bulles de néant
Images : div11 via Getty Images. Flickr/NASA. Composition : Jordan Pearson 

De mystérieuses « bulles de néant » mangent l'espace-temps

Un trou spontané dans le tissu de la réalité pourrait théoriquement mettre fin à l'univers.
19 mars 2020, 11:29am

L'univers pourrait finir par se manger de l'intérieur. Heureusement pour nous, les physiciens qui étudient ce phénomène, appelé « dégradation de l'espace-temps », estiment que cela est très peu probable. Pourtant, cette possibilité est suffisamment intéressante pour être étudiée en détail et couvre les « bulles de néant » dans l'espace-temps, les dimensions cachées et un hypothétique observateur faisant du stop à la surface extérieure de notre univers.

L'idée que, dans certains scénarios, notre univers pourrait être entièrement détruit par une bulle de néant en expansion existe depuis 1982, lorsque le physicien théorique Edward Witten a introduit la possibilité que l'univers se mange lui-même dans un article du journal Nuclear Physics B : « Un trou s'est formé spontanément dans l'espace et s'est rapidement étendu à l'infini, poussant à l'infini tout ce qu'il rencontre. »

Étant donné qu'une bulle de néant n'a en fait pas détruit l'univers, ni au cours des 13 milliards d'années précédant la publication de l'article de Witten, ni au cours des 38 années qui ont suivi, on pourrait penser que les physiciens classeraient le sujet en bas de la liste des priorités de recherche. Mais trois physiciens de l'université d'Oviedo en Espagne et de l'université d'Uppsala en Suède affirment que nous pouvons tirer d'importantes leçons d'une bulle qui consume l’univers entier dans un article merveilleusement intitulé « Nothing Really Matters », soumis au Journal of High-Energy Physics ce mois-ci.

En particulier, comprendre les conditions de la décomposition de l'espace-temps à travers une bulle de néant est un pas de plus pour relier les meilleures théories sur les plus petits éléments constitutifs de l'univers – les cordes – avec les théories de l'espace et du temps lui-même.

L'univers instable

Il est communément admis qu'un vide est une région de vide total, il est donc déroutant de penser que notre univers entier, qui contient la planète Terre, des galaxies lointaines et tout ce qui se trouve entre les deux, est presque entièrement un vide. Mais le fait que notre univers soit principalement constitué de vide explique en partie pourquoi il existe dans un état relativement stable.

Dans la théorie quantique des champs, qui relie la physique quantique et la dynamique spatio-temporelle, le vide est mieux compris comme l'état d'énergie le plus bas possible. Les états quantiques « excités » dont l'énergie est supérieure à celle du vide ne restent pas excités très longtemps et ont tendance à décliner rapidement vers des états d'énergie plus faibles émettant des photons et autres paquets d'énergie. Les états de vide n'ont pas d'états énergétiques inférieurs vers lesquels tomber, ils existent donc confortablement dans un état stable.

Puisque la plus grande partie de notre univers est un vide et qu'il est déjà dans l'état d'énergie le plus bas possible, nous n'avons pas à nous inquiéter de la dégradation de l'espace-temps. Mais en physique théorique, de telles hypothèses sont rarement stables.

Au début des années 1970, des physiciens russes ont étudié séparément l'idée qu'il existe un juste milieu entre un vide stable et un non-vide instable : un état semblable au vide qui semble stable en raison de la très longue période pendant laquelle il restera dans cet état « métastable » avant de se décomposer. Maintenant appelé « faux vide », cette suggestion était une tentative de résoudre les incohérences des théories sur les conditions initiales de l'univers, les effets de la gravité et les observations cosmologiques.

Bien que le nouveau concept de faux vide ait été suggéré pour ne décrire qu'une période de transition avant le Big Bang, des recherches plus récentes sur le champ de Higgs (un champ de force quantique détecté par l'accélérateur de particules CERN) suggèrent que nous pourrions encore vivre dans un faux vide après tout, puisque ce qui était auparavant considéré comme un état stable (de plus faible énergie) d'un champ de Higgs pourrait ne pas être l'état le plus faible en énergie.

La possibilité que la stabilité de notre univers soit une longue illusion a ouvert la voie à des questions sur le comment et le pourquoi de la décomposition du délicat faux vide. Une réponse pourrait être une « bulle de néant ».

Néant infini et dimensions cachées

Une bulle de néant est un exemple de « bulle d'espace-temps » où l'espace-temps a des propriétés différentes à l'intérieur et à l'extérieur des limites de la bulle. D'autres types de bulles peuvent avoir différentes forces d'énergie sombre à l'intérieur et à l'extérieur de la bulle, par exemple, mais les bulles de néant n'ont pas d'intérieur du tout, selon Marjorie Schillo, auteure du papier et chercheuse à l'Université d'Uppsala.

Si une bulle de néant se forme spontanément dans l'espace-temps du faux vide, elle va grandir et finir par avaler l'univers entier. Une bulle de néant décrit un canal possible de « destruction de l'univers », en ce sens que la bulle de néant se dilate et peut « manger » tout l'espace-temps, le convertissant en « néant », explique Schillo.

Mais pourquoi une bulle de néant ne se formerait-elle pas ? La réponse se trouve dans la théorie des cordes, un candidat populaire pour la « théorie du tout » qui postule de minuscules entités appelées cordes avec des propriétés que les autres particules fondamentales n'ont pas. En particulier, les cordes ont un état vibratoire qui répond à la gravité quantique. En d'autres termes, la théorie intègre les phénomènes de la physique quantique avec le comportement et les effets des champs gravitationnels. Ce résultat est très recherché, et c'est la raison principale de la popularité de la théorie des cordes.

Une théorie aussi tentante et complète dépend de diverses hypothèses qui ne sont pas garanties. Les mathématiques de la théorie des cordes ne fonctionnent que s'il existe plus de quatre dimensions : trois dimensions spatiales, une dimension temporelle, puis plusieurs autres dimensions si petites qu'elles ne peuvent être détectées, seulement dérivées mathématiquement. Dans la théorie des cordes, la géométrie de notre univers ne semble avoir que quatre dimensions espace-temps car les dimensions supplémentaires sont très comprimées et cachées.
Pour des raisons mathématiques presque trop techniques pour être expliquées par des mots, les bulles de néant ne se formeront pas dans l'espace-temps quadridimensionnel, mais dans un espace-temps multidimensionnel de « cordes ». Un modèle espace-temps de cordes est appelé vide de Kaluza-Klein, et dans ce modèle, la probabilité qu'une bulle de néant détruise tout n’en est qu’une dans tout l’espace infini. Les physiciens ne savent pas vraiment si notre univers est un volume infini ou fini, mais il est rassurant de constater que le résultat de la destruction de l'univers par une bulle de rien est considéré comme quelque chose à rectifier, et non comme un sujet d'inquiétude.

Comme le note le théoricien tchèque des cordes Luboš Motl dans un billet de blog étonnamment drôle, une catastrophe de bulle de néant pourrait être utilisée pour écarter les descriptions de notre univers, car si cela devait arriver, cela aurait déjà dû arriver.

« Nous ne savons pas si notre espace-temps est exactement stable. Il est plausible qu'il soit menacé par une catastrophe cosmique, écrit-il. Mais parce que l'univers est vivant depuis environ 14 milliards d'années… nous savons que la probabilité de la naissance d'une bulle de néant mortelle ne devrait pas être beaucoup plus grande qu’un nombre extrêmement minuscule, bien inférieur à un. »

Il continue : « Si une théorie prédisait une probabilité beaucoup plus élevée de tumeur mortelle destructrice, elle prédirait également que notre univers devrait avoir été détruit à l'heure qu'il est. »

Schillo est d'accord. Elle affirme que ses recherches sur les bulles de néant visent, en partie, à établir quelles sont les implications pour les descriptions de l'univers selon la théorie des cordes, étant donné que la désintégration de l'espace-temps par une bulle de néant est très peu probable.

« Il est important de comprendre ces canaux de décomposition, car si nous voulons un vide des cordes pour décrire notre univers, des instabilités comme la bulle de néant doivent être extrêmement rares ou absentes », dit-elle.

Chevaucher la bulle

La bulle de néant sert aussi un autre objectif. Schillo et d'autres pensent que la description mathématique d'une bulle de néant détruisant l'univers pourrait également être utilisée pour modéliser l'origine de l'univers.

Le comportement d'une bulle de néant en expansion rapide est une bonne approximation de l'inflation précoce de l'univers. Plus précisément, la surface extérieure d'une bulle de néant en expansion ressemblerait beaucoup à la création de l'univers, s'il était possible d'observer la création de l'univers de l'extérieur.

Cela peut sembler tiré par les cheveux, mais c'est un point essentiel de la physique théorique et de la cosmologie des débuts de l'univers. « L'un des futurs sujets de recherche qui me passionne le plus est l'aspect "création de l'univers" de ce travail », dit Schillo. « Il serait intéressant de déterminer dans quelles conditions un observateur pourrait "chevaucher" une bulle de néant et voir un univers similaire à celui dans lequel nous vivons, poursuit-elle. Parce que la bulle se dilate, un tel observateur verrait un univers en expansion, et cela pourrait expliquer l'énergie sombre observée. »

Vous n'avez donc pas à vous soucier d'une bulle de néant qui engloutirait tout l'espace-temps. Mais si vous vous êtes déjà demandé à quoi ressemblait l'univers quand il a explosé pour la première fois, alors cela vaut la peine de suivre les recherches sur la bulle de néant.

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