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illustration pour le concept de « l’espace-temps »
La lumière se déplace à une vitesse finie et en ligne droite. Si l’univers a une taille finie, forcément, un jour, la lumière va atteindre le bord de l’univers. Non ?
En réalité, pas vraiment.

Prenons une analogie : si vous avez une carte routière du monde entier et si vous suivez la carte en marchant/nageant toujours tout droit, allez-vous atteindre le bord de la Terre ? La réponse est évidemment non, car la Terre est une sphère et n’a donc pas de bord.

Sur la carte, notre représentation de la surface terrestre a un bord, mais pas la Terre elle-même. La Terre est vaste à l’échelle humaine, et donc approximer la surface terrestre par une carte ou un planisphère ne pose pas de problèmes dans la vie courante.
Si on voulait rester fidèle à la réalité, il faudrait pourtant recourber la carte sur elle-même en formant une sphère. Un planisphère est d’ailleurs la représentation plane d’une sphère. Quand on marche droit devant soi en suivant une carte, on ne marche pas réellement droit : on suit la courbure de la Terre sans s’en rendre compte.

Pour l’univers, certaines théories prédisent la même chose : l’univers est fait d’un espace-temps que nous percevons localement comme étant orthogonal (donc droit), mais qui est en fait recourbé de telle sorte qu’il n’a pas de bords non plus.

L’univers n’est donc pas forcément infini, mais sa finitude ne lui donnerait pas nécessairement de bords non plus. De plus, la lumière ne se déplace pas totalement en ligne droite : elle suit les lignes de courbure de l’espace-temps (tout comme marcher en « ligne droite » correspond à suivre la courbure de la Terre). Localement, ces lignes semblent parfaitement droites, mais ce n’est pas le cas sur de très grandes échelles.

La courbure de l’espace-temps ferait alors en sorte que la lumière, même se déplacement toujours « droit devant elle » finirait par revenir sur ses pas et ne jamais rencontrer de bords.

D’autre part, l’univers étant en expansion (et en expansion de plus en plus rapide), il arrivera un moment où rattraper cette expansion ne sera plus possible : l’univers s’étendra plus rapidement que notre vitesse de déplacement, et même que la vitesse de la lumière. Sous ces conditions, même s’il existe un bord sur l’univers, l’expansion de ce dernier empêcherait quoi que ce soit de l’atteindre.

(Cet article a initialement été publié sur Le Hollandais Volant. J’ai décidé de mettre à jour et de le déplacer ici)

image d’en-tête de Slac-Lab

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Loukatao wrote:

Bonjour
Je ne comprends pas comment l'extension de l'univers peut être plus rapide que celle de la lumière vue que l'on ne peut pas dépasser celle-ci.
Si c'était le cas, cela voudrait dire que , comme nous faisons parti de l'univers et que nous irions plus vite que la lumière, nous verrions de moins en moins loin dans le passé?
Pour me faire à cette idée là, je pense à un ballon de baudruche sur lequel nous serions posé et qui se gonflerait plus vite que la vitesse que la lumière, nous ne pourrions voir le centre du ballon.

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Le Hollandais Volant wrote:

@Loukatao :

Je ne comprends pas comment l'extension de l'univers peut être plus rapide que celle de la lumière vue que l'on ne peut pas dépasser celle-ci.

Deux choses, déjà, l’expansion de l’univers concerne l’expansion de l’espace-temps, cette structure dans laquelle se trouve de ce qu’il y a (matière, champs quantiques, énergie…). Ça ne constitue pas un déplacement de matière, et donc pas non plus une violation de la vitesse de la lumière.

nous verrions de moins en moins loin dans le passé?

C’est exact oui.
Il viendra un moment dans le futur où les galaxies les plus lointaines s’éloigneront de nous plus vite que la lumière fait pour parvenir jusqu’à nous : la "création" d’espace-temps entre ces galaxies et nous sera trop rapide.

Une image que j’aime bien pour ça, c’est celle de deux fourmis sur un élastique. Si tu prends un élastique avec deux fourmis sur chaque extrémité, alors les fourmis peuvent se rejoindre en marchant l’une vers l’autre. Mais si tu tends l’élastique plus rapidement que ne se déplacent les fourmis, alors ces dernières ne se rencontreront jamais.

L’expansion de l’univers fonctionne pareil, sauf que l’élastique est l’espace-temps et les fourmis sont des photons (de la lumière).
À aucun moment la lumière ne va plus vite dans l’espace-temps que la vitesse de la lumière, donc à aucun moment il n’y a violation de cette loi.

Pour me faire à cette idée là, je pense à un ballon de baudruche sur lequel nous serions posé et qui se gonflerait plus vite que la vitesse que la lumière, nous ne pourrions voir le centre du ballon.

Totalement, oui.

Pour continuer, à un moment donné, si l’espace s’étend trop vite, les galaxies vont s’éloigner plus vite que la gravité ne les attire l’une vers l’autre.
Pour nous, seuls les galaxies proches de nous resteront proche et donc également visible. Le groupe de galaxies autour de la nôtre qui a cette caractéristique est appelé le Groupe Local.

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Copernicus wrote:

Bonsoir,
Le sujet est intéressant, mais ne fait référence qu'à "certaines théories". Y en a t'il d'autres ?
Pour ma part, mes connaissances scientifiques ne me permettent pas d'affirmer quoi que ce soit, mais j'ai une conviction qui va à l'ncontre de la théorie décrite dans cet article.
Je pense que l'univers est sphérique, mais qu'il n'emprisonne pas sa matière ni la lumière: l'accélération de son extension est une dispersion (pas de big crunch pour moi) vers d'autres singularités, et que c'est leurs masses qui créée cette accélération, par phénomène de gravité. Ces singularités donneront lieu elles-mêmes à d'autres bigs-bangs. Bien-sûr, ma conviction ne repose sur aucune preuve scientifique.

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Le Hollandais Volant wrote:

@Copernicus : toutes les théories restent ouvertes tant qu’elles sont consistantes et qu’elles fonctionnent. Je n’en ai pas d’autres en tête par contre, si ce que l’univers peut aussi être infini…

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Babel wrote:

Bonjour,

Il me semble qu'on regarde la question sous un mauvais angle.. La Terre a effectivement une fin. Certes, si on se contente de marche à la surface de la Terre, on finira par revenir sur nos pas et on aura l'impression de ne jamais finir. Par contre, l'analogie me semble boiteuse car nous sommes à l'INTÉRIEUR de l'univers, pas à sa surface. C'est comme si nous étions quelque part entre le noyau de la Terre et son écorce et que nous "marchions" vers l'extérieur. Nous aurions alors atteint la limite de la Terre en arrivant à la surface. Pourquoi pas la même chose avec l'univers? Si je pars du centre de l'univers et que je me dirige vers son "extérieur", j'arriverai inévitablement à sa limite à un moment donné (pourvu que j'aille assez vite...), incapable d'aller plus loin. Je pourrai me promener à sa limite, à sa surface indéfiniment, mais ce faisant, j'aurai sous mes pieds l'univers tout entier et au dessus de ma tête... tout le reste, ce qui est à l'extérieur de notre univers (whatever that is..)

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Le Hollandais Volant wrote:

@Babel : En considérant la surface de la terre, je considère une sphère (dimension 2). Une sphère est un plan recourbé sur lui-même.
Je considère également notre place dans un univers en dimension 3, recourbé sur lui-même également.

En considérant l’intérieur de la sphère, tu considère une boule, et donc un espace de dimension 3. À partir de là, si tu veux étendre mon analogie en ajoutant une dimension à chaque fois, tu dois considérer l’univers comme un espace de dimension 4.
Et je parle ici de quatre dimensions spatiales, pas 3 d’espace + 1 de temps. Si certaines théories vont aussi loin que de prédire jusqu’à 11 dimensions spatiales (+ 2 de temps), elles ne sont pas encore prouvées par l’observation (bien qu’elles soient consistantes : ce sont les différentes théories des cordes).

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Meoran wrote:

Dans notre exemple de l'élastique et des fourmis, il est évident qu'on ne peut étirer l'élastique indéfiniment, il va se fini par se rompre.

Lorsqu'on parle de dilatation de l'espace dans le cadre de la théorie de la relativité, ça me parait cohérent, car le phénomène parait "localisé" et "délimité" dans l'espace, nécessite 2 observateurs, etc.... (j'ai du mal à mettre les mots, mais vous m'avez compris)

Hors lorsqu'on dit que l'univers est en expansion constante et à des vitesses > à la vitesse de la lumière, j'arrive pas à me dire que ce phénomène puisse continuer ad vitam aeternam, tirer sur un élastique de manière infini à des vitesses pareilles, ça me parait juste aberrant. Qu'est-ce qui justifie cette expansion ?
En fait l'idée de galaxies à la dérive sur un bout d'espace éloigné de nous plus vite que le temps que mettrait leur image à arriver, je crois que ça me fait flipper.

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Exekias wrote:

Article intéressant, merci.
Quelque-part ça parait étrange d'imaginer la forme de ce qui définit les formes.
Est-ce correct de conceptualiser les bords de l'univers (si il est fini) comme la fin de l'espace-temps ?

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Le Hollandais Volant wrote:

@Exekias : la fin… ou le début !

Si tu regarde un interlocuteur en face de toi (à environ 30 cm), l’image de cette personne est portée par la lumière jusqu’à tes yeux. À cette distance, la lumière aura mis environ 1 nanoseconde pour faire ce trajet. Tu vois donc la personne telle qu’elle était il y a 1 ns dans le passé.
Si tu regardes la Lune, de la même façon, tu la vois telle qu’elle était il y a environ 1 seconde.
Le Soleil, c’est 8 minutes.
L’étoile "Proxima" (la plus proche du Soleil), c’est 2 à 3 ans dans le passé.

Un truc observé à l’autre bout de la Voie Lactée, c’est environ 100 000 ans dans le passé.

Plus on observe des choses éloignées, plus la lumière qui en provient a voyagé longtemps et donc plus elle est ancienne. Observer loin revient donc à voir ce qui se passait il y a longtemps.

Une civilisation extra-terrestre située à 2017 années-lumière de nous et qui regarderait la Terre avec un super-téléscope, verrait (soi-disant) Jésus naître et l’ère Chrétienne (sur Terre, en occident) débuter.

Il y a une limite à cette logique : l’univers a 13,8 milliard d’années.
Avant ça, aucune lumière n’a été émise ; aucune lumière n’existait. Donc il n’est pas possible de voir plus loin dans le passé que ça…

Le corollaire de ça, c’est que, où qu’on observe le ciel, on ne pourra pas voir d’objets plus éloignées que 13,8 milliard d’années-lumière. L’univers n’est pas assez vieux pour que la lumière qui ait été émise si loin de nous ait eu le temps d’arriver jusqu’à nous.
Il y a donc autour de l’observateur une sphère (virtuelle) qui contient tout ce qu’on peut observer. Au delà, c’est trop loin. On appelle ça « l’univers observable ».

En réalité, l’univers observable est bien plus grand que 13,8 milliard d’années-lumière, car l’univers s’est expansée entre temps (et depuis le début). Ainsi, on peut voir environ à 41 milliard d’années-lumière dans toutes les directions.

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Nico wrote:

Bonjour,

Je pense que vous mélangez un peu plusieurs concepts mal compris.
C'est dommage car je pense que cela crée de la confusion et induit en erreur les lecteurs.

1) C'est dommage de ne pas avoir insisté sur le fait que l'exemple de la surface de la Terre correspond à considérer un espace en deux dimensions. Confondre ce qui est représenté par la surface ou le volume est une erreur très courante. Cela arrive régulièrement dans les illustrations des phénomènes telles que le Big Bang, les puits gravitationnels, les trous de vers. Par exemple, dans l'illustration du Big Bang où l'expansion est illustrée par un ballon qui se gonfle, l'univers corresponds à la surface en deux dimensions du ballon, pas au volume contenu dans le ballon.
En réalité, la dimension supplémentaire utilisée pour visualiser la courbature (la dimension dans laquelle on plonge la variété topologique) n'a aucune réalité physique.
Cela n'a donc rien à voir avec les dimensions supplémentaires que vous mentionnez en réponse à un commentaire (celles-ci sont des dimensions d'espace, elles-mêmes fortement courbées pour expliquer pourquoi elles ne sont pas visibles, ce qui veut dire que pour chacune d'elle, il y aurait en plus une nouvelle dimension "de plongement").

2) Le fait que la trajectoire de la lumière correspondent aux géodésiques sur la courbure locale est effectivement correct, mais je ne vois pas trop le lien avec le fait que la lumière ne peut pas s'échapper. Dans la mesure où l'univers est extrêmement peu dense et que la lumière parvient déjà à s'échapper de notre système solaire pourtant localement beaucoup plus dense, je ne comprends pas qu'un photon puisse être capturer par l'univers pour l'empêcher de sortir (sortir de quoi ? si la lumière ne peut pas aller plus loin que des particules de matières l'influençant gravitationnellement, comment ces particules elles-mêmes auraient pu aller si loin ?).

3) Un univers sphérique est effectivement un scenario physiquement cohérent. Mais les observations (notamment des expériences Planck et WMAP) nous informent que notre univers est probablement plat, et il est décris comme plat dans le modèle standard cosmologique. C'est un peu décevant, personnellement, j'aurais préféré un univers bouteille-de-klein, où en voyageant en ligne droite, on revient à son point de départ, mais retourné comme une chaussette.

4) Vous répondez à la question en expliquant qu'un univers sphérique n'a pas de frontières, ce qui est vrai. Mais il ne s'agit là que d'un seul scenario, et celui-ci est défavorisé par les observations.
Du coup, il serait pertinent d'aller plus loin.
Pour illustrer ce qui se passe pour un univers plat, on peut reprendre l'image du ballon et du Big Bang. Pour un univers sphérique, celui-ci après Big Bang corresponds à un ballon gonflé. Se rapprocher du Big Bang consiste à dégonfler le ballon. Ceci corresponds à un univers sphérique.
Pour un univers plat fini, on peut reprendre la même image, avec une feuille de plastique élastique à deux dimensions. La situation après Big Bang correspond à la feuille de plastique tendue. Se rapprocher du Big Bang consiste à détendre la feuille.
La taille de l'univers correspond donc à la taille de la feuille. Pour peu qu'elle soit plus grande que ce qui est nécessaire pour être consistent avec l'univers visible, il n'y a aucune grandeur qui est plus légitime qu'une autre. Donc, cette taille est arbitraire.
Pour mesure cette taille, il faudrait voir au delà de la limite de l'univers visible et observé qu'il n'y a plus de matière après une certaine distance (si c'est possible d'observer cela par certains moyens, par exemple les ondes gravitationnelles, sans doute que ces moyens sont aussi limités).

Cette taille définit la frontière de matière/énergie (ou plutôt de fluctuations des champs quantiques). Si de la matière, tel que de la lumière, franchit cette frontière, c'est donc que cette matière elle-même redéfinit la frontière. Par définition de cette frontière, aucune lumière ne peut la franchir.

Là où ça devient intéressant, c'est qu'il n'est pas non plus exclu que cette feuille de plastique soit infinie. L'univers après Big Bang correspond donc à la feuille de plastique tendue. Se reprocher du Big Bang consiste donc à détendre la feuille, qui est toujours tout autant infinie, mais moins tendue. Le Big Bang a donc lieu quand les points sont suffisamment rapprochés, mais ces points sont infinis et remplissent l'espace infini de la feuille de plastique. Le Big Bang serait alors dans ce cas de taille infinie, et il n'y aurait également aucune frontière.


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