Le vide quantique

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Les fluctuations quantiques

Simulation du vide quantique apparition/disparition de particules. École Polytechnique
Centre de mathématiques appliquées

Le vide est continuellement le siège de fluctuations quantiques à l’échelle microscopique.
Le vide quantique occupe l’ensemble de l’Univers. Il possède une énergie présente en tout point de l’espace, « l’énergie du vide ».
Cette énergie fluctue autour de sa valeur moyenne avec une relation liant le temps et l’énergie selon le principe d’indétermination d’Heisenberg.

ΔE . Δt ≥ h /2
(h est la constante de Planck réduite)

La variation d’énergie dans un intervalle de temps ne peut pas être nulle. Cette inégalité montre également que l’énergie d’un système est inversement proportionnelle à la durée de la mesure effectuée.

ΔE ≥ h /2 . Δt
Le temps doit être le plus petit possible
pour obtenir l’énergie la plus grande possible.

 

En réalité, le vide quantique étant assimilé à un champ quantique (en théorie quantique des champs), cette « création d’énergie » n’est autre qu’une très brève variation locale du niveau d’énergie du champ.

Cela n’entre donc pas en contradiction avec le principe de conservation de l’énergie. Pendant un laps de temps très court, de l’énergie est empruntée puis restituée au vide. Avec la relativité restreinte, Albert Einstein a introduit la relation donnant l’équivalence masse-énergie :

E= mc2

Ainsi, les fluctuations d’énergie du vide peuvent donc correspondre à l’existence de particules massives.

Théorie quantique des champs

Cours de Richard Feynman au Caltech

En théorie quantique des champs (mécanique quantique appliquée dans le cadre de la relativité restreinte), les fluctuations quantiques donnent lieu à l’apparition spontanée de paires particule-antiparticule virtuelles qui disparaissent presque aussitôt en s’annihilant.
Ces particules sont dites « virtuelles » car leur durée de vie est extrêmement brève.

Le vide quantique peut donc prêter de l’énergie aux particules virtuelles qu’il contient à la stricte condition qu’elles lui restituent très rapidement le montant de l’emprunt.
« très rapidement», signifie ici «en moins de 10-21 seconde».

En vertu de ce contrat drastique, des particules virtuelles peuvent surgir du vide quantique en devenant réelles, mais avec l’obligation d’y retourner presque aussitôt pour rembourser leur dette énergétique en s’annihilant presque.
Le vide quantique est donc animé de paires de particules virtuelles apparaissant et disparaissant continuellement.

Le vide est en effet dominé par des fluctuations quantiques du champ électromagnétique à l’échelle d’énergie du monde atomique, bien qu’en réalité des fluctuations quantiques de tous les champs de particules élémentaires doivent être prises en compte pour évaluer précisément son état et que la gravitation quantique ait des effets dominants aux échelles de la longueur et de l’énergie de Planck.

Le vide quantique est le point zéro de l’énergie de tous les champs qui se propagent dans l’espace
(champ électromagnétique, champ de Higgs…)

LHC et le vide quantique

Le vide n’est donc pas l’espace vide : Il est un espace habité, impossible à vider tout à fait. Il apparaît empli de ce qu’on pourrait appeler de la « matière fatiguée », constituée de particules bel et bien présentes mais n’existant pas réellement. Ce sont des sortes de fantômes, agités, certes, mais qui ne possèdent pas assez d’énergie pour pouvoir vraiment se matérialiser.

Pour les faire exister vraiment, il est nécessaire de leur donner l’énergie qui manque à leur pleine incarnation. Leur « énergie de masse », dirait Einstein, c’est-à-dire mc2

Un moyen efficace pour extraire les particules du vide quantique est de faire entrer en collision, au-dessus de leur tête, deux particules de haute énergie. Celles-ci offrent alors gratuitement leur énergie au vide et, du coup, certaines particules virtuelles deviennent réelles et s’extraient du vide quantique avec une énergie plus ou moins élevée.

En provoquant la collision de protons de très haute énergie, le Large Hadron Collider (LHC) permet d’extirper du vide quantique des particules virtuelles, comme, en 2012, le boson de Higgs.

Le LHC sonde le vide quantique en l’excitant.

Le rayonnement de Hawking

Les trous noirs s’évaporent et ils ne sont en fait pas totalement noirs. Selon la théorie développée par Stephen Hawking, ils seraient légèrement luisants et constamment en train d’émettre des particules d’intensité faible depuis leur surface. Il s’agit du rayonnement de Hawking, prédit par le physicien en 1975 dans le cadre de l’un de ses plus importants travaux.

Comme nous venons de le voir, la théorie quantique des champs explique l’existence des fluctuations du vide. C’est à dire, l’existence de paires particule-antiparticule qui sont en permanence générées par le vide.

Le diagramme espace-temps, démontre le principe du rayonnement Hawking. L’on constate tout de suite que les éléments essentiels sont issus d’un phénomène particule-antiparticule. Les particules apparaissent avant de s’annihiler entre elles.

Le vide quantique variant sans cesse, comme on peut le voir sur le schéma, il arrive que l’une des particules se fasse « aspirer » par le trou noir lorsqu’elle s’approche suffisamment de son horizon des événements. Le phénomène à l’origine de la séparation des paires de particules est appelé “force de marée”.

Ce rayonnement est en réalité d’une intensité extrêmement faible et varie selon le type de trou noir. Il est le plus faible pour les trous noirs dits super-massifs ou intermédiaires et plus important pour ceux issus de l’évolution stellaire. À l’heure actuelle, il est impossible de prouver directement ce rayonnement par l’observation.

Une telle observation pourrait potentiellement être réalisée dans le cadre d’expérimentations rendues possibles par le biais d’accélérateurs de particules. En effet, ces “trous noirs primordiaux” ainsi générés, comme tel a théoriquement été le cas lors du Big Bang, pourraient être produits au LHC.

Les fluctuations quantiques sont-elles une réalité physique ?

En 1948 le physicien néerlandais Hendrik Casimir réalise que lorsque deux plaques conductrices (miroirs) sont en face l’une de l’autre dans le vide, les fluctuations du vide vont exercer sur elles une pression de radiation.

L’effet Casimir

En moyenne, la pression externe est supérieure à la pression interne. Les deux miroirs sont donc attirés mutuellement par ce que l’on appelle la force de Casimir.
C’est la force F qui est proportionnelle à A/d4, où A est la surface des miroirs et d la distance qui les sépare.

Ce sont les fluctuations quantiques du champ électromagnétique qui sont à l’œuvre dans ce phénomène. Les fluctuations correspondent à des particules virtuelles ; dans le cas du champ électromagnétique, il s’agit donc de photons virtuels caractérisés par leur longueur d’onde.

Entre les deux plaques conductrices, seuls les photons dont la longueur d’onde est inférieure à la distance séparant les deux plaques peuvent exister.

La somme des photons virtuels entre les deux plaques est nécessairement inférieure à la somme des photons virtuels à l’extérieur des plaques (qui, eux, n’ont aucune contrainte de longueur d’onde pour exister). Les photons virtuels extérieurs étant plus nombreux, ils exercent une pression de radiation externe supérieure à la pression interne, créant ainsi une force rapprochant les deux plaques.