Le vide absolu est-il une utopie ?

Le vide et l'ultravide: De Magdebourg au LHC — Les hémisphères de Magdebourg sont un dispositif expérimental d'Otto von Guericke, ayant servi, en 1654, à démontrer l'existence du vide et la notion de pression de l'air. Les chevaux tirent deux hémisphères étanches, sur lesquels il y a un robinet d'extraction de l'air. Source image : Deutsche Fotothek (nouvelle fenêtre)

Néant vs vide: des concepts radicalement différents

Il ne faut pas confondre le vide et le néant.

Le néant est l’absence absolue de tout: ni matière, ni énergie, ni espace, ni temps. C’est un concept métaphysique, impossible à observer ou à reproduire expérimentalement.
Le vide est un concept physique et philosophique désignant l’absence de matière dans un volume donné. Contrairement au néant, le vide peut contenir de l’énergie (champs électromagnétiques, fluctuations quantiques).

Dans le langage courant, un contenant dit "vide" (un verre, une bouteille) est en réalité rempli d’air. À pression atmosphérique, un millimètre cube d’air contient environ 2 × 10¹⁹ molécules, soit deux millions de milliards de milliards. Cette densité illustre l’ambiguïté du terme: si le vide n’est jamais total, mérite-t-il son nom?

Le vide en physique: une limite expérimentale

Les physiciens définissent le vide comme l’état obtenu après avoir éliminé toute matière détectable dans un volume donné, selon les limites technologiques actuelles. Il s’agit donc d’un vide relatif, jamais absolu.

L’ultravide est atteint à des pressions inférieures à 10^-7 Pa (10^-9 mbar). À ce niveau, la densité moléculaire chute à environ 2 millions de molécules par centimètre cube.
Pour comparaison, l’espace interstellaire contient en moyenne 1 atome par centimètre cube, et le vide intergalactique descend jusqu’à 1 atome par mètre cube.

Comment créer un vide partiel?

On utilise une pompe à vide pour extraire les molécules d’un volume étanche. La qualité du vide est mesurée par la pression résiduelle, exprimée en:

Pascal (Pa) (unité SI): 1 Pa = 1 N/m².
Millibar (mbar): 1 mbar = 100 Pa (usage industriel).
Torr: 1 Torr ≈ 133,322 Pa (historique, basé sur la pression exercée par 1 mm de mercure).

Sur Terre, les meilleurs ultravides atteignent 10^-10 à 10^-12 Pa (ex.: accélérateurs de particules comme le LHC (large Hadron Collider (Grand collisionneur de hadrons))). Même dans ces conditions, des molécules subsistent, et le vide reste relatif.

Pression en pascal (Pa): 1 Pa correspond à une force de 1 newton (N) appliquée uniformément sur 1 mètre carré.
Définition du newton (N): Unité de force du SI. 1 N est la force capable de communiquer à une masse de 1 kg une accélération de 1 m/s².
Exemple: Une accélération de 1 m/s² signifie que la vitesse d’un objet augmente de 3,6 km/h chaque seconde (1 m/s = 3,6 km/h).

Le vide et les champs électromagnétiques: une énergie invisible

Contrairement à une idée reçue, le vide n’est pas "vide" d’énergie:

Les ondes électromagnétiques (lumière, radio, rayons X) se propagent dans le vide sans support matériel. Elles correspondent à des variations des champs électrique et magnétique, transportant de l’énergie.
En mécanique quantique, le vide est le siège de fluctuations quantiques: des paires particules-antiparticules apparaissent et disparaissent spontanément (effet Casimir (effet quantique où deux plaques métalliques s'attirent dans le vide en raison des fluctuations du vide quantique)).

Un vide total impliquerait donc l’absence à la fois de matière et de rayonnement/énergie. Un tel état n’existe ni dans l’univers observable (où le rayonnement fossile baigne l’espace à 2,7 K), ni en laboratoire.

Einstein et la relativité: la fin du vide absolu ?

Dans Relativité – Théories spéciale et générale (1916), Albert Einstein (1879-1955) consacre une annexe au problème de l’espace et du vide. Il y cite René Descartes (1596-1650) et Emmanuel Kant (1724-1804), et rejette l’idée d’un espace vide de champs: « Les objets physiques ne sont pas dans l’espace, mais ces objets ont une étendue spatiale. De la sorte, le concept d’espace vide perd son sens. »
Albert Einstein, préface à la 9ème édition (1952). Pour Einstein, l’espace-temps est une entité dynamique, façonnée par la matière et l’énergie (équation E = mc²). Le "vide" devient alors un champ de potentiels, où même l’absence de matière laisse place à des propriétés géométriques (courbure de l’espace-temps).

Les hémisphères de Magdebourg: une démonstration historique du vide

En 1654, Otto von Guericke (bourgmestre de Magdebourg et scientifique) réalisa une expérience marquante pour démontrer l’effet de la pression atmosphérique:

Deux hémisphères métalliques de 30 cm de diamètre furent assemblés hermétiquement.
L’air fut pompé à l’intérieur (avec une pompe à vide rudimentaire), créant un vide partiel.
La pression atmosphérique extérieure (≈ 10⁵ Pa) exerça une force théorique de ≈ 7 000 N sur les hémisphères (diamètre 30 cm).
En 1657, devant l’empereur Ferdinand III à Ratisbonne, 16 chevaux (8 de chaque côté) échouèrent à les séparer.