Des physiciens découvrent une nouvelle façon de résoudre l’étrange mystère de l’énergie noire

Qu’y a-t-il derrière l’énergie noire – et qu’est-ce qui la relie à la constante cosmologique introduite par Albert Einstein ? Deux physiciens de l’Université du Luxembourg proposent un moyen de répondre à ces questions ouvertes en physique.

L’univers a un certain nombre de propriétés étranges qui sont difficiles à comprendre par l’expérience quotidienne. Par exemple, la matière telle que nous la connaissons, qui est composée de molécules élémentaires et composées pour construire des molécules et de la matière, ne représente apparemment qu’une petite partie de l’énergie de l’univers. La plus grande contribution, environ les deux tiers, provient deénergie noire– une forme d’énergie hypothétique dont les physiciens sont encore déconcertés. De plus, l’univers est non seulement en expansion constante, mais il le fait également à un rythme de plus en plus rapide.

Il semble que les deux propriétés soient liées, car énergie noire Il est également considéré comme un moteur d’expansion accélérée. De plus, il peut unir deux écoles de pensée puissantes en physique : la théorie quantique des champs et la théorie générale de la relativité développée par Albert Einstein. Mais il y a un hic : les comptes et les notes sont loin d’être identiques. Deux chercheurs luxembourgeois montrent une nouvelle façon de résoudre ce mystère vieux de 100 ans dans un article de recherche publié par la revue Lettres d’examen physique.

L’effet des particules virtuelles dans le vide

« Le vide a de l’énergie. C’est un résultat fondamental de la théorie quantique des champs », explique le professeur Alexander Tkachenko, professeur de physique théorique au département de physique et des sciences des matériaux à Université du Luxembourg. Cette théorie a été développée pour combiner la mécanique quantique et la relativité restreinte, mais la théorie quantique des champs semble incompatible avec la relativité générale. Son principal avantage : contrairement à la mécanique quantique, la théorie considère non seulement les particules mais aussi les sphères dépourvues de matière comme des objets quantiques.

« Dans ce cadre, de nombreux chercheurs considèrent l’énergie noire comme une expression de ce qu’on appelle l’énergie du vide », explique Tkatchenko, une quantité physique qui résulte, sous forme vivante, de l’apparition et de l’interaction continue de paires de particules et de leurs antiparticules – telles que sous forme d’électrons et de positrons — dans ce qui est en réalité l’Espace Vide.

Le fond cosmique des micro-ondes de Planck. Crédit : ESA et Planck Collaboration

Les physiciens parlent des allées et venues des particules virtuelles et de leurs champs quantiques comme des fluctuations dans le vide, ou point zéro. Alors que des paires de particules s’estompent rapidement dans le néant, leur présence laisse derrière elles une certaine quantité d’énergie.

Le scientifique luxembourgeois note que « cette énergie du vide a aussi un sens en relativité générale »: « Elle se manifeste dans la constante cosmologique qu’Einstein a incluse dans ses équations pour des raisons physiques. »

Décalage massif

Contrairement à l’énergie du vide, qui ne peut être déduite que des équations de la théorie quantique des champs, la constante cosmologique peut être déterminée directement par des expériences astrophysiques. Les mesures avec le télescope spatial Hubble et la mission spatiale Planck ont ​​donné des valeurs proches et fiables pour la grandeur physique fondamentale. D’autre part, les calculs d’énergie sombre basés sur la théorie quantique des champs conduisent à des résultats cohérents avec la valeur de la constante cosmologique étant de 10¹²⁰ fois plus grand – un écart colossal, bien que selon l’opinion dominante des physiciens aujourd’hui, les deux valeurs devraient être égales. La contradiction qui existe est plutôt connue comme « l’énigme de la constante cosmologique ».

« C’est sans aucun doute l’une des plus grandes contradictions de la science moderne », déclare Alexander Tkachenko.

Mode d’interprétation non conventionnel

Avec son collègue chercheur luxembourgeois, le Dr Dmitry Fedorov, il a maintenant apporté la solution à ce mystère, qui est resté ouvert pendant des décennies, un pas de plus important. Dans un ouvrage théorique, ils ont récemment publié leurs résultats dans Lettres d’examen physiqueLes deux chercheurs luxembourgeois ont proposé une nouvelle explication de l’énergie noire. Les fluctuations du point zéro sont supposées entraîner une polarisation du vide, qui peut être mesurée et calculée.

« Par paires de particules virtuelles de charges électriques opposées, elles naissent des forces électrodynamiques que ces particules exercent les unes sur les autres pendant leur très courte durée d’existence », explique Tkachenko. Les physiciens appellent cela un vide auto-interagissant. « Cela conduit à une densité d’énergie qui peut être déterminée à l’aide d’un nouveau modèle », explique le scientifique Luxembourg.

Avec leur collègue de recherche Fedorov, ils ont développé il y a quelques années le modèle fondamental des atomes et l’ont présenté pour la première fois en 2018. Le modèle était à l’origine utilisé pour décrire les propriétés atomiques, en particulier la relation entre les polarisations des atomes et les propriétés d’équilibre. de certaines molécules et solides non liés par covalence. Comme il est très facile de mesurer expérimentalement les propriétés géométriques, la polarisation peut également être déterminée par leur formule.

« Nous avons transféré cette procédure à des opérations dans le vide », explique Fedorov. Pour cela, les deux chercheurs se sont penchés sur le comportement des domaines quantiques, en particulier la représentation du « va et vient » des électrons et des positrons. Les fluctuations de ces champs peuvent aussi être caractérisées par une géométrie d’équilibre déjà connue expérimentalement. « Nous l’avons inséré dans les formules de notre modèle, et de cette façon nous avons finalement obtenu la force de polarisation du vide intérieur », explique Fedorov.

L’étape finale consistait alors à calculer mécaniquement la densité d’énergie de l’auto-interaction entre les fluctuations des électrons et des positrons. Le résultat ainsi obtenu est en bon accord avec les valeurs mesurées de la constante cosmologique. Cela signifie : « L’énergie noire peut être attribuée à la densité d’énergie de l’auto-interaction des champs quantiques », affirme Alexander Tkachenko.

Des valeurs cohérentes et des attentes vérifiables

« Notre travail offre ainsi une approche élégante et non conventionnelle pour résoudre le mystère de la constante cosmologique », conclut le physicien. « De plus, il fournit une prédiction vérifiable : à savoir que les champs quantiques tels que ceux des électrons et des positrons possèdent en effet une polarisation intrinsèque petite mais toujours présente. »

Les deux chercheurs luxembourgeois notent que cette découverte ouvre la voie à de futures expériences pour détecter cette polarisation également en laboratoire. « Notre objectif est de dériver la constante cosmologique à partir d’une approche rigoureuse de la théorie quantique », affirme Dmitry Fedorov. « Et notre travail comprend une recette pour savoir comment réaliser cela. »

Il considère les nouveaux résultats obtenus avec Alexander Tkachenko comme le premier pas vers une meilleure compréhension de l’énergie noire – et de sa relation avec la constante cosmologique d’Albert Einstein.

Enfin, Tkatchenko est convaincu : « En fin de compte, cela peut également éclairer la façon dont la théorie quantique des champs et la théorie de la relativité générale s’entremêlent comme deux façons de voir l’univers et ses composants. »

Référence : « Densité d’énergie d’auto-interaction de Casimir dans les champs électrodynamiques quantiques » par Aleksandr Tkachenko et Dmitry Fedorov, 24 janvier 2023, disponible ici. Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.041601