Le mystère de l’énergie noire enfin résolu ?

Derrière la physique des équations d’Einstein de la relativité générale, il y a aussi les mathématiques de la géométrie différentielle et de la théorie des invariants. Elles peuvent servir à contraindre la forme de toutes les équations du champ de gravitation basées sur un espace-tempsespace-temps courbe. Les équations d'EinsteinEinstein apparaissent alors comme les plus simples de ce point de vue mais au prix de l'ajout d'une constante qui n'était pas nécessaire dans la forme initiale de la théorie d'Einstein : la constante cosmologiqueconstante cosmologique.

Elle peut être simplement considérée comme une des constantes fondamentales de la physique, par exemple celles de la gravitation et de la structure fine de l'électrodynamique quantiqueélectrodynamique quantique. Elle peut aussi s'interpréter plus profondément d'un point de vue physique si on peut la déduire d'une théorie plus vaste que celle d'Einstein.

Or cette constante cosmologique, ou au moins une partie de sa valeur, semble émerger naturellement des fluctuations quantique des champs de forces et de matièrematière (comme ceux de l'électronélectron ou des neutrinosneutrinos), quand ils sont décrits en appliquant la mécanique quantiquemécanique quantique. Ces fluctuations sont gouvernées par les inégalités de Heisenberg, qui conduisent à l'existence des états de plus basses énergiesénergies pour ces champs, et donc finalement à celui du vide quantique (voir les explications plus complètes dans la vidéo de Claude AslangulClaude Aslangul ci-dessus).

L'énergie noire et l'énergie du vide quantique

Malheureusement, les calculs de l'énergie du vide quantique (ou plus précisément sa densité) lui donnent généralement une valeur monstrueuse. En pratique, cela modifierait de façon spectaculaire la courbure de l'espace-temps, ou sa vitessevitesse d'expansion qui aurait tendance à augmenter de façon explosive. Une telle accélération a bien été mesurée mais elle est très faible et implique une énergie du vide 10¹²⁰ fois plus petite que celle prédite par la théorie. On voit là la pire prédiction de la physique théorique et la solution de cette énigme est activement recherchée.

Un point important est à garder à l'esprit cependant. L'accélération de l'expansion de l'universaccélération de l'expansion de l'univers observable est avérée mais nous ne savons pas si elle est bien le fait d'une densité d'énergie, qu'elle soit issue de l'état fondamentalétat fondamental du vide quantique ou par exemple d'un ou plusieurs champs quantiques encore inconnus mais qui ne seraient pas dans leur état fondamental. Ces deux derniers cas de figure conduisent à supposer l'existence d'une mystérieuse énergie noire.

Supposons que l'accélération soit bien un effet de l'énergie du vide quantique. Cela implique quand même que quelque chose cloche dans la façon dont nous calculons l'énergie de ce vide quantique dans le cadre du Modèle standardModèle standard. Le problème pourrait se situer plus spécifiquement au niveau d'une théorie quantique de la gravitation mais, malgré des tentatives ingénieuses, comme la théorie des supercordesthéorie des supercordes ou la gravitation quantique à bouclesgravitation quantique à boucles, force est de constater que nous ne disposons pas encore d'une telle théorie.

William Unruh est un physicien canadien. Il est célèbre pour ses travaux sur le rayonnement des trous noirs et la théorie des champs quantiques. © University of Toronto

Mais, visiblement, cela n'a pas découragé William Unruh comme le prouve un article sur arXiv qu'il a cosigné avec deux étudiants en thèse, Qingdi Wang et Zhen Zhu. Professeur à l'University of British ColumbiaColumbia, à Vancouver au Canada, Unruh n'est pas un inconnu. Peu de temps après la découverte du rayonnement des trous noirstrous noirs par Stephen Hawking, il a lui-même découvert, sur le plan théorique, un phénomène similaire observable dans un référentielréférentiel accéléré, qui, selon le principe d'équivalence à la base de la relativité générale, est localement indiscernable d'un référentiel au repos plongé dans un champ de gravitation.

Unruh et ses deux collègues se sont lancés dans des calculs que l'on pourrait qualifier de semi-classiques car ils intègrent des champs quantiques en interaction avec un champ de gravitation décrit par la physique classique. Que ce ne soit pas de purs calculs de gravitation quantique n'est pas forcément rédhibitoire. Bohr, en son temps, est parvenu à de bons résultats en proposant sa théorie de l'atomeatome alors que n'existaient ni l'équation de Schrödingeréquation de Schrödinger ni celles de l'électrodynamique quantique.

Des fluctuations spatiales du vide quantique microscopiques en tailles mais énormes en énergie

Les trois chercheurs sont partis d'une constatation simple. En première approximation, la densité d'énergie du vide quantique que l'on calcule ne représente qu'un état moyen, une valeur qui est constante dans l'espace et dans le temps. Mais les fluctuations autour de cette moyenne sont très grandes, comme viennent de l'établir les trois physiciensphysiciens. Il semble que l'on puisse alors montrer que ces fluctuations se produisant sur des distances beaucoup plus petites qu'un protonproton font fluctuer de façon très inhomogène la géométrie de l'espace-temps. De sorte que d'une toute petite région à une autre, celui-ci entre en expansion ou au contraire se contracte, tout cela variant aussi dans le temps.

Magiquement, dans une moyenne de ce phénomène à plus grandes échelles, les fluctuations spatiales de la géométrie et de l'énergie du vide quantique au niveau microscopique se compensent avec celles qui donnent l'énergie de base du vide quantique. La valeur à l'échelle macroscopique devient compatible avec celle que l'on observe.

Selon Unruh et ses collègues, ce mécanisme de régularisation est similaire à celui déjà esquissé par John Wheeler dans les années 1950/60 avec la structure en écumeécume de l'espace-temps. Des trous de vers et des trous noirs apparaissant et disparaissant sans cesse à l'échelle de PlanckPlanck rendent l'espace-temps turbulent et topologiquement compliqué. Ils introduisaient ainsi une nouvelle contribution à l'énergie du vide en se comportant un peu comme celles de nouvelles particules s'attirant mutuellement. Wheeler pensait que l'énergie potentielleénergie potentielle d'interaction résultante pouvait peut-être contrebalancer celle du vide quantique calculé de façon naïve.

Reste à voir ce que va dire la communauté scientifique. On peut penser que, de toute façon, les sceptiques ne seront vraiment convaincus que lorsqu'un calcul similaire aura été mené dans une vraie théorie de la gravitation quantique.