La plus grosse bévue de la physique fondamentale pourrait- elle être résolue?

Le vide n’est pas vide. Après avoir éliminé toutes les formes de matière et de rayonnement, ce qui reste pourrait encore transporter une énergie constante par unité de volume. Cette constante peut être ignorée dans tous les calculs quantiques qui se soucient des différences d’énergie, mais doit être considérée dans le contexte de la gravité, qui provient de toutes les formes d’énergie

Les équations de la relativité générale d’Albert Einstein impliquent que la densité d’énergie du vide induit une gravité répulsive, en raison de sa pression négative. Ainsi, lorsque le budget cosmique est dominé par le vide, l’expansion de l’Univers devrait s’accélérer.

Il y a quatre décennies, l’opinion populaire parmi les cosmologistes et les physiciens était que la densité d’énergie du vide était nulle. À peu près au moment où je suis arrivé en tant que professeur junior au département d’astronomie de Harvard il y a exactement trente ans – en janvier 1993, deux étudiants diplômés du directeur du département, Bob Kirshner, ont étudié la lumière émise par les explosions stellaires, les soi-disant supernovae. Il s’agissait de Brian Schmidt et Adam Riess. Tous deux ont reçu le prix Nobel de physique en 2011 avec Saul Perlmutter pour avoir découvert que l’expansion de l’Univers s’accélère actuellement, sur la base des distances mesurées aux ampoules cosmiques des supernovae de type Ia..

Adam m’a dit en privé qu’il avait été inspiré pour poursuivre dans cette voie après avoir suivi mon cours de deuxième cycle sur la cosmologie, dans lequel j’ai montré comment déduire l’accélération cosmique à partir de mesures de distance. J’ai été ravi d’apprendre qu’au moins les étudiants prêtent attention à ce que je dis.

Grâce à cette mesure, nous connaissons désormais la densité d’énergie du vide — également appelée constante cosmologique ou énergie noire . Elle correspond à une échelle d’énergie un milliard de fois plus petite que la masse de l’électron, un milliélectron -volt . Cette valeur mesurée peut-elle être expliquée à partir des premiers principes?

D’un point de vue fondamental, la densité d’énergie du vide mesurée est 123 fois plus petite que prévu. La mécanique quantique prédit une énergie du vide au point zéro d’ordre l’ échelle de Planck , à laquelle les effets de gravité quantique sont importants.

L’échelle de Planck est de 31 ordres de grandeur au-dessus de la valeur mesurée du milli-électron-volt. L’énergie par unité de volume s’échelonne comme la puissance 4 de l’échelle d’énergie, car le principe d’incertitude de Heisenberg implique une relation inverse entre l’échelle de distance sondée à une énergie donnée.

En conséquence, l’écart dans la densité d’énergie du vide est de 31 fois 4 ou 123 ordres de grandeur. Cela constitue la plus grande bévue de la physique fondamentale du siècle dernier.

Il n’est donc pas surprenant que lorsque les premières mesures de la constante cosmologique ont été rapportées lors d’une conférence il y a un quart de siècle, un théoricien des cordes ait dit aux observateurs qu’ils devraient vérifier leurs données car ils avaient dû se tromper. Dans son esprit, la constante cosmologique aurait dû être supérieure de 123 ordres de grandeur ou exactement nulle. À l’époque, on espérait encore que la théorie des cordes expliquerait pourquoi elle est nulle.

Cependant, les premières tentatives pour expliquer la constante cosmologique à partir de principes fondamentaux ont échoué. En 1987, le lauréat du prix Nobel Steven Weinberg a écrit un article suggérant que la «théorie du tout» fondamentale pourrait admettre de nombreux états de vide possibles qui sont réalisés dans une région beaucoup plus grande que notre espace-temps observé, le soi-disant multivers.

Les régions avec des valeurs beaucoup plus grandes de la constante cosmologique connaîtraient une expansion rapide sans suffisamment de temps pour faire des galaxies – et en leur sein des observateurs comme nous.

Weinberg a estimé que notre existence sélectionne une région d’espace-temps dans laquelle la constante cosmologique permettrait à des galaxies comme la Voie lactée de se former et de donner naissance à des étoiles comme le Soleil et à des planètes habitables comme la Terre. Ce raisonnement anthropique est devenu populaire parmi les théoriciens des cordes, qui suggèrent actuellement qu’il existe 10 à la puissance de 500 ou peut-être même 10 à la puissance de 272 000 états de vide possibles.

Mais encore une fois, les données semblent contredire les préférences purement théoriques. Les images les plus profondes du télescope Webb montrent des galaxies à des décalages vers le rouge supérieurs à 15, lorsque la matière dans l’Univers était plus dense qu’elle ne l’est aujourd’hui d’au moins un facteur de 4 000.

La densité de masse du vide est de 2,3 fois la densité de matière dans l’Univers actuel. 

Cela implique que même si la constante cosmologique était des milliers de fois plus grande qu’elle ne l’est, les galaxies avec leurs étoiles et leurs planètes se seraient encore formées dans notre Univers alors qu’il n’avait que quelques pour cent de son âge actuel. Comme je l’ai soutenu dans un article de 2006, cela rend l’argument anthropique en faveur de la constante cosmologique moins convaincant.
Pourrait-il y avoir une meilleure explication pour la valeur mesurée de la constante cosmologique?

Une telle explication doit combiner la mécanique quantique et la gravité dans une théorie prédictive de la gravité quantique, que nous ne possédons pas. Néanmoins, un nouvel article que j’écris avec Mark Hertzberg, montre que sous des hypothèses plausibles, il est possible de relier la constante cosmologique à des constantes fondamentales connues, telles que la constante de Newton, la constante de Planck, la vitesse de la lumière, ainsi que la masse et la charge de l’électron.

L’idée de cet article est née alors que je travaillais le mois dernier sur les trous noirs primordiaux et que je me suis rendu compte, lors d’un jogging matinal au lever du soleil, d’une coïncidence numérique. Le temps d’évaporation quantique d’un trou noir par le rayonnement de Hawking est égal au temps d’expansion cosmique actuel si le trou noir a une masse qui fournit un couplage gravitationnel avec un électron qui est égal en force au couplage électrique entre deux électrons. C’est une coïncidence étonnante. Étant donné que le temps d’expansion cosmique actuel est lié à la densité d’énergie du vide, j’ai pensé que cela pourrait constituer une piste pour expliquer la valeur mesurée de la constante cosmologique. Après en avoir parlé à Mark, il a rapidement trouvé une façon de relier les deux.

Basé sur des conjectures plausibles sur la gravité quantique dans un univers en accélération exponentielle, décrit par l‘espace-temps dominé par le vide dérivé par le physicien néerlandais Willem de Sitter, il y a un siècle, nous pouvions relier la valeur de la constante cosmologique aux paramètres de Modèle standard de physique des particules. En particulier, nous avons établi une relation entre la constante cosmologique et la masse et la charge de l’électron qui se trouve être de l’ordre de la valeur observée. Nous avons également identifié des moyens possibles de tester expérimentalement notre proposition.

Peut-être que le recul anthropique vers la notion infalsifiable selon laquelle nous ne pouvons pas prédire la densité d’énergie mesurée du vide à partir des premiers principes était prématuré.

Selon les mots de Robert Frost, il pourrait y avoir une « route non empruntée » avec des fruits potentiellement à portée de main que personne n’avait récoltés auparavant.

Source

Le chemin non emprunté

PAR ROBERT FROST

Deux routes divergeaient dans un bois jaune,
Et désolé de ne pas pouvoir voyager sur les deux
Et être un voyageur, je suis resté longtemps debout
Et j’ai regardé l’une aussi loin que je pouvais
Jusqu’à ce qu’elle se courbe dans le sous-bois ;

Puis j’ai pris l’autre, qui était tout aussi juste,
Et ayant peut-être les meilleures prétentions,
Parce qu’il était herbeux et qu’il n’avait pas besoin d’être usé ;
Bien que pour cela le passage là
Les avait usées à peu près de la même façon,

Et les deux, ce matin-là, reposaient également
Dans des feuilles qu’aucun pas n’avait foulées.
Oh, j’ai gardé la première pour un autre jour !
Mais sachant comment le chemin mène au chemin,
je me demandais si je reviendrais un jour.

Je raconterai cela avec un soupir
quelque part dans des siècles et des siècles :
Deux routes divergent dans un bois, et je…
J’ai pris celle qui était la moins fréquentée,
Et cela a fait toute la différence.

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