Il y a environ un siècle, les scientifiques s'efforçaient de concilier ce qui semblait être une contradiction dans la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein (1879-1955). Publiée en 1915 et déjà largement acceptée à l'époque par les physiciens et les mathématiciens du monde entier, cette théorie considérait l'Univers comme statique, c'est-à-dire constant, immobile et immuable.
En bref, Einstein pensait que la taille et la forme actuelles de l'Univers étaient plus ou moins les mêmes que celles qu'il avait toujours eues.
Mais lorsque les astronomes ont observé des galaxies lointaines dans le ciel nocturne à l'aide de puissants télescopes, ils ont trouvé des indications selon lesquelles l'Univers ne présentait pas ces caractéristiques. Les nouvelles observations suggéraient exactement le contraire, à savoir qu'il était en expansion.
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Les scientifiques ont rapidement réalisé que la théorie d'Einstein ne stipulait pas que l'Univers devait être statique. Elle pouvait également soutenir un Univers en expansion.
En effet, en utilisant les mêmes outils mathématiques que ceux fournis par la théorie d'Einstein, les scientifiques ont créé de nouveaux modèles qui démontrent que l'Univers est en fait dynamique et en évolution.
J'ai passé des dizaines d'années à essayer de comprendre la relativité générale, y compris dans le cadre de mon emploi actuel de professeur de physique.
Je sais que l'idée d'un univers en perpétuelle expansion peut sembler décourageante. Une partie de ce défi consiste à surmonter son intuition naturelle sur la façon dont les choses fonctionnent.
Il est difficile, par exemple, d'imaginer quelque chose d'aussi grand que l'univers sans qu'il ait un centre, mais les physiciens affirment que c'est la réalité.
L'espace entre les galaxies
Commençons par définir le terme « expansion ».
Sur Terre, « expansion » signifie que quelque chose grossit. Et par rapport à l'Univers, c'est en partie vrai.
L'expansion peut également signifier que « tout s'éloigne de nous », ce qui est vrai pour l'Univers. Si vous pointez un télescope sur des galaxies lointaines, elles sembleront toutes s'éloigner de nous.
En outre, plus nous sommes éloignés, plus elles semblent s'éloigner rapidement.
Ces galaxies semblent également se déplacer par rapport aux autres. C'est pourquoi il est plus juste de dire que tout dans l'Univers s'éloigne de tout, dans un même mouvement.
Il s'agit d'une notion subtile mais fondamentale.
Il est facile d'imaginer la création de l'Univers comme l'explosion d'un feu d'artifice. Tout commence par un big bang, puis toutes les galaxies de l'Univers s'envolent dans toutes les directions à partir d'un point central.
Mais cette analogie est erronée. Elle suppose à tort que l'expansion de l'Univers a commencé en un seul point, ce qui n'est pas vrai. Elle suggère également que les galaxies se déplacent, ce qui n'est pas du tout le cas.
Ce n'est pas que les galaxies se déplacent les unes par rapport aux autres. En fait, l'espace entre les galaxies - le tissu de l'Univers lui-même - est toujours en expansion au fil du temps.
En d'autres termes, ce ne sont pas les galaxies qui se déplacent dans l'Univers. C'est l'Univers lui-même qui les transporte plus loin au fur et à mesure de son expansion.
Il existe une analogie courante. Imaginez que vous collez des points sur la surface d'un ballon.
Lorsque vous insufflez de l'air dans le ballon, celui-ci se dilate. Mais comme les points sont fixés à sa surface, ils s'éloignent.
On peut avoir l'impression qu'ils se déplacent, mais les points restent en fait exactement à l'endroit où vous les avez placés. C'est la distance qui les sépare qui augmente, simplement parce que le ballon s'est agrandi.
Imaginez maintenant que les points sont des galaxies et que le ballon est le tissu de l'Univers. Vous commencerez à vous faire une idée de cette image.
Cette analogie est un bon début, mais elle ne donne malheureusement pas tous les détails.
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La quatrième dimension
Comme pour toute analogie, il est important de comprendre ses limites.
Certains de ses défauts sont évidents. Le ballon est suffisamment petit pour que vous puissiez le tenir dans vos mains, mais il n'en va pas de même pour l'univers.
Il existe un autre défaut, plus subtil. Le ballon est composé de deux parties : une surface en latex et un intérieur rempli d'air. Dans le langage mathématique, les deux parties du ballon sont décrites différemment.
La surface du ballon est bidimensionnelle. Si vous marchez dessus, vous pouvez vous déplacer vers l'avant, l'arrière, la gauche ou la droite, mais vous ne pouvez pas vous déplacer vers le haut ou le bas sans quitter la surface.
Il peut sembler que nous indiquions ici quatre directions : vers l'avant, vers l'arrière, vers la gauche et vers la droite. Mais il ne s'agit que de mouvements le long de deux voies fondamentales, latérale et longitudinale. C'est ce qui constitue une surface bidimensionnelle : la longueur et la largeur.
L'intérieur du ballon, en revanche, est tridimensionnel. Vous pouvez donc vous déplacer librement dans toutes les directions, y compris vers le haut ou vers le bas (en longueur, en largeur et en hauteur).
C'est là que réside la confusion. Ce que nous considérons comme le « centre » du ballon est n'importe quel point à l'intérieur du ballon, dans l'espace rempli d'air sous la surface.
Mais dans cette analogie, l'univers ressemble davantage à la surface en latex d'un ballon.
L'intérieur du ballon, rempli d'air, n'a pas de contrepartie dans notre Univers. C'est pourquoi nous ne pouvons pas utiliser cette partie de l'analogie. Seule la surface compte.
Ainsi, demander « quel est le centre de l'Univers » revient à demander « où est le centre de la surface du ballon ». Il n'existe tout simplement pas.
Vous pouvez voyager le long de la surface du ballon dans n'importe quelle direction, aussi longtemps que vous le souhaitez, sans jamais trouver un endroit que vous pouvez appeler le centre. En fait, vous ne quitterez jamais la surface.
De la même manière, vous pouvez voyager dans n'importe quelle direction à travers l'Univers et ne jamais trouver son centre, puisque, comme la surface du ballon, il n'y a tout simplement pas de point central dans l'Univers.
Cette difficulté de compréhension provient en partie de la façon dont l'Univers est décrit dans le langage mathématique.
La surface du ballon a deux dimensions et l'intérieur en a trois, mais l'Univers existe en quatre dimensions. Il ne s'agit pas seulement de savoir comment tout se déplace dans l'espace, mais aussi comment les choses se déplacent dans le temps.
Notre cerveau est conçu pour penser au temps et à l'espace séparément. Mais dans l'Univers, ils sont interconnectés en un seul tissu appelé « espace-temps ».
Cette unification modifie le fonctionnement de l'Univers par rapport à ce que notre intuition prévoit.
Même avec cette explication, nous n'avons pas encore commencé à répondre à la question de savoir comment quelque chose peut s'étendre indéfiniment. Les scientifiques tentent toujours de découvrir ce qui alimente cette expansion.
Ainsi, lorsque nous nous interrogeons sur le centre de l'univers, nous nous heurtons aux limites de notre intuition.
La réponse que nous trouvons - tout se dilate, partout, en même temps - nous donne un aperçu de l'étrangeté et de la beauté de notre Univers.
* Rob Coyne est professeur de physique à l'université de Rhode Island, aux États-Unis.
Cet article a été publié à l'origine sur le site d'information universitaire The Conversation.
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