Les physiciens ont proposé une nouvelle interprétation de l’énergie noire. Cela pourrait éclairer l’interconnexion entre la théorie quantique des champs et la théorie générale de la relativité, en tant que deux perspectives sur l’univers et ses éléments.
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 montrent la voie en répondant à ces questions ouvertes en physique.
L’univers a un certain nombre de propriétés étranges qui sont difficiles à comprendre avec l’expérience quotidienne. Par exemple, la matière que nous connaissons, qui se compose de particules élémentaires et composées qui composent les molécules et les matériaux, ne représente apparemment qu’une petite partie de l’énergie de l’univers. La plus grande contribution, environ les deux tiers, provient de “l’énergie noire”, une forme hypothétique d’énergie dont les physiciens de fond sont encore perplexes. De plus, l’univers est non seulement en expansion constante, mais aussi à un rythme toujours croissant.
Les deux caractéristiques semblent être liées, car l’énergie noire est également considérée comme un moteur d’expansion accélérée. De plus, il pourrait réunir deux puissantes écoles de pensée physiques : la théorie quantique des champs et la théorie générale de la relativité développée par Albert Einstein. Mais il y a un hic : les calculs et les observations jusqu’à présent sont loin de correspondre. Maintenant, deux chercheurs luxembourgeois ont montré une nouvelle façon de résoudre cette énigme vieille de 100 ans dans un article publié par la revue Lettres d’examen physique.
La traînée de 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 Alexandre Tkatchenko, professeur de physique théorique au Département de physique et science des matériaux de l’Université du Luxembourg. Cette théorie a été développée pour unir la mécanique quantique et la relativité restreinte, mais la théorie quantique des champs semble incompatible avec la relativité générale. Sa caractéristique essentielle : contrairement à la mécanique quantique, la théorie considère non seulement les particules mais aussi les champs libres de la matière comme des objets quantiques.
“Dans ce cadre, l’énergie noire est considérée par de nombreux chercheurs comme une expression de l’énergie dite du vide”, explique Tkatchenko : une quantité physique qui, dans une image vivante, est causée par une apparition et une interaction constantes de paires de particules et leurs antiparticules. – sous forme d’électrons et de positrons – dans ce qui est en réalité un espace vide.
Fond micro-onde cosmique vu par Planck. Crédit : ESA et Planck Collaboration
Les physiciens parlent de ce va-et-vient de particules virtuelles et de leurs champs quantiques comme de fluctuations du point zéro ou du vide. Alors que les paires de particules disparaissent rapidement dans le néant, leur existence laisse derrière elles une certaine quantité d’énergie.
“Cette énergie du vide a aussi un sens en relativité générale”, précise le scientifique luxembourgeois : “Elle se manifeste dans la constante cosmologique qu’Einstein a incluse dans ses équations pour des raisons physiques”.
Un décalage colossal
Contrairement à l’énergie du vide, qui ne peut être déduite que des formules 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. Les calculs d’énergie sombre sur la base de la théorie quantique des champs, d’autre part, donnent des résultats qui correspondent à une valeur de la constante cosmologique allant jusqu’à 10120 fois plus grand : un écart colossal, même si dans la vision du monde des physiciens qui prévaut aujourd’hui, les deux valeurs devraient être égales. L’écart trouvé à la place est connu sous le nom de “puzzle constant cosmologique”.
“C’est sans aucun doute l’une des plus grandes incohérences de la science moderne”, déclare Alexandre Tkatchenko.
Manière non conventionnelle d’interpréter.
Avec son collègue de recherche luxembourgeois, le Dr Dmitry Fedorov, il a maintenant apporté la solution à ce casse-tête ouvert depuis des décennies, un peu plus près. Dans un travail théorique dont les résultats ont été récemment publiés dans Lettres d’examen physique, les deux chercheurs luxembourgeois proposent une nouvelle interprétation de l’énergie noire. Il suppose que les fluctuations du point zéro conduisent à une polarisabilité du vide, qui peut être mesurée et calculée.
“Dans des paires de particules virtuelles de charge électrique opposée, elle résulte des forces électrodynamiques que ces particules exercent les unes sur les autres au cours de leur existence extrêmement courte”, explique Tkatchenko. Les physiciens appellent cela une auto-interaction du vide. “Cela conduit à une densité d’énergie qui peut être déterminée à l’aide d’un nouveau modèle”, explique le scientifique luxembourgeois.
Avec leur collègue de recherche Fedorov, ils ont développé le modèle de base pour les atomes il y a quelques années 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 la polarisabilité des atomes et l’équilibre Propriétés. de certaines molécules et solides non liés par covalence. Étant donné que les caractéristiques géométriques sont assez faciles à mesurer expérimentalement, la polarisabilité peut également être déterminée par sa formule.
« Nous avons transféré cette procédure à des processus sous vide », explique Fedorov. Pour cela, les deux chercheurs ont observé le comportement des champs quantiques, en particulier la représentation du “va et vient” des électrons et des positrons. Les fluctuations de ces champs peuvent également être caractérisées par une géométrie d’équilibre déjà connue expérimentalement. “Nous l’avons inséré dans nos formules modèles et de cette façon nous avons finalement obtenu la force de la polarisation intrinsèque du vide”, rapporte Fedorov.
La dernière étape consistait alors à calculer par mécanique quantique la densité d’énergie de l’auto-interaction entre les fluctuations des électrons et des positrons. Le résultat ainsi obtenu concorde bien avec les valeurs mesurées pour la constante cosmologique. Cela signifie : “L’énergie noire remonte à la densité d’énergie de l’auto-interaction des champs quantiques”, souligne Alexandre Tkatchenko.
Des valeurs cohérentes et des prévisions vérifiables
“Notre travail propose ainsi une approche élégante et non conventionnelle pour résoudre l’énigme de la constante cosmologique”, résume le physicien. “En outre, il fournit une prédiction vérifiable : à savoir que les champs quantiques tels que ceux des électrons et des positrons ont une polarisation intrinsèque petite mais toujours présente.”
Cette découverte ouvre la voie à de futures expériences pour détecter cette polarisation également en laboratoire, affirment les deux chercheurs luxembourgeois. “Notre objectif est de dériver la constante cosmologique à partir d’une approche théorique quantique rigoureuse”, souligne Dmitry Fedorov. “Et notre travail contient une recette pour savoir comment faire cela.”
Il considère les nouveaux résultats obtenus avec Alexandre Tkatchenko comme un premier pas vers une meilleure compréhension de l’énergie noire et de son lien avec la constante cosmologique d’Albert Einstein.
Enfin, Tkatchenko en est convaincu : “En fin de compte, cela pourrait également éclairer la manière dont la théorie quantique des champs et la théorie de la relativité générale s’entremêlent comme deux façons de regarder l’univers et ses composants.”
Référence : “Casimir Self-Interaction Energy Density of Quantum Electrodynamic Fields” par Alexandre Tkatchenko et Dmitry V. Fedorov, 24 janvier 2023, Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.041601