A new approach to solving the mystery of dark energy (Update)
Une nouvelle approche pour résoudre le mystère de l'énergie noire (Mise à jour)
par Raphaël Cayrol, Université du Luxembourg
Crédit : domaine public CC0
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 pour répondre à ces questions ouvertes de la physique.
L'univers a un certain nombre de propriétés bizarres qui sont difficiles à comprendre avec l'expérience quotidienne. Par exemple, la matière que nous connaissons, constituée de particules élémentaires et composites constituant des molécules et des 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 de plus en plus rapide. Les deux caractéristiques semblent être liées, car l'énergie noire est également considérée comme un moteur d'expansion accélérée. De plus, elle pourrait réunir deux puissantes écoles de pensée physique : 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 sont jusqu'à présent loin de correspondre.
Deux chercheurs luxembourgeois ont montré une nouvelle façon de résoudre cette énigme vieille de 100 ans dans un article publié par la revue Physical Review Letters.
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 rapprocher la mécanique quantique et la relativité restreinte, mais la théorie quantique des champs semble incompatible avec la relativité générale. Sa caractéristique essentielle est que, contrairement à la mécanique quantique, la théorie considère non seulement les particules mais aussi les champs sans 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, dans une image vivante, est causée par une émergence et une interaction constantes de paires de particules et de leurs antiparticules. — comme les électrons et les positrons — dans ce qui est en fait de l'espace vide.
Les physiciens parlent de ce va-et-vient de particules virtuelles et de leurs champs quantiques comme des fluctuations du vide ou du point zéro. 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", note le scientifique luxembourgeois. "Il 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 de l'énergie noire sur la base de la théorie quantique des champs, d'autre part, donnent des résultats qui correspondent à une valeur de la constante cosmologique qui est jusqu'à 10 puissance 120 fois plus grande - un écart colossal, bien que dans la vision du monde des physiciens qui prévaut aujourd'hui, les deux valeurs doivent être égales. L'écart trouvé à la place est connu sous le nom de "l'énigme de la constante cosmologique". "C'est sans aucun doute l'une des plus grandes incohérences de la science moderne", estime Alexandre Tkatchenko.
Mode d'interprétation non conventionnel
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 pas de plus significatif. Dans un travail théorique dont ils ont récemment publié les résultats dans Physical Review Letters, 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 à la fois mesurée et calculée.
"Dans des paires de particules virtuelles de charge électrique opposée, cela 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 son 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 les propriétés d'équilibre. 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 via leur formule.
"Nous avons transféré cette procédure aux processus dans le vide", explique Fedorov. Pour cela, les deux chercheurs se sont penchés sur le comportement des champs quantiques, représentant notamment le « 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 les formules de notre modèle et avons ainsi finalement obtenu la force de la polarisation intrinsèque du vide", rapporte Fedorov.
La dernière étape consistait alors à calculer en 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] que l'énergie noire peut être attribuée à la densité d'énergie de l'auto-interaction des champs quantiques", explique Alexandre Tkatchenko.
Valeurs constantes et prévisions vérifiables
"Notre travail propose ainsi une approche élégante et non conventionnelle pour résoudre l'énigme de la constante cosmologique", résume 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."
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", explique Dmitry Fedorov. "Et notre travail contient une recette sur la façon de réaliser cela."
Il considère les nouveaux résultats obtenus avec Alexandre Tkatchenko comme le premier pas vers une meilleure compréhension de l'énergie noire et de son lien avec la constante cosmologique d'Albert Einstein. Enfin, Tkatchenko est convaincu qu'"en fin de compte, cela pourrait également éclairer la manière dont la théorie quantique des champs et la théorie de la relativité générale s'imbriquent comme deux façons de regarder l'univers et ses composants".
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COMMENTAIRES
Chercher un moyen de calculer la polarisabilité du vide me paraissait encore plus difficile que d 'évaluer les fluctuations de l 'énergie du vide .... J 'attends la suite pour savoir comment cela se reliera avec l 'accélération de la vitesse d 'expansion de l univers .....
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More information: Alexandre Tkatchenko et al, Casimir Self-Interaction Energy Density of Quantum Electrodynamic Fields, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601
Journal information: Physical Review Letters
Provided by University of Luxembourg
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C'est une pure spéculation qui ne présente aucune corrélation avec l'ensemble des causes physiques.
RépondreSupprimerDes causes fondamentales de la loi DUO5, on en déduit : 1/ la cause de l'expansion relative à l'impulsion issue de la séparation des pôles de Bodys tapissant l'aire du BEC fossile ; 2/ l'expansion en couches de vitesse, en total accord avec son isotropie, génère naturellement une accélération des couches en retard relativement à la couche moyenne ; 3/ la cause et le mode de fabrication de la DM.... et la résolution de plusieurs dizaines d'énigmes cachées sous le tapis .