Quatre définitions scientifiques du concept de "rien"

L'Univers est un lieu immense, diversifié et intéressant, rempli de matière et d'énergie, sous diverses formes; et tout cela se joue sur la scène de l'espace-temps conformément aux lois de la physique. Ceci est illustré par cette photographie du télescope Hubble, qui montre un amas de galaxies IDCS J1426.5 + 3508 . Et combien faut-il tout enlever avant de nous retrouver avec quoi que ce soit?

En observant notre monde et notre univers, nous réfléchissons et raisonnons sur tout ce qu'il contient. Ce sont diverses particules, atomes, personnes, ainsi que des planètes, des étoiles, des galaxies et les plus grandes structures. Selon ce qui nous intéresse, nous pouvons discuter du gaz, de la poussière, du rayonnement, des trous noirs ou même de la matière noire. Mais tout ce que nous voyons, observons ou dont nous supposons l'existence pourrait ne pas exister pour toujours. Certains de ces éléments découlent de la matière préexistante, tandis que les autres, semble-t-il, proviennent entièrement de rien. Il n'est pas surprenant que tout le monde ne soit pas d'accord avec ce que nous voulons dire, scientifiquement parlant, en utilisant les mots «rien». Selon qui (ou quand) vous demandez, vous pouvez obtenir l'une des quatre réponses suivantes. Et c'est pourquoi ils comptent tous pour nous.


La galaxie la plus solitaire de l'Univers - il n'y a pas une autre galaxie à proximité, à une distance de 100 millions d'années-lumière. Mais cela ne peut pas être appelé une véritable représentation de l'espace vide.

1) Le moment où ce qui vous intéresse n'existait pas. Comment l'univers a-t-il créé des planètes? Et les étoiles? Et l'asymétrie de la matière? Ces objets n'existaient pas toujours, ils devaient être créés. Lorsque le mécanisme de leur apparition est connu, nous disons généralement que notre sujet d'intérêt a été créé à partir de quelque chose, et non à partir de rien. Les planètes émergent des fragments des générations précédentes d'étoiles, dans les noyaux dont les éléments lourds ont été créés, qui ont ensuite été jetés dans l'espace interstellaire. Les étoiles émergent de la contraction des nuages ​​de gaz, dans lesquels apparaissent des régions suffisamment denses et chaudes qui peuvent enflammer la fusion nucléaire. Les planètes et les étoiles sont de la matière issue d'une forme antérieure de matière; ils sont créés à partir de quelque chose, pas de rien.


Le Big Bang a créé de la matière, de l'antimatière et du rayonnement, et à un moment donné, un peu plus de matière a été créée, grâce à laquelle l'Univers d'aujourd'hui est né. Comment cette asymétrie est-elle apparue dans un processus qui a commencé symétriquement - cette question reste ouverte jusqu'à présent.

Mais la question que nous avons aujourd'hui ne vient pas de certains qui existaient avant elle. À un certain moment dans un passé lointain, l'Univers était composé à parts égales de matière et d'antimatière; les lois de la physique que nous connaissons ne nous permettent de les créer qu'en proportions égales. Cependant, l'univers d'aujourd'hui est presque entièrement composé de matière et non d'antimatière; tous les milliards de milliards de galaxies que nous connaissons sont constitués de matière, pas d'antimatière. D'où vient l'asymétrie? Il venait d'un état antérieur qui était symétrique; d'un état où la matière et l'antimatière étaient également partagées. Depuis l'époque où l'asymétrie n'existait pas. Certains croient que cela signifie que la question que nous avons aujourd'hui est née de rien - bien que d'autres personnes soutiennent avec eux qu'ils adhèrent strictement à d'autres définitions de «rien».

Et pourtant, personne ne prétend que le problème scientifique de la baryogenèse , ou la cause profonde de l'asymétrie matière / antimatière, est l'un des mystères les plus lourds de la physique moderne. De nombreuses idées et mécanismes d'apparition de la matière ont été inventés (au lieu de l'antimatière), mais nous n'avons aucune preuve pour déclarer un vainqueur parmi eux.


Le modèle standard de physique des particules décrit trois des quatre interactions (toutes sauf la gravité), l'ensemble complet des particules ouvertes et toutes leurs interactions. Grâce à la théorie des champs quantiques concomitante, nous pouvons également découvrir les propriétés du vide quantique.

2) Espace vide. Imaginez tout ce qui existe aujourd'hui dans l'univers. Imaginez toutes les composantes fondamentales de la matière; chaque quantum de rayonnement; chaque trou noir; chaque masse; chaque particule et antiparticule. Imaginez maintenant que nous avons supprimé tout cela. Imaginez qu'ils ont disparu de l'Univers et n'ont laissé que des espaces vides. Que resterait-il exactement après cela? Certains disent qu'il n'y aurait plus rien et qu'une telle définition leur convient.


Une visualisation de la théorie des champs quantiques dans laquelle les calculs démontrent les particules virtuelles d'un vide quantique. Même dans un espace vide, l'énergie du vide n'est pas égale à zéro.

Mais l'entité, connue sous le nom d'espace-temps, restera toujours en place, comme toutes les lois de la physique. Tous les champs présents dans l'espace vide, y compris le champ de Higgs et les champs quantiques, que nous décrivons souvent comme des paires particules-antiparticules émergentes et disparues, existent toujours. Les lois physiques, telles que la théorie quantique des champs, fonctionnent toujours; Il existe une théorie générale de la relativité; des constantes fondamentales existent et n'ont pas changé de sens. Le vide d'espace vide lui-même n'a aucune énergie autre que zéro. Aujourd'hui, elle se manifeste sous forme d'énergie sombre et, dans un passé lointain, ayant une valeur non nulle complètement différente, était la principale force derrière l'inflation cosmologique. Quand ils disent que l'Univers est apparu à partir de rien, ils signifient généralement un tel «rien»: le Big Bang chaud, généré par l'inflation.


Image d'un espace vide et plat, sans matière, énergie ou courbure. Si cet espace a l'énergie zéro la plus faible possible, il ne sera pas possible de la réduire

3) Un espace vide avec l'énergie la plus basse possible. Et si l'énergie zéro de l'univers était réduite à son état fondamental? À la fin de l'inflation, l'énergie du vide dans l'Univers a beaucoup chuté: de la barre d'inflation à la valeur actuelle. Cette chute d'énergie dans les espaces vides a entraîné une énorme augmentation de l'énergie des particules et a engendré un Big Bang chaud. Mais il n'y a aucune garantie que nous sommes maintenant dans l'état d'énergie vraiment minimum possible; il est possible que nous soyons dans un état de faux vide, et le vrai vide nous attend après une autre transition catastrophique qui va changer l'univers.


Champ scalaire φ dans un faux vide. Notez que l'énergie E est plus élevée que dans le vrai vide, ou état fondamental, mais il existe une barrière qui empêche le champ de glisser vers le vrai. Au moment de l'inflation, l'Univers n'était pas dans un véritable vide; il est possible que ce ne soit même pas aujourd'hui.

Si vous atteignez ce véritable état fondamental, quel qu'il soit, et que vous retirez toute la matière, l'énergie, le rayonnement et les ondes de l'espace-temps de l'Univers, que reste-t-il? C'est probablement l'idée finale de ce que peut être le «rien physique»: vous avez encore une scène à jouer pour l'univers. Il peut ne pas avoir de joueurs, de rôles, de script, mais dans le grand abîme «rien» n'a encore de scène. Le vide spatial sera à une valeur minimale; il n'y aura aucun espoir d'en extraire du travail, de l'énergie ou des particules réelles, mais l'espace-temps et les lois de la physique existeront toujours. En théorie, si vous ajoutez une particule à un tel univers, elle ne sera pas différente de la particule isolée qui existe aujourd'hui dans notre univers.


L'ensemble des entités disponibles dans l'Univers aujourd'hui trouve son origine dans le Big Bang chaud. De plus, l'Univers d'aujourd'hui ne peut apparaître qu'en raison des propriétés de l'espace-temps et des lois de la physique. Sans eux, nous ne pourrions exister sous aucune forme

4) Tout ce qui reste si vous supprimez l'Univers entier et les lois qui le régissent. Et enfin, vous pouvez imaginer comment nous supprimons tout, y compris l'espace, le temps et les règles régissant toutes les particules ou quanta d'énergie. Cela crée le type de «rien» pour lequel il n'y a pas de définition en physique. Cela va au-delà du «rien» existant dans l'Univers et devient à la place un «rien» plus philosophique et absolu. Mais dans le contexte de la physique, une telle définition de «rien» ne donne pas de sens. Il faudrait supposer qu'il y a un état en dehors de l'espace-temps dans lequel l'espace et le temps peuvent apparaître à partir de cet état hypothétique de vrai «rien».

Est-ce possible? Comment l'espace-temps apparaît-il à un certain endroit s'il n'y a pas d'espace? Comment créer le commencement du temps s'il n'y a pas de concept comme «plus tôt», s'il n'y a pas de temps? Et alors d'où proviendront les règles régissant les particules et leurs interactions? Est-ce qu'au moins quelque chose signifie cette dernière définition de «rien», ou est-ce juste une construction logique qui n'a pas de sens physique?


Les fluctuations de l'espace-temps à l'échelle quantique pendant l'inflation ont traversé l'Univers entier et ont donné lieu à des imperfections de densité et d'ondes gravitationnelles. Et bien que l'espace en état d'inflation puisse à juste titre être qualifié de bien des façons de «rien», tout le monde n'est pas d'accord.

Il n'y a pas de consensus sur cette question. En raison des ambiguïtés du langage humain, on peut dire «rien», c'est-à-dire n'importe laquelle de ces définitions, et les puristes auront hâte de vous crier dessus pour avoir osé utiliser le mot «rien» dans un contexte moins pur que leur définition. Si quelque chose est réellement apparu là où rien de tel n'était arrivé auparavant, cela peut être appelé rien, mais tout le monde ne sera pas d'accord avec cela. Si nous éliminons toute la matière, l'antimatière, le rayonnement et même la courbure spatiale, nous pouvons affirmer avec certitude que ce qui reste ne sera rien - mais il restera encore quelque chose qui restera après une telle purification. Si vous supprimez toute l'énergie inhérente à l'espace lui-même et ne laissez que l'espace-temps et les lois de la nature, cela peut aussi être appelé "rien". Mais d'un point de vue philosophique, certaines personnes resteront insatisfaites. Et seulement en supprimant ce qui reste, ils pourront convenir que le reste peut être appelé "rien".


L'existence de particules et d'antiparticules du modèle standard a été prédite en raison des lois de la physique. Sans ces lois et sans scène spatio-temporelle, quelque chose de tangible peut-il apparaître?

Alors, qui a raison? Chacun d'eux, chacun à sa manière. Il ne s'agit pas de discuter de ce qu'est vraiment le «rien», mais d'accepter et de comprendre ces définitions et leur utilisation. Il est important de ne pas confondre les uns avec les autres et de ne pas se disputer sur les raisons pour lesquelles vous ne pouvez pas utiliser le mot d'une certaine manière. Au lieu de cela, lorsque quelqu'un - et en particulier un scientifique - utilise le mot «rien», essayez de comprendre exactement ce qu'il veut dire et quel phénomène il essaie d'expliquer. Parce que, malgré toute notre imagination, le seul vrai modèle de savoir quoi que ce soit est basé sur ce que nous pouvons tester dans notre réalité physique. Tout le reste, aussi logique que cela puisse paraître, ne sera qu'un concept de notre esprit.