Notre univers serait-il né du vide ?

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Depuis plusieurs siècles, des Grecs anciens à Stephen Hakwing, les physiciens s’intéressent à la notion de vide. Nos ancêtres pensaient que les immensités froides et sombres de l’Univers, entre les étoiles et les planètes, étaient emplies de néant, d’une absence quelconque d’existence. Progressivement, la notion de néant a été abandonnée, tandis que nos instruments de mesure devenaient de plus en plus précis. Aujourd’hui, grâce à la mécanique quantique, nous savons qu’à l’échelle microscopique le vide est un chaos bouillonnant d’énergie. Et qu’à l’échelle cosmique, il est potentiellement rempli d’énergie noire. Plusieurs hypothèses suggèrent que notre univers lui-même pourrait être un produit du vide. Et si c’était le cas, ce phénomène serait-il artificiellement reproductible pour une civilisation avancée ?

L’Univers n’est ni totalement vide ni sombre. Même en dehors des galaxies, un astronaute pourrait trouver au moins un proton, en moyenne, dans chaque mètre cube. Ainsi que les photons issus du rayonnement diffus cosmologique. Pourtant, on pourrait naïvement imaginer que l’espace entre ces particules est vide. En effet, les premiers atomistes de la Grèce antique pensaient que le vide désignait le néant.

Ce n’est pas le cas. Une fraction dominante de la masse cosmique— environ les deux tiers — est actuellement associée à « l’énergie noire » qui imprègne le vide, exerçant une poussée gravitationnelle répulsive sur la matière et accélérant l’expansion de l’Univers. Les dernières mesures indiquent que le vide se comporte comme la constante cosmologique qu’Albert Einstein a ajoutée à ses équations il y a un siècle lorsqu’il envisageait la possibilité hypothétique d’un univers statique, dans lequel la gravité attractive de la matière est équilibrée par la répulsion du vide.

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Notre univers actuel est non seulement en expansion, mais le fait uniformément, même pour des régions situées sur des côtés opposés de notre horizon cosmique, qui n’ont pas eu le temps de communiquer. L’explication populaire de ce casse-tête apparent est l’inflation cosmique, une période précoce au cours de laquelle le vide a déclenché une expansion accélérée pendant un temps limité, de sorte que les régions qui étaient initialement proches et en contact causal se sont finalement tellement séparées qu’elles sont maintenant sur des côtés opposés de notre ciel. Si tel est le cas, le vide a dominé l’expansion au début et à la fin de notre histoire cosmique.

Le vide : il bouillonne d’énergie selon la mécanique quantique

Si nous voulons absolument trouver le vide, nous pouvons imaginer une région hypothétique en dehors du volume observé de notre univers où la constante cosmologique disparaît et il n’y a plus de matière. Cette région serait-elle vide ? La réponse est, encore une fois, non. Selon la mécanique quantique, elle subira toujours des fluctuations du vide, avec des particules virtuelles apparaissant brièvement. La réalité de ces fluctuations transitoires a été confirmée expérimentalement par un certain nombre d’effets.

effet casimir fluctuations quantiques
L’effet Casimir est une force attractive apparaissant entre deux plaques parallèles non chargées. Il résulte de l’existence de fluctuations quantiques du vide poussant les plaques l’une contre l’autre, la densité d’énergie entre les plaques étant plus basse qu’à l’extérieur. Crédits : Byjus

Par exemple, lorsque deux plaques métalliques sont placées parallèlement l’une à l’autre, elles limitent la longueur d’onde des fluctuations électromagnétiques virtuelles dans l’espace entre elles, se traduisant par une force entre elles, ce que l’on appelle l’effet Casimir. De même, l’interaction entre les fluctuations du vide et l’électron dans un atome d’hydrogène produit une différence d’énergie entre les états 2S1/2 et 2P1/2 de l’électron, et produit le décalage de Lamb entre leurs niveaux d’énergie.

En outre, un champ électrique suffisamment fort peut accélérer les électrons virtuels et les positrons du vide, de sorte qu’ils se matérialisent en particules réelles et donnent lieu à l’effet Schwinger de la création de paires. Par analogie, la forte gravité de l’horizon des événements d’un trou noir génère un rayonnement thermique du vide et provoque l’évaporation de Hawking.

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Simulation du vide quantique montrant le chaos bouillonnant de particules virtuelles apparaissant et disparaissant en permanence. © Jean-François Colonna

En fait, le rayonnement thermique est généré par le vide non seulement dans les trous noirs, mais dans tous les systèmes qui possèdent des horizons causaux. Par exemple, une sonde en accélération possède un horizon de Rindler à partir duquel elle détecte une distribution thermique de rayonnement, fournissant l’effet Unruh. De même, l’horizon d’un univers à accélération exponentielle présente une température de de Sitter.

Big Bang : serait-il issu d’une fluctuation quantique du vide ?

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Au cours de l’inflation cosmique accélérée, des fluctuations connexes du vide ont été générées et ont potentiellement engendré les structures des galaxies et des amas de galaxies. Si cela s’est produit, nous devons notre existence aux premières fluctuations quantiques. Le vide a semé la vie. Mais nous pouvons envisager des questions encore plus fondamentales. Puisque les atomistes se sont trompés et que le vide est introuvable, qu’y avait-il avant le Big Bang ?

Notre univers est-il né d’une fluctuation du vide ? Ces questions ne peuvent trouver de réponse que dans le cadre d’une théorie de la gravité quantique combinant mécanique quantique et gravité, ce dont nous ne disposons pas encore. Tant qu’elle ne sera pas développée, nous ne découvrirons pas nos racines cosmiques.

Comme dans l’effet Schwinger, il est concevable qu’une violente fluctuation du vide puisse potentiellement créer un univers. Que cela soit possible ou non dépend de détails subtils et fait l’objet d’une recherche active, comme le renversement temporel d’un effondrement gravitationnel en trou noir. Un mécanisme de naissance artificiel pourrait avoir des implications intéressantes sur nos propres origines cosmiques. Si notre univers a été créé dans le laboratoire d’une autre civilisation, on pourrait imaginer une séquence infinie de bébés univers nés les uns des autres par des civilisations qui ont développé l’utérus technologique capable de donner naissance à de nouveaux univers. Dans ce cas, le cordon ombilical de notre Big Bang aurait son origine dans un laboratoire.

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