L'Univers primordial s'est étendu à une vitesse inimaginable — plus vite que la lumière ne pourrait le traverser. Dans ce chaudron bouillonnant, toute région de l'espace ressemblait à un pot de peinture ouvert : ses frontières capturaient continuellement de nouvelles « vapeurs » de l'extérieur, tandis qu'une partie de son contenu s'échappait irrémédiablement. Les auteurs de cette nouvelle étude ont construit un modèle mathématique d'un tel pot ouvert — un système quantique non isolé de son environnement.
L'astuce clé consiste à ne pas suivre tout le champ d'un coup, mais un volume fixe, comme si l'on regardait un seul centimètre cube de pâte en expansion. Dans ce volume, deux grandeurs — la force du champ et l'impulsion totale des particules — se comportent comme des vases communicants. Lorsque de nouveaux modes s'ajoutent au volume (comme de la peinture fraîche versée dans le pot), les anciennes et nouvelles parties s'intriquent, et il faut rompre ce lien — un peu comme couper le fil reliant deux ballons. Cette rupture génère de l'irréversibilité : un frottement apparaît, semblable à une résistance visqueuse, et en même temps, des secousses aléatoires qui font osciller le champ.
Pour les champs légers, qui dévalent lentement la pente d'énergie, ce modèle se réduit à l'équation classique écrite pour la première fois par Alexei Starobinsky. L'étalement quantique (le mélange d'états) devient énorme — le champ se comporte comme une gelée tiède qui tremble continuellement. Les champs lourds, en revanche, ressentent à peine les secousses et restent étonnamment purs, comme une corde tendue difficile à faire vibrer. Cela signifie que pour eux, la description classique — avec une trajectoire et une vitesse définies — ne fonctionne tout simplement pas, et il faut un langage pleinement quantique.
Ainsi naît un pont entre le microcosme quantique et la structure à grande échelle du cosmos. Le pot ouvert qui perd des gouttes s'avère être une métaphore exacte de la façon dont le brouillard initialement quantique se transforme en galaxies et en vides que nous observons aujourd'hui.
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2606.12636
We formulate stochastic inflation in an open quantum system framework. The field coarse-grained in a patch of fixed physical size, and the total momentum of that patch, form a canonical pair and act on a one-mode Fock space which we identify as the "bulk". At each time step, new comoving modes join the coarse-grained patch and the bulk has to be redefined. This redefinition produces an entangled mode that is traced over, yielding a non-unitary evolution equation for the bulk's density matrix. For a free test field in de Sitter, one obtains GKLS dynamics, generated by an effective Hamiltonian and a single non-Hermitian Lindblad operator, hence diffusion and Hubble friction originate from the same quantum channel. The Wigner-Weyl transform of the GKLS equation leads to a Fokker-Planck equation for the Wigner function, which matches the one that applies to the classical phase-space distribution of stochastic inflation. We also provide several schemes under which one can unravel the GKLS dynamics into stochastic Schrodinger equations when continuous measurements of the decoupled mode are performed, making contact with Langevin formulations of stochastic inflation. In the light-field regime, an additional overdamped reduction can be performed by integrating out the momentum variable in the Wigner distribution, leading to Starobinsky's slow-roll Fokker-Planck equation. In that regime, the purity of the patch is strongly suppressed. In contrast, for heavy fields, field diffusion is suppressed and the coarse-grained patch remains close to a pure underdamped oscillator, which prevents a classical stochastic treatment.
En régime de roulement lent, la pureté de l'état chute tellement que la description quantique devient indiscernable de la théorie classique des probabilités — comme si une pièce de monnaie s'usait jusqu'à ce que pile et face deviennent totalement indistinguables.
Dans le roman de Greg Egan « L'Échelle de Schild », les fluctuations quantiques du vide dans un univers en expansion engendrent de nouveaux univers avec des lois physiques différentes — une idée qui fait écho à la manière dont les secousses aléatoires du champ pendant l'inflation peuvent créer des régions de densités différentes.