Et si notre univers n’était qu’une bulle sur le point d’éclater ?

Qu’advient-il lorsque la stabilité apparente du cosmos n’est qu’une illusion ? Une équipe internationale de physiciens a exploré cette question en réalisant une simulation qui pourrait modifier notre compréhension des phénomènes à l’échelle cosmique. Leur travail, centré sur un concept appelé « faux vide », offre des indices fascinants sur le comportement quantique et les transitions potentielles qui pourraient remodeler l’Univers.

Une hypothèse vieille de plusieurs décennies revisitée

Dès les années 1970, des recherches pionnières en théorie quantique des champs ont proposé que l’Univers pourrait être piégé dans un état appelé faux vide. Cet état semble stable mais pourrait, à tout moment, basculer vers un autre état encore plus stable, désigné comme vrai vide. Cette transition hypothétique, bien que probablement distante dans le temps, aurait des conséquences cataclysmiques pour la structure même de l’Univers. Les scientifiques estiment désormais que ce processus, bien que difficile à prévoir, pourrait s’étendre sur des millions d’années.

Le professeur Zlatko Papic, de l’Université de Leeds, a déclaré : “Nous parlons d’un processus par lequel l’Univers changerait complètement sa structure. Les constantes fondamentales pourraient instantanément se transformer, et le monde tel que nous le connaissons s’effondrerait comme un château de cartes.” À la suite de cette remarque, il insiste sur la nécessité d’expériences contrôlées afin d’observer ce mécanisme et d’en déterminer les échelles temporelles.

Simulation d’un puzzle cosmique

Pour mieux comprendre le mécanisme sous-jacent au faux vide, les chercheurs ont utilisé un quantum annealer, une machine quantique développée par D-Wave Quantum Inc. Ce dispositif, doté de 5564 qubits, permet de résoudre des problèmes complexes d’optimisation en exploitant les propriétés uniques des systèmes mécaniques quantiques. L’équipe a simulé le comportement des bulles dans un faux vide, comparables aux bulles formées lorsqu’une vapeur d’eau refroidit en dessous de son point de rosée.

Les bulles ainsi simulées jouent un rôle central dans la transition potentielle du faux vide vers le vrai vide. Le Dr Jean-Yves Desaules, co-auteur de l’étude, expliqua : “Ce phénomène peut être comparé à un montagnes russes avec plusieurs vallées le long de sa trajectoire, mais une seule correspond à l’état d’énergie minimale absolu, au niveau du sol.” Selon lui, la mécanique quantique permettrait à l’Univers de basculer vers cet état minimal, entraînant un événement global cataclysmique.

Grâce à leur expérience, les scientifiques ont pu observer la dynamique complexe des bulles – leur formation, croissance et interaction. Ces observations révèlent que ces phénomènes ne sont pas isolés ; ils impliquent des interactions subtiles entre petites et grandes bulles, offrant de nouvelles perspectives sur les transitions ayant eu lieu peu après le Big Bang.

Un nouvel horizon pour la simulation quantique

Les physiciens se sont longtemps interrogés sur la possibilité et la durée d’une telle transition. Toutefois, les progrès étaient freinés par la complexité mathématique inhérente à la théorie quantique des champs. Plutôt que de tenter de résoudre ces problèmes directement, l’équipe a choisi d’explorer des questions plus simples accessibles grâce aux technologies émergentes.

Le Dr Jaka Vodeb, chercheur postdoctoral à Forschungszentrum Jülich, affirma : “En tirant parti des capacités d’un grand quantum annealer, notre équipe a permis l’étude des systèmes quantiques hors équilibre et des transitions de phase difficiles à explorer avec des méthodes informatiques traditionnelles.” La machine utilisée fait partie de JUNIQ, une infrastructure intégrée au Centre de supercalcul de Jülich, offrant un accès à des dispositifs de calcul quantique de pointe.

La recherche, financée par le UKRI Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) et la Leverhulme Trust, montre que des découvertes majeures peuvent être réalisées sans recourir à des expériences coûteuses dans des installations dédiées à haute énergie, comme le Large Hadron Collider du CERN.

Vers une meilleure compréhension du cosmos

Les résultats obtenus illustrent comment des outils innovants peuvent servir de laboratoire miniature pour étudier les processus fondamentaux de l’Univers. Bien que les échelles de temps associées à ces phénomènes soient immenses, la simulation quantique permet de les observer en temps réel, révélant ainsi des dynamiques autrement invisibles.

“Ce travail passionnant, fusionnant simulation quantique de pointe et physique théorique approfondie, montre à quel point nous sommes proches de résoudre certains des plus grands mystères de l’Univers,” conclut le professeur Papic.

Légende illustration : Le recuit quantique a simulé le processus fondamental de désintégration du faux vide, ouvrant la voie à la compréhension des interactions entre les vraies bulles de vide.  Crédit photo : Professeur Zlatko Papic, Université de Leeds, (Image créée avec Povray)

Article : ‘Quantum machine offers peek into “dance” of cosmic bubbles’ / ( 10.1038/s41567-024-02765-w ) – University of Leeds – Publication dans la revue Nature Physics