Vide quantique

La nature du vide

Les planètes, les objets et les êtres vivants sont constitués principalement de vide, mais quelle est la nature de ce vide ?
Bien que le mot 'vide' soit couramment utilisé, le vide est un concept moderne abstrait, pas simple à imaginer dans une zone spatiale.
Le vide désigne l'absence de matière, là où il n'y a rien, mais l'absence de matière est impossible à trouver dans l'univers.
En laboratoire, le vide est défini par une limite expérimentale, on l'appelle l'ultravide. L'ultravide s'obtient quand on atteint la pression très faible de 10^-7 Pascal. Cet espace est créé avec des pompes à vide, mais ce vide est encore rempli de millions de particules par millimètre cube. Dans l'espace proche, celui de notre système solaire, le vide contient des millions de particules par mètre cube, même dans l'espace lointain entre les étoiles, le vide contient encore quelques milliers de particules par m³, quelques protons et quelques électrons par mètre cube.
Imaginons que l'on délimite, dans ce m³ intersidéral, un morceau sans particule, on obtient alors un vide parfait. Et bien non, ce vide correspond au vide classique du 19è siècle, un vide sans matière.
La notion de vide du 20è siècle est fortement bouleversée, car depuis les théories de la relativité restreinte et de la physique quantique, le vide n'est plus vide.
A l'extérieur de ce morceau d'espace que nous avons imaginer, en dehors du vide, il y a des protons et des électrons qui se déplacent car rien n'est statique dans l'Univers. Ces protons et ces électrons constituent la matière, or la matière au-dessus du zéro absolu, émet de la radiation, c'est-à-dire de la lumière.
Le zéro absolu est la température la plus basse qui puisse exister dans l'univers, mais cette température théorique est inaccessible par la matière à cause de ses propriétés quantiques. On sait que selon la physique quantique, les particules sont des objets à la fois corpusculaires et ondulatoires, de plus ces objets possèdent toujours une quantité de mouvement non nulle, c'est le principe d'incertitude de Werner Heisenberg (1901 − 1976).
La radiation émise par la matière se propage dans tout l'espace, dans toutes les directions, les ondes vont traverser notre morceau d'espace vide.
En réalité l'Univers est rempli de radiations, celle du bigbang qui a une température très basse de 2,728 K (−270,424 °C), mais aussi toutes les autres radiations émises par les objets célestes et donc toute la matière ordinaire de l'univers.
On sait depuis Max Planck (1858 − 1947) et sa fameuse formule e=hν que la radiation, c'est de l'énergie pure.

Albert Einstein (1879 − 1955) avec sa relativité restreinte et sa célèbre formule E=mc², nous dit que l'énergie peut se transformer en matière et la matière en énergie. Toujours grâce à la physique quantique et aux relations d'incertitude, il est possible de voir dans notre morceau de vide, des fluctuations d'énergie car la variation d'énergie multipliée par l'intervalle de temps d'existence des particules doit être inférieure à la constante de Planck (ΔE x Δt < h) où h ≈4,134335 9×10^-15 eV.s.
Ces fluctuations d'énergie dépendent donc de la durée d'observation. En d'autres termes si l'on regarde le vide sur des périodes très courtes, la femtoseconde (10⁻¹⁵ s), l'attoseconde (10⁻¹⁸ s), la zeptoseconde (10⁻²¹ s), la yoctoseconde (10⁻²⁴ s), on peut voir sur des périodes de plus en plus courtes, des fluctuations d'énergies de plus en plus grandes, plus Δt est petit et plus ΔE est grand.
Par exemple, le boson de Higgs qui appartient au vide, a une durée de vie de 10⁻²² s.
Ainsi dans notre morceau de vide, à partir de rien, apparait de la matière (ΔE) et E=mc². Ces électrons, ces protons et autres particules et antiparticules sont d'autant plus lourdes que Δt est petit. Ces particules de matière et d'antimatière sont virtuelles car elles disparaissent aussitôt (Δt). Cela viole la loi sur la conservation de l'énergie puisque il y a de la matière qui se crée et qui disparait spontanément, or la loi sur la conservation de l'énergie nous l'interdit (ΔE / Δt = 0). Pourtant c'est ce que nous apprend la physique quantique.
Les particules réelles de matière ou d'énergie, se propagent donc, dans ce quasi-milieu bouillonnant, sensible aux particules matérielles qui peuvent lui transférer leur énergie. C'est ce que les scientifiques provoquent dans un collisionneur.
Dans un collisionneur, lorsqu'un électron et un positron se rencontrent, ils s'annihilent et transfèrent leur énergie au fourmillement du vide, cette énergie crée de vraies particules matérielles qui sortent du vide et apparaissent quelques "instants" sur les écrans d'ordinateurs (voir la photo du CERN).
Nous vivons dans un vide immense à la structure complexe, dont toutes les grandeurs ont des valeurs moyennes nulles. Mais ce vide a une énergie considérable, cette énergie du vide serait supérieure à l'énergie de la matière ordinaire. Elle pourrait avoir joué un rôle dans l'apparition de notre Univers réel et ensuite dans son inflation.

« Regarde le vide ! tu y trouveras des trésors ».
Jules Renard (1864 − 1910).

Image : Le fourmillement du vide dans lequel il faut reconnaitre la particule de Higgs. On sait depuis Max Planck (1858 − 1947) et sa fameuse formule e=hν que la radiation, c'est de l'énergie pure. De plus, depuis Albert Einstein (1879 − 1955) et sa relativité restreinte, l'énergie peut se transformer en matière et la matière en énergie.
Le vide fourmillerait donc de particules pendant des temps très courts. Les particules de matière ou d'énergie se propagent dans ce quasi-milieu fourmillant. Les radiations remplissent tout l'Univers, le vide a une structure complexe dont toutes ses grandeurs sont nulles.
Sur cette image on voit une collision dans le champ de Higgs, de protons avec des ions plomb dans le détecteur ALICE. Photo prise lors du galop d'essai de septembre 2012 (Image : CERN).

Le vide vers un nouveau concept

Tout l'univers, notre morceau de vide et même l'intérieur des atomes, fourmillerait de particules et d'antiparticules virtuelles qui existeraient pendant des temps très courts et se renouvèleraient en permanence.
Lorsque les particules réelles se déplacent dans le vide c'est-à-dire partout dans l'univers, les fluctuations quantiques du vide créent leur masse. Le vide se présente à elle, visqueux, c'est cette viscosité du vide qui donne une masse aux particules.
Les particules du vide en se refroidissant jusqu'à 2,7 K aujourd'hui, se sont ordonnées comme les spins des atomes dans un champ magnétique, elles se sont polarisées toutes dans une certaine direction, ce qui procure une certaine viscosité au vide.
Cette viscosité du vide impose leur masse aux particules, ce champ est le champ de Higgs. Il est possible qu'au début de l'univers, les particules de Higgs étaient désordonnées, alors toutes les particules matérielles avaient une masse nulle, mais avec l'inflation et le refroidissement de l'univers, les particules de Higgs se sont polarisées, offrant une résistance à l'accélération des particules élémentaires, même au neutrino. En d'autres termes, le champ de Higgs freine les quarks qui composent les objets que nous soulevons et déplaçons.
En résumé, la masse inertielle d'une particule résulte de son degré d'interaction avec le champ de Higgs. Le boson de Higgs est une particule que l'on extrait du vide en provoquant des collisions de haute énergie.

En 1934, Georges Lemaître (1894 − 1966) fit remarquer que l’effet de la constante cosmologique de la relativité était semblable à celui de la densité d’énergie du vide quantique. Autrement dit, pour que l'énergie du vide soit compatible avec la relativité, il faut que celui-ci impose une pression négative, exactement inverse à sa densité d’énergie. Cette pression négative est une force répulsive qui expliquerait l'accélération de l’expansion de l’Univers, observée partout, précisément depuis 1998. Malheureusement l’effet de cette énergie du vide quantique, est infini, environ 10¹²⁰ fois plus grande que la valeur observée.
L'accélération de l’expansion de l’Univers est actuellement attribuée à une mystérieuse « énergie noire ».
Pour rendre compte de toutes les observations on doit faire appel à la matière noire, à l'énergie du vide, à l'énergie noire, à l'inflation mais rien ne colle avec nos théories et cela nous oblige à imaginer des concepts exotiques.
Il est possible que nous soyons à la veille d'un bouleversement important de la physique. Actuellement nos théories sont face à un mur comme au début du 20è siècle où nous sommes passés de la mécanique classique à la relativité et de la physique classique à la physique quantique.
« Il est absolument possible qu'au delà de ce que perçoivent nos sens, se cachent des mondes insoupçonnés. » Albert Einstein(1879-1955)

Image : carte du fond du ciel vue par le satellite Planck. Nous vivons dans un vide immense à la structure complexe, dont toutes les grandeurs ont des valeurs moyennes nulles. Mais ce vide a une énergie considérable, cette énergie du vide serait supérieure à l'énergie de la matière ordinaire. Elle pourrait avoir joué un rôle dans l'apparition de notre Univers réel et ensuite dans son inflation. Crédits : ESA- collaboration Planck-HFI