Comment la physique de rien sous-tend tout

La plupart des champs quantiques qui remplissent notre univers ont un, et un seul, état préféré, dans lequel ils resteront pour l’éternité. La plupart, mais pas tous.

Vrais et faux aspirateurs

Dans les années 1970, les physiciens en sont venus à apprécier l’importance d’une classe différente de champs quantiques dont les valeurs préfèrent ne pas être nulles, même en moyenne. Un tel « champ scalaire » est comme une collection de pendules planant tous, disons, à un angle de 10 degrés. Cette configuration peut être l’état fondamental : les pendules préfèrent cet angle et sont stables.

En 2012, des expérimentateurs du Large Hadron Collider ont prouvé qu’un champ scalaire connu sous le nom de champ de Higgs imprègne l’univers. Au début, dans l’univers chaud et primitif, ses pendules pointaient vers le bas. Mais à mesure que le cosmos se refroidissait, le champ de Higgs a changé d’état, tout comme l’eau peut geler en glace, et ses pendules se sont tous élevés au même angle. (Cette valeur de Higgs non nulle est ce qui confère à de nombreuses particules élémentaires la propriété connue sous le nom de masse.)

Avec des champs scalaires autour, la stabilité du vide n’est pas nécessairement absolue. Les pendules d’un champ peuvent avoir plusieurs angles semi-stables et une propension à passer d’une configuration à une autre. Les théoriciens ne sont pas certains que le champ de Higgs, par exemple, ait trouvé sa configuration favorite absolue : le vrai vide. Certains ont fait valoir que l’état actuel du champ, bien qu’il ait persisté pendant 13,8 milliards d’années, n’est que temporairement stable ou «métastable».

Si c’est le cas, les bons moments ne dureront pas éternellement. Dans les années 1980, les physiciens Sidney Coleman et Frank De Luccia ont décrit comment un faux vide d’un champ scalaire pouvait « se désintégrer ». À tout moment, si suffisamment de pendules à un endroit donné se dirigent vers un angle plus favorable, ils entraîneront leurs voisins à leur rencontre, et une bulle de véritable vide s’envolera vers l’extérieur à une vitesse proche de la lumière. Il réécrira la physique au fur et à mesure, brisant les atomes et les molécules sur son passage. (Ne paniquez pas. Même si notre vide n’est que métastable, compte tenu de sa résistance jusqu’à présent, il durera probablement encore des milliards d’années.)

Dans la mutabilité potentielle du champ de Higgs, les physiciens ont identifié la première d’un nombre pratiquement infini de façons dont le néant pourrait tous nous tuer.

Plus de problèmes, plus d’aspirateurs

Alors que les physiciens ont tenté d’intégrer les lois confirmées de la nature dans un ensemble plus large (remplissant des lacunes géantes dans notre compréhension dans le processus), ils ont concocté des théories candidates de la nature avec des champs supplémentaires et d’autres ingrédients.

Lorsque les champs s’accumulent, ils interagissent, s’influencent mutuellement sur les pendules et établissent de nouvelles configurations mutuelles dans lesquelles ils aiment s’enliser. Les physiciens visualisent ces vides comme des vallées dans un « paysage énergétique » vallonné. Différents angles de pendule correspondent à différentes quantités d’énergie ou altitudes dans le paysage énergétique, et un champ cherche à réduire son énergie tout comme une pierre cherche à rouler vers le bas. La vallée la plus profonde est l’état fondamental, mais la pierre pourrait s’immobiliser – pour un temps, en tout cas – dans une vallée plus élevée.

Il y a quelques décennies, le paysage a explosé en échelle. Les physiciens Joseph Polchinski et Raphael Bousso étudiaient certains aspects de la théorie des cordes, le principal cadre mathématique pour décrire le côté quantique de la gravité. La théorie des cordes ne fonctionne que si l’univers a environ 10 dimensions, les autres étant enroulées dans des formes trop petites pour être détectées. Polchinski et Bousso ont calculé en 2000 que de telles dimensions supplémentaires pouvaient se replier d’un nombre considérable de façons. Chaque façon de plier formerait un vide distinct avec ses propres lois physiques.