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Le couplage de la relativité et de la quantique, produit de la rétroaction de l’expansion de l’espace et de la création-annihilation de matière au sein du vide quantique et relativiste

mercredi 24 juin 2015, par Robert Paris

Le couplage de la relativité et de la quantique, produit de la rétroaction de l’expansion de l’espace et de la création-annihilation de matière au sein du vide quantique et relativiste

Conférence de Marc Lachèze Rey le 14 janvier 2006 :

« Aujourd’hui, notre physique est dominée par deux grands corpus théoriques : la relativité et la mécanique quantique. Malheureusement, ils semblent inconciliables, et chacun nécessite une conception du monde qui s’oppose à celle de l’autre. Ces problèmes sont particulièrement apparents lors de l’étude de l’univers primordial, des trous noirs et de la nature du vide. Les théoriciens cherchent une nouvelle théorie qui harmoniserait la physique. »

Einstein dans « L’éther et la théorie de la relativité » :

« Pour nous résumer, nous dirons donc que l’espace est, selon la théorie de la relativité générale, doté de qualités physiques et qu’en ce sens il existe un éther. D’après la théorie de la relativité générale, un espace sans éther est impensable, car dans un tel espace non seulement la lumière ne pourrait se propager, mais aussi les règles et les horloges ne pourraient pas exister et il n’y aurait donc pas de distances spacio-temporelles au sens de la physique. Mais il ne faut pas s’imaginer cet éther comme doté de la propriété qui caractérise les milieux pondérables : être constitué de parties que l’on peut suivre au cours du temps ; on ne doit pas lui appliquer le concept de mouvement. »

Edgard Gunzig dans l’article « Du vide à l’univers », article de l’ouvrage collectif « Le vide » :

« S’il n’y a pas de matière, il n’y a pas de géométrie. »

Michel Spiro dans « Les dossiers de La Recherche » de juillet 2006 :

« La masse des particules ne serait pas une propriété intrinsèque des particules elles-mêmes : elle serait liée à la manière dont celles-ci interagissent avec la structure quantique du vide. »

L’histoire de la physique a divisé quantique et relativité, fondées sur des bases logiques, mathématiques et physiques très différentes, et a eu bien du mal, ensuite, à les rapprocher même si la nécessité s’en est rapidement imposé.

La physique relativiste a étudié l’espace-temps avant de chercher à y introduire la matière-lumière-énergie. La physique quantique a étudié la matière-lumière-énergie avant de chercher dans quel espace vide celle-ci pourrait bien se placer. Ils n’ont pas réussi à trouver le même espace vide. Les deux démarches ont divergé alors que le monde est un. Il reste indispensable qu’une physique soit à la fois quantique et relativiste car aucun des deux aspects n’a été contredit ni par les faits ni par la théorie. Bien des phénomènes ont même été explicables uniquement par une physique relativiste et quantique et cependant personne n’a pu en faire véritablement un tout. On n’a pu ni mêler les deux théories ni partir de l’une pour parvenir à l’autre, ni mettre l’une sous l’égide de l’autre, même si tout cela a été mille fois tenté et par des grosses pointures de la science physique.

Le texte qui suit essaie de montrer dans quel sens des physiciens réfléchissent afin de relier le vide quantique et le vide relativiste afin d’en faire la base universelle de la matière-lumière-énergie. Il s’agit de concevoir l’apparition de la matière au sein du vide quantique comme une propriété de ce dernier et de faire de l’expansion de l’espace et de l’apparition de matière dans le vide des phénomènes rétroactifs l’un de l’autre.

Edgar Gunzig dans « Histoire de l’histoire des origines » (article de l’ouvrage collectif « L’homme devant l’incertain » dirigé par Ilya Prigogine) :

« C’est la théorie quantique des champs, lien naturel des phénomènes de création et d’annihilation de la matière, qui offre le cadre évident qui, enrichissant celui de la relativité générale, peut lui apporter ce qui lui fait si cruellement défaut dans sa description de la cosmogenèse. Mais en quoi donc le comportement d’un champ matériel quantique, considéré dans le contexte cosmologique, se différencie-t-il de celui du fluide classique, au point de métamorphoser l’évolution cosmologique ? Le fluide cosmologique classique, lui, ne peut que s’étendre et se diluer, en accompagnant l’expansion de l’espace-temps. C’est la dilution classique d’un nombre invariable de particules dans un volume qui s’agrandit. Le champ quantique, par contre, devient l’acteur d’un phénomène extraordinaire : l’expansion de l’espace-temps induit la création des particules matérielles associées à ce champ. Dans le cadre de la théorie quantique des champs, les particules expriment les excitations quantiques du champ, et le champ quantique est excité quantiquement par l’expansion de l’espace-temps dans lequel il est plongé. Cette expansion du substrat géométrique produit sur le champ quantique un effet analogue à celui que produirait une source d’énergie extérieure : elle le force à produire quantiquement de la matière. L’espace-temps produit ainsi en s’étendant son propre fluide cosmologique ! Dans son expansion, la géométrie fournit ainsi au champ quantique l’énergie qui est la source de ses excitations quantiques : les particules. En d’autres mots, c’est l’énergie libérée par l’expansion géométrique que le champ absorbe pour produire ses particules. Tout se passe comme si la géométrie de l’espace-temps représentait un réservoir d’énergie interne que l’expansion permettait d’actualiser et de mettre en communication avec le champ qu’elle excite… Si le vide quantique est effectivement dépourvu de particule et ressemble en cela au vide intuitif de la théorie classique, il est néanmoins le siège d’une fébrilité inconnue en théorie classique. Le vide quantique ne représentante en effet pas l’absence de matière mais, bien au contraire, un état particulier de celle-ci, celui d’énergie minimale. Si les particules sont bien les entités fondamentales de la théorie physique classique (et de la mécanique quantique non-relativiste) et, à ce titre, permanentes et inamovibles, les champs quantiques, eux, sont les entités ontologiques de la théorie quantique des champs, et ce sont eux qui sont inexpurgeables. On ne peut les éliminer et le vide quantique ne correspond qu’à leur configuration quantique la plus figée compatible avec les exigences du formalisme quantique : c’est leur état d’énergie minimale dépourvu de particules réelles, mais siège d’une mouvance et d’une activité irréductible par principe… Créer des particules à partir de ce vide, c’est exciter suffisamment ces fluctuations pour qu’elles ne se réannihilent pas, qu’elles ne retombent pas à zéro, et puissent alors transporter réellement de manière durable l’équivalent énergétique de la masse des particules produites… C’est ici que se manifeste dans toute sa richesse la non-linéarité des équations d’Einstein et les effets de rétroaction qui en résultent : la matière qui est créée, en réponse à l’expansion de l’espace-temps, doit en retour moduler cette expansion selon les équations d’Einstein. En d’autres termes, l’ampleur de cette expansion détermine le taux de cette création et cette expansion est alors conditionnée, en retour, par cette matière produite… qui conditionne donc en retour sa propre production… le vide de l’espace-temps renferme en lui-même son propre réservoir énergétique qui lui permet de s’auto-alimenter, sans recourir à un monde extérieur inexistant. Il est énergétiquement autosuffisant parce qu’il peut puiser de l’énergie en lui-même. Voilà comment l’espace-temps peut créer, engendrer, en se dilatant, son propre contenu ! »

Michel Cassé dans « Vide quantique au sens plein » :

« Au premier chef, le vide quantique n’est pas identifiable au néant, pour la raison que, en vertu du fameux principe d’incertitude, jamais une absence définitive d’énergie ne peut être constatée en un lieu quelconque. Quantique est synonyme de fluctuant et l’absence fluctue elle-même : elle ne peut être partout et éternellement. Ether polarisable et fluctuant, le vide new look frissonne d’un élément éternel d’irrégularité, d’un principe irréductible de désordre et d’indétermination. Une région de l’espace n’est jamais absolument vide, même si les particules réelles et la lumière en sont absentes. D’irrépressibles fluctuations secouent le substrat invisible du monde et il en résulte ce qu’il est convenu d’appeler des « fluctuations quantiques du vide ». Impérial, le vide convoque et révoque ses messager : les particules virtuelles (bosons vecteurs) qui vont et viennent entre les particules réelles et durables de la matière (quarks et leptons) et tissent des liens entre elles. Le vide est un liant, un substrat relationnel… Le niveau de description ultime susceptible de fonder la singularité du vide est la théorie quantique des champs, qui combine les concepts de la relativité restreinte et ceux de la physique quantique. Le vide y est défini comme l’état d’énergie minimale du système de champs en interaction qui constitue le monde. Conçu comme une banque et une agence de relations publiques, il est la cause tout à la fois des forces et de leur distinction. Il est le ciment permanent de l’univers, les particules en jaillissent et y replongent comme des poissons volants, non sans servir de monnaie d’échange entre les particules stables et durables qui donnent sa chair au monde, et qui proviennent d’ailleurs elles-mêmes de la pulvérisation du vide primordial… Les particules « réelles » et « virtuelles » sont tout aussi existantes les unes que les autres, mais les dernières disparaissent avant même qu’on puisse les observer. Elles ne sont connues que par leurs effets indirects auxquels se rapportent les termes de « fluctuations » et de « polarisation » du vide… Le vide, à la différence de la matière et du rayonnement, est insensible à la dilatation car sa pression est négative. Cela provient de la relation pression = - densité d’énergie que lui confère son invariance relativiste… Cette équation d’état singulière dote le vide d’une propriété toute singulière, celle de s’opposer à la gravitation, ce qui le rend cosmologiquement actif. En effet, la pression négative engendre une répulsion gravitationnelle. De fait, si la gravitation freine l’expansion de l’univers, l’antigravitation ne peut que l’accélérer… Chaque restructuration profonde, ou brisure de symétrie, modifie l’état du vide. Inversement, chaque modification de l’état du vide induit une brisure de symétrie. L’évolution de l’univers procède ainsi par brisures de symétries successives qui se soldent par des « transitions de phase », lesquelles bouleversent l’apparence globale du cosmos. « 

Lee Smolin dans « Rien ne va plus en physique » :

« Selon la théorie générale de la relativité d’Einstein, l’espace et le temps ne constituent plus un fond fixe et absolu. L’espace est aussi dynamique que la matière : il bouge et il change de forme. (…) Quelques siècles avant Einstein, Galilée avait découvert l’unification du repos avec le mouvement uniforme (en ligne droite à vitesse constante). A partir de 1907 environ, Einstein a commencé à s’interroger sur les autres types de mouvement, tel le mouvement accéléré. Dans le mouvement accéléré, la direction ou la vitesse varient. (…) C’est à ce moment qu’Einstein a fait l’avancée la plus extraordinaire. Il a réalisé que l’on ne pouvait pas distinguer les effets de l’accélération des effets de la gravité. (…) Dans une cabine d’ascenseur en chute libre, les passagers de la cabine ne sentiraient plus leur poids. (…) L’accélération de l’ascenseur en chute libre compense totalement l’effet de la gravité. (…) L’unification de l’accélération et de la gravitation a eu des conséquences importantes et, avant même que ses implications conceptuelles ne soient comprises, d’importantes implications expérimentales furent dégagées. Quelques prédictions en découlaient (…) par exemple que les horloges doivent ralentir dans un champ gravitationnel. (…) Ou encore que la lumière se courbe lorsqu’elle circule au travers d’un champ gravitationnel. (…) La théorie d’Einstein a des conséquences très importantes, puisque les rayons de lumière sont courbés par le champ gravitationnel qui, à son tour, réagit à la présence de la matière. La seule conclusion possible est que la présence de matière influence la géométrie de l’espace. (…) Si deux rayons de lumière sont initialement parallèles, ils peuvent se rencontrer, s’ils passent tous les deux près d’une étoile. Ils sont recourbés l’un vers l’autre. Par conséquent, la géométrie euclidienne (où les droites parallèles ne se rencontrent jamais) n’est pas adaptée au monde réel. De plus, la géométrie varie sans cesse, parce que la matière est sans arrêt en mouvement. La géométrie de l’espace n’est pas plate comme un plan infini. Elle est plutôt comme la surface de l’océan : incroyablement dynamique, avec de grandes vagues et de toutes petites rides. Ainsi, la géométrie de l’espace s’est révélée n’être qu’un autre champ. (…) Dans la relativité restreinte, l’espace et le temps forment, ensemble, une entité quadridimensionnelle qu’on appelle espace-temps. (…) L’unification einsteinienne du champ gravitationnel avec la géométrie de l’espace-temps était le signal de la transformation profonde de notre façon de concevoir la nature. Avant Einstein, l’espace et le temps avaient été pensés comme possédant des caractéristiques fixes, données une fois pour toutes : la géométrie de l’espace est, a été et sera toujours celle décrite par Euclide et le temps avance indépendamment de tout le reste. Les choses pouvaient se déplacer dans l’espace et évoluer dans le temps, mais l’espace et le temps eux-mêmes ne changeaient jamais. (…) La théorie générale de la relativité d’Einstein diffère complètement. Il n’y a plus de fond fixe. La géométrie de l’espace et du temps varie et évolue en permanence, ainsi que le reste de la nature. (…) Il n’y a plus un champ qui se déplace sur un fond géométrique fixe. Au contraire, nous avons une collection de champs, qui interagissent tous, les uns avec les autres, qui sont dynamiques, qui tous exercent une influence sur les autres, et la géométrie de l’espace-temps en fait partie. (…) La relativité générale a vite mené aux prédictions de phénomènes nouveaux, tels que l’expansion de l’univers, le Big Bang, les ondes gravitationnelles et les trous noirs, dont il existe, pour tous, de solides preuves expérimentales. (…) La leçon principale de la relativité générale était qu’il n’y avait pas de géométrie fixe du fond spatio-temporel. (…) Cela signifie que les lois de la nature doivent s’exprimer sous une forme qui ne présuppose pas que l’espace ait une géométrie fixe. C’est le cœur de la leçon einsteinienne. Cette forme se traduit en principe, celui d’indépendance par rapport au fond. Ce principe énonce que les lois de la nature peuvent être décrites dans leur totalité sans présupposer la géométrie de l’espace. (…) L’espace et le temps émergent de ces lois plutôt que de faire partie de la scène où se joue le spectacle. Un autre aspect de l’indépendance par rapport au fond est qu’il n’existe pas de temps privilégié. La relativité générale décrit l’histoire du monde au niveau fondamental en termes d’événements et de relations entre eux. Les relations les plus importantes concernent la causalité : un événement peut se trouver dans la chaîne causale qui mène à un autre événement. (…) Ce sont lesdits événements qui constituent l’espace. (…) Toute définition concrète de l’espace dépend du temps. Il existe autant de définitions de l’espace que de temporalités différentes. (…) La question fondamentale pour la théorie quantique de la gravitation est, par conséquent, celle-ci : peut-on étendre à la théorie quantique le principe selon lequel l’espace n’a pas de géométrie fixe ? C’est-à-dire peut-on faire une théorie quantique indépendante du fond, au moins en ce qui concerne la géométrie de l’espace ? »

Victor Weisskopf dans « La révolution des quanta » :

« Les particules n’accèdent à l’existence dans le monde ordinaire que grâce à un processus de création-annihilation dans ce plein qu’est le vide. (...) En 1927, Dirac, en cherchant l’équation qui serait capable de rendre compte du comportement de l’électron et satisferait tout à la fois à la théorie quantique et à la théorie de la relativité einsteinienne, (…) s’aperçut qu’il y avait une autre solution (que l’électron) de charge positive. (…) Chaque fois qu’on construit une théorie quantique relativiste pour décrire une particule, la théorie fait apparaître la nécessité de postuler une « antiparticule » symétrique, de charge opposée. Ces antiparticules forment ce qu’on appelle l’antimatière, dénuée de tout le mystère dont on entoure parfois son nom : ce n’est en fait rien qu’une autre forme de la matière, composée d’antiparticules ayant des charges opposées à celles des particules ordinaires. (…) Dirac, tirant les conclusions de la découverte du positron (antiparticule de l’électron), put proposer une description toute nouvelle du vide. Jusqu’alors, on s’était représenté le vide comme réellement vide, on aurait extrait toute forme de matière et de rayonnement, ne contenait strictement rien, et, en particulier, aucune énergie. C’est à Dirac que l’on doit d’avoir, en deux étapes, repeuplé le vide et fait en sorte que le vide ne soit plus vide. (...) Nous avons fait ressortir (..) ce caractère du vide en tant que conjonction des opposés. (..) Conjonction des opposés qui ne trouve son vrai sens que dans la mesure, néanmoins, où elle correspond au plus près à une dialectique des modes d’être. »

Maurice Jacob dans "Au coeur de la matière" :

« En physique quantique, il faut renoncer à considérer une particule comme parfaitement localisable. (...) Ce flou quantique peut heurter l’intuition naturelle (...) ne peut-on envisager l’observation d’un électron pendant un temps très court durant lequel il ne pourrait parcourir qu’une petite partie de la distance associée à ce flou quantique ? C’est possible mais on ne peut plus distinguer dans ce cas l’électron des multiples autres particules (paires d’électrons et de positrons fugitifs du vide) qui peuvent être librement émises et réabsorbées durant ce temps très court. (...) Le vide est animé par la création continuelle et la disparition rapide de paires électron-positron (le positron est l’antiparticule de l’électron). Ce sont des paires virtuelles (...) L’électron de charge négative va attirer les positrons de ces paires virtuelles en repoussant leurs électrons. En approchant de l’électron, le photon va se voir entouré d’un "nuage" de charge positive dû aux positrons virtuels attirés. Il aura l’impression que la charge de l’électron est plus faible que celle annoncée. (...) la masse des particules vient de la structure du vide qui s’est figé au début de l’évolution de l’Univers (...) La diversité de la matière sort de la structure du vide. (...) le vide bouillonne d’activité, il peut même exister sous plusieurs formes et manifester une structure. (...) Ce bouillonnement d’activité est de nature quantique. »

Michel Paty écrit dans « Nouveaux voyages au pays des quanta » :

« L’électron interagit avec les « paires virtuelles » de son propre champ électromagnétique. (…) Le vide quantique contient de telles paires virtuelles et cet effet a été observé sous le nom de « polarisation du vide ». L’électron se trouve interagir avec la charge d’un des éléments de la paire virtuelle, en sorte qu’un électron quantique n’est jamais « nu » mais « habillé » d’un essaim ou nuage de paires virtuelles qui polarisent son environnement immédiat et modifient, par voie de conséquence, ses niveaux d’énergie. (…) La procédure dite de renormalisation considère que la masse et la charge physique de l’électron sont celles de l’électron « habillé » et non celles de l’électron « nu ». Ce dernier n’existe pas réellement, puisqu’il est toujours impensable sans son champ. »

Michel Cassé dans « Dictionnaire de l’ignorance » :

« Le niveau de description ultime susceptible de fonder la singularité du vide est la théorie quantique des champs, qui combine les concepts de la relativité restreinte et ceux de la physique quantique. (…) le vide y est le ciment permanent de l’univers, les particules en jaillissent et y replongent comme des poissons volants, non sans servir de monnaie d’échange entre les particules stables et durables qui donnent sa chair au monde, et qui proviennent d’ailleurs elles-mêmes de la pulvérisation du vide primordial. (…) Les particules virtuelles (du vide quantique) sont si fugitives qu’elles sont comme si elles n’étaient pas. Les particules « réelles » et « virtuelles » sont tout aussi existantes les unes que les autres, mais les dernières disparaissent avant même qu’on puisse les observer. (…) Les termes de « fluctuation du vide » et « particules virtuelles » sont équivalents dans la description, le premier appartenant au langage des champs, le second à celui des particules. (…) Les fluctuations électromagnétiques, et donc les photons virtuels qui en sont la contrepartie dans le langage des particules, furent mises en évidence dès 1940, par la mesure du décalage des raies spectrales de l’hydrogène (Lamb shift) dû à un très léger changement des niveaux d’énergie de l’atome correspondant, et par la découverte d’une minuscule attraction entre deux plaques conductrices (effet Casimir). (…) Le vide se peuple d’une invisible engeance. L’inventaire du moindre centimètre cube d’espace frappe de stupeur : les paires électron-positon (+ et -) côtoient toute une faune de quanta. Les paires électron-positon virtuelles, en dépit de leur faible durée de vie, s’orientent dans le champ électrique des charges électriques présentes et modifient leurs effets. Océan de particules virtuelles, on peut s’étonner de voir encore à travers le vide, tant il est poissonneux En lui s’ébattent tous les photons, bosons intermédiaires et gluons nécessaires à la transmission des forces qui charpentent, coordonnent et organisent le monde. Les particules furtives qui émergent du vide et s’y précipitent aussitôt relient entre elles les particules stables et durables de la matière, dites particules réelles (quarks et leptons). (…) Le vide, à la différence de la matière et du rayonnement, est insensible à la dilatation car sa pression est négative. Ceci provient de la relation : pression = opposé de la densité d’énergie qui lui confère son invariance relativiste. La pression négative engendre une répulsion gravitationnelle. De fait, si la gravitation freine l’expansion de l’univers, l’antigravitation ne peut que l’accélérer. Le vide est écarteur d’espace et créateur de matière. (…) La création de matière (via la lumière) est le fruit de la transmutation du vide indifférencié en entités physiques distinctes. Il y a là une chaîne physique de la genèse : Vide -> Lumière -> Matière et Antimatière. Le vide est une composante de l’univers, distincte de la matière ordinaire et du rayonnement. Vide, rayonnement et matière diffèrent par leur équation d’état (relation entre densité et pression pour le fluide considéré), laquelle influe sur l’expansion de l’univers et est influencée par elle, par le biais des transitions de phase. (…) Sa rage savonneuse à s’étendre indéfiniment, l’univers la tiendrait du vide. Le vide a enflé sa bulle. (…) Il y a autant de vides que de champs. (…) Chaque restructuration profonde, ou brisure de symétrie, modifie l’état du vide. Inversement, chaque modification de l’état du vide induit une brisure de symétrie. L’évolution de l’univers procède ainsi par brisures de symétrie successives qui se soldent par des transitions de phase, lesquelles bouleversent l’apparence globale du cosmos. »

Maurice Jacob dans « Au cœur de la matière » :

« Le vide est animé par la création continuelle et la disparition rapide de paires électron-positron. Ce sont des paires virtuelles mais cela va compliquer notre processus d’absorption qui ne demande qu’un temps très bref durant lequel ces paires virtuelles ont bien le temps de se manifester. L’électron, de charge négative, va ainsi attirer les positrons de ces paires virtuelles en repoussant leurs électrons. « Approchant » de l’électron, le photon va ainsi le « voir » entouré d’un « nuage » de charge positive dû aux positrons virtuels attirés. Il aura l’impression que la charge de l’électron est plus faible que celle annoncée. C’est une version quantique de l’effet d’écran. (…) Revenons à notre électron absorbant un photon tout en s’entourant d’un nuage virtuel contenant plus de positrons que d’électrons. Si le transfert augmente, le photon peut « voir » avec plus détail. Il « attrapera » l’électron avec une partie plus faible de ce nuage positif qui l’entoure. Le photon aura l’impression que la charge de l’électron augmente avec le transfert qu’il apporte. (…) L’effet principal peut être conçu comme la transformation de photon en une paire électron-positron, qu’il réabsorbe avant l’interaction. (…) La diversité sort de la structure du vide. (…) Le vide du modèle standard a une structure. Il se comporte d’une façon analogue à un corps supraconducteur. (…) Si le temps d’observation est de dix puissance moins 21 secondes (…) des paires électron-positron peuvent spontanément apparaître. Si le temps d’observation tombe à dix puissance moins 24 secondes, (…) le vide peut bouillonner de pions. Sur un temps de dix puissance moins 26 secondes, une particule Z peut se manifester. (…) Quand on atteint un temps de dix puissance moins 44 secondes, la gravitation devient quantique. »

Michel Cassé écrit dans « Du vide et de la création » :

« Au centre de la nuée du virtuel est encore un virtuel, d’ordre plus élevé. Et ces électrons et positons doublement virtuels s’entourent eux-mêmes de leur propre nuage de corpuscules virtuels, et cela ad infinitum. (…) L’image quantique qui en résulte est un électron (…) protégé par des rangs successifs de photons virtuels (…) L’électron n’est plus l’être simple qu’il était. (…) Il s’habille de vide fluctuant. De même, chaque proton est dépeint comme un microcosme concentrique où s’étagent les différents niveaux de virtualité. Au centre est la particule réelle, sa garde rapprochée est constituée par des particules et antiparticules les plus massives (énergétiques) et donc les plus éphémères, bosons W et Z, paires proton-antiproton et photons gamma. Le second cercle contient les couples positon-électron et les photons de 1 MeV environ. A la périphérie flottent les photons d’énergie déclinante. Chaque particule virtuelle, comme précédemment, s’entoure de son cosmos virtuel et chacune à son tour fait de même et cela indéfiniment. Le vide est constitué d’un nuage virtuel flottant de manière aléatoire. L’activité frénétique autour du moindre électron, du moindre proton, nous éloigne à jamais de l’image paisible que la plupart des philosophes attribuent au mot « vide ». »

Au début de toute dynamique, il y a une contradiction dialectique, dans laquelle les contraires s’opposent mais aussi se composent à toutes les échelles de manière irréductible, contradiction qui ne fait que créer des formes nouvelles toujours contradictoires et donc souvent de plus en plus complexes, que ce soit une dynamique partielle ou la dynamique de base, celle de fondation de l’Univers matière-lumière-vide. La contradiction fondamentale est celle entre quantique et relativité, entre condensation et expansion…

L’irréductibilité des contradictions amène aux oppositions dialectiques, et non diamétrales, entre onde et corpuscule, entre virtuel et réel, entre matière et vide, entre rayonnement et particules de masse, entre quantique et relativité, entre expansion de l’espace-temps et condensation de la matière…

« Du vide à l’univers » de Edgar Gunzig, article de l’ouvrage collectif « Le vide » :

« La relativité générale, ne pouvant engendrer elle-même ses propres conditions initiales, ne peut échapper à ses faiblesses qu’en étendant son propre cadre théorique, en faisant appel à une autre théorie physique au sein de laquelle la création de matière soit partie intégrante des processus qui s’y déroulent. C’est la théorie quantique des champs, lieu naturel des phénomènes de création et d’annihilation de la matière. C’est donc elle qui offre le cadre évident qui, enrichissant celui de la relativité générale, pourrait lui apporter ce qui lui fait si cruellement défaut dans sa description de la cosmogenèse. C’est de la fusion de ces théories que naîtra notre vision nouvelle de la cosmogenèse et des interrogations qui l’accompagnent. (…)

Le vide quantique est un état quantique particulier du champ, celui qui possède la plus basse des énergies possibles qui soit compatible avec les relations d’incertitude d’Heisenberg. Ce sont celles-ci qui interdisent, par principe, l’immobilité absolue au sens classique du terme. Aucun système quantique, de la simple particule au champ caractérisé par une infinité de degrés de liberté, n’est absolument figé lorsqu’il se trouve dans son état de « plus grande immobilité réalisable quantiquement » et de plus basse énergie quantiquement accessible. Il y subsiste une mouvance, une activité irréductible par principe. Celle-ci s’exprime, dans le cas d’un champ, par des fluctuations spontanées et chaotiques de son amplitude autour de sa valeur classique nulle : les « fluctuations quantiques du vide ». Ce sont ces fluctuations qui sont porteuses de l’énergie qui caractérise ce niveau fondamental énergétique. En termes particulaires, ces fluctuations quantiques du champ peuvent se visualiser comme des « particules » dont le temps de séjour est limité par les relations d’incertitude. Tout se passe comme si elles surgissaient spontanément du vide, par paires, avec l’obligation quantique incontournable de devoir s’y réannihiler tout aussitôt. Ces particules existent le temps d’une incertitude… L’impossibilité d’éliminer cette population irréductible d’êtres transitoires dans le vide résulte de la nature quantique des lois. Ce sont plus des promesses de particules, des « particules virtuelles », qui pourraient réellement exister et surgir dans le monde réel des excitations quantiques du champ (sur leur couche de masse), si on leur fournissait les moyens… énergétiques de se matérialiser. En effet, ces paires de particules virtuelles qui surgissent en chaque point, en chaque instant, le temps d’une incertitude, disparaissent si elles ne reçoivent pas les moyens de s’actualiser, leur énergie correspondant au moins à leurs masses.

Mais d’où viendrait cette énergie ? Les créations de particules par un champ quantique résultent, en effet, toujours d’une transmutation d’une forme à l’autre d’énergie. Celle-ci peut se révéler sous divers aspects interchangeables, rayonnement pur, masses de diverses particules… pourvu qu’elle soit globalement conservée. Certaines particules apparaissent au sein du champ parce que d’autres s’y annihilent, mais l’énergie totale reste immuable au cours de ces transformations, elle est simplement transférée des « produits » initiaux aux « produits » finaux qui en résultent. Energétiquement, rien ne se perd ni ne se gagne. Le champ quantique ne joue donc que le rôle de transformateur d’énergie. C’est ainsi que peuvent surgir spontanément du vide des paires électron-positron dans le voisinage immédiat des noyaux atomiques lourds, le champ électrique de ces noyaux fournissant alors l’énergie requise pour la création de ces paires : deux fois la masse d’un électron. (…)

Au début était le vide quantique, mais était également le champ gravitationnel. Cette dualité traduit le fait que la force gravitationnelle est rétive à toute quantification et unification aujourd’hui concevables ; elle se dissocie donc au sein du vide quantique, dans l’état actuel de nos théories, des trois autres interactions fondamentales : forte, faible et électromagnétique. Or, cette dualité, qu’elle soit non réduite ou non réductible, va constituer le point de départ de notre Histoire. Ses ingrédients essentiels sont l’universalité et la non-linéarité de la gravitation. (…)

Le face-à-face de la gravitation classique et du monde quantique s’exprime réellement dans ce qu’il a de plus spécifique les liens intimes qu’entretiennent la géométrie de l’espace-temps et les fluctuations du vide, la réponse de l’espace-temps classique à l’univers fluctuant du vide quantique. C’est l’universalité de la gravitation qui est la grande responsable de cet état des choses. Toute forme d’énergie est source de gravitation, donc de courbure, disions-nous ; il en est donc en particulier ainsi des fluctuations quantiques du vide et des énergies qui leur sont associées. Toutes transitoires qu’elles soient, elles produisent leurs réponses géométriques. Toutes virtuelles que soient les particules qui les expriment, la courbure de l’espace-temps ne les ignore pas et répond à leur présence comme à celle de la matière ordinaire. Cette réponse géométrique aux fluctuations quantiques des champs se traduit par des fluctuations (classiques) de la courbure. Et comme toute fluctuation, celles de la géométrie sont elles-mêmes porteuses d’énergie ! La géométrie, qui s’était déjà dynamisée en géométrie générale, devient, au terme de ce face-à-face avec la théorie quantique des champs, un partenaire énergétique.

La géométrie entre en résonance avec le vide quantique et fluctue classiquement en réponse avec ses fluctuations quantiques.

L’énergie de point zéro du vide, emmagasinée dans ses fluctuations quantiques, ne peut être, a priori, exploitée en fournissant de l’énergie utilisable. On ne peut transférer de l’énergie par demi-quanta ! Seuls certains de ses effets indirects sont mesurables, comme le déplacement de Lamb des niveaux d’énergie d’un atome ou l’émission spontanée des niveaux excités, stimulée par ces fluctuations. C’est précisément le face-à-face de la relativité générale et de la théorie quantique des champs qui transcende cette impossibilité apparemment irréductible, l’énergie de point zéro du vide quantique y devient un réservoir inépuisable d’énergie.

L’intimité des liens que nouent les divers types de fluctuations entre elles est, en effet, bien plus important qu’il n’y paraît. La courbure est non seulement sensible à toute forme d’énergie, mais, réciproquement, l’énergie ressent la présence de la courbure, ce double jeu étant contrôlé par les équations non linéaires d’Einstein. En d’autres mots, les fluctuations quantiques du vide engendrent et ressentent en retour les fluctuations (classiques) de la courbure de la géométrie. Les fluctuations quantiques du vide, tout comme les fluctuations classiques de la courbure, se ressentent donc elles-mêmes dans une dynamique non linéaire. Elles peuvent dès lors éventuellement s’auto-amplifier, les fluctuations géométriques et celles du vide s’épaulant les unes les autres, dans une cascade non linéaire de réponses réciproques ! Mais que signifierait une telle auto-amplification ? L’amplification d’une fluctuation du vide s’exprimerait par une activation de l’énergie qui la caractérise, ce qui se traduirait par une excitation permanente du vide et... donc la création de particules (réelles) qui accompagnent cette excitation. Et voilà que des particules surgiraient du vide ! (…)

Le champ quantique est excité par l’expansion de l’espace-temps dans lequel il est plongé. Cette expansion du substrat géométrique produit sur le champ quantique un effet analogue à celui que produirait une source d’énergie extérieure. Dans son expansion, la géométrie fournit ainsi au champ quantique l’énergie qui est la source de ses excitations quantiques : les particules. En d’autres termes, c’est l’énergie libérée par l’expansion géométrique que le champ absorbe pour matérialiser ses particules virtuelles (…) »

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