Il s'avère que la quantité d'énergie contenue dans l'espace vide est très difficile à expliquer sans impliquer la théorie du multivers. Mais les physiciens ont au moins une alternative à étudier.
L'idée contradictoire que notre Univers n'est qu'une bulle aléatoire dans un Univers infini et moussant découle logiquement de la caractéristique, à première vue, la plus innocente de la nature: l'espace vide. Plus précisément, l'hypothèse multivers se développe à partir d'une quantité incroyablement minuscule d'énergie contenue dans l'espace vide - connue sous le nom d'énergie de vide, d'énergie sombre ou de constante cosmologique. Chaque mètre cube d'espace vide contient une quantité d'énergie suffisante pour allumer une ampoule pendant seulement 11 billions de fractions de seconde. "C'est comme un os dans la gorge", comme
Stephen Weinberg , lauréat du prix Nobel, a décrit un jour un problème qui devrait avoir au moins mille milliards de milliards de milliards de milliards de milliards de fois plus d'énergie dans le vide en raison de la
présence de tous les champs qui lui sont associés. matière et interactions. Mais d'une manière ou d'une autre, tous les effets de ces champs sont presque complètement détruits mutuellement, et une paix sereine est obtenue. Pourquoi l'espace vide est-il si vide?
Bien que nous ne connaissions pas la réponse à cette question - le fameux «
problème de la constante cosmologique » - le degré extrême de vide de notre vide semble nécessaire à notre existence. Dans un univers un peu plus rempli d'énergie répulsive par gravité, l'espace se dilaterait trop vite pour que des structures comme des galaxies ou des planètes se forment. Un tel système finement réglé suggère qu'il peut y avoir de nombreux univers, et chacun d'entre eux peut avoir sa propre quantité d'énergie de vide, et nous vivons dans un univers avec un taux extrêmement bas, parce que nous ne pouvons pas apparaître dans un autre.
Certains érudits froncent les sourcils au sujet de la tautologie du "
principe anthropique " et n'aiment pas que la théorie du multivers soit invérifiable. Même ceux qui ne sont pas opposés à cette théorie voudraient avoir des solutions alternatives au problème de la constante cosmologique. Mais alors qu'il est presque impossible de résoudre sans multivers. "Le problème de l'énergie noire est si difficile et si peu pratique que les gens n'y ont pas trouvé une ou deux solutions", a expliqué Raman Sandram, physicien théoricien à l'Université du Maryland.
Pour comprendre pourquoi cela se produit, réfléchissez à l'énergie du vide. La théorie générale de la relativité d'Albert Einstein affirme que la matière et l'énergie indiquent à l'espace-temps comment se plier, et la courbure de l'espace-temps indique à la matière et à l'énergie comment se déplacer. Des équations découle automatiquement la capacité de l'espace-temps à avoir sa propre énergie - une quantité constante qui reste quand il n'y a plus rien, ce que Einstein a appelé la constante cosmologique. Pendant des décennies, les cosmologistes ont supposé que sa valeur était nulle, étant donné le taux d'expansion assez constant de l'Univers, et ont pensé pourquoi cela s'était produit. Mais en 1998, les astronomes ont découvert que l'expansion de l'espace s'accélère progressivement, ce qui implique la présence d'une énergie répulsive qui imprègne tout l'espace.
Cependant, la densité supposée de cette énergie de vide contredit ce que la théorie quantique des champs dit de l'espace vide. Un champ quantique est considéré comme vide lorsque les particules, représentant des excitations de champ, ne se déplacent pas à travers lui. Mais en raison du principe d'incertitude, l'état d'un champ quantique n'est jamais exactement connu, donc l'énergie ne peut pas être exactement égale à zéro. Imaginez qu'un champ quantique se compose de petits ressorts situés à chaque point de l'espace. Les ressorts oscillent constamment, car ils sont toujours étirés à une distance indéfinie de l'état le plus détendu. Ils sont toujours soit légèrement comprimés soit légèrement étirés, et donc toujours en mouvement, ce qui signifie qu'ils ont de l'énergie. C'est ce qu'on appelle l'
énergie de champ nul . Dans les domaines des interactions, l'énergie zéro est positive, et dans les domaines de la matière - négative, et ces énergies participent à l'énergie totale du vide.
L'énergie totale du vide doit être approximativement égale à la somme des contributions les plus importantes. Cependant, le taux d'expansion cosmique observé suggère que cette valeur est de 60 à 120 ordres de grandeur inférieure à certaines contributions d'énergie de champ nul, comme si tous les termes positifs et négatifs différents s'anéantiraient mutuellement. Mais trouver un mécanisme physique pour cet alignement est extrêmement difficile, pour deux raisons.
Premièrement, l'énergie du vide n'agit que gravitationnellement, donc, pour la réduire, un mécanisme gravitationnel est nécessaire. Mais dans les premiers moments de la vie de l'Univers, lorsqu'un tel mécanisme pouvait fonctionner, il était si petit que toute son énergie de vide était négligeable par rapport à la quantité de matière et de rayonnement. Les effets gravitationnels de l'énergie du vide s'estomperaient avant la gravité de tout le reste. «C'est l'une des plus grandes difficultés à résoudre le problème de la constante cosmologique», écrivait le physicien Rafael Busso en 2007. Le mécanisme de rétroaction gravitationnelle qui ajuste avec précision l'énergie du vide dans les conditions de l'Univers primitif, écrit-il, «peut être à peu près comparé à un avion volant dans une tempête au rythme de précis à la taille atomique. "
Pour compliquer la situation, les calculs de la théorie des champs quantiques montrent que l'énergie du vide changerait de valeur en raison des changements de phase dans l'Univers de refroidissement peu de temps après le Big Bang. En conséquence, la question se pose de savoir si ce mécanisme hypothétique, qui alignait l'énergie du vide, fonctionnait avant ou après ces changements. Et comment le mécanisme pourrait-il connaître l'ampleur de ces effets pour les compenser si précisément?
Jusqu'à présent, ces obstacles entravent les tentatives d'expliquer le poids minuscule de l'espace vide, ne se penchant pas vers l'univers multivers. Mais récemment, certains chercheurs ont commencé à étudier une option alternative: si l'Univers n'apparaissait pas de rien, mais
rebondissait, ayant subi une compression précédente , alors l'Univers
compressé dans un passé lointain aurait dû être énorme, et l'énergie du vide aurait dû la dominer. Peut-être était-ce alors qu'un certain mécanisme gravitationnel pouvait affecter l'abondance de l'énergie du vide, et d'une manière ou d'une autre, il serait naturel de la dissiper au fil du temps. Cette idée a inspiré les physiciens Peter Graham, David Kaplan et Sargit Rajendran [Peter Graham, David Kaplan, Surjeet Rajendran] à créer un
nouveau modèle de rebond cosmique , bien qu'ils n'aient pas encore montré exactement comment la diffusion du vide devrait fonctionner dans un univers en contraction.
En réponse à la lettre, Busso a qualifié cette approche de «tentative extrêmement valable» et de «lutte bien informée et honnête contre un problème grave». Mais il a ajouté que des problèmes majeurs subsistent dans le modèle, et «les obstacles techniques qui doivent être surmontés pour combler ces trous et faire en sorte que l'idée fonctionne plutôt sérieusement. Toute cette conception ressemble déjà à
la machine Goldberg et, au mieux, deviendra encore plus confuse à l'avenir, lorsque les trous seront remplis. " Lui et d'autres partisans du multivers, pensent que leur option de réponse par rapport à cela semble plus simple.