Un concept important qui joue un grand rôle dans la compréhension moderne de l'Univers est le vide, ou vacua en latin, la forme plurielle du mot «vide».
Vous savez peut-être que les physiciens appellent le vide un espace vide dans lequel il n'y a rien - ni de l'air, ni même des particules élémentaires volantes. Mais alors il y a quelque chose d'étrange dans l'idée du vide au pluriel. Apparemment, quelque chose d'autre a été ajouté à ce concept! C'est ce que je vais essayer d'expliquer.
La théorie peut offrir une description de l'espace vide
Pour commencer, permettez-moi de vous rappeler ce qu'est la théorie en physique. Ce n'est pas un raisonnement ou une idée; c'est quelque chose de plus spécifique. Une théorie est un ensemble d'équations et de concepts connexes qui permet aux scientifiques de faire des prédictions sur le comportement des objets physiques. Certaines théories doivent décrire le monde réel; la plupart des théories décrivent des mondes imaginaires; mais toute théorie raisonnable fait des prédictions cohérentes et décrit les aspects d'un monde possible.
Par exemple, la théorie de la gravité de Newton, dans laquelle la force gravitationnelle entre deux objets situés à une distance r, est proportionnelle à 1 / r
2 , décrit grossièrement ce qui se passe dans le monde réel. Il pourrait y avoir une autre théorie de la gravité, dans laquelle la force est proportionnelle à 1 / r
3 . Ce serait encore une théorie physique, car elle fait des prédictions claires sur la façon dont les objets devraient être attirés les uns par les autres en raison de la gravité, mais elle décrirait un monde imaginaire, pas le nôtre, réel. Il s'agit d'une théorie physique parfaitement normale, mais elle ne décrit pas la nature de notre monde.
Certaines théories (pas toutes, bien sûr) doivent décrire non seulement les objets, mais aussi l'absence d'objets sous forme d'espace vide - également connu sous le nom de vide. À l'époque de Newton, l'espace vide était simple. C'était juste ça, juste un espace vide. Mais au fil des ans, l'espace vide est devenu de plus en plus complexe. Au XIXe siècle, il est devenu connu qu'il y a des champs dans l'espace vide - et aujourd'hui, nous considérons les champs comme des aspects élémentaires de l'Univers, ils sont donc extrêmement importants!
Champs
Un champ est une entité qui peut faire une différence n'importe où dans l'espace à un moment donné. Dans la vie de tous les jours, nous rencontrons un champ sous la forme de la température de l'air - à tout moment et en tout lieu, vous pouvez mesurer la température, et si vous connaissez la température dans tout l'espace, vous connaissez le champ de température à ce moment. Mais cet exemple ne nous convient pas, car la température de l'air a du sens en présence d'air, et dans un espace vide le champ de température n'a pas de sens.
Un meilleur exemple serait un champ électrique (responsable de la foudre, de l'adhérence statique et des courants électriques dans les fils). Un champ électrique est un champ élémentaire de la nature qui existe même dans un espace vide. Il en va de même pour tous les champs élémentaires de la nature, y compris le champ W, le champ d'électrons, le champ de muons, etc., y compris le désormais célèbre champ de Higgs.
Vide vs vide
Ainsi, lorsque nous parlons d'espace vide, nous entendons l'espace le plus vide possible. Dans un sens, il est vide, car il n'y a pas de particules, pas même des particules de lumière (photons). Et les particules ont une longue durée de vie et se comportent simplement comme des perturbations du champ. Mais dans un sens, il n'est pas vide, à cause du champ électrique, du champ W, du champ Higgs, tout le temps là-bas! Vous ne pouvez pas définir un vide avec une simple phrase «espace vide», car nous devons non seulement dire qu'il n'y a pas de particules, mais aussi dire exactement ce que font les champs dans cet espace vide. Autrement dit, nous devons déterminer la configuration des champs dans ce vide.
Dans un certain vide, les champs peuvent être ajustés de telle manière que pour la plupart d'entre eux, la valeur moyenne sera nulle. En moyenne, car les fluctuations quantiques garantissent une légère gigue des valeurs. Mais certains d'entre eux peuvent ne pas être en moyenne à zéro. Cela est vrai pour notre vide - tous les champs sont en moyenne nuls, à l'exception du champ de Higgs, dont la valeur moyenne est non nulle et constante dans toute la partie visible de l'Univers (à l'exception de la gigue quantique). C'est très important! Le monde que nous connaissons ne pourrait pas être connu si la valeur moyenne du champ Higgs était nulle - nous n'y serions pas du tout.
Il peut y avoir plusieurs aspirateurs différents dans l'univers. C'est-à-dire que l'espace peut être aussi vide que possible de plusieurs manières - il y a plus d'une façon d'ajuster les champs de l'univers même en l'absence de particules. De même, une théorie décrivant l'univers peut prédire la présence de plusieurs types de vide. Un exemple d'une telle théorie est le modèle standard, les équations utilisées pour décrire et prédire le comportement des particules élémentaires connues et les interactions de la nature (sans compter les éléments les plus mystérieux: la gravité, la matière noire et l'énergie noire). Maintenant, après avoir mesuré la masse de la particule de Higgs, nous savons que le modèle standard prédit deux aspirateurs différents - dans l'un d'eux, le champ de Higgs a la valeur que nous observons, et dans l'autre, il est beaucoup plus grand. En général, la théorie prédit la possibilité de l'existence de deux modes de comportement très différents de l'espace vide.
Fig. 1Mais clarifions quelque chose. Une théorie appelée le modèle standard prédit cela pour l'univers imaginaire décrit par le modèle standard. Nous ne savons pas encore par expérience si le modèle standard décrit l'univers réel - c'est-à-dire si l'univers imaginaire du modèle standard et l'univers réel dans lequel nous vivons sont suffisamment similaires pour que les prédictions du modèle standard (théorie) coïncident avec tous les résultats de toutes les expériences. (données). Par conséquent, nous ne savons pas s'il y a deux vides prévus par le modèle standard dans le monde réel.
Le vide est comme le fond d'un bol
Je décrirai l'une des principales propriétés d'un vide. La même propriété permet au ballon de reposer au fond du bol.
Fig. 2Le fond du bol est stable pour le ballon. Si vous déplacez le ballon sur une courte distance dans n'importe quelle direction, il reculera, deviendra légèrement plus cher, puis la force de friction l'arrêtera tout en bas. Lorsque vous déplacez la balle à une petite distance du fond, son énergie (interactions avec la gravité de la Terre) augmente, et elle a tendance à diminuer cette énergie par un retour au point de départ, où l'énergie de la gravité est la plus petite. Une position stable est une position dans laquelle tout mouvement de la balle augmente son énergie, ou du moins ne la réduit pas. Par conséquent, si vous pouvez déplacer la balle de manière à réduire son énergie, la balle roulera dans cette direction et ne reviendra pas nécessairement - dans ce cas, le courant initial ne sera pas une position stable.
Par définition, le vide est une configuration stable des champs de l'univers et du cosmos lui-même. "Si quelqu'un change un peu les valeurs des champs dans le vide, alors les valeurs des champs auront tendance à revenir à leur position initiale, puis ils feront un peu le tour et se calmeront. Le vide est une configuration des champs, par exemple dont l'énergie de l'univers est minimale; tout petit changement dans les champs conduit à une augmentation (ou du moins ne conduit pas à une diminution) de l'énergie de l'univers, et les champs auront toujours tendance à revenir à leurs valeurs dans le vide.
Fig. 3: différents bols avec différentes positions stables pour le ballonRevenons au bal. Vous pouvez imaginer une situation dans laquelle j'ai deux bols identiques, chacun ayant une position stable pour le ballon. Ou vous pouvez imaginer un bol d'une forme étrange avec deux positions stables différentes à différentes hauteurs. Ou vous pouvez imaginer un bol beaucoup plus complexe avec de nombreuses positions stables. Vous pouvez imaginer comment nous avons mis la balle dans l'une des différentes positions indiquées sur la fig. 3 flèches, et il y reste indéfiniment, car tout petit changement de position de la balle ne suffira pas à la déplacer d'une position stable à une autre (l'effet tunnel tunnel quantique complique cette situation, mais nous en reparlerons la prochaine fois).
De même, l'Univers peut avoir - ou la théorie de l'Univers peut prédire l'existence de - plus d'une configuration stable de champs, c'est-à-dire plus d'un vide. Personne ne limite le nombre de vides possibles, bien que les théories simples en aient généralement assez peu. Seules les théories avec de nombreux types de domaines ont généralement de nombreux vides. Il s'avère que la question, bien que pas directement, est liée au nombre de types de champs dans notre Univers? Seulement connu de nous? Ou des milliers d'entre eux?
Notre univers a-t-il beaucoup d'aspirateurs?
Comment se fait-il que le modèle standard prédit qu'il y a deux vides dans notre univers? Tout d'abord, il est facile de montrer (si vous savez calculer) que chaque champ élémentaire du modèle standard, à l'exception du champ de Higgs, devrait avoir une valeur moyenne nulle dans n'importe quel vide. Mais le champ de Higgs n'est pas comme ça; il peut posséder et a une valeur moyenne non nulle dans le vide que nous connaissons, et peut le posséder dans tout autre vide possible. Pour savoir quelles sont les valeurs stables du champ de Higgs, nous calculons l'énergie de l'espace vide en fonction de la valeur moyenne du champ de Higgs. Fait intéressant, les physiciens peuvent aujourd'hui effectuer des calculs très détaillés, car ils sont déjà:
• mesuré avec précision la masse du quark supérieur,
• découvert la particule de Higgs (qui, selon le modèle standard, il n'y a qu'une seule espèce), et
• mesuré la masse de la particule de Higgs.
En conséquence, ils arrivent à une conclusion similaire à celle montrée sur la Fig. 4. Comme un double bol au milieu de la fig. 3, qui a deux positions stables, où tout mouvement de la balle augmente son énergie, l'énergie du champ de Higgs. Le modèle standard prédit deux minima. Cela signifie qu'il y a deux aspirateurs indiqués par des flèches sur la fig. 4, avec les propriétés indiquées sur la fig. 1: un vide connu de nous, avec une valeur assez faible du champ de Higgs, l'autre, un vide exotique, de grande valeur.
L'emplacement et la profondeur exacts (la valeur du champ de Higgs et l'énergie de l'espace vide) d'un vide exotique est une question ouverte. Ils dépendent en grande partie des masses du quark supérieur et de la particule de Higgs, dont notre compréhension peut encore subir des changements petits mais critiques sur la base des données du Grand collisionneur de hadrons. Fig. 4 montre la meilleure estimation actuelle, où notre aspirateur a plus d'énergie qu'exotique.
Fig. 4Mais vous devez toujours vous rappeler que le modèle standard peut ne pas décrire notre univers suffisamment bien pour que toutes ces conclusions soient correctes. Nous savons déjà que le modèle standard ne prend pas en compte la gravité, la matière noire et l'énergie noire; il peut ne pas prendre en compte tout un wagon de particules inconnues. D'autres types de particules de Higgs peuvent même exister. En conséquence, nous ne savons rien avec confiance. Dans notre univers, il ne peut y avoir qu'un seul vide, ou trois, cent ou bien plus. L'étude du vide de l'univers reste un domaine de recherche active, qui peut en principe se poursuivre pendant des siècles.