Problème de constante cosmologique - Cosmological constant problem
| Au-delà du modèle standard |
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| Modèle standard |
En cosmologie , le problème de la constante cosmologique ou catastrophe du vide est le désaccord entre les valeurs observées de la densité d' énergie du vide (la petite valeur de la constante cosmologique ) et la grande valeur théorique de l' énergie du point zéro suggérée par la théorie quantique des champs .
En fonction de la coupure d' énergie de Planck et d'autres facteurs, l'écart peut atteindre 120 ordres de grandeur, un état de choses décrit par les physiciens comme « le plus grand écart entre la théorie et l'expérience de toute la science » et « la pire prédiction théorique dans le histoire de la physique."
Histoire
Le problème fondamental d'une énergie du vide produisant un effet gravitationnel a été identifié dès 1916 par Walther Nernst . Il a prédit que la valeur devait être nulle ou très petite, de sorte que le problème théorique était déjà apparent et a commencé à être activement discuté dans les années 1970.
Avec le développement de la cosmologie inflationniste dans les années 1980, le problème est devenu beaucoup plus important : comme l'inflation cosmique est entraînée par l'énergie du vide, les différences dans la modélisation de l'énergie du vide entraînent d'énormes différences dans les cosmologies résultantes - si l'énergie du vide était précisément nulle comme autrefois cru, alors l' expansion de l'univers ne s'accélérerait pas comme observé, du moins pas selon les hypothèses du modèle Λ-CDM standard .
Selon le cosmologiste Niayesh Afshordi, la totalité de la densité d'énergie associée aux fluctuations du point zéro du champ magnétique de Pauli pourrait être capable de courber l'Univers "à tel point qu'il ne pourrait pas s'adapter à l'orbite lunaire, sans parler du système solaire ou le reste de la Galaxie."
Description quantique
Après le développement de la théorie quantique des champs dans les années 1940, le premier à aborder les contributions des fluctuations quantiques à la constante cosmologique fut Zel'dovich (1967, 1968). En mécanique quantique, le vide lui-même devrait subir des fluctuations quantiques. En relativité générale, ces fluctuations quantiques constituent une énergie qui s'ajouterait à la constante cosmologique. Cependant, cette densité d'énergie du vide calculée est de plusieurs ordres de grandeur plus grande que la constante cosmologique observée. Les estimations originales du degré de non-concordance étaient aussi élevées que 120 ordres de grandeur ; cependant, la recherche moderne suggère que, lorsque l'invariance de Lorentz est prise en compte, le degré de non-concordance est plus proche de 60 ordres de grandeur.
L'énergie du vide calculée est une contribution positive, plutôt que négative, à la constante cosmologique car le vide existant a une pression mécanique quantique négative et, en relativité générale, l'effet gravitationnel de la pression négative est une sorte de répulsion. (La pression est ici définie comme le flux de quantité de mouvement de la mécanique quantique à travers une surface.) En gros, l'énergie du vide est calculée en additionnant tous les champs de mécanique quantique connus, en tenant compte des interactions et des auto-interactions entre les états fondamentaux, puis en supprimant toutes les interactions en dessous d'une longueur d'onde "seuil" minimale pour refléter le fait que les théories existantes s'effondrent et peuvent ne pas être applicables autour de l'échelle de seuil. Parce que l'énergie dépend de la façon dont les champs interagissent dans l'état de vide actuel, la contribution de l'énergie du vide aurait été différente dans l'univers primitif ; par exemple, l'énergie du vide aurait été significativement différente avant la rupture de la symétrie électrofaible pendant l' époque des quarks .
Renormalisation
L'énergie du vide dans la théorie quantique des champs peut être fixée à n'importe quelle valeur par renormalisation. Ce point de vue traite la constante cosmologique comme simplement une autre constante physique fondamentale non prédite ou expliquée par la théorie. Une telle constante de renormalisation doit être choisie très précisément en raison de l'écart de plusieurs ordres de grandeur entre la théorie et l'observation, et de nombreux théoriciens considèrent cette constante ad hoc comme équivalente à ignorer le problème.
Solutions proposées
Certains physiciens proposent une solution anthropique et soutiennent que nous vivons dans une région d'un vaste multivers qui a différentes régions avec différentes énergies de vide. Ces arguments anthropiques postulent que seules les régions de faible énergie du vide comme celle dans laquelle nous vivons sont raisonnablement capables de supporter une vie intelligente. De tels arguments existent sous une forme ou une autre depuis au moins 1981. Vers 1987, Steven Weinberg a estimé que l'énergie du vide maximale admissible pour la formation de structures liées par la gravitation est problématiquement grande, même compte tenu des données d'observation disponibles en 1987, et a conclu que l'explication anthropique apparaît échouer; cependant, des estimations plus récentes de Weinberg et d'autres, basées sur d'autres considérations, trouvent que la limite est plus proche du niveau réellement observé d'énergie noire. Les arguments anthropiques ont progressivement gagné en crédibilité parmi de nombreux physiciens après la découverte de l'énergie noire et le développement du paysage théorique de la théorie des cordes , mais sont toujours tournés en dérision par une partie sceptique substantielle de la communauté scientifique comme étant problématique à vérifier. Les partisans des solutions anthropiques sont eux-mêmes divisés sur de multiples questions techniques entourant la façon de calculer la proportion de régions de l'univers avec diverses constantes d'énergie noire.
D'autres propositions impliquent de modifier la gravité pour s'écarter de la relativité générale . Ces propositions font face à l'obstacle que les résultats des observations et des expériences jusqu'à présent ont eu tendance à être extrêmement cohérents avec la relativité générale et le modèle ΛCDM , et incompatibles avec les modifications proposées jusqu'à présent. De plus, certaines des propositions sont sans doute incomplètes, car elles résolvent le "nouveau" problème de constante cosmologique en proposant que la constante cosmologique réelle est exactement zéro plutôt qu'un petit nombre, mais ne parviennent pas à résoudre le "ancien" problème de constante cosmologique de pourquoi les fluctuations quantiques semblent ne pas produire d'énergie du vide substantielle en premier lieu. Néanmoins, de nombreux physiciens soutiennent que, en partie à cause d'un manque de meilleures alternatives, les propositions visant à modifier la gravité devraient être considérées comme « l'une des voies les plus prometteuses pour s'attaquer » au problème de la constante cosmologique.
Bill Unruh et ses collaborateurs ont soutenu que lorsque la densité d'énergie du vide quantique est modélisée plus précisément comme un champ quantique fluctuant, le problème de constante cosmologique ne se pose pas. En allant dans une direction différente, George FR Ellis et d'autres ont suggéré que dans la gravité unimodulaire , les contributions gênantes ne gravitent tout simplement pas.
Un autre argument, dû à Stanley Brodsky et Robert Shrock, est que dans la quantification du front de lumière , le vide de la théorie quantique des champs devient essentiellement trivial. En l'absence de valeurs attendues du vide, il n'y a pas de contribution de la QED , des interactions faibles et de la QCD à la constante cosmologique. Il est donc prédit nul dans un espace-temps plat .
En 2018, un mécanisme d'annulation de Λ a été proposé via l'utilisation d'un potentiel de brisure de symétrie dans un formalisme lagrangien dans lequel la matière montre une pression non nulle. Le modèle suppose que la matière standard fournit une pression qui contrebalance l'action due à la constante cosmologique. Luongo et Muccino ont montré que ce mécanisme permet de prendre l'énergie du vide comme le prédit la théorie quantique des champs , mais en supprimant l'énorme magnitude par un terme de contrepoids dû aux baryons et à la matière noire froide uniquement.
Voir également
Les références
Liens externes
- O'Dowd, Matt (24 janvier 2019). "La crise de la cosmologie" . PBS Spacetime – via YouTube .