Pourquoi le vide quantique est la base de toute formation et de toute compréhension de la matière ?
14 février 2019, 10:45
Simon Saunders, Introduction de « La philosophie du vide » (1991) :
« Selon Aristote, « le vide » est « le vide » ; il est « espace de corps du corps ». Qu’est-ce que « l’espace » et le « corps » ? Nous avons à la fois deux des thèmes centraux de la métaphysique : le concept de vide parasite le concept d’espace et le concept de substance. Le plus important de tous, cela repose sur la distinction entre les deux… Les principes fondamentaux de l’atomiste étaient sûrement corrects : dans un certain sens, le monde est atomiste. Dans un certain sens, il est donc possible de distinguer la matière du vide. Ce qui semble indéniable, cependant, c’est que, dans l’état actuel de la physique théorique, cette notion d’existence comporte de nombreux niveaux. Certaines entités - particules - existent catégoriquement. D’autres - particules virtuelles, énergie, fluctuations - existent dans un sens, peut-être dans un sens relatif (différences d’énergie, etc.). D’autres - particules d’énergie négative, quanta de Rindler, fonctions d’onde - n’existent peut-être pas. De même, le concept d’espace comporte des niveaux : il y a le multiple ; il existe une topologie et une structure différentiable ; lorsque nous ajoutons une structure affine et une métrique, il existe une géométrie. Si le vide est le moindre qui existe, où dans notre catalogue de réalités l’objet le moins et le plus simple ? (…) L’espace vide, quel qu’il soit, contrôle maintenant la dynamique des corps matériels. Il joue un rôle dynamique dans l’organisation de la matière, car lorsque nous considérons l’électromagnétisme, il semble que la matière et les relations fonctionnelles entre particules de matière ne puissent pas faire le travail par elles-mêmes. Bien entendu, l’espace peut aussi être considéré comme un principe d’organisation appliqué à la matière. Le vide est à la causalité ce que l’espace est aux relations géométriques. (…) Qu’en est-il du concept de vide aujourd’hui ? Relativité et théorie quantique définissent respectivement ce qui doit être compté comme espace "vide" ... Le vide de la théorie quantique non relativiste du champ ne présente pas de fluctuations de point zéro, en ce sens qu’il n’y a pas de combinaisons linéaires du champ (ou son conjugué canonique) peut être considéré comme observable (sous peine de violer la supersélection massive) ; les relations d’incertitude entre les domaines peuvent être considérées comme purement mathématiques et dépourvues de signification physique… Dans la théorie relativiste, la situation est tellement difficile que, sympathisant avec l’approche radicale, Basil Hiley et David Finfelstein en particulier abandonnent le point de départ traditionnel de la variété espace-temps continue. Non seulement ces auteurs en sont-ils arrivés à la même conclusion quant à ce qui doit être abandonné dans la théorie conventionnelle, mais ils adoptent des stratégies similaires : il doit exister un objet antérieur à l’espace - le « pré-espace » dans le langage de Hiley, « causal ». réseaux »selon Finkelstein - et dans les deux cas, cet objet est une structure algébrique. De plus, les idées de Grassman ont une influence importante… En fait, Hiley et Finkelstein partent de positions diamétralement opposées ; Hiley s’intéresse à la théorie des variables cachées, Finkelstein à l’extension des principes quantiques aux catégories mathématiques les plus élémentaires. Cependant, dans cette entreprise, c’est Finkelstein qui maintient le principe de localité au niveau fondamental, car il est intégré au concept de « réseau causal »… Ce qui anime le programme Finkelstein est avant tout la demande d’une théorie localement « finie » . (…) Il semble que le vide ne soit pas nécessairement porteur de relations spatiales et temporelles. Doit-il être défini en termes d’espace-temps, même dans un espace-temps dépourvu de structure métrique ? Atiyah et Braam font du vide quelque chose de superficiellement plus simple, car indépendant de la métrique ; mais la structure physique de l’espace-temps est rendue plus complexe, car la topologie est également soumise à la loi quantique. Mais est-il nécessaire que le vide soit associé à la variété espace-temps ? Il y a la tentation d’une retraite logique, que le concept de « néant », « le vide », décrive ce qui est vide d’espace et de temps, avec tous les autres objets physiques. En effet, ce n’est que la possibilité offerte par un univers fermé ; Le « néant absolu » est ce qui n’est pas dans l’univers, c’est ce qui n’a aucune propriété physique. (…) Les sources des champs de forces sont peut-être des structures topologiques, mais à ce jour, aucune théorie de ce type ne peut prétendre à un succès empirique (écrit en 1991). Ian Aitchinson, au contraire, part de la théorie phénoménologique, qui est le modèle standard et de la distinction fondamentale entre force et matière. Dans l’article « Le vide et l’unification », nous voyons le vide dans toute sa splendeur. La cohérence et la variété des phénomènes et concepts actuellement exploités dans le modèle standard sont décevantes. Le vide qui s’en dégage est riche ; tour à tour un ferromagnétique, un diélectrique, un supraconducteur et une phase thermodynamique. Ce vide rappelle de plus en plus l’éther. En effet, Aitchinsons est heureux d’établir des parallèles entre l’éther du XIXe siècle et le grand vide unifié. (…) L’analyse de la fluctuation du point zéro due à Sciama dans l’article intitulé « L’importance physique du champ de vide » illustre également une méthodologie. Ces fluctuations fournissent une puissante heuristique et, même si bon nombre des phénomènes décrits par Sciama peuvent être interprétés autrement, ils sont rarement décrits de manière plus simple ou intuitive. De plus, les fluctuations du point zéro, contrairement aux valeurs d’attente de vide non nul des champs de Higgs et de Goldstone considérées par Aitchinson, semblent découler des principes de base de la théorie quantique. Mais comme le dit clairement Sciama, les implications cosmologiques sont d’autant plus pressantes ; si les fluctuations sont une réalité, il en va de même pour la densité d’énergie associée. Mais cette densité d’énergie est infinie. Il ne semble pas possible d’éliminer cette difficulté en faisant appel à la philosophie conventionnelle de renormalisation, où les infinis écartés sont considérés comme un symptôme de l’incomplétude de la théorie. J’ai souligné une difficulté de l’approche de Sciama, permettez-moi également de mentionner un succès important. L’existence d’une distribution de particules non nulle dans le vide de Minkowski, telle que décrite par un observateur en accélération dans un système de coordonnées « approprié », est un trait remarquable et dérangeant de la théorie quantique relativiste. Faut-il en conclure que le concept de particule dépend de l’observateur ? Qu’en est-il de l’énergie associée à une telle distribution de particules ? Le modèle idéalisé d’Unruh d’un détecteur de particules en accélération montre en outre que de telles particules (les soi-disant quanta de Rindler) devraient être détectables de manière expérimentale. (…) ”
« La mer à énergie négative », Simon Saunders :
« En mécanique quantique élémentaire, le vide est très simple. c’est l’analogue quantique du vide newtonien. Dans le vide, non seulement il n’y a pas de particules, mais il n’y a pas de théorie. Il n’y a pas d’espace de Hilbert, il n’y a pas d’évolution temporelle, on ne peut pas écrire les équations de Dowen pour ce vide. Le concept de vide (par opposition aux concepts d’espace et de temps) ne peut être décrit que de manière informelle. Nous avons la même situation en mécanique classique des particules. Mais dans la théorie quantique des champs (y compris dans la mécanique du continuum et la théorie classique des champs), le vide est modélisé dans les mathématiques.) L’idée de « vide » est relativisée au contenu observable de la théorie, qu’il s’agisse d’états de médium, d’excitations de un champ ou un nombre de particules. En électrodynamique quantique, malgré l’aspect champ, le vide n’est pas défini comme un champ de valeur zéro (il n’existe aucun état dans lequel tous les champs ont une valeur propre égale à zéro), encore moins comme une fonction d’onde de valeur zéro (qui n’est même pas une état), mais plutôt en termes d’absence de particules. Le vide canonique est l’état de vide. On pourrait penser que ce concept de vide est essentiellement unique et presque aussi simple que dans la théorie élémentaire. Chaque particule observable a la valeur zéro avec une probabilité un. Néanmoins, il existe des opérateurs auto-adjoints pour lesquels ce n’est pas le cas, par exemple certaines combinaisons des champs quantiques. Du point de vue de ces opérateurs, le vide n’est pas du tout anodin. Les propriétés du vide ainsi choisies peuvent toujours être interprétées en termes particulaires (presque entièrement dans la théorie des perturbations) et il existe un lien direct avec l’image du champ quantique en tant que collection d’oscillateurs harmoniques (énergie du point zéro) ; mais il me semble qu’un problème plus immédiat est de comprendre pourquoi de tels opérateurs apparaissent dans la mécanique des particules. En particulier, on veut comprendre comment, dans la théorie de Dirac, même des observables de particules bien définies doivent obligatoirement avoir des valeurs d’attente de vide non nulles (et en fait infinies). Il y a un problème plus général. Comme je l’ai indiqué, le vide de Dirac introduit dans son sillage les concepts d’antimatière et de processus de création et d’annihilation de paires. Celles-ci transforment la théorie quantique en un édifice d’une expressivité phénoménologique remarquable et d’une réelle complexité mathématique. "
Simon Saunders, Introduction de « La philosophie du vide » (1991) :
« Selon Aristote, « le vide » est « le vide » ; il est « espace de corps du corps ». Qu’est-ce que « l’espace » et le « corps » ? Nous avons à la fois deux des thèmes centraux de la métaphysique : le concept de vide parasite le concept d’espace et le concept de substance. Le plus important de tous, cela repose sur la distinction entre les deux… Les principes fondamentaux de l’atomiste étaient sûrement corrects : dans un certain sens, le monde est atomiste. Dans un certain sens, il est donc possible de distinguer la matière du vide. Ce qui semble indéniable, cependant, c’est que, dans l’état actuel de la physique théorique, cette notion d’existence comporte de nombreux niveaux. Certaines entités - particules - existent catégoriquement. D’autres - particules virtuelles, énergie, fluctuations - existent dans un sens, peut-être dans un sens relatif (différences d’énergie, etc.). D’autres - particules d’énergie négative, quanta de Rindler, fonctions d’onde - n’existent peut-être pas. De même, le concept d’espace comporte des niveaux : il y a le multiple ; il existe une topologie et une structure différentiable ; lorsque nous ajoutons une structure affine et une métrique, il existe une géométrie. Si le vide est le moindre qui existe, où dans notre catalogue de réalités l’objet le moins et le plus simple ? (…) L’espace vide, quel qu’il soit, contrôle maintenant la dynamique des corps matériels. Il joue un rôle dynamique dans l’organisation de la matière, car lorsque nous considérons l’électromagnétisme, il semble que la matière et les relations fonctionnelles entre particules de matière ne puissent pas faire le travail par elles-mêmes. Bien entendu, l’espace peut aussi être considéré comme un principe d’organisation appliqué à la matière. Le vide est à la causalité ce que l’espace est aux relations géométriques. (…) Qu’en est-il du concept de vide aujourd’hui ? Relativité et théorie quantique définissent respectivement ce qui doit être compté comme espace "vide" ... Le vide de la théorie quantique non relativiste du champ ne présente pas de fluctuations de point zéro, en ce sens qu’il n’y a pas de combinaisons linéaires du champ (ou son conjugué canonique) peut être considéré comme observable (sous peine de violer la supersélection massive) ; les relations d’incertitude entre les domaines peuvent être considérées comme purement mathématiques et dépourvues de signification physique… Dans la théorie relativiste, la situation est tellement difficile que, sympathisant avec l’approche radicale, Basil Hiley et David Finfelstein en particulier abandonnent le point de départ traditionnel de la variété espace-temps continue. Non seulement ces auteurs en sont-ils arrivés à la même conclusion quant à ce qui doit être abandonné dans la théorie conventionnelle, mais ils adoptent des stratégies similaires : il doit exister un objet antérieur à l’espace - le « pré-espace » dans le langage de Hiley, « causal ». réseaux »selon Finkelstein - et dans les deux cas, cet objet est une structure algébrique. De plus, les idées de Grassman ont une influence importante… En fait, Hiley et Finkelstein partent de positions diamétralement opposées ; Hiley s’intéresse à la théorie des variables cachées, Finkelstein à l’extension des principes quantiques aux catégories mathématiques les plus élémentaires. Cependant, dans cette entreprise, c’est Finkelstein qui maintient le principe de localité au niveau fondamental, car il est intégré au concept de « réseau causal »… Ce qui anime le programme Finkelstein est avant tout la demande d’une théorie localement « finie » . (…) Il semble que le vide ne soit pas nécessairement porteur de relations spatiales et temporelles. Doit-il être défini en termes d’espace-temps, même dans un espace-temps dépourvu de structure métrique ? Atiyah et Braam font du vide quelque chose de superficiellement plus simple, car indépendant de la métrique ; mais la structure physique de l’espace-temps est rendue plus complexe, car la topologie est également soumise à la loi quantique. Mais est-il nécessaire que le vide soit associé à la variété espace-temps ? Il y a la tentation d’une retraite logique, que le concept de « néant », « le vide », décrive ce qui est vide d’espace et de temps, avec tous les autres objets physiques. En effet, ce n’est que la possibilité offerte par un univers fermé ; Le « néant absolu » est ce qui n’est pas dans l’univers, c’est ce qui n’a aucune propriété physique. (…) Les sources des champs de forces sont peut-être des structures topologiques, mais à ce jour, aucune théorie de ce type ne peut prétendre à un succès empirique (écrit en 1991). Ian Aitchinson, au contraire, part de la théorie phénoménologique, qui est le modèle standard et de la distinction fondamentale entre force et matière. Dans l’article « Le vide et l’unification », nous voyons le vide dans toute sa splendeur. La cohérence et la variété des phénomènes et concepts actuellement exploités dans le modèle standard sont décevantes. Le vide qui s’en dégage est riche ; tour à tour un ferromagnétique, un diélectrique, un supraconducteur et une phase thermodynamique. Ce vide rappelle de plus en plus l’éther. En effet, Aitchinsons est heureux d’établir des parallèles entre l’éther du XIXe siècle et le grand vide unifié. (…) L’analyse de la fluctuation du point zéro due à Sciama dans l’article intitulé « L’importance physique du champ de vide » illustre également une méthodologie. Ces fluctuations fournissent une puissante heuristique et, même si bon nombre des phénomènes décrits par Sciama peuvent être interprétés autrement, ils sont rarement décrits de manière plus simple ou intuitive. De plus, les fluctuations du point zéro, contrairement aux valeurs d’attente de vide non nul des champs de Higgs et de Goldstone considérées par Aitchinson, semblent découler des principes de base de la théorie quantique. Mais comme le dit clairement Sciama, les implications cosmologiques sont d’autant plus pressantes ; si les fluctuations sont une réalité, il en va de même pour la densité d’énergie associée. Mais cette densité d’énergie est infinie. Il ne semble pas possible d’éliminer cette difficulté en faisant appel à la philosophie conventionnelle de renormalisation, où les infinis écartés sont considérés comme un symptôme de l’incomplétude de la théorie. J’ai souligné une difficulté de l’approche de Sciama, permettez-moi également de mentionner un succès important. L’existence d’une distribution de particules non nulle dans le vide de Minkowski, telle que décrite par un observateur en accélération dans un système de coordonnées « approprié », est un trait remarquable et dérangeant de la théorie quantique relativiste. Faut-il en conclure que le concept de particule dépend de l’observateur ? Qu’en est-il de l’énergie associée à une telle distribution de particules ? Le modèle idéalisé d’Unruh d’un détecteur de particules en accélération montre en outre que de telles particules (les soi-disant quanta de Rindler) devraient être détectables de manière expérimentale. (…) ”
« La mer à énergie négative », Simon Saunders :
« En mécanique quantique élémentaire, le vide est très simple. c’est l’analogue quantique du vide newtonien. Dans le vide, non seulement il n’y a pas de particules, mais il n’y a pas de théorie. Il n’y a pas d’espace de Hilbert, il n’y a pas d’évolution temporelle, on ne peut pas écrire les équations de Dowen pour ce vide. Le concept de vide (par opposition aux concepts d’espace et de temps) ne peut être décrit que de manière informelle. Nous avons la même situation en mécanique classique des particules. Mais dans la théorie quantique des champs (y compris dans la mécanique du continuum et la théorie classique des champs), le vide est modélisé dans les mathématiques.) L’idée de « vide » est relativisée au contenu observable de la théorie, qu’il s’agisse d’états de médium, d’excitations de un champ ou un nombre de particules. En électrodynamique quantique, malgré l’aspect champ, le vide n’est pas défini comme un champ de valeur zéro (il n’existe aucun état dans lequel tous les champs ont une valeur propre égale à zéro), encore moins comme une fonction d’onde de valeur zéro (qui n’est même pas une état), mais plutôt en termes d’absence de particules. Le vide canonique est l’état de vide. On pourrait penser que ce concept de vide est essentiellement unique et presque aussi simple que dans la théorie élémentaire. Chaque particule observable a la valeur zéro avec une probabilité un. Néanmoins, il existe des opérateurs auto-adjoints pour lesquels ce n’est pas le cas, par exemple certaines combinaisons des champs quantiques. Du point de vue de ces opérateurs, le vide n’est pas du tout anodin. Les propriétés du vide ainsi choisies peuvent toujours être interprétées en termes particulaires (presque entièrement dans la théorie des perturbations) et il existe un lien direct avec l’image du champ quantique en tant que collection d’oscillateurs harmoniques (énergie du point zéro) ; mais il me semble qu’un problème plus immédiat est de comprendre pourquoi de tels opérateurs apparaissent dans la mécanique des particules. En particulier, on veut comprendre comment, dans la théorie de Dirac, même des observables de particules bien définies doivent obligatoirement avoir des valeurs d’attente de vide non nulles (et en fait infinies). Il y a un problème plus général. Comme je l’ai indiqué, le vide de Dirac introduit dans son sillage les concepts d’antimatière et de processus de création et d’annihilation de paires. Celles-ci transforment la théorie quantique en un édifice d’une expressivité phénoménologique remarquable et d’une réelle complexité mathématique. "