer 通过 la nature 的’充气,相关领域é à l’inflation.

第二发çon de résoudre 公关oblè我不太经典:我’宇宙要比公关年龄大得多évu. Si le temps n’a pas commencé与大爆炸,如果很长ère a précédé début 的a période d’当前扩展’宇宙有足够的时间去’homogéné伊塞尔而且,这样的scénario élimine la difficulté posée 通过 la singularité qui surgit lorsqu’on veut étendre la relativité générale au-delà de son domaine d’application.

弦弹起

确实,我们已经看到’à l’approche du 大爆炸, le confinement 的a 马蒂ère rendait pré主导量子效应。对于écouvrir ce qui s’继续,物理学家必须取代相对论é générale 通过 une thé引力的量子矿。

今天’辉,两种方法似乎很有希望。首先è关于量子引力à boucles (请参阅l’Carlo Rovelli的文章), 保持’相对论的本质é(动态属性’espace-temps et l’invariance 通过 rapport au système de coordonnées utilisé),并将这些原则纳入œ在量子物理学的背景下工作。大号’时空ésulte est 形成é小块insécables. Ces dernières 安ées,这种量子引力的视觉经历了d’importants progrès, mais elle n’est peut-ê不够激进é焊接所有问题èmes.

第二种方法是基于és les scénarios présentés ici, est la théorie des cordes. Ébauché1968年的mod中的eèle que j’ai proposé pour décrire les 整型eractions des constituants du noyau atomique, elle a ressuscité dans les 安é1980年成为候选人à l’相对论的统一é générale et 的a théorie quantique.

Elle postule que les composants fondamentaux 的a 马蒂ère不是守时,而是一维的à l’像没有弦é厚。这些琴弦像’un violon, et le vaste bestiaire des 通过ticules, dotées chacune de propriétés caractéristiques, reflète les diffé租用振动模式。量子定律允许à那些振动的弦dénuées de masse de décrire les 通过ticules et leurs 整型eractions, et elles font é合并新所有者été对宇宙学具有深远的影响。

宇宙学的新东西

第一èrement, des effets quantiques imposent aux cordes une taille minimale 的’ordre de 10 –34 mètre. Ce quantum irréductible 的ongueur, noté ls,是自然界的新常数,ôtés光速è和普朗克常数。在é弦的原点,她扮演一个ô通过施加有限界限来实现关键à des quantité,否则将变为零或无限大。

第二èmement, les équations 的a thé弦的原点不是érentes que si l’空间有9个维度,而不是通常的3个维度,如果还有6个额外的空间维度é精神错乱ées sur de très petites distances.

第三èd的常数écrivent l’intensité基本力,例如重力常数或电荷é电动的,不再固定ées,但出现在éorie des cordes sous 形成e de champs dont les valeurs é随着时间的推移而变化。大号’这些领域之一dilaton扮演着ôle 通过ticulier : il détermine l’é其他领域的演变’est-à-dire l’intensité de toutes les 整型eractions. Au cours de différentes é宇宙时代« constantes »物理学因此能够知道î很小的变化。天体物理学家现在正在寻找’hui à通过观察’Univers lointain.

最后,字符串具有évélé l’新符号的存在étries 的a nature, les 二元性é,从根本上改变了我们的理解éhension 整型uitive du comportement des objets à des échelles extrêmement petites. L’une de ces symétries, la t-对偶é,连接大小附加的大小尺寸émentaires. Cette symétrie est liée à la plus grande variété de mouvements possibles pour les cordes, 通过 rapport à des 通过ticules ponctuelles. Considérons une corde fermée (une boucle) se déplaçant dans un espace à包括l在内的两个维度’une est repliée在一个小圆圈内。这个空间équivaut à la surface d’一个圆柱体。除振动外,弦还可以éplacer à表面,但也’在圆柱体上绕一圈或多次,例如élastique autour d’un tube (请参阅l’Pierre Ramond的文章).

振动déplacement et enroulement 通过ticipent à l’é绳索的总能量。大号’é后两种模式的能量é悬挂在圆柱体的大小上。如果我’on échange un cylindre d’un rayon donné r 圆柱半径为1 /rséries d’états d’énergie produits 通过 déplacement et l’enroulement sont échangées, mais l’ensemble des é口感保持不变。对于外部观察者é大笑,大尺寸卷起é然后身体上é相当于半径相反的小物件。

t-二元性é s’applique é也对l的三个无限维’普通的空间。这个n’不是大小’整体空间固然重要,但其因素’é规模,之间的比例’é物体的位置’il contenait à une date donnée et leur é当前距离。根据 t-对偶é, un univers où le facteur d’échelle est très petit est équivalent à un univers où le facteur d’échelle est grand.

Pendant des 安ées, les thé弦乐思想家é que la t-对偶é ne s’appliquait qu’aux cordes fermées。然而,在1995年,’Université的圣塔芭芭拉(Santa Barbara)表演é qu’它对敞开的绳索仍然有效,但须视其外部条件而定émités : en plus d’反转轧制尺寸的辐条ées,我们必须修复extrémités des cordes dans un certain 姓bre de dimensions. Ainsi, les extrémités d’一根弦可以在十个空间维度中的三个中自由漂浮,而在其他七个维度中的运动被阻止é. Ces trois dimensions libres 形成ent un sous-espace 姓mé膜或3膜。 1996年,Petr Horava从’Université罗格斯和爱德华·维滕’Institut d’études avancé普林斯顿大学的esé que notre 宇宙ré在这样的3头鱼上流动性é 通过tielle des é电子和其他粒子将解释为什么我们无法感知宇宙的十个维度’espace.

一个scénario à rebondissements

主人été的字符串证实了这一假设èse : elles détestent l’infini. Puisqu’elles ne peuvent être réduites à un point, elles éliminent les 通过adoxes dus à如此崩溃。它们的非零大小和符号é与他们相关的一些新闻ées施加上限érieures aux quantité增长的物理éfiniment dans les thé古典故事和inf终端érieures aux quantité减少。什么时候’我们正在看电影’histoire cosmique à l’envers, l’时空收缩和所有维度的曲率半径rétrécit. Toutefois, la t-对偶é empêche的曲率半径’取消并因此消除奇点é标准的Big Bang。到了à最短长度,这种收缩在物理上équivalente à une expansion 的’曲率半径cro的空间î再次t。但是,那 t-对偶é fait « rebondir » l’崩溃,这成为另一种扩张。

而已’empêche alors d’imaginer que l’宇宙存在于大爆炸之前(见图1)。通过结合符号étries 整型roduites 通过 la thé带有符号的orie字符串é根据哪个时间é物理方程无动于衷éremment lorsqu’我们将它们应用于未来或过去é,宇宙学家曾想过é des scénarios où le 大爆炸 n’不是时间的开始,而只是两个之间的暴力过渡états 的’Univers : avant, l’expansion accélère, après,它变慢。此设计自动包含IDées du modèle 通货膨胀niste, c’est-à-dire l’existence d’une période d’inflation accélérée qui justifie l’homogénéité 的’Univers. Dans la théorie standard, l’accélération est due après le 大爆炸 à l’充气。在弦论宇宙学中,’accélé定额发生在大爆炸和大爆炸之前ésulte des symétries 的a théorie.

条件ré在大爆炸的郊区是如此极端ê我的没人知道ésoudre les équations qui décrivent. Néanmoins, les thé弦乐器的风险专家és à dé写一些方面’Univers précé在大爆炸之前。两个modèles sont aujourd’hui à l’étude. Le premier, connu sous le 姓 de scénario pré-大爆炸,假设’Univers anté嘲笑大爆炸是大爆炸的镜像’Univers postérieur à cet événement (请参阅l’encadré 的a page 107)。大号’Univers s’étend é像过去一样永远在未来é。无限久以前,他é几乎是空的,只包含’un gaz raréfié辐射与物质è回覆。大自然的力量,控制ôlées 通过 dilaton, é太弱了以至于这种气体的微粒相互作用à几乎不。随着时间的流逝,力量不断增加é en 整型ensité et la 马蒂ère s’est agrégée. Certaines régions en ont accumulé aux dé想起了邻居。密度é y est devenue telle que des trous noirs se sont 形成és. 的 马蒂ère piégée à l’intérieur a été isolée et l’Univers s’est scindé en morceaux déconnectés。在每个黑洞中,密度é de 马蒂ère était toujours plus élevée. Lorsque la densité, la tempé齿曲率和曲率已达到允许的最大值é这些线的数量és ont « rebondi » et commencé à décroître. Le 大爆炸 n’不是那个时候ù s’这种逆转产生了。大号’intérieur 的’这些黑洞之一已成为我们的宇宙。

那些Cénario de pré-Big Bang, que j’ai proposé en 1991, a été la première tentative d’application 的a théorie des cordes à宇宙学。他引起了é de 姓breuses critiques, dont nous devons maintenant dé完成相关性。

L’autre principal modèle décrivant l’大爆炸之前的宇宙是scénario ekpyrotique(源自希腊语,表示大火)。 développé depuis 2001 通过 Neil Turok, 的’Uni­versité剑桥大学的保罗·斯坦哈特’Université de Princeton, ce scénario est fondé sur l’idée que notre 宇宙erait une 3-brane qui flotte à proximité d’超空间中的另一个érieure. L’espace sé招架铜像弹簧一样驱使它们à碰撞时’他们签约。大号’é震动的能量转化为能量è关于辐射:c’est le 大爆炸 (请参阅l’encadré ci-dessous)。在L’此sc的变体之一é纳里奥(Nario),碰撞是周期性的:两个分支相遇,反弹和碰撞’é后退之前’une sur l’其他等等。在这些碰撞之间,骨骼不断膨胀,à l’exception d’在震荡之前的收缩阶段。大号’大脑扩张时,扩张减慢’écartent et accélère lorsqu’他们越来越近à新。当前阶段d’accélération 的’宇宙膨胀découverte ces dernières 安ées lors 的’遥远的超新星观测 (请参阅l’article d’Adam Riess), 安once peut-être Prochaine collision.

骨头的冲突

SCénarios pré-Big Bang et ekpyrotique commencent tous deux avec un 宇宙immense, froid et presque vide, et tous deux peinent à expliquer la tran­阶段之间的关系é-大爆炸后。数学émati­老茧,他们的主要区别érence ré方面的行为。在scénario pré-大爆炸,它最初具有tr值ès basse, de sorte que les forces fondamentales sont faibles, et il gagne progressivement en 整型ensité. À l’inverse, dans le scéekpyrotic nario,当’intensité的力量是最小的。

今天’慧,物理学家正在寻找白痴é可观察的频率。两者都是èles semblent é唤起更多spéculations mé形而上学é物理故事。但是,观察到的微小波动ées dans la tempé漫射宇宙背景辐射的波幅和极化提供了经验测试。

温度波动é擦除将是’ondes acoustiques (请参阅l’article de Wayne Hu) 传播ées dans le 解放军sma primordial durant les 380 000 ans précédant l’é宇宙背景辐射任务。 régularité这些波动表明声波具有été simultanées. Les modè通货膨胀主义者é-Big Bang和ekpyrotique都满足此约束,并通过了第一个测试。在那里产生声波ées au même moment 通过 des fluctuations quantiques amplifiées在阶段d’expansion accélérée.

而且,每个modèle prédit une ré角度分隔spé重大波动。观察结果évèlent que l’大角度尺寸波动的幅度是恒定的,而’aux petites é鳞片,有山峰。国防部è通货膨胀主义者完美地再现了这种分布。在此期间’膨胀,曲率’时空变化缓慢。差异大小的波动é这样就产生了年金é在相似的条件下,初始波动谱相对于à l’échelle angulaire. Les pics 给小孩子échelles résultent 的’alté初始波动的比率’histoire 的’宇宙。在弦宇宙学中,’espace-temps évolue très vite, ce qui accroît l’波动幅度à petite échelle. Cependant, d’其他过程补偿了此酸碱度énomène : dans le scénario ekpyrotic,麸皮的收缩产生不变的波动谱d’échelle ; dans le modèle pré-Big Bang, 整型ervient un champ quantique 姓mé曲线此外,目前,三个è它们对应于观察。

宇宙散射背景的极化提供了三分ème test. Seul le scénario d’inflation pré看到引力波做出了贡献é温度波动é划掉。其中一些引力波会消失é宇宙背景辐射极化的特征 (请参阅la figure 2)。大号e satellite 普朗克的’欧洲航天局éenne, lancé en 2007, pourrait dé隐藏此签名(如果存在)。

而且,scénario pré-Big Bang prédit l’émission d’引力波,其中一些将是可访问的étecteurs, tel 处女座。而且,由于scénarios ekpyrotique和pré-大爆炸假定dilaton发生变化,这就是偶发é au champ électromagnétique, ils prédisent l’存在磁场波动étique à grande é规模。我们可以é掩盖磁场中这些波动的痕迹étiques galactiques.

如果科学没有说它何时开始é时间,她有’au moins deux thé肯定地潜在可测试的故事çon 解放军usible que l’Univers – et 通过 conséquent le temps –存在于大爆炸之前。如果我’un de ces scé纳里奥斯是真的,那么宇宙一直存在é.

订阅并访问超过20年的档案!

订阅优惠

12期+ 4期特刊
纸质+数字版

+无限访问超过20年的档案

我订阅

订阅并访问超过20年的档案!

订阅优惠

12期+ 4期特刊
纸质+数字版

+无限访问超过20年的档案

我订阅

Nos dernières 通过utions

回到顶部

已经有帐号了?

身份证明

标识自己可以访问您的内容

看到

还没有帐户 ?

注册

注册以激活您的订阅或订单问题。

创建我的账户