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, composée d’atomes, de molécules et d’autres particules, ne représente apparemment qu’une petite partie de la densité d’énergie de l’univers. La plus grande contribution, plus des 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 comment résoudre cette énigme vieille de 100 ans dans un article publié par Lettres d’examen physique.
La traînée de particules virtuelles dans le vide
« L’énergie noire découle des formules de la théorie quantique des champs », explique le professeur Alexandre Tkatchenko, professeur de physique théorique du solide au Département de physique et des sciences des matériaux de l’Université du Luxembourg. Cette théorie a été développée pour rapprocher la mécanique quantique et la relativité générale, qui sont incompatibles sur des aspects fondamentaux.
Sa caractéristique essentielle : 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 constante de paires de particules et de leurs antiparticules, telles que sous forme d’électrons et de positrons – dans ce qui est en fait un 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 instantanément dans le néant, elles laissent 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 insérée dans ses équations pour des raisons mathématiques. »
Un décalage colossal
Contrairement à l’énergie noire, 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 10120 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 Dimitry Fedorov, il a maintenant apporté la solution à ce puzzle ouvert depuis des décennies, un pas de plus significatif. Dans un article théorique dont ils ont récemment publié les résultats, 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 virtuelles de particules avec une charge électrique, 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, la polarisabilité de ces particules étant une caractéristique de la réaction à celle-ci. « 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, il a développé ce modèle et l’a présenté pour la première fois en 2018, utilisé à l’origine pour décrire les propriétés atomiques, par exemple dans les solides. Les caractéristiques géométriques étant assez faciles à mesurer expérimentalement, la polarisabilité peut également être déterminée via ces dérivations.
« Nous avons transféré cette procédure aux processus dans le vide », explique Fedorov. Pour ce faire, les deux chercheurs se sont penchés sur le comportement des électrons et des positrons, qu’ils ont traités comme des champs selon les principes de la théorie quantique des champs. Les fluctuations de ces champs peuvent aussi être caractérisées par une géométrie d’équilibre dont la valeur est déjà connue expérimentalement.
« Nous l’avons inséré dans les formules de notre modèle et avons ainsi finalement obtenu la force de la polarisation du vide », rapporte Fedorov. La dernière étape consistait alors à calculer en mécanique quantique la densité d’énergie de l’auto-interaction entre les électrons et les positrons. Le résultat ainsi obtenu concorde bien 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 », souligne 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 petite mais toujours présente. »
Cette découverte ouvre la voie à de futures expériences pour détecter cette polarisation également en laboratoire, expliquent les deux chercheurs luxembourgeois, qui souhaitent désormais appliquer leur modèle à d’autres paires particule-antiparticule. « Notre idée conceptuelle doit pouvoir s’appliquer à n’importe quel domaine », souligne Alexandre Tkatchenko. Il considère les nouveaux résultats obtenus avec Dimitry Fedorov comme le premier pas vers une meilleure compréhension de l’énergie noire et de son lien avec la constante cosmologique d’Albert Einstein.
Tkatchenko en est convaincu : « En fin de compte, cela éclairera également la manière dont la théorie quantique des champs et la théorie générale de la réactivité sont entrelacées comme deux façons de voir l’univers et ses composants. »
Plus d’information:
Alexandre Tkatchenko et al, Casimir Self-Interaction Energy Density of Quantum Electrodynamic Fields, Lettres d’examen physique (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.041601