En ce qui concerne la cosmologie, répondre à une question ne mène qu'à plus. Prenez simplement la lumière. Chanda Prescod-Weinstein plonge dans la question d'un lecteur
«Il peut être difficile d'avoir une idée de l'énormité des échelles impliquées…»
La plupart d'entre nous peuvent se rapporter à l'inquiétude de l'inflation: nous sommes tous préoccupés par le coût de la vie et ce que nos dirigeants politiques font pour y remédier. Parfois, je dois me rappeler que nous avons un peu un problème de nomenclature en physique, car l'inflation signifie quelque chose de complètement différent pour nous.
L'inflation cosmique est un modèle qui explique pourquoi notre univers ressemble à la plus grande échelle. Dans ce scénario, l'espace-temps s'est rapidement étendu pour une minuscule fraction de seconde. Cela signifie que des parties de l'univers qui n'auraient actuellement aucun moyen d'être en contact les unes avec les autres auraient pu l'être dans le passé.
Il peut être difficile d'avoir une idée de l'énormité des échelles impliquées. Comment pouvons-nous être si confiants que nous comprenons même ces distances, qui sont bien au-delà de nos sensibilités quotidiennes? Dans la chronique du mois dernier, j'ai abordé cette question en expliquant comment nous mesurons les distances. Mais les questions ont leur propre type d'inflation: répondre à cette énigme en a plus (bien!) Questions.
Dans cette colonne, j'ai expliqué qu'un outil important pour mesurer la distance cosmique est un phénomène appelé Redshift. Pensez à un ballon avec des lignes ondulées. Imaginez maintenant que le ballon est explosé. Les gribouillis s'étendent, avec la longueur des pics et des vallées qui poussent plus longtemps. C'est ce qui arrive à la lumière lorsqu'il se déplace sur toute la longueur de l'espace-temps. La lumière s'étend et la longueur d'onde s'allonge – et donc plus rouge, d'où le nom.
Cet étirement de la lumière nous aide à mesurer les distances. Nous calculons la longueur d'onde de la lumière que nous nous attendons à voir à partir d'objets éloignés et comparez cela avec ce que nous mesurons réellement. La différence entre les deux nous indique combien l'espace-temps s'est étendu entre nous et l'objet que nous examinons. Ceci, à son tour, nous permet d'estimer la distance. Les mesures de décalage vers le rouge ont été validées à maintes reprises par des observations astronomiques et des expériences de laboratoire.
Mais une question se cache en arrière-plan. Du point de vue de la physique quantique, la longueur d'onde de la lumière correspond à la quantité d'énergie de la lumière. Plus la lumière, plus la lumière, plus énergique. Cela signifie que lorsque la lumière est décalée en rouge, elle se transforme en lumière à l'énergie inférieure. À première vue, ce n'est pas vraiment gênant, juste une caractéristique cool de la science quantique dans la conversation avec la cosmologie.
La conservation de l'énergie est la règle de la physique quotidienne, mais même les règles cosmiques sont parfois pliées ou brisées
Le problème? Nous aimons que notre physique soit cohérente avec d'autres physique. Et l'un des principes de la physique quotidienne est la conservation de l'énergie, l'idée que l'énergie ne peut pas être créée ou détruite, tout simplement transformée. Donc, si nous supposons que la conservation de l'énergie s'applique à la lumière de décalage vers le rouge, cela invite la question: que se passe-t-il à l'énergie perdue de la lumière? Un lecteur astucieux m'a posé cette question même.
La réponse est peut-être surprenante: la conservation de l'énergie est la règle, mais même les règles cosmiques sont parfois pliées ou brisées. Dans le cas des distances cosmiques, le principe gouvernant est la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein. Ce concept, qui est le plus célèbre pour l'introduction de l'idée d'espace-temps avec courbure, est également la raison pour laquelle nous pouvons montrer mathématiquement qu'il est possible pour l'espace-temps de se développer.
Une autre caractéristique de la relativité générale est que l'énergie n'est pas conservée. En d'autres termes, lorsque la lumière perd de l'énergie lors de ses décalés vers le rouge, la théorie dit que cela n'a pas vraiment d'importance. L'énergie ne doit pas aller quelque part. Il peut simplement disparaître.
Du moins, c'est une façon d'en parler. Alternativement, nous devons tenir compte non seulement de l'énergie de la lumière, mais aussi de l'énergie associée à la gravité – à la quantité de courbure dans l'espace-temps. Au fil des ans, ces deux façons apparemment divergentes de penser à la situation ont causé beaucoup de problèmes. Il y a de véritables désaccords sur la description la plus légitime. Il y a aussi ceux qui les voient comme deux côtés de la même médaille.
Mon point de vue personnel est que cela revient à ce qu'est l'énergie. Bien que l'énergie soit difficile à définir, nous pouvons avoir une idée de ce qu'elle est et où elle est due à des objets matériels comme les particules ou les étoiles. Mais une fois que nous disons «la courbure de l'espace-temps a une énergie qui y est associée», les choses deviennent troubles. Où est l'énergie? Partout dans l'espace-temps? Quelle quantité de cette énergie est à un moment donné? Et ainsi de suite. C'est l'inflation de questions!
Je suis donc enclin à être d'accord avec les gens qui disent que la conservation de l'énergie n'est pas un concept utile ici. Ce que nous pouvons dire avec confiance, c'est que la courbure de l'espace-temps et l'énergie associée à la matière se façonnent. Le mouvement de l'espace-temps indique que cela peut aller, et la masse de Matter (ce qui équivaut à l'énergie) indique à l'espace-temps comment il peut se déplacer.
La semaine de Chanda
Ce que je lis
Riley Black's Quand la terre était verte: les plantes, les animaux et la plus grande romance de l'évolution sont beau.
Ce que je regarde
Je reviens Star Trek: étranges nouveaux mondes dès le début.
Sur quoi je travaille
Je pense à ce que l'observatoire de rayons X Newathena nous apprendra sur l'intérieur des étoiles à neutrons.
Chanda Prescod-Weinstein est professeur agrégé de physique et d'astronomie à l'Université du New Hampshire. Elle est l'auteur du Cosmos désordonné et le prochain livre The Edge of Space-Time: Particles, Poetry et The Cosmic Dream Boogie
