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Pourquoi il y a quelque chose au lieu de rien: ce que la science nous dit sur l’origine quantique de l’univers

Nous devons en quelque sorte le germe de cet article au mathématicien, philosophe et logicien allemand Gottfried Leibniz. Le degré de développement limité mais très méritoire des connaissances scientifiques au XVIIe siècle ne l’a pas empêché de s’interroger sur l’authentique origine de l’univers. Sur la nature de la matière. Sur la cause de l’existence elle-même.

Ces questions avaient probablement été posées par d’autres personnes avant lui, mais Leibniz nous a laissé une collection extraordinairement précieuse de documents qui recueillir leurs reflets, et sans quoi nous pourrions ne pas être en mesure d’interpréter pleinement les contributions essentielles qu’il a apportées en mathématiques, physique, logique, métaphysique, géologie ou philosophie, entre autres disciplines.

Les observations suggèrent que l’univers est né d’un vide, mais pas d’un tel que celui décrit par notre conception classique du vide, mais d’un faux vide

Leibniz est, et je n’exagère pas du tout, l’un de ces géants sur les épaules desquels repose la connaissance scientifique actuelle. Malheureusement, il est décédé sans même pouvoir toucher du bout des doigts la réponse à l’une des questions qui, selon ses écrits, le troublaient le plus. Pourquoi y a-t-il quelque chose plutôt que rien. Quelle est la vraie cause de l’existence.

Heureusement, ses réflexions et les connaissances qu’il nous a transmises ont inspiré de nombreux chercheurs qui, grâce au développement scientifique que nous avons réalisé au cours du XXe siècle et des deux premières décennies du XXIe, sont parvenus à formuler des hypothèses qui cherchent à expliquer la nature des la matière. Comment est-il possible que l’univers que nous connaissons est sorti du vide, ce que semblent refléter nos observations. Mais pas de tout vide. Du vrai vide: le vide quantique.

De l’idée classique du vide au vide quantique

Une façon de définir la vacuité avec laquelle il est facile de se sentir à l’aise est de la décrire comme une région de l’espace dans laquelle il y a une absence absolue de matière et d’énergie. C’est la conception classique de la vacuité, et elle nous invite à accepter qu’elles peuvent exister, et existent, différents degrés de vide qui peut être identifié en comparant la pression dans la région de l’espace que nous voulons mesurer avec la pression atmosphérique.

Cependant, cette vision a été remplacée par la science moderne. Le développement de la mécanique relativiste et de la mécanique quantique a permis aux scientifiques d’élaborer une description du vide beaucoup plus ajustée à la réalité dans laquelle il est conçu comme un état physique d’un système lié. à énergie minimale que cela peut avoir. Les implications de cette idée, qui a été testée expérimentalement, sont très profondes. Et aussi très surprenant.

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Le meilleur outil dont nous disposons pour comprendre les fluctuations du vide est le principe d’indétermination de Heisenberg.

Du point de vue de la mécanique quantique, le vide n’est pas vide; il contient des ondes qui proviennent de manière aléatoire. De plus, ces ondes se comportent comme des particules, donc une façon de définir ce vide quantique est de le décrire comme une soupe de particules qui surgissent et sont détruites très rapidement. C’est ce que l’on appelle les fluctuations du vide, et le meilleur outil dont nous disposons pour les comprendre est Principe d’indétermination de Heisenberg.

Nous n’avons pas besoin de savoir ce que ce principe nous dit dans son intégralité, mais pour avancer il est bon pour nous de savoir que c’est un théorème qui défend cela dans les systèmes physiques décrits par la mécanique quantique, qui étudie les propriétés de la nature sur une échelle atomique, nous ne pouvons pas déterminer simultanément la valeur de tous les paramètres physiques que nous pouvons observer. En mécanique classique, nous pouvons décrire n’importe quel système physique en énumérant la valeur des paramètres que nous pouvons mesurer, mais en mécanique quantique, nous ne le pouvons pas.

Le vide de l’espace n’est pas du tout vide. Il contient au moins des traces de matière, ainsi que des rayons cosmiques et un rayonnement de fond cosmique.

En fait, le principe d’indétermination règle que il y a quelques paires de grandeurs, comme la position et la quantité de mouvement d’une particule, qui ne sont pas définies simultanément. Cela signifie que plus nous essayons de mesurer sa position, moins nous aurons d’informations sur son élan, qui est défini par sa masse et sa vitesse à un instant donné.

Et la même chose se produit à l’inverse: plus la précision avec laquelle nous mesurons l’élan d’une particule est grande, plus nous aurons d’incertitude lors de la détermination de sa position à un moment donné. Le principe d’indétermination de Heisenberg est un outil très précieux qui nous aide à comprendre les fluctuations du vide Parce qu’il établit une relation indéterminée entre la valeur de l’énergie d’un système et le temps que l’on investit dans sa mesure.

La conséquence immédiate de cette relation est que si, comme nous l’avons vu, le vide n’est pas vide, mais contient des ondes qui se comportent comme des particules, il contient également de l’énergie et se manifeste sous la forme d’un champ. De plus, un champ ne peut pas avoir d’énergie fixe à tout instant, ce qui implique que dans le vide l’énergie des champs ne peut pas être constante. Fluctue continuellement. C’est le point de départ de la section suivante de l’article.

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La théorie de l’inflation cosmique et l’origine de l’univers

Les mesures que les scientifiques ont obtenues expérimentalement suggèrent que l’univers est sorti d’un vide. À partir du vide quantique fluctuant que nous venons de décrire. Nous n’avons toujours pas de théorie qui explique catégoriquement l’origine de l’univers, mais la plus acceptée car elle a un support observationnel, ce qui ne l’a pas empêché d’avoir aussi des détracteurs, est inflation cosmique.

Il y a encore beaucoup à faire, et il y a encore de nombreux phénomènes que nous ne pouvons pas expliquer, mais les scientifiques sont convaincus que le développement technologique nous permettra obtenir des mesures plus précises qui peuvent être utilisées à l’avenir pour corriger et développer davantage les théories actuelles ou pour en développer de nouvelles.

Le germe de la théorie de l’inflation cosmique est l’idée que l’univers est parti d’un état de vide d’un champ connu sous le nom d’inflaton.

Le germe de la théorie de l’inflation cosmique est l’idée que l’univers est parti d’un état de vide d’un champ que les scientifiques appellent inflaton. À ce moment primordial, c’était le seul champ qui existait, et vraisemblablement il s’étendait dans tout l’espace, qui est supposé être infini. Une propriété de l’inflaton est qu’elle pouvait persister dans un état de faux vide dans lequel elle manquait de particules associées au champ, mais sans rester dans son état d’énergie minimale.

Ce qui est curieux, c’est qu’en introduisant la gravité d’un point de vue théorique dans ce scénario, l’inflaton acquiert une énorme répulsion gravitationnelle responsable de l’expansion de l’espace lui-même. C’est ce qu’on appelle l’inflation. Les physiciens théoriciens qui défendent cette théorie pensent que l’inflaton avait un profil énergétique similaire à celui du champ de Higgs, mais il en différait en ce qu’il pouvait adopter un état de faux vide dans lequel son énergie n’était pas le minimum possible.

Gonflage

La théorie de l’inflation cosmique propose que l’espace était occupé par un champ, l’inflaton, qui était dans un état de faux vide affligé par des fluctuations quantiques qui l’invitaient à atteindre son état d’énergie minimale. Ce passage du faux vide au vide réel a provoqué, selon cette théorie, la naissance de notre univers.

En fait, initialement, l’inflaton devait être dans ce faux état de vide, mais avec une tendance marquée à atteindre un état de vide réel. Lors de sa chute dans ce dernier état, il a dû être soumis à une gravité répulsive qui, comme nous l’avons vu, provoquerait l’expansion de l’espace dans lequel se trouvait ce champ. En atteignant la valeur d’énergie minimale, l’inflaton pourrait être soumis à des fluctuations qui l’inciteraient à augmenter votre niveau d’énergie et dissiper son énergie initiale.

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Si, comme nous venons de le voir, le champ avait tendance à atteindre un véritable état de vide à partir d’un faux état de vide dans lequel son énergie était la plus élevée, la seule stratégie possible était de libérer son énergie initiale. Et cela nous amène à l’idée culminante de cette théorie: la mécanique quantique défend que la libération d’énergie a lieu générant des champs et leurs particules associés, de sorte que les physiciens qui défendent la théorie de l’inflation cosmique croient que c’est le mécanisme qui a conduit à la création des champs et des particules qui composent l’univers dans lequel nous vivons.

Dans cet article, nous n’avons fait qu’effleurer la surface car notre intention est de le rendre aussi abordable que possible, mais si vous l’avez aimé et que vous souhaitez que nous continuions à enquêter sur l’origine de l’univers dans d’autres rapports, faites-le nous savoir dans les commentaires. C’est certainement un sujet compliqué, mais c’est aussi excitant et nous serions ravis de nous y plonger avec vous.

Image de couverture | Alex Andrews

Images | Alex Andrews | Mohan reddy atalu

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