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L'inflation chaotique

Dossier - L'univers inflationnaire
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Explication de cette théorie de l'univers inflationnaire : problème du modèle standard, modèle de Higgs ...

  
DossiersL'univers inflationnaire
 

Pour corriger les problèmes cosmologiques qui apparaissaient dans le modèle d'Alan Guth, et en particulier l'inhomogénéité de son modèle à grande échelle, en 1982 Andreï Linde7 proposa une version quantique du modèle inflationnaire de Coleman-Guth, dans lequel les champs pouvaient fluctuer, les particules élémentaires étant instables. On dénomma cette théorie l'inflation chaotique. Elle sera également découverte par Andreas Albrecht et Paul Steinhard quelques mois plus tard.

Mais de l'aveu même d'Andrei Linde cette solution était tout aussi complexe et peu réaliste que la précédente. Un an plus tard il découvrit que l'inflation émergeait naturellement des théories des particules élémentaires et incluait les modèles les plus simples des champs scalaires tel que nous l'avons expliqué ci-dessus. Andrei Linde nous rappelle ses principes : "Il n'est plus nécessaire de tenir compte d'effets gravitationnels quantiques, de transition de phase, de surfusion ou même d'assumer l'idée standard acquis que l'univers était originellement chaud. Il faut juste prendre en considération toutes les valeurs que peuvent prendre les champs scalaires dans l'univers primordial et vérifier si l'une d'entre elles conduit à l'inflation". Dans les régions où l'inflation n'a pas lieu, l'espace-temps reste à l'échelle atomique mais là où l'inflation se produit l'espace-temps devient gigantesque et domine tout le volume de l'univers. C'est parce que les champs scalaires de l'univers primordial peuvent prendre des valeurs arbitraires qu'Andrei Linde a choisi d'appeler ce scénario l'inflation chaotique.

Après la phase inflationnaire l'énergie potentielle restant des champs scalaires continua de fluctuer aux alentours de son niveau minimum. C'est au cours de ces oscillations que l'énergie des champs scalaires fut distribuée aux particules élémentaires jusqu'à ce que s'installe une sorte d'équilibre thermique. A partir de là le modèle inflationnaire de Linde rejoint la description du modèle Standard.

Fluctuations chaotiques du vide quantique



Classiquement, dans le vide quantique les valeurs du champ scalaire doivent décroître en l'absence d'énergie mais de petites fluctuations quantiques gaussiennes peuvent créer des domaines exponentiellement étendus dans lesquels la valeur du champ scalaire est beaucoup plus élevée que sa valeur initiale. Le volume des pics est par exemple beaucoup plus vaste que celui des régions alentour où le champ scalaire présente une densité d'énergie minimale. A gauche un modèle quadratique (maximum du potentiel sinusoidal), à droite un modèle cubique (maximum du potentiel effectif plat). Document G.Felder.

Avec le recul Linde considèra en 1994 dans le magazine "Scientific American" que "cette théorie est vraiment simple et il est difficile de comprendre pourquoi on ne l'a pas découverte plus tôt. Je pense que la raison était purement psychologique. Le succès glorieux de la théorie du Big Bang a hypnotisé les cosmologistes. Nous assumions l'idée que l'univers tout entier s'était créé au même moment, que l'univers était initiallement chaud et que les champs scalaires se trouvaient au départ dans un état proche de leur niveau d'énergie potentielle minimale. En délaissant ces assomptions, on découvre immédiatement que l'inflation n'est pas un phénomène exotique invoqué par les théoriciens pour résoudre leurs problèmes. Il s'agit d'un régime général qui se produit dans de nombres classes de théories des particules élémentaires".

Contrairement aux scénarios inflationnaires imaginés dans les années 1980, si l'univers contient au moins un domaine inflationnaire suffisamment vaste, comme le nôtre, il peut produire sans cesse de nouveaux domaines inflationnaires par le simple fait de l'instabilité des champs scalaires. L'inflation dans chacun de ses points peut s'arrêter brutalement ou continuer de s'étendre. Le volume de ces domaines pouvant croître sans cesse Andrei Linde dénomme ce scénario l'inflation éternelle.
Cette réaction en chaîne est semblable à un univers à structure fractale, ressemblant à une sorte d'arborescence boursouflée par les bulles des univers multiples nés des inflations successives.
L'Univers dans son ensemble serait donc immortel. Chaque partie particulière de cet univers serait née d'une singularité et pourrait dans un lointain avenir s'effondrer dans une singularité fatale. Pris dans sa globalité cet Univers n'aurait pas d'évolution. On peut comparer ce processus à la vie : au fil des générations les hommes meurent mais globalement l'humanité survit et se développe.
Si l'inflation chaotique explique l'évolution future de notre univers, son passé est plus incertain. Il y a une chance pour que toutes les parties de l'Univers aient été créées simultanément à partir d'un phénomène de Big Bang et d'une singularité initiale. Mais aujourd'hui grâce à la théorie de Linde cette condition n'est plus obligatoire.
L'inflation éternelle. Chaque bulle est un univers né d'un Big Bang local, chaque couleur appliquant des lois physiques particulières. Document A.Linde.

Si on considère l'"arbre cosmique" notre partie d'univers a put naître de plusieurs inflations antérieures, éloignant notre "bulle" propre très loin du Big Bang initial. Pour des raisons pratiques on peut considérer le moment de la création de chacune de ces bulles comme autant de Big Bang. Dans cette perspective l'inflation ne fait pas partie de la théorie du Big Bang comme on l'imaginait dans les années 1980. Aujourd'hui le Big Bang fait partie de la théorie inflationnaire.

Si les physiciens veulent être plus curieux, au lieu de simuler des champs scalaires n'ayant qu'un minimum d'énergie potentielle, ils doivent considérer des modèles plus réalistes constitués de plusieurs champs scalaires. Pour unir les interactions électrofaibles et fortes par exemple il faut tenir compte d'au moins deux champs scalaires supplémentaires, chacun pouvant présenter plusieurs minima. Cette condition signifie physiquement qu'une même théorie peut avoir plusieurs états du vide différents correspondant chacun à une brisure de symétrie particulière des interactions. Par conséquent elles donneront autant de lois physiques différentes aux basses énergies (celle du monde actuel) qu'il y a de brisures, les interactions à haute énergie ne dépendant pas des brisures de symétrie.

Si l'on tient compte de telles conditions, l'univers inflationnaire a pu donner naissance à des domaines extrêmement étendus ayant chacun des lois physiques particulières à basse énergie. Mais même si le grand Univers ne présentait initialement qu'un seul état vide, cette théorie s'appliquerait malgré tout. En effet des grandes fluctuations quantiques peuvent forcer les champs scalaires à sauter en-dehors de leur minima par effet tunnel même en l'absence de barrière de potentiel, un peu comme si la balle parvenait seule à descendre de la colline. Dans certains modèles inflationnaires ces fluctuations quantiques sont si importantes qu'elles modifient même le nombre de dimensions de l'espace.

Cette éventualité à des implications sur l'origine de notre univers. Si cette théorie est correcte, selon Linde la physique seule ne pourra jamais expliquer toutes les propriétés de l'univers. Si la même théorie donne aux différentes parties de l'univers des propriétés physiques différentes, notre domaine à quatre dimensions dans lesquelles président les lois que nous connaissons ne dépend pas de sa probabilité ou improbabailité d'existence mais du fait que la vie ne pourrait pas se développer dans les autres domaines, c'est le principe anthropique. Linde considère qu'il faut inclure la nature de notre conscience si nous voulons comprendre l'Univers. Cette conclusion est l'une des plus inattendues des récents développements en cosmologie inflationnaire. Mais tous les chercheurs ne partagent pas les idées philosophiques d'Andrei Linde.