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Accueil du site > 02 - Livre Deux : SCIENCES > Atome : lois de la Physique ou rétroaction de la matière/lumière et du vide (...) > Que sont les fluctuations du vide quantique ?

Que sont les fluctuations du vide quantique ?

samedi 9 septembre 2017, par Robert Paris

Que sont les fluctuations du vide quantique ?

Avertissement : occultisme, mysticisme et autres obscurantismes prétendent se prévaloir des fluctuations du vide quantique pour justifier leurs élucubrations, qui, autrefois, s’appuyaient seulement sur l’électromagnétisme. Tel n’est pas le point de vue défendu ici. Les fluctuations du vide quantique, pour étonnantes qu’elles soient en physique classique, ne nécessitent nullement de remettre en question l’existence de la matière et le matérialisme.

« Mécanique quantique » de Cohen-Tannoudji-Diu-Laloë :

« On en déduit que, dans le vide, c’est-à-dire en l’absence de tout photon, le champ électromagnétique en un point de l’espace a une valeur moyenne nulle mais un écart quadratique moyen non-nul (variant bien sûr d’une mesure à l’autre), même si aucun photon n’est présent dans l’espace. Cet effet n’a aucun équivalent en théorie classique où, lorsque l’énergie est nulle, le champ est rigoureusement nul. On exprime souvent le résultat précédent en disant que le « vide » de photons est le siège de fluctuations de champ appelées « fluctuations du vide ». L’existence de ces fluctuations a des conséquences physiques intéressantes en ce qui concerne l’interaction d’un système atomique avec le champ électromagnétique… Même en l’absence de tout photon incident l’atome « voit » les « fluctuations du vide » liées au caractère quantique du champ électromagnétique. Sous l’effet de ces fluctuations, il peut émettre un photon et retomber dans son étét d’énergie inférieure (l’énergie du système global étant conservée lors de ce processus) : c’est le phénomène d’ « émission spontanée » que l’on peut ainis considérer en quelque sorte comme une « émission induite par les fluctuations du vide » (il ne peut y avoir d’absorption spontanée qui ferait passer l’atome dans un état d’énergie supérieure, car aucune énergie électromagnétique ne peut être extraite du champ, qui est dans son état fondamental). On peut montrer qu’un autre effet des « fluctuations du vide » est de faire subir aux électrons des atomes un mouvement erratique qui modifie légèrement les énergies des niveaux. L’observation de cet effet sur le spectre de l’atome d’hydrogène (« Lamb shift », ou déplacement de Lamb) a constitué le point de départ d’électrodynamique quantique moderne. »

Quand on calcule, par les lois quantiques, l’énergie minimale du champ électromagnétique, on s’aperçoit qu’elle n’est pas nulle. Le résultat peut être interprété par l’existence de fluctuations spontanées du champ. En d’autres termes : bien qu’en moyenne la valeur du champ électromagnétique soit nulle dans cet état d’énergie minimale qu’est le « vide », elle fluctue continuellement et aléatoirement autour de zéro, en positif comme en négatif. Ces fluctuations baignent tout l’espace et donnent lieu à une certaine énergie appelée « énergie de point zéro ». Il se trouve que sa valeur est infinie, ce qui a bien sûr soulevé une difficulté ; mais les physiciens la surmontent en faisant remarquer que l’énergie de point zéro, même infinie, n’est pas observable : seules les différences d’énergie le sont.

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.

Dans le monde quantique, les « objets » (particules, ondes ou champs) ne sont pas des choses fixes et ne peuvent jamais être au repos absolu. Ils restent toujours dans un état de vibration résiduelle. Ainsi, le vide, ne doit plus être considéré comme un néant ou une absence totale de matière et d’énergie mais comme un champ d’énergie à son niveau minimal. Dans ce cadre théorique, les particules deviennent des émanations de ce champ. Leurs disparitions et apparitions sont la manifestation des fluctuations du champ quantique fondamental. Le principe d’incertitude entraîne qu’il n’y a pas de niveau inférieur d’énergie qui soit fixe. On découvre les fluctuations du niveau zéro d’énergie. Le vide fourmille en permanence d’une activité éruptive.

Le vide est instable et plein d’énergie de brève durée - manifestations du vide quantique, fluctuations – le vide n’est pas rien – Il contient des photons et des particules qui sont éphémères et sont appelés virtuels. Les particules subissent des transitions très rapides en permanence, transitions par lesquelles elles s’échangent avec les particules du vide et les photons du vide. Recomposition permanente entre matière et vide – l’apparente stabilité est fondée sur une interaction dynamique et ultra-agitée entre structures transitoires de la matière, de la lumière et du vide. Nouveauté fondamentale de la théorie quantique des champs : dans un état donné du champ, même parfaitement déterminé, le nombre de particules n’est pas toujours défini. C’est (entre autres) ce qui interdit d’employer systématiquement une description purement corpusculaire de la matière. Cela interdit aussi de considérer que le vide ne contient pas de particules. Il contient des particules virtuelles qui peuvent être actualisées par un apport d’énergie. Ces particules (et antiparticules) virtuelles se lient pour former des photons. Particules et antiparticules du vide sont virtuelles au sens où ils ont une durée de vie trop brève pour être mesurables par des expériences matière/lumière à notre échelle, par nos instruments en somme. Le vide est polarisé. Les fluctuations du niveau zéro d’énergie peuvent être interprétées comme des apparitions et disparitions de photons virtuels ou de couples particule/antiparticule virtuels. La présence de l’électron trouble l’activité du vide, et cette distorsion agit en retour sur l’électron lui-même. Tout ceci complique énormément la description quantique qui doit prendre en compte tous ces phénomènes. Or, la diversité infinie de ces interactions fantômes implique des quantités infinies d’énergie. L’exemple le plus simple est celui de deux particules, deux électrons par exemple, échangeant un photon. Entre son émission et sa réception, ce dernier interagit en chemin avec d’autres particules avant d’atteindre l’autre électron. Cela peut se traduire par la transformation du photon en une paire électron - positron (virtuels) ; les membres de cette nouvelle paire peuvent échanger à leur tour un autre photon virtuel ; puis s’annihiler en engendrant un nouveau photon, qui est cette fois absorbé par l’électron récepteur. Laurent Nottale explique dans « La complexité, vertiges et promesses » que les diverses échelles de la matière/vide coexistent et interagissent : « Un objet, comme l’électron, vu classiquement comme un simple point, devient compliqué vers les petites échelles : il émet des photons, les réabsorbe, ces photons deviennent eux-mêmes des paires électrons-positons, etc… »

De nombreux effets s’avèrent interprétables par les fluctuations du vide polarisable : – effet Debye de dispersion des rayons X par les solides – effet Casimir – effet proton-proton ou effet Hillman – effet Ahoronov-Böhm – effet Unruh – effet Compton – principe de Pauli – stabilité de l’atome (l’électron ne tombe pas sur le noyau) – décalage des raies Lambshift par réfraction du vide – Radiation de type « corps noir » (thermodynamique du vide).

Les fluctuations du vide entraînent des niveaux positifs et négatifs d’énergie correspondants à des particules et des antiparticules identiques sauf en ce qui concerne les charges qui sont de même valeur absolue mais de signe opposé (positives et négatives). Contrairement à la matière/lumière qui fonctionne par unités entières de un quanta h, les fluctuations du vide ont lieu par demi quanta, h/2, en plus ou demi quanta en moins, qui correspondent à des particules et antiparticules virtuelles fusionnant en un photon virtuel puis se redécomposant en un couples particule/antiparticule virtuels (comme électron/positon ou quark/antiquark). Il suffit qu’une particule virtuelle reçoive l’énergie nécessaire pour devenir réelle. Il suffit qu’une particule réelle perde de l’énergie pour redevenir virtuelle. Cette énergie peut être portée par un photon lumineux. Du coup, un photon d’énergie suffisante rend réelle une particule virtuelle. Inversement, l’émission d’un photon rend virtuelle une particule réelle. Ce sont les diagrammes de Feynman qui décrivent ces processus. L’apparence durable de la particule provient des échanges permanents avec les corpuscules virtuels de matière/lumière. En effet, la particule interagissant avec le vide disparaît sans cesse mais elle réapparaît de façon très proche et la nouvelle particule a les mêmes caractéristiques que l’ancienne ce qui donne cette apparente stabilité à la matière/lumière. En fait le photon réel comme la particule réelle ne sont jamais les mêmes. Le mouvement est identique au changement. La particule qui se déplace dans le vide n’est jamais la même particule. La particule ne se contente pas de changer de place. La particule réelle n’est jamais la même. L’effet « réel » est échangé d’une particule virtuelle à une autre. Cet effet « saut » d’une particule virtuelle à une autre. La particule réelle disparaît pour devenir virtuelle et une autre particule virtuelle proche devient réelle. Tel est le processus physique de base décrit par les diagrammes de Feynman.

Franco Selleri dans « Le grand débat de la théorie quantique » :

« Les neutrons sont des particules instables et finissent par se désintégrer en proton + électron + antineutrino au bout d’un temps correspondant à leur vie moyenne. Celle-ci est d’environ mille secondes (...) des neutrinos peuvent vivre beaucoup moins (disons cent secondes) ou beaucoup plus (disons trois mille secondes) que leur vie moyenne de trois mille secondes. Le problème se pose très naturellement de comprendre les causes qui déterminent les différentes vies individuelles dans les différents systèmes instables. (…) Ces variations peuvent s’expliquer) par des fluctuations du vide dans de petites régions entourant la particule ».

Maurice Jacob dans « Au cœur de la matière » :

« 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. »

« Pourquoi les particules ont-elles une masse ? » de Daniel Treille pour l’Université de tous les savoirs :

« Le vide quantique - Intuitivement, le vide est « ce qui reste quand on a tout enlevé » : si on sait vraiment tout enlever, il ne reste que le néant. Plus précisément, pour un système donné, il faut éliminer toutes les formes d’énergie présentes sous forme de matière ou de rayonnement. On atteint ainsi l’état d’énergie le plus bas accessible pour ce système, ce qui sera désormais notre définition du vide. Est-ce là le néant ? Absolument pas ! Tous les champs, toute la physique sont présents dans le vide et il suffit d’y apporter suffisamment d’énergie pour les voir apparaître et mettre en jeu toutes les particules connues. D’autre part, le vide bouillonne d’activité. Cette activité est de type quantique. Le vide énergétique du système correspond à une valeur moyenne qui n’est bien définie que sur un temps assez long. Mais si nous l’observons durant un temps très court son énergie nous semble fluctuer, d’autant plus que le temps d’observation est bref, en accord avec le principe d’incertitude d’Heisenberg. Il est bon de se rappeler ici les ordres de grandeur en jeu. Un fermi (dix puissance moins treize centimètre) correspond à un temps d’environ trois fois dix puissance moins 24 seconde, et un tel intervalle donne la liberté de fluctuer du vide jusqu’à une énergie de l’ordre du GeV, ce qui suffit pour faire apparaître très fugitivement, par exemple, une paire muon-antimuon. Une paire de W peut exister pendant trois fois dix puissance moins 27 seconde. De telles particules à l’existence éphémère, faut d’énergie pour les produire réellement, s’appellent des particules virtuelles. (…) Un autre effet de cette propriété du vide quantique est que les constantes – masses, couplages – que nous avons introduites ne sont pas exactement constantes, mais sont des quantités qui évoluent avec le pouvoir de résolution correspondant à l’observation. Cela se comprend puisqu’un pouvoir de résolution accru, synonyme de temps accessible plus court et naturellement d’énergie plus haute, donne accès à des fluctuations plus conséquentes, impliquant des particules virtuelles de plus en plus lourdes et conduisant à une dérive graduelle des quantités mesurées. »

B. J. Hiley dans « La philosophie du vide » (ouvrage collectif dirigé par Saunders et Brown) :

« Il y a de nombreux états du vide qui seraient difficilement interprétables en concevant l’espace comme « vide ». Un champ quantique a toujours une énergie de base résiduelle non nulle (…) activité résiduelle qui se maintient en l’absence d’excitations du vide sous formes de quanta, activité qui se manifeste dans les expériences. Si nous considérons le champ électromagnétique, par exemple, alors les fluctuations de celui-ci peuvent être interprétées comme des créations et annihilations spontanées de photons virtuels, ou de couples virtuels de particule/antiparticule (polarisation du vide). Quand le champ électromagnétique est en interaction, disons avec un électron (ou avec toute particule ou champ), la polarisation du vide peut produire des changements observables, comme ceux de la structure hyperfine de l’hydrogène (dédoublement des raies appelé effet Lamb shift). Dans la physique des particules, la notion d’état du vide joue un rôle croissant. Il y a plusieurs états du vide, avec notamment les notions de « faux vide », d’effet tunnel d’un état du vide à un autre (Coleman, 1977), d’états particuliers du vide (Emch, 1972), etc. (…) Mon opinion est que ces états du vide qui sont des niveaux de base se fondent sur une sorte de structure de niveau inférieur qui joue un rôle dans la structure inertielle de l’espace-temps (…) Ce qui apparaît du vide pour un observateur peut apparaître comme de la matière pour un observateur accéléré. »

David Finkelstein dans « La philosophie du vide » (ouvrage collectif dirigé par Saunders et Brown) :

« Aujourd’hui, le vide est reconnu comme un milieu physique riche, sujet de transitions de phase, et dont la symétrie brisée par les fluctuations du vide qui ne s’éteignent pas sont à la base des propriétés de magnétisme qui sous-tendent l’émission, la propagation et l’absorption des particules. »

D. W. Sciama dans « The philosophy of vaccum » :

« Un électron, qu’il soit libre ou lié, est toujours le sujet de forces stochastiques produites par les fluctuations du vide dans le champ électromagnétique, et il en résulte qu’il exécute un mouvement brownien. (…) le fameux Lambshift entre les énergies des électrons s et p de l’atome d’hydrogène. Welton (1948) montra que le shift provenait d’effets induits par le mouvement brownien. (…) Si un atome est dans un état excité, on peut s’attendre à ce qu’il subisse une transition vers un état fondamental, en émettant en même temps un ou plusieurs quanta de radiation. (…) L’atome qui est à son état fondamental y est maintenu en émettant et recevant continuellement des radiations d’énergie de la part des fluctuations du champ électromagnétique du vide (…) De ce point de vue, l’atome d’hydrogène a un état stable de base qui fait que l’électron ne tombe pas sur le proton seulement parce qu’il pompe de l’énergie du champ électromagnétique du vide. (…) Nous devrions considérer le Lamb Shift et la chute spontanée de l’atome vers son état de base comme une manifestation des fluctuations du vide. »

Michel Cassé dans « Dictionnaire de l’ignorance » :

« 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. »

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

« 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.(…) 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 ! »

Michel Cassé, « Du vide et de l’éternité » :

« Des particules, électrons et positons par exemple, sont constamment créées par paires lorsque l’énergie des fluctuations du champ électromagnétique dépasse le seuil fatidique de deux fois 511 keV, correspondant à la masse de ces particules légères et délicates. Mais elles s’annihilent et retournent au vide au bout de dix puissance moins vingt et une seconde en se donnant le baiser de la mort. Mais si, avant cela, le couple est séparé, alors les membres disjoints de la paire « virtuelle » sont, pour ainsi dire, « réalisés »…La constante cosmologique se décompose en deux parties, classique (ou « nue ») et quantique. La première est liée à la densité d’énergie des champs dans l’état de vide (vacuum expectation values), la seconde aux fluctuations du vide, et donc à l’énergie de point zéro des champs. »

Edgar Gunzig dans « L’homme devant l’incertain » (ouvrage collectif dirigé par Ilya Prigogine) :

« Les champs quantiques, eux, sont les entités ontologiques de la théorie quantique des champs, et ce sont eux qui sont inexpugnables. 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… Celle-ci s’exprimant par des fluctuations spontanées et chaotiques de l’amplitude du champ autour de la valeur classique nulle : les fluctuations quantiques du vide. Ce sont ces fluctuations qui sont porteuses de l’énergie qui caractérise ce niveau fondamental d’énergie non nulle. 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 produits. Mais, comme rien ne se perd ni ne se gagne, il faut donc pour cela inévitablement injecter dans le champ cette énergie de l’extérieur, en provenance d’une source externe. Il en résulte que l’absence de source extérieure interdit la possibilité d’exciter un champ quantique et, par conséquent, la production de particules. Seul l’Univers, qui est par définition sans extérieur puisque tout événement imaginable lui appartient, déjoue cette inévitabilité puisqu’il possède en lui-même son propre réservoir énergétique dans lequel il peut s’auto-alimenter : sa géométrie ! »

Basarab Nicolescu dans « Nous, la particule et le Monde » :

« Le Vide quantique - un vide “plein” : (...) Quand nous pénétrons dans une région de plus en plus petite de l’espace nous découvrons une activité de plus en plus grande, signe d’un perpétuel mouvement. La clef de la compréhension de cette situation paradoxale est fournie à nouveau par le principe d’incertitude de Heisenberg. Une toute petite région de l’espace correspond, par définition, à un temps très court et donc, conformément au principe de Heisenberg, à un spectre très large d’énergies. Par conséquent, pour des intervalles de temps très courts, la loi de conservation d’énergie peut être violée : tout se passe comme si les quantas de matière sont créées à partir de rien. Plus précisément, les “fluctuations quantiques” du vide déterminent l’apparition soudaine de paires particules-antiparticules “virtuelles” qui s’annihilent ensuite réciproquement, ce processus ayant lieu dans des intervalles de temps très courts. »

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. »

« Au cœur de la matière » de Maurice Jacob :

L’énergie du système pour lequel on a atteint le vide est par définition nulle mais cela correspond à une valeur moyenne qui n’est bien définie que sur un temps assez long. Si nous observons durant un temps très court, la valeur de l’énergie va nous sembler fluctuer avec une marge de variations d’autant plus grande que le temps d’observation sera bref. Il s’agit là d’une propriété quantique qui nous est maintenant familière. On sait que l’incertitude qu’il faut admettre sur l’énergie, multipliée par le temps nécessaire à l’observation effectuée, est au moins de l’ordre de la constante de Planck. Plus le temps d’observation est bref, plus les fluctuations possibles de l’énergie sont élevées. La constante de Planck ayant une valeur pratiquement nulle quand elle est exprimée à l’aide d’unités de temps et d’énergie propres à l’échelle humaine, ces fluctuations quantiques sont invisibles à notre échelle mais ce n’est plus le cas pour des unités de temps et d’énergie à l’échelle de la physique des particules. Les fluctuations quantiques deviennent omniprésentes… Si le temps d’observation est de l’ordre de dix puissance moins vingt-une seconde, une fluctuation de 1 MeV est fort probable. Nous pouvons donc trouver une paire électron-positron apparaissant à partir de rien pour s’évanouir ensuite car son énergie de masse est en effet de l’ordre de 1 MeV. Si le temps d’observation accordé n’est maintenant que de l’ordre de dix puissance moins vingt-quatre seconde, le vide nous semble bouillonner avec un grand nombre de paires électron-positron se formant et s’annihilant sans cesse, en absorbant ou en donnant des photons, mais des pions, comme si les interactions fortes s’étaient elles aussi réveillées. Il suffit en effet de 300 MeV pour créer une paire de pions globalement neutre, un pi plus et un pi moins et, avec une échelle de temps de dix puissance moins vingt-quatre seconde, une fluctuation d’énergie de l’ordre de 1 GeV est fort probable. Descendons encore par un facteur deux dans l’intervalle de temps permis. Nous voyons apparaître des paires proton-antiproton. Allons jusqu’à dix puissance moins vingt-six secondes et des W et des Z apparaissent. Les interactions faibles jouent maintenant à fond. Nous voyons que, même si tout semble étrangement calme à l’échelle humaine, toute la physique est présente dans le vide. Il garde en mémoire toutes les lois de la physique de sorte que l’on peut dire de façon imagée que ce néant contient l’être de façon potentielle… Le vide du modèle standard ressemble maintenant à un supraconducteur, et de deux façons différentes ! (...) Un supraconducteur est un corps – souvent en pratique un alliage comme le neobium-titane – qui a la propriété remarquable de conduire l’électricité sans résistance quand la température est assez basse, soit inférieure dans ce cas à quelques degrés absolus. Le mécanisme d’origine quantique est aujourd’hui bien connu. Les électrons quasi libres du métal devraient se repousser mutuellement ayant tous la même charge négative. Ils sont cependant attirés par les noyaux de la structure métallique et cela donne lieu à une force d’attraction effective pour des paires d’électrons de vitesses opposées tant que les vibrations thermiques de la structure restent très faibles, comme c’est le cas à basse température. Les paires d’électrons d’impulsion globale nulle résultant de cette attraction se comportent comme des bosons puisqu’elles contiennent chacune deux fermions. Elles peuvent donc toutes tomber dans le même état quantique d’énergie la plus basse et cet état comportant un grand nombre de quanta, peut alors être décrit par la présence d’un champ baignant l’ensemble du métal. A très basse température, le métal supraconducteur se trouve ainsi rempli par ce champ. Il ne faut pas imaginer ces paires comme des électrons liés l’un à l’autre et très voisins dans l’espace. Elles ont une extension appréciable se recouvrant largement dans l’espace… Le supraconducteur devient opaque à un champ magnétique car le champ magnétique associé à ces photons massifs ne peut pénétrer qu’à très faible profondeur…. Eliminons toute l’énergie d’un supraconducteur en abaissant sa température jusqu’au zéro absolu. On peut dire que l’on obtient ainsi l’état de vide, défini comme l’état d’énergie la plus basse possible pour le système constitué par ce supraconducteur qui garde quand même sa structure métallique… Le vide n’est pas unique ! Il y a plusieurs états de vide minimisant tous de la même façon l’énergie du système… Lorsque nous essayons de tout éliminer, même les atomes, pour atteindre un vide total, un champ analogue à celui que nous rencontrons dans un supraconducteur ou dans un aimant peut subsister. L’état d’énergie le plus bas peut être associé à un champ dont la valur moyenne n’est pas nulle. Il ne s’agit plus des champs fluctuants associés au « bouillonnement » quantique du vide, dont les valeurs moyennes sont toutes nulles, mais d’un champ dont la valeur n’est pas nulle, bien visible même lors d’une observation de longue durée. Ce champ peut prendre a priori différentes configurations pour la même valeur minimisée de l’énergie mais l’une d’entre elles se trouve choisie et le vide manifeste ainsi une certaine structure que traduit cette valeur particulière. On perd une symétrie telle qu’elle se manifestait clairement à haute température dans les exemples de la supraconductivité et de l’aimant. Avec une telle structure, le vide répond de façon biaisée à la présence de particules. (…) La structure du vide peut être décrite par la présence d’un champ dont la valeur moyenne n’est pas nulle et la symétrie primordiale se trouve brisée en choisissant un vide parmi tous ceux qui sont énergétiquement équivalents car minimisant tous l’énergie. Le vide de la théorie électrofaible se comporte comme un supraconducteur et l’on retrouve les mêmes grandes propriétés mais pour un vide total cette fois, sans corps solide ! (…) Le champ de Higgs est introduit « en plus », dans une théorie qui ne semblait pas le réclamer, alors que dans le cas de la supraconductivité, il est en principe prédictible à partir de l’électrodynamique et de la structure du solide. Les particules interagissent avec le champ de Higgs. Le W et le Z, qui ont au départ une masse nulle, vont apparaître avec une masse, tout comme un photon semble massif dans un supraconducteur. Nous ne pouvons pas nous passer du vide, c’est grâce à sa complexité que les W et les Z vont être massifs. C’est aussi grâce à cette complexité que des particules au départ sans masse, comme l’électron, apparaissent avec une masse. Des interactions à longue portée (échanges de particules sans masse) se trouvent transformées en interactions à très courtes portées (échange de particules très massives). Ces phénomènes qui se trouvent être en parfait accord avec l’expérience dépendent de la structure de la théorie mais aussi de celle du vide, celui-ci se comportant comme un supraconducteur. Nous savons reproduire cette dynamique à l’aide du champ de Higgs mais nous ne comprenons pas encore pourquoi les choses sont ainsi. (…) L’analogie supraconductrice présentée dans le cadre de la théorie électrofaible s’applique aussi au vide de la chromodynamique qui représente l’autre voler du modèle standard. (…) Le vide est opaque à la couleur tout comme un supraconducteur l’est à un champ magnétique… Les particules hadroniques (baryons et mésons) apparaissent comme des petites bulles dans le vide. Elles comportent selon le cas trois quarks ou un quark et un antiquark. Ils s’individualisent à très courte distance avec leurs différentes couleurs mais ils donnent globalement dans chaque cas un ensemble blanc à l’échelle de la particule dont la taille correspond à la distance de pénétration acceptable dans le vide, qui est de l’ordre du fermi soit tant que le couplage effectif entre quarks n’est pas trop fort. Tout cela définit de façon cohérente l’ordre de grandeur de la taille et de la masse des hadrons, un rayon de l’ordre du fermi et une masse de l’ordre du GeV. Si l’on augmente la taille de la bulle, on augmente l’énergie qu’elle contient et donc la masse de la particule. Elle devient vite instable en donnant des particules moins massives associées à des bulles plus petites. (…) Tout se passe comme si le vide s’était figé dans des états particuliers au cours de plusieurs changements de phase successifs au début de l’Univers. »

François Dubois :

« Les relations d’incertitude de Heisenberg montrent qu’on ne peut mesurer avec une précision arbitraire à la fois la position et l’impulsion d’un objet quantique. Une conséquence fondamentale est que l’équilibre statique, l’immobilisme est impossible aux petites échelles de la Nature. Le quantum d’action, la constante h proposée par Planck dès la fin du dix-neuvième siècle, est toujours présente pour mesurer l’incertitude fondamentale entre la position et la vitesse, même pour les états les plus stables. Il introduit des fluctuations permanentes, des mouvements infinitésimaux nécessaires, qui rendent une évolution toujours potentielle. »

Basarab Nicolescu, « La vallée de l’étonnement- Le monde Quantique » :

« Dans le monde quantique, le vide est littéralement plein… Plein de vibrations qui sont déterminées par des lois précises, et vérifiées du point de vue expérimental, dans leur précision extrême, comme conséquence de ces lois quantiques. Ce vide vibre de telle manière qu’il y a, par des lois quantiques comme par exemple l’existence de la matière et de l’antimatière, la création et l’annihilation perpétuelle de paires de particules, dites virtuelles -virtuelles dans le sens qu’elles ne sont pas encore tirées de ce vide quantique à la réalité, c’est à dire les "voir" dans les accélérateurs de particules. Évidemment, dans les plus petites régions de l’espace il y a une activité qui dépasse toute imagination possible. Des déplacements, des vitesses, incomparables a celles auxquelles nous sommes habitués dans notre monde " à nous". Une continuelle création et annihilation de la matière et de l’antimatière, une continuelle création de ces particules qui attendent, en quelque sorte, de passer à la réalité. Et comment passer à la réalité, et bien, en fournissant de l’énergie a ce vide quantique ; c’est ce que l’on fait par les accélérateurs de particules. Il y a même plus que cela, dans ces fluctuations aléatoires, ce n’est pas du tout une danse hystérique, c’est tout à fait une danse harmonieuse. Il y a une harmonie, qui là aussi atteint les dimensions poétiques, qui fait que ces fluctuations du vide contiennent potentiellement en elles tout l’univers. »

Le physicien Hal Putoff, parlant du champ du point zéro, le champ quantique universel :

« On peut donc mathématiquement démontrer que les électrons perdent et gagnent constamment de l’énergie du champ du point zéro et maintiennent un équilibre dynamique dans une orbite précisément équilibrée. Les électrons puisent cette énergie pour rester en mouvement sans ralentir, faisant le plein en captant l’énergie des fluctuations du vide spatial. Autrement dit, le champ du point zéro explique la stabilité de l’atome d’hydrogène et, par déduction, celle de toute matière. »

Marc-Thierry Jaeckel, Astrid Lambrecht et Serge Reynaud dans « relativité du mouvement dans le vide », texte tiré de l’ouvrage collectif « Le vide » :

« L’existence des fluctuations quantiques joue un rôle central dans la description moderne de la structure de la matière. »

Ilya Prigogine et Isabelle Sengers dans « La fin des certitudes » :

« Au cours des dernières décennies, une nouvelle science est née, la physique des processus de non-équilibre. Cette science a conduit à des concepts nouveaux tels que l’auto-organisation et les structures dissipatives qui sont aujourd’hui largement utilisés dans des domaines qui vont de la cosmologie jusqu’à l’écologie et aux sciences sociales, en passant par chimie et la biologie. La physique de non-équilibre étudie les processus dissipatifs, caractérisés par un temps unidirectionnel, et ce faisant elle confère une nouvelle signification à l’irréversibilité.... L’irréversibilité ne peut plus être attribuée à une simple apparence qui disparaîtrait si nous accédions à une connaissance parfaite. Elle est une condition essentielle de comportements cohérents de milliards de milliards de molécules. Selon une formule que j’aime a répéter, la matière est aveugle à l’équilibre là où la flèche du temps ne se manifeste pas ; mais lorsque celle-ci se manifeste, loin de l’équilibre, la matière commence à voir ! Sans la cohérence des processus irréversibles de non-équilibre, l’apparition de la vie sur la Terre serait inconcevable... Alors que à l’équilibre et près de l’équilibre, les lois de la nature sont universelles, loin de l’équilibre elles deviennent spécifiques, elles dépendent du type de processus irréversibles. Cette observation est conforme à la variété des comportements de la matière que nous observons autour de nous. Loin de l’équilibre, la matière acquiert de nouvelles propriétés où les fluctuations, les instabilités jouent un rôle essentiel : la matière devient active. »

Les fluctuations quantiques du vide converties en photons réels

Mécanique quantique et fluctuations du vide

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