Pourquoi (certains ou pas) les physiciens croient-ils que la somme de l'énergie de l'univers est fixe ?

Article initialement publié sur Quora

Il faut bien comprendre que L’énergie n’est pas une chose . C’est juste un nombre qui reste constant lors des transformations d’un système isolé. Le Théorème de Noether a démontré mathématiquement que pour toute “symétrie” en physique, il existe un tel nombre.

Par exemple le fait que l’espace est isotrope (= n’a pas de direction particulière) fait que les lois de la physique produisent le même résultat quelle que soit l’orientation d’une expérience dans l’espace. On dit que la physique est “invariante par rotation dans l’espace”, et selon le théorème de Noether il existe alors un nombre qui reste invariant lorsqu’un système isolé tourne : le Moment cinétique . Mais il me semble clair que le moment cinétique se calcule, ce n’est pas “quelque chose” qui est “possédé” par le système en question.

L’énergie, c’est exactement la même chose. Si vous faites une expérience maintenant, et que vous la refaites dans 3 mois, vous obtiendrez le même résultat : la physique est “invariante par translation dans le temps” et selon Noether, l’énergie est juste le nombre qui reste invariant lorsque vous translatez le système dans le temps.

L’énergie se conserve donc “par définition”:

1. pour un système isolé (en gras parce qu’on l’oublie trop souvent)
2. si la physique est vraiment invariante par translation dans le temps
3. si la physique peut être décrite par un Lagrangien ou un Hamiltonien

A notre échelle, ces conditions sont remplies. Mais à l’échelle de l’Univers, on ne sait pas. On ne sait pas si l’Univers peut être considéré comme un système isolé (on ne peut pas le mettre dans une boite[1] , comme dit Lee Smolin ), ni si la physique était la même pendant le Big Bang, notamment l’inflation cosmique , ni si elle se résume à des Lagrangiens et des Hamiltoniens à l’échelle de Planck .

Mais comme vous le dites bien, il y a des physiciens qui “croient"que oui, et dans ce cas y’a pas photo : l’énergie de l’Univers se conserve depuis l’origine du temps (s’il y en a une) jusqu’à la fin des temps.

Et certains vont plus loin : cette énergie totale pourrait valoir… zéro ! Selon l’hypothèse de l’Univers à énergie nulle , l’énergie gravitationnelle (qui est négative car il faut fournir de l’énergie pour disperser la matière liée par la gravitation) contrebalance l’énergie correspondant à la matière (e=mc^2 est toujours positive) Si c’est le cas, alors l’Univers aurait pu apparaître spontanément d’une fluctuation quantique du vide…

Deux anecdotes à propos du Grand Albert et de tout ceci:

1. il a dit que le théorème de Noether était un “monument de la pensée mathématique” et recommandé Emmy Noether (une femme!) [2] à Hilbert en ces mots “La vieille garde à Göttingen devrait prendre des leçons de Mademoiselle Noether ; elle semble maîtriser le sujet !”
2. quand George Gamow a expliqué l’Univers à énergie zero à Einstein, il s’est arrêté de marcher au milieu d’une rue pour y réfléchir, et plusieurs voitures l’ont évité de justesse…

Notes de bas de page

[1] La Renaissance du Temps 1/2 - Pourquoi Comment Combien

[2] Le Théorème de Noether a un siècle - Pourquoi Comment Combien