Imaginez, si vous le pouvez, ce que cela signifierait d’avoir un Univers avec absolument rien dedans. Vous pourriez prendre tous les divers quanta de matière et d’énergie et les supprimer, laissant un Univers sans particules ou antiparticules d’aucun type. Vous pourriez supprimer toute source de gravitation ou de courbure spatiale, réduisant votre Univers à rien de plus qu’un espace purement vide. Vous pourriez protéger l’Univers de tout champ électrique, magnétique ou nucléaire externe, éliminant ainsi toute influence qu’il pourrait avoir sur l’espace-temps que vous considérez. Même si vous faites tout cela, vous n’obtiendrez toujours pas « zéro » sur votre bilan pour l’énergie de l’Univers. C’est ce que Niels Hermes veut savoir, puisqu’il nous écrit pour nous demander :

Serait-il possible de faire la lumière sur le concept d’énergie du point zéro ?

C’est un concept difficile, mais essayons-le.

Pour tout système physique que nous pouvons rêver, il y aura toujours au moins une configuration dans laquelle nous pouvons le placer qui aura la plus faible quantité totale d’énergie. Pour une série de masses isolées du reste de l’Univers, c’est un trou noir. Pour un proton et un électron, il s’agit d’un atome d’hydrogène à l’état fondamental (c’est-à-dire à l’énergie la plus faible). Et pour l’Univers lui-même, c’est constituer un espace vide en l’absence de tout champ ou source externe.

Cet état de plus basse énergie est connu sous le nom d’état d’énergie du point zéro. Pendant longtemps, les scientifiques qui ont étudié l’Univers ont supposé que l’énergie du point zéro était nulle. Non pas pour une raison physique, remarquez, mais parce que nous n’avions que deux façons de tenter d’y arriver, et que les deux donnaient des réponses qui mettaient en évidence des problèmes avec toute valeur autre que zéro.

La première fois que l’idée d’une énergie du point zéro de l’espace a surgi, c’était dans le contexte de la (alors nouvelle) théorie de la gravité d’Einstein : la relativité générale. Selon Einstein, la courbure de l’espace détermine le comportement futur de la matière et de l’énergie dans l’Univers, et la présence de matière et d’énergie détermine la courbure de l’espace.

Bien, presque. La présence de matière et d’énergie détermine presque entièrement la courbure de l’espace, mais vous êtes libre d’ajouter une constante à l’espace lui-même. (Ceux d’entre vous qui ont pris des cours de calcul reconnaîtront cette constante comme quelque chose qui surgit chaque fois que vous faites une intégrale : vous déterminez complètement la réponse, jusqu’à une constante additive, « plus c »). Cette constante, quelle qu’elle soit, représente l’énergie du point zéro de l’espace. Lorsque nous avons découvert l’expansion de l’Univers, la constante était complètement inutile, et a été jetée comme telle pendant environ 60+ ans.

La deuxième fois que l’idée de l’énergie du point zéro est apparue, c’est lorsque la théorie quantique des champs a pris de l’importance. En plus de toutes les façons dont les particules pouvaient interagir les unes avec les autres par le biais des champs quantiques imprégnant l’Univers, il y avait aussi des contributions « du vide », qui représentaient la façon dont les champs quantiques dans le vide de l’espace se comportaient.

Les canaux individuels contribuaient énormément à ce que nous appelions la « valeur attendue du vide » de ces champs, qui étaient généralement quelque ~120 ordres de grandeur supérieurs aux limites d’observation. Mais certains étaient positifs et d’autres négatifs, et beaucoup supposaient qu’ils s’annuleraient tous. En outre, il a été prouvé que certaines théories des champs étaient exactement équivalentes aux théories libres (dont les valeurs d’espérance du vide étaient nulles), et donc, là encore, nous avons supposé que l’énergie du point zéro était nulle.

Et puis, à la toute fin du XXe siècle, l’impensable s’est produit. Nous avions toujours prévu que l’Univers était en expansion, que la gravité travaillait à ralentir l’expansion, et que soit :

• la gravitation gagnerait et l’expansion s’inverserait,
• l’expansion gagnerait et continuerait à ralentir pour toujours et à jamais,
• soit elles s’équilibreraient exactement, et l’expansion s’asymptoterait vers zéro mais ne s’inverserait jamais tout à fait.

Mais nous avons alors découvert que l’expansion de l’Univers ne ralentissait pas du tout, mais que les galaxies lointaines s’éloignaient de nous de plus en plus vite au fil du temps. L’Univers ne contenait pas seulement de la matière et du rayonnement, mais semblait aussi contenir une nouvelle forme d’énergie : ce que nous appelons aujourd’hui l’énergie sombre. Au cours des 22 années qui se sont écoulées depuis cette première découverte, non seulement l’énergie noire a été confirmée par de nombreuses lignes de preuves, mais il a été démontré de manière démonstrative qu’il est impossible de la distinguer, avec une grande précision, d’une constante cosmologique.

C’est pourquoi nous nous intéressons à l’énergie du point zéro de l’espace. Les observations provenant de nombreuses sources de preuves – y compris le fond diffus cosmologique, les sources de lumière lointaines (comme les supernovae) et l’amas de galaxies dans l’Univers – pointent toutes vers la même valeur minuscule et non nulle de la quantité d’énergie sombre dans l’Univers. Elle semble être une forme d’énergie inhérente à l’espace lui-même, elle semble ne pas changer avec le temps, elle semble être d’une densité constante partout et toujours, et nous ne savons pas ce qui la provoque.

C’est pourquoi nous sommes si motivés pour essayer de comprendre ce qu’est l’énergie du point zéro de l’espace : précisément parce que nous mesurons que l’expansion de l’Univers, qui en dépend, est incompatible avec une valeur de zéro pour cette quantité. Tout comme les atomes d’hydrogène ont une énergie finie à leur état fondamental, il doit en être de même pour l’énergie de l’état fondamental de l’espace vide lui-même.

Cela nous amène à la grande question : pourquoi ? Pourquoi l’énergie du point zéro de l’espace a-t-elle la valeur qu’elle a ? Il existe de nombreuses réponses plausibles, mais chacune d’entre elles est insatisfaisante d’une certaine manière.

Il se pourrait que la constante cosmologique de la relativité générale ait simplement la valeur positive qu’elle a. On lui permet de prendre n’importe quelle valeur, et tout ce que nous observons est cohérent avec l’énergie du point zéro de l’espace ayant une petite valeur positive constante depuis le début du Big Bang chaud. Cette hypothèse est séduisante car elle ne nécessite pas de faire appel à une nouvelle physique : nous pouvons expliquer ce que nous observons en fixant un paramètre libre égal à la valeur observée correcte. Mais c’est insatisfaisant car il n’y a pas de mécanisme ou de raisonnement pour nous aider à comprendre pourquoi il a la valeur qu’il a.

Alternativement, il se pourrait que l’énergie du point zéro de tous les champs quantiques imprégnant l’Univers s’additionne à la valeur observée requise pour l’énergie sombre. Peut-être, si nous savions comment calculer correctement cette valeur, nous arriverions à la bonne réponse.

Le problème avec ce scénario est que nous ne savons pas comment faire ce calcul, et que toutes nos tentatives nous donnent une réponse ridiculement trop grande. Il est possible qu’une annulation presque parfaite, mais pas tout à fait, se produise, nous conduisant à la valeur correcte, mais c’est une proposition difficile à parier.  » Nous ne savons pas comment faire, et la tâche semble difficile mais il n’est pas prouvé qu’elle soit impossible « , n’est pas exactement un raisonnement convaincant.

Mais il y a toujours des scénarios de « nouvelle physique » à envisager également. Il est possible qu’il n’y ait pas de constante cosmologique ni de contribution à l’énergie du point zéro de la part des champs quantiques que nous connaissons. Nous pourrions plutôt postuler un nouveau type de champ dans l’Univers, qui pourrait être :

• une contribution de n’importe quelle théorie quantique de la gravité s’avérant correcte,
• un reliquat d’une symétrie brisée antérieure dans l’Univers (de l’échelle de grande unification, de l’échelle de Higgs, du secteur des neutrinos, etc.) qui fixe simplement l’énergie du point zéro à sa valeur actuelle non nulle,
• qu’il y a une quantité relique d’énergie qui n’est pas tout à fait passée à zéro depuis notre époque inflationniste antérieure,
• ou que l’idée hautement spéculative du paysage de cordes, qui elle-même nécessite de nombreuses hypothèses non prouvées et sans preuves sur la façon dont l’Univers s’est comporté avant le Big Bang chaud, a simplement « atterri sur la valeur que nous voyons aujourd’hui » pour la valeur de l’énergie du point zéro (ou valeur d’espérance du vide) de l’espace vide.

En l’absence de solution, toutes les possibilités – aussi mal motivées qu’elles puissent paraître – doivent être envisagées.

Mais quelle que soit la réponse à l’énigme de l’énergie du point zéro, il y a deux faits que nous ne pouvons pas nier. Le premier est que l’énergie noire est réelle, corroborée par une foule de lignes de preuves indépendantes dont notre Univers ne peut tout simplement pas se passer. Elle est cohérente avec le fait d’avoir une valeur constante partout dans l’espace et à travers le temps : elle se comporte d’une manière qu’il est impossible de distinguer de l’espace ayant une énergie de point zéro non nulle et constante.

Le second fait est que, quelle que soit la solution, nous devons toujours compter avec la présence de champs quantiques – mandatés par les lois de la physique – imprégnant notre Univers. Jusqu’à ce que nous sachions comment calculer cette valeur, toute solution proposée exige que nous fassions une hypothèse infondée sur cette valeur. L’énergie du point zéro de l’espace vide est incompatible avec une valeur de zéro. Il existe de nombreuses origines possibles de cette valeur non nulle, mais sa cause ultime reste encore un mystère.

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