Science Qu'est-ce que l'Énergie noire ?
1 La sonde Euclid de l'ESA et la sonde Roman de la NASA explorent ensemble l'Energie noire
En 367 avant J.-C., un jeune homme entra à l'Académie du philosophe Platon À Athènes. Il s'appelait Aristote. Il
" Personne ne serait en mesure d'expliquer pourquoi ce qui a été mis en mouvement (dans cet espace) devrait s'arrêter â un moment donné. "
Cela lui semblait absurde. Il anticipait ainsi le loi de l'inertie d'Isaac Newton, que celui-ci a formulée environ 2000 ans plus tard comme axiome :
" Sans force agissant sur lui, un corps reste dans l'état où il est. "
Newton imaginait l'espace comme absolument vide, sans aucune matière ni substance. Pour lui, c'était une sorte de " récipient ".
Mais ce récipient complé;tement vide existe-t-il ? Ou Aristote était-il sur la bonne voie ?
L'exploration de l'espace conduit aujourd'hui â une découverte surprenante : le contenant s'étend, toujours plus vite , en permanence, partout. Cette expansion peut être retracée. Elle a commencé il y a 13,6 milliards d'années en un seul point. Avec un " Big Bang ", l' univers est apparu.
2 Schéma : Diamètre de l'univers (valeur élevée) et temps (valeur â droite). On constate que le diamètre augmente.
Une force inconnue repousse l'univers de plus en plus vite. Les étoiles et les galaxies visibles s'éloignent en moyenne de plus en plus . Cela se produit malgré l'attraction mutuelle des corps célestes due â leur gravité. L'" élan " donné par le Big Bang n'est pas suffisant pour cela. Cette expansion toujours plus rapide doit avoir pour cause une énergie colossale. Nous ne connaissons pas cette énergie.
C'est pourquoi nous l'appelons " énergie noire ".
En cas d'expansion uniforme, on s'attendrait plutôt â quelque chose comme ceci :
3 Expansion uniforme
Ce serait un univers dans lequel partout, le décalage vers le rouge de la lumière émise, causé par les " vitesses de fuite ", suivrait exactement la loi HUBBLE-LEMAÎTRE : une distance double signifie strictement un décalage vers le rouge double et une vitesse de fuite double, valable pour toutes les distances.
Mais ce n'est pas ce que nous mesurons, et cela nécessiterait également un apport constant d'énergie pour compenser l'attraction gravitationnelle. Même si cette énergie diminue au fil du temps.
Sous l'influence de la seule gravité, l'expansion devrait se dérouler à peu près comme suit :
4 Uniquement la gravitation
Cependant, nous ne voyons cela qu'au tout début, comme nous le savons aujourd'hui. Si l'on compare les deux avec l'image de l'expansion réellement mesurée aujourd'hui (l'image ci-dessus n'étant qu'un schéma), on a l'impression qu'il y a eu peut-être deux phases dans l'expansion : une première phase dans laquelle la gravitation a prédominé, puis une deuxième phase dans laquelle l'énergie sombre prédomine de plus en plus, ce qui fait que l'univers s'étend de plus en plus vite. gravitation prédominait, puis une deuxième phase dans laquelle l' énergie noire prédomine de plus en plus, ce qui fait que l'univers s'étend de plus en plus vite. De nombreux chercheurs supposent aujourd'hui que c'est " l'espace vide " lui-même qui fournit l' énergie nécessaire. Il n'est donc pas vide, ce n'est pas un récipient, comme le pensait Newton. Ce n'est pas non plus seulement un récipient avec une longueur, une largeur, une hauteur et le temps comme quatrième dimension, comme l'a décrit Albert Einstein. L'espace vide est quelque chose de complètement différent, quelque chose d'inconnu.
5 Tout et rien : la science étonnante de l' espace vide
Dans une source où l'on ne s'y attendrait pas, sur Amazon Prime Video en Allemagne, on peut voir un film en anglais produit par la BBC en 2011, sous la direction du cosmologiste " Jim " Al-Kalili, professeur à l'université du Surrey au Royaume-Uni.
Le film explique de manière claire et physiquement correcte ce qui pourrait se cacher derrière la conception moderne de l'espace vide : la création et la destruction permanentes de minuscules paires de particules de matière et d'antimatière, constamment et partout, dans l'espace vide.
C'est le principe d'incertitude de Werner Heisenberg, un principe fondamental de la mécanique quantique, qui permet cela. Il stipule que certaines paires de grandeurs physiques, telles que la position et la vitesse ou l'énergie et le temps, ne peuvent pas être mesurées simultanément avec une précision quelconque. Plus la mesure d'une grandeur est précise, plus la mesure de l'autre grandeur est imprécise.
Le produit énergie fois temps ne peut donc jamais être inférieur à une certaine valeur minimale. Pour de courtes durées, l'énergie d'un système est donc si indéterminée que l'on peut prélever sur le système une énergie qui, sur une période plus longue, n'existe pas du tout.
Conformément à ce principe d'incertitude, des particules virtuelles peuvent donc apparaître " à partir de rien " pendant un temps très court et disparaître à nouveau, tant que le principe d'incertitude énergie-temps est respecté. Plus l'énergie de la particule virtuelle est grande, plus le temps pendant lequel elle peut exister est court. Dans un grand espace vide, beaucoup de ces particules peuvent apparaître dans le même laps de temps, car il existe de nombreux états différents (on pourrait parler d'espaces de vie) qu'elles peuvent occuper brièvement.
L'effet Casimir est un exemple fascinant de la manière dont des particules virtuelles provoquent des effets physiques mesurables bien qu'elles ne puissent pas être observées directement : une force se crée entre deux plaques conductrices non chargées, très proches l'une de l'autre, dans le vide, en raison de la particules virtuelles qui pressent légèrement les plaques l'une contre l'autre.
En effet, tous les états ne sont pas possibles entre les plaques. En particulier, ceux dont la longueur d'onde est supérieure à la distance entre les plaques. En termes simples , ces ondes ne peuvent pas passer entre les plaques. Il y a donc moins d' états libres et donc une densité plus faible de paires de particules entre les plaques. En dehors des plaques, il n'y a cependant pas une telle restriction. Cette inégalité dans la densité des paires de particules génère la pression sur les plaques.
Le physicien britannique Paul Dirac a apporté une contribution théorique précieuse à cette étude en formulant son équation de Dirac et en introduisant le concept d'antiparticules.
6 Plaque commémorative. Depuis novembre 1995, une pierre dans le
sol de l'abbaye de Westminster, près de Newton
tombe de Newton. Sa célèbre formule y est gravée. Elle semble
simple, mais elle ne l'est pas.
L'équation de Dirac, formulée en 1928, décrit le comportement de particules telles que les électrons. C'est la première théorie qui tient compte à la fois de la mécanique quantique et la théorie de la relativité restreinte. L'équation a permis de calculer - mais pas de mesurer - le spin de l'électron et a prédit l' existence du positron, l'antiparticule de l'électron, qui a ensuite été découvert en 1932 .
Grâce à son équation et à la prédiction des antiparticules, Dirac a posé les bases du développement ultérieur de la théorie quantique des champs, qui décrit les particules et leurs interactions à travers les champs quantiques. Les travaux de Dirac ont permis une meilleure compréhension de la matière et ont eu une influence déterminante sur la physique du XXe siècle et jusqu'à aujourd'hui.
Ses calculs ont également révélé l'existence de particules à énergie négative. Cependant, comme l'énergie négative n'avait jamais été observée, Dirac a supposé que le vide était un " lac de Dirac " dans lequel tous les états imaginables d'énergie négative étaient déjà occupés, de sorte que les électrons supplémentaires ne pouvaient prendre que des énergies positives.
L'idée d'un lac de Dirac est aujourd'hui considérée comme dépassée. Elle a été remplacée par l' interprétation de Feynman-Stueckelberg : Les antiparticules sont des particules qui se déplacent à rebours dans le temps. Dans ce point de vue, un positron (l'antiparticule de l'électron) est lui-même un électron qui se déplace à rebours dans le temps. Cette interprétation a permis une description plus uniforme et plus cohérente des interactions entre les particules et les antiparticules dans la théorie quantique des champs. Mais cela semble étrange .
7 Télescope spatial Planck de l'ESA 2009 - 2013
Les données de la sonde spatiale Planck indiquent aujourd'hui que 68,3 % de l'énergie et de la matière totales de l' univers sont constituées de cette mystérieuse énergie noire. La matière noire - matière qui n'interagit pas avec la lumière - qui reste également mystérieuse - suit avec 26,8 %. Et seulement 4,9 % sont constitués de matière visible normale .
Nous appartenons nous-mêmes à la matière normale. Et nous aimerions bien savoir ce qu'est réellement l'énergie noire.