Les philosophes discutent de la nature du «néant», du «rien», du «rien», du «vide» depuis des milliers d'années, mais que peut dire la science moderne à ce sujet? Cette question sera répondue par Martin Rees, astronome de la Royal Society et professeur émérite de cosmologie et d'astrophysique à l'Université de Cambridge. Il explique que lorsque les physiciens discutent de «rien», ils veulent dire espace vide (vide). Cela peut sembler assez ordinaire, mais les expériences montrent que l'espace vide n'est pas vraiment vide - il contient une énergie mystérieuse qui peut nous dire quelque chose sur le destin de l'univers.
Une interview de Martin Rees présentée par le magazine The Conversation.
L'espace vide est-il la même chose que rien?
L'espace vide ne nous semble rien. Par analogie, l'eau peut sembler «rien» pour le poisson - c'est l'eau qui reste lorsque vous enlevez tout ce qui flotte dans la mer. De même, l'espace vide s'avère assez difficile en pratique.
Nous savons que l'univers est très vide. La densité moyenne de l'espace est d'environ un atome pour dix mètres cubes - l'environnement est beaucoup plus raréfié que tout vide que nous pouvons obtenir sur Terre. Mais même avec toute matière enlevée, l'espace a une sorte d'élasticité qui (comme récemment confirmé) permet aux ondes gravitationnelles - les ondulations de l'espace lui-même - de se propager à travers lui. De plus, nous avons appris que dans l'espace vide lui-même, il existe une forme d'énergie exotique.
Nous avons découvert cette énergie du vide pour la première fois au XXe siècle avec l'avènement de la mécanique quantique, qui explique le comportement des atomes et des particules à la plus petite échelle. Il en découle que l'espace vide consiste en un champ de fluctuations de l'énergie de fond - qui donne vie à des ondes et à des particules virtuelles, apparaissant de temps à autre et disparaissant nulle part. Ils peuvent même créer une force minuscule. Mais qu'en est-il des espaces blancs à grande échelle?
Le fait que l'espace vide crée une force à grande échelle a été découvert il y a 20 ans. Les astronomes ont constaté que l'expansion de l'univers s'accélérait. C'était une surprise. L'expansion est connue depuis plus de 50 ans, mais tout le monde pensait que l'expansion ralentirait en raison de l'attraction gravitationnelle que les galaxies et autres structures exercent les unes sur les autres. Cela a donc été une grande surprise pour tout le monde que la décélération due à la gravité ait été compensée par quelque chose qui "poussait" l'expansion. Il s'est avéré que dans l'espace vide lui-même, il y a de l'énergie qui crée une sorte de répulsion qui l'emporte sur l'attraction de la gravité à ces grandes échelles. Ce phénomène - l'énergie noire - est la manifestation la plus incroyable du fait que l'espace vide n'est ni froissé ni vide. En outre,ce fait détermine le sort futur de notre Univers.
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Y a-t-il une limite à ce que nous pouvons apprendre? À une échelle d'un billion de milliards de fois plus petite qu'un atome, les fluctuations quantiques de l'espace-temps peuvent donner naissance non seulement à des particules virtuelles, mais aussi à des trous noirs virtuels. C'est dans les limites que nous ne pouvons pas observer et pour comprendre lesquelles, du moins hypothétiques, nous devons combiner la théorie de la gravité avec la mécanique quantique - et c'est incroyablement difficile.
Il existe plusieurs théories pour comprendre cela, dont la plus connue est la théorie des cordes. Mais aucune de ces théories n'est encore liée au monde réel - elles sont donc toujours sans fondement. Je pense que presque tout le monde reconnaîtra que l'espace lui-même a une structure complexe à petite échelle où les effets gravitationnels et quantiques se rencontrent.
Nous savons que notre univers a trois dimensions spatiales: vous pouvez vous déplacer à gauche et à droite, en avant et en arrière, de haut en bas. Le temps est comme la quatrième dimension. Cependant, il y a un fort soupçon que si vous agrandissez un petit point dans l'espace jusqu'à ce que vous sentiez cette petite échelle, vous constaterez que ce sera un origami densément compressé de cinq dimensions supplémentaires que nous ne pouvons pas voir. Comme si vous regardiez le tuyau de loin et pensiez que ce n'était qu'une ligne. En vous rapprochant, vous verriez qu'une dimension est essentiellement trois. La théorie des cordes comprend des mathématiques complexes - tout comme les théories concurrentes. Mais c'est exactement la théorie dont nous avons besoin si nous voulons comprendre au niveau le plus profond la chose la plus proche du vide que l'on puisse imaginer: l'espace vide, évidemment.
Dans notre compréhension actuelle, comment pouvons-nous expliquer que tout notre univers se développe à partir de rien? Cela aurait-il vraiment pu commencer par une petite fluctuation de l'énergie du vide?
Certaines transitions ou fluctuations mystérieuses pourraient soudainement conduire au fait qu'une partie de l'espace a commencé à s'étendre, comme le croient certains théoriciens. Les fluctuations inhérentes à la théorie quantique pourraient ébranler l'univers entier s'il était compressé à des échelles suffisamment petites. Cela aurait dû se produire dans environ 10 (aux -44) secondes - c'est l'heure de Planck. À ces échelles, le temps et l'espace sont liés, de sorte que l'idée d'une horloge à retardement n'a pas de sens. Nous pouvons extrapoler notre univers avec un haut degré de certitude à la nanoseconde et avec un degré élevé de probabilité nous reviendrons plus près du temps de Planck. Mais après cela, nos suppositions ne sont plus valables - la physique à cette échelle est remplacée par une autre théorie plus complexe.
S'il se peut qu'une fluctuation dans une partie aléatoire de l'espace vide ait donné vie à l'univers, pourquoi la même chose ne peut-elle pas arriver à une autre partie de l'espace vide - et donner vie à des univers parallèles dans un multivers infini?
L'idée que notre Big Bang n'est pas le seul, et que ce que nous voyons à travers nos télescopes est un minuscule morceau de réalité physique, est très populaire parmi les physiciens. Et il existe de nombreuses versions de l'univers cyclique. Il y a à peine 50 ans, des preuves solides ont montré que le Big Bang avait même eu lieu. Mais depuis lors, il y a eu des spéculations selon lesquelles il ne pourrait être qu'un épisode dans un univers cyclique. Il y a aussi une tendance à comprendre que la réalité physique est bien plus que le volume d'espace et de temps que nous pouvons ressentir, même avec les télescopes les plus puissants.
Par conséquent, nous n'avons aucune idée s'il y a eu un Big Bang ou s'il y en a eu plusieurs - il existe des scénarios qui prédisent de nombreux Big Bang et des scénarios qui en prédisent un. Je pense que nous devrions tous les étudier.
Quelle est la fin de l'univers?
La prévision la plus simple pour un avenir lointain est que l'univers continuera à s'étendre de plus en plus vite, devenant plus froid et plus vide. Les particules qu'il contient peuvent se désintégrer et se dissoudre à l'infini dans le vide. Nous pouvons nous retrouver dans un immense volume d'espace, mais il sera encore plus vide que l'espace ne l'est maintenant. C'est l'un des scénarios. Il y en a d'autres qui prédisent un «renversement» de la direction de l'énergie sombre, de la répulsion à l'attraction, à la suite de quoi nous serons comprimés en un point dense.
Il y a aussi l'idée de Roger Penrose que l'univers continuera à s'étendre, devenant de plus en plus dilué, mais d'une manière ou d'une autre - quand il n'y a rien dedans sauf des photons, des particules de lumière - les objets qu'il contient seront recalibrés et l'espace deviendra en quelque sorte un générateur d'un nouveau Big Bang. … Ce sera une version très exotique de l'ancien univers cyclique - mais ne me demandez pas d'expliquer les idées de Penrose.
Dans quelle mesure êtes-vous convaincu que la science découvrira un jour le mystère de ce «rien»? Même si nous pouvions prouver que l'univers émergeait d'une étrange fluctuation dans un champ de vide, ne devrions-nous pas nous demander d'où venait ce champ de vide?
La science essaie de fournir des réponses, mais chaque fois que nous les trouvons, de nouvelles questions se posent - nous n'aurons jamais une image complète. Quand j'ai commencé à faire des recherches à la fin des années 1960, il y avait des doutes quant à l'existence d'un Big Bang. Désormais, il n'y a plus de doute et on peut dire avec une précision d'environ 2% que l'univers était le même pendant 13,8 milliards d'années, jusqu'à la toute première nanoseconde. C'est un grand progrès. Il est ridiculement optimiste de croire qu'au cours des 50 prochaines années, nous réglerons les questions difficiles de ce qui se passe à l'ère quantique ou «inflationniste».
Mais, bien sûr, une autre question se pose: combien de science sera compréhensible pour le cerveau humain? Il se peut que les mathématiques de la théorie des cordes soient, dans un certain sens, une description correcte de la réalité, mais nous ne pourrons jamais la comprendre assez bien pour la tester contre une observation authentique. Ensuite, nous devrons peut-être attendre l'apparition de certains post-humains pour mieux comprendre.
Ilya Khel
