Un lieu plein de matière et d’énergie, sous diverses formes, qui joue sur la scène de l’espace-temps, conformément aux lois de la physique. C’est ce qu’illustre cette image du télescope spatial Hubble de l’amas de galaxies IDCS J1426.5+3508. Mais combien de choses faut-il enlever avant de se retrouver sans rien ? NASA, ESA et M. Brodwin (Université du Missouri)

Lorsque nous regardons notre monde et notre Univers aujourd’hui, nous parlons et pensons à toutes les choses qui s’y trouvent. Cela va des particules, atomes et êtres humains aux planètes, étoiles, galaxies et aux plus grandes structures de toutes. En fonction de ce qui nous intéresse, nous pouvons parler de gaz, de poussière, de rayonnement, de trous noirs ou même de matière noire. Mais toutes les choses que nous voyons, observons ou dont nous déduisons l’existence aujourd’hui ne sont peut-être pas là depuis toujours. Certaines d’entre elles sont nées d’une matière préexistante, tandis que d’autres semblent avoir été créées à partir de rien. Comme on pouvait s’y attendre, tout le monde n’est pas d’accord sur ce que l’on entend, scientifiquement, par « rien ». Selon la personne à qui vous posez la question (ou le moment où vous la posez), vous pouvez obtenir l’une des quatre significations suivantes. Voici pourquoi elles sont toutes pertinentes.

d’autres galaxies dans son voisinage sur 100 millions d’années-lumière dans n’importe quelle direction. Pourtant, il ne s’agit pas d’une véritable réalisation de l’espace vide. ESA/Hubble & NASA et N. Gorin (STScI) ; Remerciements : Judy Schmidt

1.) Un temps où votre « chose » d’intérêt n’existait pas. Comment l’Univers a-t-il fabriqué des planètes ? Et les étoiles ? Et l’asymétrie de la matière ? Ces choses n’ont pas toujours existé, mais ont dû être créées. Lorsque le mécanisme est connu, nous disons normalement que notre « chose » a été créée à partir de quelque chose, plutôt que de rien. Les planètes sont issues des détritus recyclés des générations précédentes d’étoiles, où les éléments lourds composant leur noyau et leur surface solide ont été créés, puis expulsés dans le milieu interstellaire. Les étoiles proviennent de la contraction de nuages de gaz, qui contiennent des régions suffisamment denses et chaudes pour déclencher la fusion nucléaire. Les planètes et les étoiles sont toutes deux de la matière issue de formes de matière préexistantes ; elles sont une chose qui provient de quelque chose, plutôt que de rien.

rayonnement, avec un peu plus de matière créée à un moment donné, conduisant à notre Univers aujourd’hui. Comment cette asymétrie est apparue, ou a surgi d’où il n’y avait pas d’asymétrie au départ, est encore une question ouverte. E. Siegel / Beyond The Galaxy

Mais la matière que nous avons aujourd’hui n’est pas issue d’une matière préexistante. À un moment donné dans un passé lointain, l’Univers était composé de quantités égales de matière et d’antimatière ; les lois de la physique que nous avons découvertes nous permettent seulement de les créer en quantités égales. Pourtant, l’Univers que nous connaissons aujourd’hui est très majoritairement composé de matière et non d’antimatière, et chacune des milliards de galaxies que nous connaissons est composée de matière et non d’antimatière. D’où vient l’asymétrie de notre matière ? D’un état symétrique antérieur, d’un état où la matière et l’antimatière existaient en quantités égales. D’une époque où il n’y avait pas d’asymétrie. Selon certains, cela signifie que la matière que nous avons aujourd’hui est née du néant, bien que d’autres qui adhèrent strictement à l’une des autres définitions le contestent.

Pour autant, personne ne conteste que le problème scientifique de la baryogenèse, ou l’origine de l’asymétrie matière-antimatière, est l’une des énigmes les plus pressantes de la physique théorique actuelle. De nombreuses idées et mécanismes abondent pour expliquer comment notre matière (et non l’antimatière) est venue à exister, mais il nous manque les preuves nécessaires pour déclarer un vainqueur.

pour trois des quatre forces (à l’exception de la gravité), l’ensemble des particules découvertes et toutes leurs interactions. À partir de la théorie des champs quantiques associée, on peut également déterminer les propriétés du vide quantique. Contemporary Physics Education Project / DOE / NSF / LBNL

2.) L’espace vide. Pensez à toutes les « choses » qui existent dans l’Univers aujourd’hui. Pensez à chaque constituant fondamental de la matière ; chaque quantum de rayonnement ; chaque trou noir ; chaque masse ; chaque particule et antiparticule. Maintenant, imaginez les supprimer toutes. Imaginez que vous les retiriez de l’Univers, ne laissant derrière vous que de l’espace vide. Que vous resterait-il ? Certains appellent cela « rien », et sont tout à fait satisfaits de cette définition.

Calcul montrant des particules virtuelles dans le vide quantique. Même dans l’espace vide, cette énergie du vide est non nulle. Derek Leinweber

L’entité connue sous le nom d’espace-temps est toujours là, tout comme les lois de la physique. Tous les champs présents dans l’espace vide, du champ de Higgs aux champs gravitationnels en passant par les champs quantiques que nous visualisons souvent comme des paires de particules-antiparticules entrant et sortant de l’existence sont toujours là. Les lois physiques telles que la théorie quantique des champs sont toujours là ; la relativité générale est toujours là ; les constantes fondamentales sont non seulement toujours là, mais elles ont les mêmes valeurs qu’aujourd’hui. Et le vide de l’espace vide lui-même possède toujours une énergie de point zéro qui n’est pas nulle. Cette énergie se manifeste aujourd’hui sous la forme de l’énergie noire et, avec une valeur non nulle très différente dans un passé lointain, elle a été la force motrice de l’inflation cosmologique. Lorsque les gens parlent de l’Univers surgi du néant, c’est à ce type de « néant » qu’ils font référence : le Big Bang chaud enfanté par l’inflation.

Matière, énergie ou courbure de tout type. Si cet espace a l’énergie du point zéro la plus basse possible, il ne sera pas possible de le réduire davantage. Amber Stuver / Living Ligo

3.) Un espace-temps vide dans l’état d’énergie le plus bas possible. Et si l’énergie du point zéro de l’Univers était réduite à son véritable état fondamental ? Lorsque l’inflation a pris fin, il y a eu une énorme chute de l’énergie du vide de l’Univers : de l’échelle de l’inflation à la valeur qu’elle a aujourd’hui. Cette chute de l’énergie du vide est à l’origine de l’augmentation massive de l’énergie des particules, et de l’origine du chaud Big Bang. Mais rien ne garantit que nous nous trouvions actuellement dans le véritable état de plus basse énergie ; il est possible que nous soyons simplement dans un état de faux vide, et que le vrai vide nous attende après une autre transition catastrophique modifiant l’Univers.

l’énergie E est supérieure à celle du vrai vide ou de l’état fondamental, mais il existe une barrière empêchant le champ de rouler classiquement vers le vrai vide. Pendant l’inflation, l’Univers n’est pas dans un état de vide véritable ; aujourd’hui, il pourrait ne pas l’être non plus. Wikimedia Commons user Stannered

Si vous atteigniez le véritable état de vide, quel qu’il soit, et expulsiez toute la matière, l’énergie, le rayonnement et les ondulations de l’espace-temps de votre Univers, que vous resterait-il ? C’est peut-être l’idée ultime de ce que peut être le « néant physique » : il reste une scène sur laquelle l’Univers peut jouer. Il n’y a peut-être pas de joueurs, pas d’acteurs, pas de scénario et pas de scène, mais dans le grand abîme du néant, il y a toujours une scène. Le vide cosmique serait à son minimum ; il n’y aurait aucun espoir d’extraire du travail, de l’énergie ou des particules réelles de ce vide, mais l’espace-temps et les lois de la physique seraient toujours là. En théorie, si l’on ajoutait une particule à cet Univers, elle ne serait pas si différente d’une particule isolée existant dans notre Univers aujourd’hui.

L’Univers doit ses origines au Big Bang chaud. Plus fondamentalement, l’Univers que nous avons aujourd’hui ne peut naître que grâce aux propriétés de l’espace-temps et aux lois de la physique. Sans elles, nous ne pouvons avoir d’existence sous quelque forme que ce soit. NASA / GSFC

4.) Ce qu’il vous reste quand vous enlevez l’Univers entier et les lois qui le régissent. Enfin, vous pouvez concevoir de tout enlever, y compris l’espace, le temps et les règles qui régissent toute sorte de particules ou de quanta d’énergie. Cela crée un type de « rien » pour lequel les physiciens n’ont pas de définition. Cela va au-delà du « rien » tel qu’il existe dans l’Univers, réalisant plutôt une sorte de néant philosophique absolu. Mais dans le contexte de la physique, nous ne pouvons pas donner un sens à ce type de néant. Nous devrions supposer qu’il existe une chose telle qu’un état hors de l’espace et du temps, où vous pouvez avoir l’émergence de l’espace-temps à partir de cet état hypothétique de véritable néant.

Mais est-ce possible ? Comment l’espace-temps émerge-t-il à un endroit particulier, alors que l’espace n’existe pas ? Comment créer le début du temps s’il n’y a pas de concept de quelque chose comme « avant » sans que le temps n’existe déjà ? Et d’où viendraient alors les règles qui régissent les particules et leurs interactions ? Cette définition finale du « rien » signifie-t-elle même quelque chose, ou n’est-elle qu’une construction logique sans signification physique propre ?

Les fluctuations de l’espace-temps lui-même à l’échelle quantique s’étirent à travers l’Univers pendant l’inflation, donnant lieu à des imperfections à la fois dans la densité et les ondes gravitationnelles. Si l’espace en expansion peut à juste titre être qualifié de « rien » à bien des égards, tout le monde n’est pas d’accord. E. Siegel, avec des images dérivées de ESA/Planck et du groupe de travail interagences DoE/NASA/ NSF sur la recherche sur le CMB

Il n’y a pas de consensus ici. Avec le langage ayant l’ambiguïté qu’il a, vous pouvez dire « rien » et légitimement faire référence à n’importe lequel de ces éléments, avec des puristes attendant avec impatience de vous crier dessus si vous osez utiliser « rien » dans un contexte qui est moins pur que leur définition. Si quelque chose est fondamentalement apparu là où il n’y en avait pas auparavant, vous pouvez l’appeler « rien », mais tout le monde ne sera pas d’accord. Si vous enlevez toute la matière, l’antimatière, le rayonnement et même la courbure spatiale, vous pouvez certainement prétendre que c’est ce qu’est le « rien », mais il y a encore des « choses ». Si vous supprimez ensuite toute énergie inhérente à l’espace lui-même, ne laissant que l’espace-temps et les lois de la nature, vous pouvez également appeler cela « rien ». Mais philosophiquement, certaines personnes seront toujours insatisfaites. Ce n’est qu’en supprimant cela aussi que certains acquiesceront finalement à appeler une telle entité « rien ». »

Le modèle standard est prédit pour exister comme une conséquence des lois de la physique. Sans ces lois, ou sans le stade de l’espace-temps, quelque chose de sensé peut-il jamais émerger ? E. Siegel / Beyond The Galaxy

Alors qui a raison ? Ils le sont tous, à leur manière. La clé n’est pas d’argumenter ou de se battre sur ce que « rien » est vraiment, mais d’accepter et de comprendre ces définitions telles que les gens les utilisent. Il est primordial de ne pas confondre une signification avec une autre, ni de se disputer sur les raisons pour lesquelles il n’est pas correct d’utiliser un mot d’une manière particulière. Au contraire, lorsque quelqu’un – en particulier un scientifique – prononce le mot « rien », essayez de comprendre quel sens il utilise et quel est le phénomène qu’il tente d’expliquer. Aussi loin que notre imagination puisse nous mener, la seule véritable forme de connaissance que nous pouvons espérer avoir sur quoi que ce soit repose sur sa mise à l’épreuve dans notre propre réalité physique. Tout le reste, aussi logique soit-il, n’est qu’une construction de notre esprit.

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