Les fluctuations de vide peuvent provoquer la formation de proto-univers virtuels qui, sous certaines conditions, sont capables de passer d'un état virtuel à un état réel.
Les physiciens tentent depuis de nombreuses années de construire une théorie quantique de la gravité - jusqu'à présent, malheureusement, sans succès. Presque tous conviennent qu'une telle théorie devrait combiner la théorie relativiste de la gravitation d'Einstein avec la mécanique quantique, et c'est une tâche très, très difficile.
La mécanique quantique, avec tous ses paradoxes, décrit néanmoins les propriétés des objets qui existent dans l'espace newtonien non courbe. La future théorie de la gravité devrait étendre les lois probabilistes de la mécanique quantique aux propriétés de l'espace lui-même (plus précisément de l'espace-temps), déformé selon les équations de la relativité générale. Comment faire cela en utilisant des calculs mathématiques rigoureux, personne ne le sait encore vraiment.
Naissance froide
Cependant, les voies d'une telle union peuvent être pensées au niveau qualitatif, et ici des perspectives très intéressantes apparaissent. L'un d'eux a été considéré par le célèbre cosmologiste, professeur à l'Université de l'Arizona Lawrence Krauss dans son livre récemment publié "A Universe From Nothing" ("Universe from Nothing"). Son hypothèse semble fantastique, mais ne contredit nullement les lois établies de la physique.
On pense que notre univers est issu d'un état initial très chaud avec une température de l'ordre de 1032 kelvin. Cependant, il est possible d'imaginer la naissance froide des univers à partir d'un vide pur - plus précisément, de ses fluctuations quantiques. Il est bien connu que de telles fluctuations génèrent un grand nombre de particules virtuelles qui ont littéralement émergé de rien et qui ont ensuite disparu sans laisser de trace. Selon Krauss, les fluctuations de vide, en principe, sont susceptibles de donner naissance à des proto-univers également éphémères, qui, sous certaines conditions, passent d'un état virtuel à un état réel.
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Univers sans énergie
Que faut-il pour cela? La première et principale condition est que l'embryon du futur univers doit avoir une énergie totale nulle. Dans ce cas, non seulement elle n'est pas vouée à une disparition quasi instantanée, mais au contraire, elle peut exister pendant une durée arbitrairement longue. Cela est dû au fait que, selon la mécanique quantique, le produit de l'incertitude de l'énergie d'un objet par l'incertitude de sa durée de vie ne doit pas être inférieur à la valeur finale - constante de Planck.
La séparation des interactions fondamentales dans notre univers primitif était de la nature d'une transition de phase. À des températures très élevées, des interactions fondamentales ont été combinées, mais lors du refroidissement en dessous de la température critique, la séparation ne s'est pas produite (cela peut être comparé à la surfusion de l'eau). À ce moment, l'énergie du champ scalaire associée à l'unification dépassait la température de l'Univers, ce qui dotait le champ de pression négative et provoquait une inflation cosmologique. L'Univers a commencé à s'étendre très rapidement, et au moment de la rupture de la symétrie (à une température d'environ 1028 K), ses dimensions ont été multipliées par 1050. À ce moment, le champ scalaire associé à l'unification des interactions a également disparu et son énergie s'est transformée en une nouvelle expansion de l'Univers.
Dès que l'énergie d'un objet est strictement égale à zéro, elle est connue sans aucune incertitude, et donc le temps de sa vie peut être infiniment long. C'est grâce à cet effet que deux corps chargés situés à de très grandes distances sont attirés ou repoussés l'un de l'autre. Ils interagissent par l'échange de photons virtuels qui, en raison de leur masse nulle, se propagent sur n'importe quelle distance. Au contraire, les bosons vecteurs de jauge porteurs d'interactions faibles, en raison de leur grande masse, n'existent que pendant environ 10-25 secondes, ce qui fait que ces interactions ont un très petit rayon.
Quel genre d'univers, certes embryonnaire, sans énergie? Comme le professeur Krauss l'a expliqué à Popular Mechanics, cela n'a rien de mystique: «L'énergie d'un tel univers est composée d'énergie positive de particules et de rayonnement (et peut-être aussi de champs de vide scalaires) et d'énergie potentielle négative de gravité. Leur somme peut être égale à zéro - les mathématiques le permettent. Cependant, il est très important qu'un tel bilan énergétique ne soit possible que dans des mondes fermés, dont l'espace a une courbure positive. Les univers plats et encore plus ouverts ne possèdent pas une telle propriété ».
La transition de phase s'est produite dans l'évolution de l'Univers trois fois: à une température de 10 à 28 degrés K (la grande unification des interactions s'est désintégrée), 10 à 15 degrés K (désintégration de l'interaction électrofaible) et 10 à 12 degrés K (les quarks ont commencé à s'unir en hadrons).
Miracles de l'inflation
Que se passe-t-il si les fluctuations quantiques du vide donnent naissance à un univers virtuel à énergie nulle, qui, en raison de chances quantiques, a reçu du temps pour la vie et l'évolution? Cela dépend de sa composition. Si l'espace de l'univers est rempli de matière et de rayonnement, il s'agrandira d'abord, atteindra sa taille maximale et s'effondrera par effondrement gravitationnel, n'ayant existé que pendant une infime fraction de seconde. C'est une autre question s'il y a des champs scalaires dans l'espace qui peuvent déclencher le processus d'expansion inflationniste. Il existe des scénarios dans lesquels cette expansion empêche non seulement l'effondrement gravitationnel de l'univers «bulle», mais le transforme également en un monde presque plat et sans limites. Ainsi, le temps de sa vie croît également incommensurablement - presque à l'infini. Donc,un minuscule univers virtuel devient tout à fait réel - énorme et durable. Même si son âge est fini, il pourrait bien dépasser l'âge actuel de notre univers. Par conséquent, les étoiles et les amas d'étoiles, les planètes et même, ce que l'enfer ne plaisante pas, la vie intelligente peuvent y apparaître. Un univers à part entière qui est né littéralement de rien - ce sont les miracles dont l'inflation est capable!
Alexey Levin