Énergie noire

[yann9743010]

Bonjour
L'énergie noire pourrait elle provenir des fluctuations quantiques du vide?
Merci pour votre réponse.
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[coussin]

Ça a été un hypothèse...
Je crois que c'est justement cette hypothèse qui mène à une erreur de entre observations et calculs ?

[titijoy3]

si le vide peut fluctuer quantiquement c'est qu'il n'est pas vide ? je me gourre ou bien ?

[coussin]

Comme bien souvent, il y a une différence entre le mot "vide" du langage courant et le mot "vide" de la théorie quantique des champs...

[A voir en vidéo sur Futura]

[titijoy3]

Comme bien souvent, il y a une différence entre le mot "vide" du langage courant et le mot "vide" de la théorie quantique des champs...

tu voulais dire "confusion" non ?

je pense que dans le langage courant "vide" signifie "où l'on ne voit et ne sens rien", c'est à dire quelque chose avec laquelle on a pas d'intéraction.. ce qui pour moi ne signifie pas qu'il n'y a rien

[ThM55]

Le "vide" en théorie quantique des champs c'est la présence de champs quantiques dans leur état d'énergie minimale. Il existe divers champs: le champ électromagnétique, englobé maintenant dans un champ de jauge électrofaible; le champ de jauge de la chromodynamique quantique (décrivant l'interaction nucléaire forte); les champs de fermion: électron-positron, quarks-antiquarks, neutrinos; le champ de Higgs... Et le champ de gravitation, qui est modélisé en physique classique comme une courbure de l'espace-temps. A chaque champ correspond une particule et une antiparticule (parfois identiques). Par exemple le photon est une particule qui est un mode d'oscillation quantifié du champ électromagnétique.

Un champ quantique modélisé comme champ libre, c'est-à-dire sans interaction avec d'autres champs, est équivalent à une collection d'oscillateurs harmoniques indépendants, un pour chaque fréquence ou longueur d'onde possible. En théorie quantique, un oscillateur a un état fondamental d'énergie non nulle de l'ordre de où h est la constante de Planck. Le fait que l'énergie minimale d'un oscillateur soit positive non nulle est une conséquence des inégalités d'Heisenberg et conduit à considérer le champ de l'état fondamental comme agité de fluctuations. Les états excités ont des énergies quantifiées et on modélise une particule d'énergie donnée comme un état excité d'un des oscillateurs du champ. La définition du vide, c'est: zéro particule. Mais cela implique la présence d'une densité d'énergie qui n'est pas nulle.

Problème: comme il y a une infinité d'oscillateurs (un pour chaque fréquence possible), la somme de toutes ces énergie dans un volume fini donné est sans limite, elle est formellement infinie. En théorie quantique des champs, en pratique, ce n'est pas un problème: pour chaque mode, on soustrait simplement son énergie minimale et tout rendre dans l'ordre. Cela fonctionne car ce qui importe dans les processus ce sont les différences d'énergie entre deux situations physiques et non l'énergie absolue. C'est ainsi qu'on peut prédire une force présente entre deux plaques conductrices proches, l'effet Casimir: on calcule une différence d'énergie entre deux situations où la distance entre les plaques est faible. Comme on a préalablement soustrait les quantités infinies sans signification physique, on obtient un résultat fini (conforme aux vérifications expérimentales).

Mais cela marche bien parce qu'en physique des particules, terrain expérimental de la théorie quantique des champs, la gravitation ne joue strictement aucun rôle dans les phénomènes (par exemple la force de gravitation entre 2 protons est totalement négligeable en comparaison des forces nucléaire et électromagnétisme). Mais puisque la gravitation est en interaction avec l'énergie, est-il légitime de soustraire de manière si cavalière une densité d'énergie infinie? Si on veut étudier l'effet sur la gravitation, sur la cosmologie, sur les débuts du big bang, est-ce légitime? De plus on sait que l'infini n'est pas physique, il faut essayer de trouver une valeur finie qui ait un sens. La façon la plus évidente de procéder est de remarquer qu'avec les constantes fondamentales h (Planck), c (vitesse de la lumière) et G (constante de la gravitation), on peut construire des échelles universelles de longueur, d'énergie, etc. Une idée possible est donc de postuler que la somme des énergies des oscillateurs du vide doit être arrêtée à une longueur d'onde minimale qui est la longueur de Planck. Ou, ce qui revient au même, à une fréquence maximale qui correspond par , à l'énergie de Planck. On obtient ainsi une densité finie. Mais le résultat de ce procédé est catastrophique: l'énergie du vide doit de manifester en moyenne comme la constante cosmologique de la relativité générale et on trouve une valeur fois plus grande que la valeur observée.

Mais cette manière de faire est extrêmement naïve. D'abord elle part du modèle des champs libres. Or les champs de jauge et les fermions ne sont pas libres. Ils sont en interaction entre eux. Par exemple on ne sait pas décrire rigoureusement l'état fondamental du champ de Yang-Mills, c'est un problème mathématique très difficile qui fait d'ailleurs l'objet d'un prix d'un million de dollars pour celle ou celui qui le résoudra. Dans le raisonnement ci-dessus, on prend le modèle du champ libre parce que on sait le traiter mathématiquement. Est-il vraiment étonnant qu'en choisissant un modèle inexact (parcequ'il est facile à traiter), on obtienne un résultat faux? D'autre part, les champs connus énumérés ci-dessus ne sont pas forcément tous les champs existant dans la nature. On sait que ce n'est pas le cas, puisqu'il y a, selon le consensus majoritaire, de la matière noire de nature inconnue dans les galaxies et autour d'elles. On a aussi une théorie appelée la supersymétrie dans laquelle à chaque champ d'un certain type (boson ou fermion) devrait correspondre un autre de l'autre type. Et quand on reprend le modèle des champs libres et qu'on refait le calcul exact, on trouve zéro et non plus . Ceci parce que les énergies de l'état fondamental des champs partenaires s'annulent mutuellement. Cependant, là encore c'est un raisonnement naïf, pour les raisons déjà données mais aussi parce que, si cette supersymétrie existe, elle est forcément brisée car on n'observe pas les particules des partenaires supersymétriques aux échelles d'énergie accessibles actuellement dans les accélérateurs. Et enfin, nous n'avons pas la moindre indication de ce qui se passe entre ces dernières échelles d'énergie et celle de Planck, qui est environ fois plus grande. Il est très possible que des phénomènes complètement inconnus jouent un rôle essentiel et modifie toutes les conclusions dans cet immense plage d'ordres de grandeur. Personne d'honnête ne peut dire qu'il en a la moindre idée.

J'espère que ces explications feront comprendre que nous n'avons aucune idée de comment calculer la "vraie" constante cosmologique et que ce sujet est encore entouré de mystère. C'est d'ailleurs ce qui fait qu'il est tellement intéressant: il y a encore énormément de choses à élucider en physique, c'est tout le contraire d'une science achevée.

[yann9743010]

Merci pour votre réponse détaillée!

[stefjm]

Ça a été un hypothèse...
Je crois que c'est justement cette hypothèse qui mène à une erreur de entre observations et calculs ?

Je le vois plutôt comme une mesure utile parce que c'est (10^60)^2 ou (10^40)^3, liés au problème des grands nombres de Dirac et Edington.

[stefjm]

Sauf que la longueur d'onde minimale n'a pas de grande raison d'être la longueur de Planck.
La plus grande masse observable est l'univers entier et cela conduit à une longueur d'onde minimale bien plus petite (et de beaucoup) que la longueur de Planck.

[ThM55]

Ah, donc cela rend le raisonnement encore plus faux? Belle performance!

[stefjm]

Oui, cela joue dans les très grands nombres.
La physique avance quand des différences (ou plutôt des rapports, d'abord mathématiques, puis physique) sont mis en évidences...