Univers à énergie nulle

L'hypothèse de l'univers à énergie nulle propose que la quantité totale d'énergie dans l'univers soit exactement égale à zéro : sa quantité d'énergie positive sous forme de matière étant exactement annulée par son énergie négative sous forme de gravitation[1],[2].

Histoire

Pascual Jordan a été le premier à suggérer que, puisque l'énergie positive de la masse d'une étoile et l'énergie négative de son champ gravitationnel pourraient s'annuler mutuellement, la conservation de l'énergie ne pourrait pas empêcher une étoile d'être créée par une fluctuation quantique du vide. George Gamow a raconté avoir proposé cette idée à Albert Einstein : « Einstein s'est arrêté sur place, et comme nous traversions une rue, plusieurs voitures ont dû s'arrêter pour ne pas nous écraser[3]. »

L'hypothèse de l'univers à énergie nulle est née en 1973, quand Edward Tryon proposa dans le journal Nature que l'univers ait émergé d'une fluctuation quantique de l'énergie du vide, dont la masse-énergie positive soit exactement compensée par son énergie potentielle gravitationnelle négative[4].

Interprétation « déjeuner gratuit »

Une propriété générique de l’inflation cosmique est l’équilibre de l’énergie gravitationnelle négative, dans la région en inflation, avec l’énergie positive du champ inflaton pour donner un univers post-inflationniste ayant une densité énergétique négligeable ou nulle[5],[6]. C’est cet équilibre de l’énergie totale qui permet une expansion illimitée de l'espace ; pendant l'inflation, l'énergie circule du champ gravitationnel (ou de la géométrie) au champ d'inflation - l'énergie gravitationnelle totale diminue (elle devient donc plus négative) et l'énergie totale d'inflation augmente (devient plus positive). Mais les densités d'énergie respectives restent constantes et opposées puisque l'espace s'étend. En conséquence, l’inflation explique l’annulation par ailleurs curieuse de la matière et de l’énergie gravitationnelle aux échelles cosmologiques, ce qui est cohérent avec les observations astronomiques[7].

Fluctuation quantique

En raison de l'incertitude quantique, des fluctuations d'énergie telles qu'un électron et son antiparticule, un positron, peuvent surgir spontanément de l'espace vide, mais doivent disparaitre rapidement. Plus l'énergie de cette bulle est basse, plus sa durée de vie peut être longue. Un champ gravitationnel a une énergie négative. La matière a une énergie positive. Les deux valeurs s'annulent à condition que l'univers soit complètement plat. Dans ce cas, l’univers a une énergie nulle et peut théoriquement durer éternellement[4],[8].

Notes et références
  1. « A Universe from Nothing », Astronomical Society of the Pacific (consulté le )
  2. « A Universe From Nothing lecture by Lawrence Krauss at AAI », (consulté le )
  3. Beyond Einstein: The Cosmic Quest for the Theory of the Universe - Michio Kaku, Jennifer Trainer Thompson - Oxford University Press, 1997 - p189
  4. Edward P. Tryon, "Is the Universe a Vacuum Fluctuation?", Nature, vol. 246, p.396–397, 1973.
  5. Alan Guth, The Inflationary Universe, ( (ISBN 0-224-04448-6)) Appendix A Since the negative energy of a gravitational field is crucial to the notion of a zero-energy universe, it is a subject worth examining carefully. In this appendix I will explain how the properties of gravity can be used to show that the energy of a gravitational field is unambiguously negative. The argument will be described [in the appendix] in the context of Newton's theory of gravity, although the same conclusion can be reached using Einstein's theory of general relativity.
  6. Stephen Hawking, A Brief History of Time, p. 129.
  7. "We might decide that there wasn't any singularity. The point is that the raw material doesn't really have to come from anywhere. When you have strong gravitational fields, they can create matter. It may be that there aren't really any quantities which are constant in time in the universe. The quantity of matter is not constant, because matter can be created or destroyed. But we might say that the energy of the universe would be constant, because when you create matter, you need to use energy. And in a sense the energy of the universe is constant; it is a constant whose value is zero. The positive energy of the matter is exactly balanced by the negative energy of the gravitational field. So the universe can start off with zero energy and still create matter. Obviously, the universe starts off at a certain time. Now you can ask: what sets the universe off. There doesn't really have to be any beginning to the universe. It might be that space and time together are like the surface of the Earth, but with two more dimensions, with degrees of latitude playing the role of time." -- Stephen Hawking, "If There's an Edge to the Universe, There Must Be a God" (interview), in Renée Weber, Dialogues With Scientists and Sages: The Search for Unity, 1986. (Also partially reprinted in "God as the Edge of the Universe", in The Scientist, Vol. 1, No. 7, February 23, 1987, p. 15.)
  8. Berkeley Lab, Smoot Group - http://aether.lbl.gov - Inflation for Beginners, JOHN GRIBBIN "Quantum uncertainty allows the temporary creation of bubbles of energy, or pairs of particles (such as electron-positron pairs) out of nothing, provided that they disappear in a short time. The less energy is involved, the longer the bubble can exist. Curiously, the energy in a gravitational field is negative, while the energy locked up in matter is positive. If the universe is exactly flat, then as Tryon pointed out the two numbers cancel out, and the overall energy of the universe is precisely zero. In that case, the quantum rules allow it to last forever." archived, 2014

Voir également
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