Lorsqu'il est devenu clair il y a 20 ans que l'expansion de l'univers s'accélérait, les scientifiques ont présenté une explication complète, simple et testable. Mais alors que de plus en plus de données expérimentales et d'observation arrivaient, la raison de l'énergie sombre - probablement la raison de cette accélération - restait insaisissable. Bien qu'elle soit techniquement équivalente à une «constante cosmologique» (ou à une énergie inhérente à l'espace lui-même), il n'y a aucun moyen d'en déduire sa valeur. Mais si l'on se souvient que placer certaines formes de matière dans un espace vide modifie les forces agissant sur cette matière, peut-être que l'énergie noire apparaît selon un principe très simple: parce que dans notre Univers il y a de la matière en tant que telle.
Carte d'agrégation des galaxies dans notre univers. La présence de ces structures peut expliquer la présence et la puissance de l'énergie noire dans son intégralité.
La plupart des forces et des phénomènes ont des origines faciles à découvrir. Deux objets massifs subissent la force de gravité en raison du fait que l'espace-temps est déformé en raison de la présence de matière et d'énergie. L'univers s'est élargi parce qu'il a sa propre histoire de changements dans la densité d'énergie dans l'univers et les conditions initiales d'expansion. Et toutes les particules de l'Univers interagissent d'une certaine manière en raison des règles bien connues de la théorie quantique des champs et de l'échange de bosons vecteurs. Des plus petites particules subatomiques aux plus grandes échelles, les mêmes forces agissent pour entraîner les bosons et les galaxies.
La forte interaction qui se produit en raison de la présence d'un «changement de couleur» et de l'échange de gluons maintient les noyaux des atomes ensemble
Même les phénomènes les plus mystérieux contiennent des explications bien comprises. Nous ne savons pas pourquoi il y a plus de matière que d'antimatière dans l'Univers, mais nous savons que les conditions dont nous avons besoin pour cela - violation du nombre de baryons, violation de C et CP - ont lieu. Nous ne savons pas quelle est la nature de la matière noire, mais ses propriétés générales, où elle se trouve et comment elle se regroupe, sont bien comprises. Nous ne savons pas non plus si les trous noirs préservent les informations ou non, mais nous comprenons l'état final et initial de ces objets, ainsi que comment ils sont nés et ce qui arrive à leurs horizons d'événements au fil du temps.
Une illustration d'un trou noir et de son environnement, un disque d'accrétion accélérant et gonflant. Les états initial et final des trous noirs peuvent être bien prédits même si la perte ou le stockage d'informations n'est pas
Mais il y a une chose que nous ne comprenons pas du tout: l'énergie noire. Bien sûr, nous pouvons mesurer l'accélération de l'univers et comprendre sa magnitude avec précision. Mais pourquoi avons-nous même un univers avec une énergie sombre non nulle? Pourquoi l'espace vide, dans lequel il n'y a rien - peu importe, aucune courbure, aucun rayonnement, rien - a une énergie positive non nulle? Et pourquoi cette quantité d'énergie, qui était inconcevablement minuscule et complètement invisible pendant le premier milliard d'années de l'histoire de l'Univers, n'a-t-elle commencé à capturer l'Univers qu'au moment où la Terre y est apparue?
Une illustration d'un disque protoplanétaire dans lequel les planètes et les planétésimaux se forment, créant des lacunes dans le disque. Il y a quatre à cinq milliards d'années, lorsque notre système solaire se formait, l'énergie sombre a simultanément commencé à capturer l'expansion de l'univers et la densité d'énergie
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Il y a beaucoup de choses intéressantes que nous pouvons associer à l'énergie noire et à l'univers dans son ensemble. Il y a beaucoup d'espace vide dans les champs quantiques. Il n'y a pas de régions de l'Univers où les forces gravitationnelles, électromagnétiques ou nucléaires pénètrent; ils sont partout. Si nous essayons de calculer la soi-disant valeur attendue du vide (condensat) de divers champs quantiques, nous rencontrerons un nombre infini de termes et ne pouvons l'écrire qu'approximativement. Nous traiterons toujours des valeurs approximatives. Et pour autant que nous le sachions, ils ne sont pas équilibrés et l'univers ne ralentit pas - il accélère en fait. D'une manière ou d'une autre, l'espace lui-même a un peu d'énergie non nulle. Et cette énergie éloigne les galaxies lointaines de l'Univers à une vitesse toujours croissante,bien que lentement, mais constamment.
La question "pourquoi?" ne cesse de tourmenter les théoriciens. Pourquoi l'univers se développe-t-il de plus en plus vite? Nous ne pouvons expliquer la présence de cette énergie sombre en quoi que ce soit. Peut-être avons-nous peu de compréhension de l'univers lui-même. Cependant, il existe une autre option, à laquelle on pense rarement: peut-être que cette propriété de l'espace vide est déterminée par la présence d'autres choses - comme la matière - dans l'Univers.
Et il y a une raison de croire que cela est possible, ce qu'on appelle l'effet Casimir. Nous le connaissons bien.
Illustration de l'effet Casimir et comment les forces à l'extérieur des plaques diffèrent des forces entre elles
Quelle est la force électromagnétique de l'espace vide? Zéro, bien sûr. En l'absence de charges, de courants et de matière d'interaction, ce sera nul, sans blague. Mais si vous placez deux plaques métalliques à une certaine distance entre elles, puis demandez à nouveau quelle sera la force électromagnétique, elle cessera d'être nulle. En raison du fait que certains modes de fluctuations quantiques sont interdits en raison des limites de la plaque, nous prédisons non seulement, mais nous mesurons également la force non nulle entre ces plaques, résultant littéralement de l'espace vide. Et ce qui est le plus intéressant, toutes les forces, y compris les forces gravitationnelles, présentent l'effet Casimir.
Carte de plus d'un million de galaxies dans l'Univers; il y a une galaxie distincte à chaque point. Différentes couleurs représentent des distances; rouge - plus loin
Que se passe-t-il lorsque nous essayons d'appliquer cet effet à tout l'univers et de calculer l'effet? La réponse est simple: nous obtenons quelque chose qui correspond sous une forme ou une autre à l'énergie noire, seulement - encore une fois - d'un ordre différent. Et cela peut être dû au fait que nous ne savons pas complètement quelles sont les conditions aux limites de l'Univers ou comment calculer correctement l'effet gravitationnel quantique.
Cartographier l'univers peut être la partie la plus simple. Il est peu probable que nous attendons une percée observée ou expérimentale qui nous conduira à une compréhension de l'énergie noire, la force la plus insaisissable de l'univers. Nous avons peut-être besoin d'une percée théorique. Et, éventuellement, il sera associé à une anomalie de trace, à un changement de magnitude dynamique, voire à une trace de dimensions supplémentaires. Nous n'avons découvert que récemment son secret le plus difficile à expliquer. Peut-être que la solution résidera dans la physique que nous connaissons déjà.
Ilya Khel