LES 4 VÉRITÉS DE BRANE

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QU'EST-CE QUE LE VIDE ? (EXTRAIT DE DOSSIER)

Le vide existe-t-il vraiment ? Alors que la physique classique l'admet bien volontiers, la physique moderne, quant à elle, remet en cause cette notion.

La physique moderne suggère la possibilité que l’univers pourrait avoir émergé du néant. L’idée principale est que notre univers pourrait n’être qu’une fantastique fluctuation quantique possédant une énergie « virtuelle » totale si proche de zéro que sa durée de vie en devient gigantesque. Cela est possible parce qu’il y a des énergies positives et négatives dans l’univers, en raison de l'attraction gravitationnelle dans laquelle tout baigne.

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La force gravitationnelle attractive est présente dans tout le cosmos et entraîne une énergie potentielle négative pour tout ce qui y est soumis. Il est possible que, même si l’on tient compte de l’énergie mc2 de la matière, l’énergie totale de l’univers soit proche de zéro.
Alors, en accord avec la théorie quantique, l’univers pourrait n’être qu’une fantastique fluctuation du vide dont l’énergie totale serait si proche de zéro qu’il pourrait exister pendant un temps très long avant qu’un caissier du vide ne demande que l’équilibre des comptes soit rétabli. Si l’énergie totale est zéro, cela pourrait durer toujours.
S’il en est ainsi, qui peut dire que le seul et unique univers est le nôtre ? Pourquoi ne pas admettre la possibilité qu’il y ait d’autres bulles d’univers en effervescence ? De nombreux théoriciens explorent sérieusement cette possibilité, bien que beaucoup débattent de savoir si une telle proposition ressort du domaine scientifique, c’est-à-dire accessible à l’expérimentation.
Une chronologie de l'univers observable, du Big Bang aux sondes Planck et Herschel schématisant son passé et son évolution. Notez la phase d'inflation ayant prodigieusement dilaté l'espace juste au moment du Big Bang. © Rhys Taylor, Cardiff University
Une chronologie de l'univers observable, du Big Bang aux sondes Planck et Herschel schématisant son passé et son évolution. Notez la phase d'inflation ayant prodigieusement dilaté l'espace juste au moment du Big Bang. © Rhys Taylor, Cardiff University
Nous voici avec une image de l’univers brusquement apparu comme une fluctuation quantique du vide, extraordinairement chaude et en expansion rapide. Ce schéma devait avoir produit de formidables quantités de matière et d’antimatière, produites symétriquement, et pourtant on ne trouve aucun indice témoignant que de l’antimatière ait survécu quelque part de nos jours. On pense plutôt qu’il y a eu une asymétrie entre protons et antiprotons. L’origine de ce phénomène est encore un sujet de recherches, il se pourrait qu’on ait là un autre exemple de brisure spontanée de symétrie associée à un changement de phase de l’univers.

La théorie de l'inflation

Il reste des problèmes avec ce scénario, dont l’épineuse question de savoir d’où est venue toute l’énergie thermique. De plus l’expérience des changements de phase en physique de la matière condensée nous apprend que celles-ci ne se produisent jamais sans imperfections. Par exemple, lorsque du métal chauffé se refroidit et devient un aimant, le magnétisme change d’une zone à l’autre, formant des « domaines » d’aimantation différente. Il y a des défauts, des irrégularités partout dans le métal. La même chose a dû se produire un peu partout dans l’univers lorsqu’il a subi des transitions de phase, produisant des phénomènes tels que des murs d’énergie, des cordes cosmiques, appelons-les comme on voudra. Ce qui est sûr, c’est que l’on n’a pas enregistré d’observation probante de telles bizarreries. Une façon d’expliquer ce paradoxe a été proposée par Alan Guth et Paul Steinhardt qui ont proposé que l’univers n’est qu’un domaine à l’intérieur d’un plus grand « omnivers ». Selon cette théorie, connue sous le nom d’inflation, notre univers est le résultat d’un fantastique gonflement d’un seul de ces « domaines » microscopiques.

Le nom d'Alan Guth est souvent cité lorsqu'on parle du nom du découvreur de la théorie de l'inflation. Mais en fait, il avait été devancé peu de temps auparavant par Aleksei A. Starobinsky, l'un des collaborateurs de Zel'dovich. C'est aussi un autre chercheur russe, Andrei Linde, qui va développer les idées de Guth avec sa théorie de l'inflation chaotique et de l'univers autoreproducteur. © obspm

Le nom d'Alan Guth est souvent cité lorsqu'on parle du nom du découvreur de la théorie de l'inflation. Mais en fait, il avait été devancé peu de temps auparavant par Aleksei A. Starobinsky, l'un des collaborateurs de Zel'dovich. C'est aussi un autre chercheur russe, Andrei Linde, qui va développer les idées de Guth avec sa théorie de l'inflation chaotique et de l'univers autoreproducteur. © obspm
Ce qu’Alan Guth avait remarqué, c’est que, si le vrai vide contient un champ de Higgs, il y a la possibilité qu’une région de l’univers ait pu se retrouver dans un vide instable, ou « faux » (le faux vide est l’analogue du crayon en équilibre sur sa pointe, le vrai vide étant assimilé au crayon tombé sur la table). Il faut se rappeler que l’ajout du champ de Higgs au faux vide fera baisser son énergie. Dans le faux vide l’énergie totale est proportionnelle au volume, et il faut donc du travail pour augmenter ce volume. Comme l’énergie de l’état est plus basse dans le vide avec Higgs, la tendance naturelle sera qu’un tel volume se contractera. Et comparé au vrai vide avec Higgs, l’état de faux vide sera un état dans lequel la pression est effectivement négative. Si une fluctuation se produit dans une région de faux vide, l’effet gravitationnel de la pression négative peut surpasser celui de la matière, et il en résulte une expansion. Comme, dans ce scénario, l’univers passe par une transition d’un faux vide vers le vide avec Higgs, il est alors possible qu’une fantastique inflation puisse se produire dans une période extraordinairement courte.

Le grand cosmologiste théoricien russe Yakob Zel'dovich a été un des premiers physiciens qui a soutenu l'idée que l'énergie totale de l'univers pouvait être nulle, autorisant sa « création » par simple fluctuation quantique. © Boris Luk yanchuk

Le grand cosmologiste théoricien russe Yakob Zel'dovich a été un des premiers physiciens qui a soutenu l'idée que l'énergie totale de l'univers pouvait être nulle, autorisant sa « création » par simple fluctuation quantique. © Boris Luk yanchuk
Après la période de l’inflation, la transition vers le vrai vide dégage de l’énergie, comme le dégagement de chaleur latente quand l’eau gèle. Cette énergie produit les particules de matière qui formeront finalement les galaxies, les étoiles et nous-mêmes. L’attraction gravitationnelle apporte une énergie potentielle négative qui la compense, amenant l'énergie totale tout près de zéro.
L’effet de cette inflation est tout à fait surprenant. La taille de notre univers observable est actuellement de 1026 mètres. Si l’on remonte dans le temps, jusqu’à la température de 1028 degrés qui correspond à la fin de l’inflation, on trouve que notre univers à son début aurait eu une taille de quelques centimètres. L’ère de l’inflation l’aurait gonflé d’un énorme facteur 1050, ce qui nécessite une fluctuation de la bulle naissante de seulement 10-52 mètre, tout à fait dans les tailles des fluctuations que l’on attend en gravité quantique.

 

SOURCE : Futura Sciences 15.09.2015



18/10/2015
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