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« Aujourd’hui le vide n’est pas le rien. Il serait même l’acteur central de l’histoire de la matière et de l’Univers, le partenaire privilégié de la physique. Vide et matière ne sont plus deux manifestations séparées de la nature mais deux aspects d’une même réalité. »
Edgard Gunzig et Isabelle Stengers
Dans « Le vide »
« Comment pouvons-nous imaginer le début de l’univers ? Un aspect essentiel est le passage de particules virtuelles à des particules réelles. Les particules virtuelles sont des particules qui se créent par paires, qui vivent un certain temps et puis se recombinent par suite du principe d’incertitude de Heisenberg. Les particules réelles, au contraire, ne doivent plus se recombiner ; elles ne sont plus tenues par un fil l’une à l’autre. Donc la création de l’univers, la création de la matière telle que nous la connaissons, correspond avant tout à une création de possibilités, créant à la fois des phénomènes désordonnés et des phénomènes hautement organisés. »
Le physicien-chimiste Ilya Prigogine
dans « Temps à devenir »
« Le vide qui émerge est riche : tour à tour un aimant, un diélectrique, un supraconducteur et une phase thermodynamique. »
S. Saunders dans « La philosophie du vide »
« Ce vide bouillonne d’activité. Il peut même exister sous plusieurs formes et manifester une structure. (...) Le vide bouillonne de particules à très faible échelle de temps. (...) Si le temps d’observation est de 10-21 s, (…) des paires électron-positon peuvent spontanément apparaître. Si le temps d’observation tombe à 10-24 s, (...) le vide peut bouillonner de pions. Sur un temps de 10-26 s, une particule Z (...) peut se manifester. Quand on atteint (...) 10-44 secondes (...) le tissu même de l’espace-temps se trouve soumis à ces fluctuations quantiques. »
Maurice Jacob
dans « Au cœur de la matière »
« La lumière est émise par des gaz atomiques dilués, avec des longueurs d’onde spéciales si insensibles aux influences extérieures qu’on peut s’en servir pour fabriquer des horloges précises au cent millième de milliardième. Mais ces longueurs d’onde ont un décalage détectable au dix millionième qui n’aurait pas dû exister dans un monde idéal ne contenant rien d’autre que l’atome. Des calculs difficiles mais bien contrôlés ont alors révélé que ce décalage était un effet électrique du vide de l’espace, pas très différent de celui que rencontre un électron lorsqu’il passe à l’intérieur d’un câble métallique ou d’une puce d’ordinateur. Autrement dit, l’espace apparemment vide ne l’est pas du tout, il est plein de « quelque chose ». Le mouvement sympathique de ce « quelque chose » quand la matière passe change légèrement les propriétés de celle-ci, exactement de la même façon que le mouvement sympathique des électrons et des atomes dans une vitre de fenêtre modifie les propriétés de la lumière qui la traverse, et provoque sa réfraction. (…) C’est en général avec la force nucléaire qu’un étudiant rencontre pour la première fois cette idée : le vide de l’espace n’est pas réellement vide. Etre confronté à ce fait – un rite de passage de la physique – est à la fois exaltant et perturbant. (…) A l’intérieur d’un noyau, il y a fondamentalement les protons et les neutrons, mais leur comportement a été modifié par le milieu où ils se meuvent, le vide apparemment vide de l’espace. Le milieu n’est passif que lorsque l’expérience est faite délicatement (…) Mais si l’expérience est violente, la nature dynamique du milieu apparaît et toutes les théories s’écroulent. La violence est courante en physique nucléaire : les forces à l’œuvre entre protons et neutrons sont si énormes ! (…) Paradoxalement, l’un des rares effets délicats en physique nucléaire est la fission thermique de l’uranium. Un stupéfiant accident de la nature permet à un neutron qui ne va pas plus vite qu’une molécule d’air de déclencher la réaction, ce qui multiplie l’énergie du neutron par cent millions. C’est cette propriété particulière de l’uranium qui rend possibles les réacteurs nucléaires à eau. (…) Les propriétés de l’espace vide qui sont pertinentes pour notre vie ont tous les signes distinctifs des phénomènes émergents, caractéristiques d’un état de la matière. (…) Les similitudes entre le vide de l’espace et les états à basse température sont légendaires en physique. (…) D’ailleurs, plus on étudie les descriptions mathématiques des états froids, plus on s’habitue à utiliser les terminologies parallèles de la matière et de l’espace de manière interchangeable. Au lieu d’un état de la matière, nous parlons d’un vide. Au lieu de particules, nous parlons d’excitations. Au lieu de mouvements collectifs, nous parlons de « quasi-particules ». (…) On estime que le vide, quand on le refroidit à partir de très hautes températures, passe par des « marches » successives qu’on appelle des transitions d’unification, où les forces connues de la nature se séparent séquentiellement des forces fondamentales qui les engendrent. (…) Grâce aux études menées avec les grands accélérateurs de particules, nous avons compris aujourd’hui que l’espace ressemble d’avantage à une vitre de fenêtre qu’au vide newtonien idéal. Il est rempli d’un « matériau » qui est normalement transparent mais que l’on peut rendre visible en le frappant assez fort pour en détacher un morceau. Le concept moderne du vide de l’espace, confirmé quotidiennement par l’expérience, est un éther relativiste. »
Le physicien Robert B. Laughlin dans « Un univers différent »
Pour fonder sa théorie de la relativité, Einstein a proposé de se promener (seulement par la pensée, bien entendu) en accompagnant un photon lumineux. En effet, nous avons besoin pour voir l’univers de changer de poste d’observation. D’ordinaire, nous nous positionnons toujours comme une matière qui reçoit de la lumière et non comme un grain de lumière ! C’est ainsi qu’il a conçu le renversement d’image de l’espace-temps qui résulte de la constance de la vitesse de la lumière dans le vide. Il faut maintenant réaliser un nouveau renversement de vision consistant à cesser de regarder le vide depuis la matière pour examiner la matière depuis le … vide ! C’est la matière à petite échelle qui nous a permis de découvrir les propriétés du vide mais il faut maintenant montrer que les propriétés de la matière découlent historiquement de celles du vide, que le fonctionnement de la matière est en interaction permanente avec le vide.
La première idée sur le vide est que, sans énergie et sans mouvement, il ne pouvait qu’être stable et figé. Il s’avère au contraire instable et plein de fluctuations d’énergie et, du coup, possédant des propriétés fondamentales pour la compréhension de la matière et de la lumière.
« Les fluctuations du champ électromagnétique qui subsistent dans le vide ont des effets observables bien connus des physiciens. Un atome isolé dans le vide n’interagit qu’avec les fluctuations du vide et c’est cette interaction qui est responsable des processus d’émission spontanée qui font passer l’atome de ses niveaux d’énergie élevée vers son niveau fondamental. Dans ce niveau, l’atome est encore couplé au vide et ce couplage est accompagné d’effets tels que le déplacement de Lamb des fréquences d’absorption. Quand deux atomes sont couplés aux mêmes fluctuations du vide, l’interaction des atomes avec les fluctuations de champ induit une attraction entre eux, appelée force de Van der Waals. (...) Alors qu’il étudie ce problème, Casimir découvre en 1948 qu’une force s’exerce également entre deux miroirs placés dans le vide. Les fluctuations du vide sont modifiées par la présence de la cavité et leur énergie dépend de la distance entre les deux miroirs. Le vide exerce donc une force qui attire les deux miroirs l’un vers l’autre. Cette force de Casimir ne dépend que de deux constantes fondamentales, la vitesse de la lumière c et la constante de Planck h, de la distance et de facteurs numériques simples. (...) elle ne dépend pas en particulier de la charge de l’électron. »
« L’existence des fluctuations quantiques joue un rôle central dans la description moderne de la structure de la matière. »
« Fulling et Davies ont montré en 1976 qu’un miroir parfait en mouvement dans le vide émettait du rayonnement dès que ce mouvement correspondait à une accélération non uniforme. « écrivent Marc-Thierry Jaeckel, Astrid Lambrecht et Serge Reynaud dans « relativité du mouvement dans le vide », texte tiré de l’ouvrage collectif « Le vide ».
Effet du miroir en mouvement dans le vide, effet Unruh, effet Casimir, effet Ahoronov-Böhm, fentes de Young, nuage de polarisation, etc, l’importance du vide ne peut plus être méconnue :
• le vide fluctue en énergie • le vide est un milieu diélectrique qui polarise les particules • le vide est porteur des ondes • le vide permet les transitions de fermions par échanges de photons virtuels • le vide limite les trains d’ondes • le vide matérialise et dématérialise • le vide a une énergie, une température, une pression
Loin d’être marqué par une immobilité parfaite comme on le pensait, le vide est le siège de l‘agitation bien plus instable que la matière. Le contenu du vide est très réel : des fluctuations d’énergie désordonnées en tous sens, désordonnées dans l’espace comme dans le temps. Nous trouvons dans le vide quelque chose qui ressemble à une particule matérielle ou à un photon (rayonnement), elle s’évanouit très rapidement. C’est si rapide que ce n’est pas perceptible à notre échelle. Nous disons qu’il s’agit d’objets « virtuels » qu’il conviendrait plutôt d’appeler éphémères relativement à la matière et hors du temps relativement au vide lui-même.
« Au commencement était l’action. » d’après « Faust » de Goethe. Avec Planck, la physique a donné raison à Goethe en donnant comme base du réel le quantum d’action. Mais la question est : où sont les quanta réels qui interviennent en physique. Est-ce les particules matérielles ? Est-ce les photons du rayonnement ? Non. Ces « objets » sont d’énergie constante (c’est-à-dire une énergie divisée par un temps) donc ne sont pas une certaine quantité d’action. C’est le vide qui fournit des « objets » (particules et photons dits virtuels car éphémères) qui sont un quantum, deux, trois, ... quanta. Et au « commencement » était ... le vide. Attention, comme on l’a déjà dit, le vide de la physique n’est pas un lieu sans agitation et sans rien. La meilleure preuve de cette agitation (du type agitation thermodynamique des molécules) c’est la pression qu’elle exerce sur la matière. Ainsi, en rapprochant deux grandes plaques métalliques, on remarque que celles-ci sont collées par une pression extérieure … du vide. C’est l’effet Casimir ou la pression du vide .
Quelles sont les propriétés de ce vide quantique ? Tout d’abord nous remarquons qu’il s’agit d’un autre monde que celui des particules de la même manière que nous avions remarqué que le monde des particules était très différent du monde à notre échelle (macroscopique) que nous voyons et où nous raisonnons. Que se passe-t-il de si étonnant dans ce monde du vide ? Tout d’abord nos notions de temps et de distance sont bouleversées car le temps peut être parcouru dans les deux sens, vers le passé comme vers le futur ! Ensuite les durées de vie sont bien plus courtes et les énergies bien plus grandes. Les constantes ne sont pas respectées : on peut se déplacer plus vite que la vitesse de la lumière et on peut trouver des quantités inférieures à la constante de Planck. Cela provient du fait que ce monde infra-vitesse de la lumière et infra-Planck est plus vieux que ces deux transformations : libération de la lumière et création de particules durables déterminées par la relation durée de vie multipliée par bande d’énergie égale constante de Planck ou de multiples de celle-ci.
Quelles sont les preuves que ce vide que l’on ne peut pas mesurer à l’aide de procédés matériels, puisqu’il est d’un niveau inférieur, existe bien, soit un vide physique. On a vu qu’il était nécessaire de considérer un vide possédant des propriétés mais cela pourrait très bien être un artefact mathématique comme un grand nombre de physiciens continuent de le considérer. Une première remarque consiste à constater que les constantes universelles fondamentales sont toutes liées aux propriétés du vide, en l’absence de matière. Par exemple, les constantes c et h apparaissent dans la pression du vide appelée l’effet Casimir. Un autre argument est l’existence de fluctuations en l’absence de matière. Il s’agit donc d’un bruit du vide, produit spontanément, sans action d’aucun milieu matériel. D’autre part, Claude Fabre a démontré (dans l’ouvrage collectif « Le vide ») que l’on peut agir par des méthodes optiques sur ce milieu vide pour comprimer les fluctuations du vide qui ont donc une réalité physique puisqu’elles sont transformables par une action physique.
Particules et photons du vide sont dits « virtuels » parce qu’il sont si éphémères que nos instruments matériels ne sont pas capables de les détecter. Il y a une question de durée de vie des particules éphémères mais le vide, c’est aussi un monde nouveau. « L’analyse mathématique en termes de perturbation peut, comme nous l’ont appris des diagrammes de Feynman, être transcrits sur un mode imagé. C’est alors qu’interviennent les particules virtuelles qui assument la transformation de modes de vibration d’un champ à l’autre Une particule virtuelle a certes les mêmes propriétés (charge électrique, spin, ...) qu’une particule réelle, mais elle n’est pas contrainte par les relations relativistes entre masse, impulsion et énergie qui définissent l’existence physique d’une particule réelle. » écrivent Edgard Gunzig et Isabelle Stengers dans « Le vide », ouvrage collectif de Simon Diner et Edgard Gunzig. On a d’abord pensé qu’il ne s’agissait que de l’ombre des vrais objets, réels eux. Par contre, ils ont des effets bien réels et mesurables en microphysique par exemple sur l’électron ou les quarks du proton. Avec des processus optiques quantique non-linéaire au laser (voir Claude Fabre dans « Le vide » cité précédemment), on a également mis en évidence l’action des « objets » du vide sur le rayonnement. On a d’abord pensé qu’il ne s’agissait que de l’ombre des vrais objets, réels eux.
Quelle est la base réelle de la matière, de la lumière et du vide ? Il s’agit de trouver des caractéristiques fondamentales du réel. Cela suppose des caractéristiques inchangées dans les chocs, dans les compositions/décompositions, dans les créations/annihilations et que l’on retrouve aussi bien dans le vide, dans la matière et dans la lumière, sous toutes leurs formes. Le seul paramètre qui réponde à ces demandes est celui de la charge électrique e : charge positive (par exemple celle de l’électron) ou charge négative (celle du proton). On trouve partout cette charge, y compris dans la particule de masse neutre électriquement comme le neutron. Ce dernier comprend un électron et un proton ainsi qu’une particule neutre. Chaque particule « neutre » peut ainsi être décomposée en un nombre égal de particules d’électricités opposées (un nombre entier de charges e) et en particules neutres. Cela signifie que la charge électrique est inchangée dans les transformations, chocs ou décompositions. Mais cette remarque n’est pas la seule qui nous amène à choisir la charge électrique comme élément de base. La lumière peut également se décomposer en particules de charges opposées, les particules dites virtuelles. Bien des expériences démontrent en effet que le photon, neutre électriquement est sensible au champ magnétique. Cela signifie qu’il se comporte comme un petit aimant, un dipôle électrique : électron et positon virtuels tous les deux. Le vide est également neutre électriquement mais la matière le décompose en dipôles virtuels (électrons/positons). Tout choc suffisamment énergétique en fait autant, produisant des dipôles virtuels.
Les phénomènes les plus étranges de la physique quantique s’interprètent ainsi :
le vide est plein de dipôles virtuels de particules positives et négatives
les particules virtuelles s’attirent et se repoussent selon leur charge
les dipôles virtuels très proches forment un ensemble qui apparaît comme neutres
la proximité d’une autre charge peut éloigner à nouveau les pôles
les éléments des dipôles proches peuvent se recomposer en échangeant leurs éléments
l’énergie du vide est stockée et déstockée au travers du rapprochement et de l’éloignement des dipôles
le photon est composé d’un dipôle virtuel
toute particule est entourée d’un nuage de polarisation composé de dipôles virtuels
la particule matérielle n’est pas un objet permanent car les particules virtuelles du nuage de polarisation les plus proches se recomposent avec la particule. C’est la particule qui faisait partie du dipôle qui devient la nouvelle particule matérielle avec les mêmes caractéristiques. Cela signifie que tout se passe comme si la particule sautait d’un point à un autre.
Atome : rétroaction de la matière/lumière et du vide (de la microphysique à l’astrophysique)
* 01- Les contradictions des quanta
* 02- La matière, émergence de structure au sein du vide
* 03- Matière et lumière dans le vide
* 05- Le vide destructeur/constructeur de la matière
* 06- La matière/lumière/vide : dialectique du positif et du négatif
* 07- La construction de l’espace-temps par la matière/lumière
* 08- Lumière et matière, des lois issues du vide
* 09- Matière noire, énergie noire : le chaînon manquant ?
* 10- Les bulles de vide et la matière
* 11- Où en est l’unification quantique/relativité
* 13- Qu’est-ce que la rupture spontanée de symétrie ?
* 14- De l’astrophysique à la microphysique, ou la rétroaction d’échelle
* 15- Qu’est-ce que la gravitation ?
* 16- Big Bang ou pas Big Bang ?
* 17- Qu’est-ce que la relativité d’Einstein ?
* 19- Qu’est-ce que l’antimatière ?
* 21- Qu’est-ce que le spin d’une particule ?
* 22- Qu’est-ce que l’irréversibilité ?
* 23- Qu’est-ce que la dualité onde-corpuscule
* 26- Le quanta ou la mort programmée du continu en physique
* 26- La discontinuité de la lumière
* 27- Qu’est-ce que la vitesse de la lumière c et est-elle indépassable ?
* 28- Les discontinuités révolutionnaires de la matière
* 30- Qu’est-ce qu’un système dynamique ?
* 31- Qu’est-ce qu’une transition de phase ?
* 32- Quelques notions de physique moderne
* 33- Qu’est-ce que le temps ?
* 34- Henri Poincaré et le temps
* 35- La physique de l’état granulaire
* 36- Aujourd’hui, qu’est-ce que la matière ?
* 37- Qu’est-ce que la rupture de symétrie (ou brisure spontanée de symétrie) ?
* 38- Des structures émergentes au lieu d’objets fixes
* 39- Conclusions provisoires sur la structure de la matière
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. »
L’astrophysicien 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 ». »
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