La catastrophe du vide

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Par Amira Val Baker, chercheuse scientifique de RSF

Enfin, nous pouvons tous convenir que le vide n’est tout simplement pas à la hauteur de son nom et qu’il grouille en fait d’énergie. La question qui se pose maintenant est la suivante : combien d’énergie ?

Eh bien, la réponse à cette question n’a pas encore fait l’objet d’un accord et, comme toujours, ce sont les physiciens quantiques et les cosmologistes qui sont en litige. Cependant, ce différend est assez important – plus précisément, 122 ordres de grandeur sont importants. Cet écart, connu sous le nom de catastrophe du vide, est considéré comme l’une des pires prédictions de la physique.

Alors pourquoi cet écart… eh bien, tout dépend de la façon dont vous voyez le vide.

À l’échelle quantique, les scientifiques ne sont en mesure de faire des déductions que sur ce qui se passe. Bien que ces inférences soient assez précises, les physiciens quantiques ont réussi à faire des prédictions très précises. Cependant, ce pouvoir prédictif ne permet pas de comprendre la nature du domaine quantique et donc du vide quantique. Auparavant, on pensait qu’il ne s’agissait que d’une commodité mathématique sans aucune physicalité pertinente. Cette pensée s’est concrétisée en 1887 avec l’expérience de Michelson Morley, qui a conclu que l’espace était vide et seulement vide. Cependant, aussi douloureux que ce fut pour certains, on commença à entendre des murmures de ce sombre vide.

En 1947, Hans Beth a montré que les observations spectrales de l’hydrogène pouvaient être expliquées si les effets énergétiques des “fluctuations quantiques du vide” étaient inclus. De grands scientifiques comme Dirac avaient fait allusion à un tel effet plus d’une décennie auparavant – surnommé la mer de Dirac – et bien sûr Newton et Maxwell ne pensaient pas que l’espace était complètement vide, mais plutôt comme un fluide. Même Einstein, dans ses dernières années, a reconnu que “selon la théorie générale de la relativité, l’espace sans éther est impensable”. Enfin, en 1996, les effets du vide quantique, théorisés par Hendrik Casimir et connus sous le nom d’effet Casimir, ont été mesurés, vérifiant ainsi les effets de ce domaine intangible. L’idée que l’espace n’est pas vide semble maintenant être le consensus général, avec des physiciens éminents comme le prix Nobel Frank Wilczek, qui nous décrivent comme “… des enfants de l’éther…” dans une conférence de 2017 intitulée “Materiality of a Vacuum“.

L’effet Casimir

Lorsque deux plaques métalliques sont placées sous vide, elles sont poussées l’une contre l’autre. En effet, le vide contient en fait de l’énergie existant dans différents modes de vibration – les ondes. Certaines ondes occuperont l’espace entre les plaques métalliques et d’autres occuperont l’espace extérieur, seules les ondes assez petites occupant l’espace entre les plaques. La différence de densité d’énergie de chaque côté de la plaque se traduit par une force d’attraction entre les plaques.

Donc, maintenant, nous allons mesurer cette mer infinie d’énergie qui peut être faite en additionnant simplement l’énergie la plus basse possible d’un oscillateur harmonique sur tous les modes possibles. Cependant, plus la longueur d’onde du mode vibratoire est courte, plus la fréquence est élevée et donc plus la contribution à la densité d’énergie du vide est importante, d’où une densité d’énergie du vide infinie. Nous devons donc d’abord définir notre cadre de référence et n’inclure que les longueurs d’onde qui sont supérieures à ce cadre de référence. Le cadre de référence évident est celui de la longueur de Planck – qui est la plus petite unité de longueur dans l’Univers (au moins dans notre univers). Cela donne une valeur gargantuesque de 1093 g/cm3 – ce qui est très très dense !

Cependant, lorsque nous regardons à l’extrémité opposée de l’échelle – l’échelle cosmologique – nous trouvons une valeur qui est plus petite de l’ordre de 122 magnitudes. Pour mesurer la densité d’énergie du vide à cette échelle, nous devons nous fier aux observations des astrophysiciens et à certaines hypothèses sur le modèle cosmologique.

La première hypothèse est que nous vivons dans un univers homogène et isotrope. En d’autres termes, l’univers est le même de tous les endroits (homogénéité) et n’a pas de direction préférée (isotrope) – cependant cette hypothèse implique que l’univers ne tourne pas, mais nous allons laisser cela pour une autre fois.

La deuxième hypothèse est qu’à grande échelle, l’univers semble plat. Maintenant, comme la plupart des choses dans l’Univers, y compris l’Univers, il y a un point critique – à partir duquel le changement se produit. Le modèle actuel dit que nous vivons dans un univers plat et pour que cela soit vrai, la densité énergétique massique totale de l’univers doit être égale à cette valeur critique. Selon les observations actuelles, le monde matériel ne représente que 5% de cette densité critique de l’univers, la matière noire (27%) et l’énergie noire (68%) représentant le reste.

La troisième hypothèse est que l’univers est en expansion. Proposé à l’origine en 1972 par l’astronome et cosmologiste belge Georges Lemaître qui postule théoriquement que l’univers a commencé par l’explosion cataclysmique d’un petit super-atome primordial. Cette idée a été un choc pour les scientifiques de l’époque, car on croyait que l’univers était statique.

Toutefois, en 1929, tout en faisant une étude observationnelle des galaxies, Edwin Hubble a constaté que la vitesse de recul des galaxies augmentait avec la distance, c’est-à-dire que l’espace entre les galaxies s’élargissait. Le taux d’expansion, maintenant connu sous le nom de constante de Hubble, est le paramètre principal des modèles de l’Univers en expansion.

Une autre constante familière, connue sous le nom de constante cosmologique, a été introduite par Einstein en 1917 pour empêcher l’expansion de l’univers comme ses équations l’avaient prévu. Cependant, à la lumière de la découverte de Hubble, Einstein a réalisé que ses équations étaient correctes et a donc supprimé le besoin de la constante cosmologique.

Finalement, on a découvert que l’univers s’étendait à un rythme accéléré, donc malgré son élimination, il a été réintroduit comme une énergie “négative” qui était considérée comme le moteur de l’expansion. Ainsi, bien qu’une constante, sa présence ne semble pas être aussi constante. Devrait-il être ici ou non, c’est ça la question ?

Eh bien, en supposant que l’Univers est imprégné d’une forme d’énergie (aussi appelée énergie noire) et que nous représentons cette énergie en termes de constante cosmologique – alors la réponse est oui, elle devrait être ici. Cependant, au lieu d’être un simple facteur additif, la constante cosmologique est couplée à la densité – en particulier la densité critique de 10-29 g/cm3 – qui est de 122 ordres de grandeur inférieure à celle prévue par la théorie des champs quantiques !

Pour mieux comprendre cela et résoudre cet écart, nous devons d’abord commencer par une vision quantifiée de l’univers, du très petit au très grand. Le modèle holographique généralisé présenté par Nassim Haramein offre une telle vision – et tout tourne autour de ces unités de Planck – définissant le bit d’information fondamentale quantifiée, ou voxel, de l’univers.

Dans ce modèle, l’énergie – ou l’information – de tout système sphérique est proportionnelle au nombre d’unités sphériques de Planck (USP) ou de voxels dans le volume sphérique et au nombre de voxels disponibles à l’horizon de surface sphérique. Cette relation holographique entre l’intérieur et l’extérieur définit la densité masse-énergie du système tandis que l’inverse définit la masse exprimée par le système à un moment donné.

Quand nous pensons à la masse du proton en termes du nombre de voxels qu’il contient, nous trouvons une densité de masse-énergie équivalente à la masse de l’Univers. Si cette énergie du vide présente dans le volume d’un proton est étendue au rayon de l’Univers, la densité d’énergie du vide de cet Univers équivaudrait à la valeur constante cosmologique de 10-29 g/cm3. Il est intéressant de noter que la valeur obtenue à partir de cette approche donne la valeur de la matière noire, ce qui suggère que la matière noire est l’effet de l’énergie intérieure du proton ou de la densité d’énergie du vide à l’échelle du proton.

De même, lorsqu’on examine l’énergie extérieure disponible en termes de voxels de Planck sur l’horizon de surface d’un univers à coquille sphérique, on constate qu’elle correspond exactement à la densité critique de l’Univers sans nécessiter l’addition de matière noire et d’énergie noire. En d’autres termes, si nous mesurons la densité d’énergie sous vide à l’échelle de Planck (1 093 g/cm3) par la proportion de cette énergie disponible sur un horizon de surface sphérique, nous constatons que la densité d’énergie sous vide diminue de 122 ordres de grandeur lorsque l’horizon s’étend à la taille de notre univers.

C’est comme si un proton s’était échappé d’un autre univers et s’était étendu pour former notre univers, un peu comme celui d’un super-atome primitif de Lemaître en expansion. On pourrait aussi conclure de notre compréhension de l’énergie – ou de l’information – que l’univers s’étend et s’accélère parce qu’il apprend sur lui-même et qu’il a donc besoin de plus de surfaces pour stocker les informations holographiques. Le taux d’expansion est donc régi par un gradient de pression dû au potentiel de transfert d’information à l’horizon.

Cette vision quantifiée de l’univers est non seulement capable de résoudre la catastrophe du vide, mais offre également un aperçu de l’évolution et de la dynamique de notre univers. Les détails de ce travail ont récemment été publiés dans le Journal of High Energy Physics, Gravitation and cosmology.

Source : https://resonance.is/the-vacuum-catastrophe/

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Considérée comme la pire prédiction en physique, la catastrophe du vide vient peut-être d’être résolue.

La catastrophe du vide est l’écart de 122 ordres de grandeur entre la densité du vide à l’échelle cosmologique et celle prévue par la théorie des champs quantiques. Nassim s’est d’abord penché sur ce problème en 2011, où il a démontré que si l’énergie du vide présente dans le volume d’un proton est étendue au rayon de l’Univers, la densité d’énergie du vide de cet Univers serait égale à la constante cosmologique ou énergie noire…