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Pourquoi le vide quantique est la base de toute formation et de toute compréhension de la matière ?

mardi 20 juin 2017, par Robert Paris

« Toute la physique est présente dans le vide. »

« Au cœur de la matière » de Maurice Jacob

Si on essayait de se donner une image du vide... ce serait déjà un univers agité où tout apparaît et disparaît... Oui, tout... Plutôt toutes les sortes de particules et d’antiparticules... Et tout cela se passe dans des temps tellement courts que nous ne percevons rien, d’autant que les énergies gagnées sont compensées par les énergies perdues... A notre échelle, c’est comme rien mais déjà, à l’échelle des particules, ce n’est pas rien puisque le vide les agite, les fait aussi apparaître et disparaître...

C’est l’agitation permanente du vide quantique qui agite les molécules...

C’est l’énergie du vide quantique qui pénètre le câble coaxial comme l’indique le vecteur de Poynting qui montre le sens du mouvement de l’énergie.

C’est la pression du vide qui repousse les deux plaques dans l’effet Casimir

Pourquoi le vide quantique est la base de toute formation et de toute compréhension de la matière ?

De plus en plus, la physique de la matière et de la lumière est amenée à raisonner celle-ci comme produit des propriétés du vide. Les propriétés des quanta de matière et de lumière sont des propriétés du vide. La masse et la charge sont des propriétés du vide. L’énergie noire, la matière noire eux-mêmes semblent être des propriétés du vide. Le vide n’est pas le rien mais seulement un minimum d’énergie mais ce minimum n’est pas sans structure ni sans champs ni sans propriétés. Le vide est fait de quanta éphémères (particules et antiparticules ainsi que photons dits virtuels) qui sont le fondement (en leur fournissant une énergie) des quanta réels de la matière et de la lumière. On trouve dans le vide quantique toutes les sortes de particules et toutes les propriétés de la physique.

Le plus extraodinaire, concernant le vide quantique, est sans doute le fait qu’il possède déjà toutes les propriétés de la matière et de la lumière, tout en les inhibant parfois, le fait qu’il soit aussi complexe, structuré, avec différents états, différents niveaux hiérarchiques d’organisation, que son temps n’obéisse pas à la flèche tournée vers le futur, qu’il soit capable de produire sans cesse une énergie sans fin.

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

« Aujourd’hui, l’inventaire énergétique de l’univers s’établit ainsi : vide 70% ; matière environ 30% (dont un maigre 4% de matière atomique) ; lumière, des poussières. La densité d’énergie du vide (c’est là sa propriété la plus remarquable) reste constante au cours de l’expansion. Encore une fois, le vide ne se dilue pas, alors que la densité de la matière ne peut que diminuer, et celle du rayonnement plus fortement encore… L’effet Casimir est habituellement défini comme la manifestation à notre échelle de l’énergie de point zéro du champ électromagnétique, synonyme de fluctuation quantique et d’énergie du vide. Son existence a été vérifiée expérimentalement par l’attraction de deux plaques métalliques parallèles dans le vide. Les particules de « grande « taille (c’est-à-dire les plus légères selon Compton) ne peuvent s’immiscer entre les plaques. Elles font défaut à la pression intérieure, et les plaques se rapprochent comme si elles étaient aimantées. Un autre phénomène révélateur est la polarisation du vide. Un proton et un électron ne s’attirent pas aussi franchement qu’on pourrait le penser en raison de l’interposition de paires électron-positon virtuelles orientées de façon que leur pôle plus (e+) soit face à l’électron, alors que le pôle moins (e-) lui tourne le dos. Retenez que chaque électron est environné d’un nuage de positons qui tend à masquer sa charge électrique personnelle. La notion de particule élémentaire ne l’est pas plus que cela. Le moindre quark ou électron est un être complexe entouré de toutes ses possibilités d’interaction avec les particules vacuelles. Bonne à tout faire de la physique des particules, le vide quantique agit dans l’ombre, loin des projecteurs. Considéré comme la condition la plus basse des champs, ou plus exactement comme l’état de plus bas étage de l’énergie du champ, il est mis à contribution pour confiner les quarks et les empêcher de s’échapper de la prison des protons et neutrons, pour couper en deux l’interaction électrofaible, et pour vêtir les particules d’un épais manteau vacuel qui minimise leur effet ou tout au contraire l’exalte, et ourdir ainsi la polarisation du vide. Les particules virtuelles/vacuelles, en effet, servent d’atténuateurs ou d’amplificateurs des forces, selon leur nature. La force électromagnétique diminue en fonction de la distance plus vite que prévu. L’interaction forte, tout au contraire, s’amplifie au point de venir rapidement insurmontable. Ainsi s’explique l’inséparabilité des trois quarks du proton. L’effet d’écran et d’anti-écran expliquent la variation d’intensité des forces en fonction de l’énergie (de la distance) à laquelle on les analyse. Ainsi le vide quantique n’est-il pas un néant rassurant, mais plutôt un milieu violent au creux duquel on devine des tempêtes, de minuscules genèses et de micro-fins des temps. 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 »… Outre son activité, le vide se singularise par sa multiplicité. Il y a autant de vides que de champs et particules, et parfois plusieurs vides par champ. Un vide électromagnétique/photonique, un vide électrofaible/de Higgs, un vide fort/gluonique. Le champ de Higgs dispose de deux vides symétriques… 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) :

« Comment comprendre ce phénomène étonnant d’émergence de particules à partir du vide ? Si le vide quantique est effectivement dépourvu de particules et ressemble en cela au vide intuitif de la théorie classique, il est néanmoins le siège d’une fébrilité inconnue en théorie classique. Le vide quantique ne représente en effet pas l’absence de matière mais, bien au contraire, un état particulier de celle-ci, celui d’énergie minimale. Si les particules sont bien les entités fondamentales de la théorie physique classique (et de la mécanique quantique non-relativiste), et, à ce titre, permanentes et inamovibles, les champs quantiques, eux, sont les entités ontologiques de la théorie quantique des champs, et ce sont eux qui sont 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 ! »

« Au cœur de la matière » de Maurice Jacob :

« Qu’est-ce que le vide ?

« La physique des particules a enrichi les vieux schémas et ouvert de nouvelles perspectives. La nature et la structure du vide sont même aujourd’hui des questions fondamentales. Qu’est-ce que le vide ? Intuitivement, le vide n’est-il pas « ce qui reste quand on a tout enlevé » ? On peut imaginer que tout puisse disparaître, laissant le néant. Que serait-ce ce néant ?

Il convient tout d’abord de préciser la nature de l’opérration consistant à « tout enlever ». Pour atteindre ce néant, il faut faire disparaître tous les objets présents mais aussi toutes les formes de radiation, que ces radiations apparaissent comme ondes lumineuses ou d’autres façons. Ces radiations représentent de l’énergie et elles peuvent même, dans le cas des rayons gamma, créer des particules (et des antiparticules) de matière ! Pour atteindre le vide, on dira donc que l’on doit éliminer toutes les formes d’énergie, que cette énergie soit présente sous forme de matière ou sous forme de rayonnement… Le vide ainsi atteint par élimination… est –il aussi ce que nous entendons intuitivement par « néant » ? Eh bien non ! Ce vide « bouillonne d’activité », il peut même exister sous plusieurs formes et manifester une structure. En effet, l’énergie la plus basse d’un système peut être atteinte quand il reste encore quelque chose à l’intérieur ! (…) Ce bouillonnement d’activité est de nature quantique. 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’nergie 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 semblee 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’attractioneffective 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 recontrons 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 semvle 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’échellede 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. »

Est-il vrai que « la nature a horreur du vide » ?

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Lire encore sur le vide

Messages

  • Epicure :

    « Le vide est le principe du mouvement. »

    Jean Philopon :

    « Ceux qui affirment l’existence du vide estiment qu’il est la cause du mouvement car s’il n’y a pas de vide, il ne peut non plus y avoir de mouvement. »

  • Il semble que la physique soit fondamentalement celle du vide. C’est frappant qu’un grand nombre d’ouvrages de physique quantique n’ont même pas de chapitre sur « le vide » ni sur « le virtuel » !!! Ils n’ont même pas ces termes en mots-clefs…

  • 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. "

    • « L’importance physique de l’état de vide d’un champ quantique », DW Sciama :

      « Même dans son état fondamental, un système quantique possède des fluctuations et une énergie de point zéro associée, sinon le principe d’incertitude serait violé. En particulier, l’état de vide d’un champ quantique possède ces propriétés. Par exemple, les champs électriques et magnétiques du vide électromagnétique sont des quantités fluctuantes. Cela conduit à une sorte de réintroduction de l’éther, car certains systèmes physiques en interaction avec le vide peuvent détecter l’existence de ses fluctuations. Cependant, cet éther est invariant de Lorent, il n’y a donc pas de contradiction avec la relativité restreinte… Depuis lors, les effets du point zéro sont devenus monnaie courante en physique quantique, par exemple en spectroscopie, en réactions chimiques et en physique des solides. L’exemple le plus frappant est peut-être leur rôle dans le maintien de l’hélium à l’état liquide sous sa propre pression de vapeur au zéro absolu. Le mouvement du point zéro des atomes les maintient suffisamment éloignés les uns des autres en moyenne pour que les forces d’attraction qui les exercent soient trop faibles pour provoquer une solidification… Les conditions aux limites associées à un système physique limitent généralement la plage des modes normaux qui contribuent à l’état fondamental de l’environnement. le système et donc à l’énergie du point zéro. Un exemple trivial est un oscillateur harmonique, qui correspond à un seul mode normal de fréquence ν et donc à une énergie de point zéro 1 / 2hν. Dans des cas plus complexes, la gamme de modes normaux peut dépendre de la configuration du système. Cela conduirait à une dépendance de l’énergie de l’état fondamental sur les variables définissant la configuration et donc, selon le principe du travail virtuel, à la présence d’un ensemble d’efforts associé. Un exemple important d’une telle force est la liaison homopolaire entre deux atomes d’hydrogène lorsque leurs spins d’électrons sont antiparallels (Hellman 1927). Lorsque les protons sont proches les uns des autres, chaque électron peut occuper le volume autour de l’un ou l’autre des protons. L’augmentation de l’incertitude de la position de l’électron qui en résulte entraîne une diminution de son énergie de point zéro. Ainsi, il existe une énergie de liaison associée à cette configuration diatomique, et la force d’attraction résultante est responsable de la formation de la molécule d’hydrogène. En revanche, lorsque les spins des électrons sont parallèles, le principe d’exclusion de Pauli a pour effet de limiter le volume accessible à chaque électron. Dans ce cas, la force effective est répulsive. Plus pertinent pour le présent article est la force qui apparaît lorsque certains des modes normaux d’un champ à masse zéro reste, tels que le champ électromagnétique, sont exclus par les conditions aux limites des conducteurs garantissent que les modes normaux dont la longueur d’onde est supérieure à l’espacement des conducteurs sont exclu. Si maintenant les conducteurs sont légèrement écartés, de nouveaux modes normaux sont autorisés et l’énergie du point zéro est augmentée. Il faut travailler pour atteindre cette augmentation d’énergie, il faut donc qu’il y ait une force attractive entre les plaques. Cette force a été mesurée et le calcul du point zéro vérifié… L’effet Casimir montre que les différences finies entre les configurations d’énergie infinie ont une réalité physique. Un autre exemple de ce principe pour les effets de point zéro est le décalage de Lamb… Un électron, qu’il soit lié ou libre, est toujours soumis aux forces stochastiques produites par les fluctuations du point zéro du champ électromagnétique et exécute par conséquent un mouvement brownien. L’énergie cinétique associée à ce mouvement est infinie, en raison de l’énergie infinie dans les composantes haute fréquence des fluctuations du point zéro. Cet infini de l’énergie cinétique peut être éliminé en renormalisant la masse de l’électron (Weisskopf 1949). Comme dans le cas de l’effet Casimir, ce processus peut avoir une signification physique dans les cas où il s’agit de différents états du système pour lesquels la différence d’énergie totale brownienne renormalisée (potentiel cinétique plus) est finie. Un exemple de cette situation est le fameux décalage de Lamb entre les énergies des électrons s et p dans l’atome d’hydrogène ; Selon la théorie de Dirac, les niveaux d’énergie devraient être dégénérés. Welton (1948) a souligné qu’une grande partie de ce changement peut être attribuée aux effets du mouvement brownien induit de l’électron, qui modifie l’énergie potentielle de Coulomb moyenne. Ce changement d’énergie électronique est lui-même différent pour un électron s et p, et ainsi la dégénérescence de Dirac est scindée. Cet effet théorique a été bien vérifié par les observations. On peut également considérer le décalage de Lamb comme la modification de l’énergie du point zéro résultant de l’effet diélectrique de l’introduction d’une distribution diluée d’atomes d’hydrogène dans le vide. La fréquence de chaque mode est simplement modifiée par un facteur d’indice de réfraction (Feynman, 1961). ”

  • « Théorie du vide », David Finkelstein :

    « Aujourd’hui, le vide est reconnu comme un milieu physique riche, soumis à des transitions de phase, sa symétrie brisée par des valeurs de vide non-disparaissantes pour plusieurs champs importants s’apparentant à l’aimantation permanente d’un ferromagnétique et supportant l’émission, la propagation et l’absorption de particules. . Une théorie générale du vide est donc une théorie de tout, une théorie universelle… Les théories du vide les plus exploitables aujourd’hui sont les théories quantiques des champs. Dans ces domaines, le vide sert de loi de la nature, comme indiqué ci-dessous. La structure du vide est le problème central de la physique aujourd’hui ; la fusion des théories de la gravité et du quatum est un sous-problème… La tête de pont suivante est une topologie dynamique, dans laquelle même la structure topologique locale n’est pas constante mais variable… L’abîme entre h et c est le principal problème de la physique aujourd’hui. Il ne sera peut-être plus nécessaire d’unifier la théorie quantique et la gravité si la gravité et l’inertie sont déjà des effets quantiques macroscopiques. Cette suggestion découle d’une liste croissante de parallèles entre les récits de relativité et de théorie quantique que j’ai utilisés pour les enseigner au cours des dernières décennies : - chacune de ces deux théories a sa propre nouvelle constante fondamentale (h et c) et un principe de correspondance retrouvé la physique ancienne dans le passage à une limite singulière (h-> 0, c-> ∞), chacune est fondamentalement épistémologique, en ce sens qu’elle impose une limitation universelle aux processus d’e / s qui nous lient avec nos systèmes expérimentaux (h la minutie de ces processus, c la vitesse du signal). Dans chaque limite singulière, des processus fondamentalement non commutatifs deviennent commutatifs (déterminations de p et x pour h-> 0, amplifie pour c-> ∞). La nouvelle non-commutativité est exprimée par un paradoxe de paires (les deux fentes, les deux jumeaux). Chaque constante relie le temps t à une autre variable physique fondamentale (énergie E pour h, espace x pour c), de sorte que la nouvelle théorie est conceptuellement plus unifiée que l’ancienne d’une manière imprévue (les horloges définissant ensuite les énergies et les distances, respectivement). Chaque théorie étend le principe de relativité à une classe de transformation plus large et à une classe d’expérimentateurs plus riche (théorie de la transformation quantique de Dirac, relativité restreinte d’Einstein). Chacune s’exprime complètement comme la théorie d’une relation de transfert pour des expériences I / O (la transition autorisée de la théorie quantique, la relation causale de la relativité restreinte). Les signaux utilisés de manière opérationnelle pour définir les points espace-temps et les relations causales de relativité sont en réalité des ensembles de quanta. Il n’est pas difficile d’étendre ce parallèle de h à c à la constante k de Boltzmann, avec la théorie quantique, la théorie espace-temps, et la thermodynamique apparaissant comme des descriptions statistiques de plus en plus courantes des mêmes processus. Ceci suggère que les vecteurs espace-temps et. Nous pouvons appeler les processus inverses respectifs (passage de la théorie macroscopique à la quantique) une quantification cohérente et incohérente, selon qu’ils partent d’expériences avec ou sans données de phase quantique. ”

  • « Topologie du vide », Michael Atiyah :

    « La théorie quantique nous oblige à modifier profondément nos idées physiques et nous devons inévitablement commencer par réexaminer le vide classique. La théorie des champs quantiques tente de traiter les champs de forces classiques de manière mécanique quantique, et le "vide quantique" qui en résulte est une structure complexe et mystérieuse qui étend les mathématiques à l’extrême limite. Les champs quantiques fluctuent et se convertissent en particules de manière déroutante, indiquant notamment le fait que la séparation classique entre force et matière ne peut être maintenue. Un véritable vide quatum devrait donc être dépourvu de matière et de champs de force. Il ne devrait y avoir ni particules ni distorsion géométrique de l’espace-temps. Ce vide ultime peut paraître si vide de caractéristiques qu’il est mathématiquement trivial et que la conclusion est trompeuse. Ce vide quantique présente certes des caractéristiques géométriques intéressantes, mais celles-ci ne concernent pas la géométrie traditionnelle d’Euclid, Riemann, etc., impliquant la mesure, mais la branche moderne du sujet connue sous le nom de topologie, qui concerne les propriétés qualitatives de l’espace. Contrairement aux mesures, qui peuvent être effectuées à petite échelle locale, les caractéristiques topologiques ne sont visibles qu’à une échelle « globale ». Cette relation entre la topologie et le vide quantique n’a été reconnue que très récemment et ses implications complètes sont à présent explorées. Il est encore trop tôt pour prédire comment cela modifiera notre compréhension de l’univers, mais il est clair que nous avons atteint un niveau plus profond de dialogue entre mathématiques et physique… Une expérience fondamentale, suggérée pour la première fois par Bohm et Aharonov, consiste à envoyer un faisceau d’électrons autour d’un solénoïde porteur d’un flux magnétique (Aharonov, 1986). L’expérience montre que les électrons présentent des motifs d’interférence dépendant de la force du flux magnétique. Ainsi, les électrons sont physiquement affectés par le champ magnétique, même si le champ est entièrement situé à l’intérieur du solénoïde et que les électrons se déplacent dans la région extérieure. Cet effet Bohm-Aharonov montre donc que, même dans une région sans force, il y a des effets physiques. Ces effets sont quantiques, puisqu’il s’agit d’effets physiques. Ces effets sont quantiques, puisqu’ils correspondent à des déphasages dans la fonction d’onde de l’électron et qu’ils ont une origine topologique car la région sans force comporte un trou cylindrique. Cela montre clairement la relation fondamentale entre la théorie quantique et la topologie, en particulier en relation avec les notions de vide. La topologie peut être grossièrement définie comme l’étude des « trous » et des phénomènes connexes. La taille d’un trou et son emplacement exact sont sans importance dans la topologie… Au-delà du seul trou cylindrique ou tube de flux de l’expérience Bohm-Aharonov, nous pouvons envisager une configuration nouée complexe de tubes. L’étude et la classification de tels nœuds constituent un problème typique et difficile en topologie. Plus le nœud est complexe, plus la structure du vide externe est complexe… Ces développements suggèrent fortement que les aspects topologiques de l’espace à 3 dimensions, tels qu’ils se manifestent par des nœuds, devraient jouer un rôle fondamental en physique quantique. ”

  • « Le vide et l’unification », IJR Aitchison (1991) :

    « Il est courant d’observer que la physique fondamentale semble avoir progressé, au cours des cent dernières années ou plus, dans le sens d’une unification toujours plus grande. Il est vrai de décrire ce mouvement comme un progrès, car il apparaît que la volonté d’unification a, de nombreuses manières, constitué un puissant dispositif heuristique dans la construction de théories phénoménologiquement performantes. Peut-être moins largement noté est peut-être le rôle crucial que le « vide » (tel que compris actuellement) a joué et continue de jouer dans de nombreux aspects du programme d’unification. C’est ce que je veux examiner très brièvement dans la présente contribution. (…) Bien que l’état du vide soit (normalement) celui dans lequel la valeur moyenne de tous les champs quantiques est égale à zéro, les valeurs carrées moyennes du champ ne sont généralement pas nulles, c’est-à-dire qu’il existe des fluctuations - et cela est vrai même à zéro absolu. Ces fluctuations sont observables : celles du champ électromagnétique expliquent la majeure partie du décalage de Lamb, en hydrogène, tandis que celles des champs de particules chargées (matière) entraînent le phénomène de « polarisation sous vide », ce qui explique une autre contribution hydrogène, mais grande en hélium muonique) au décalage de Lamb. En électrodynamique quantique, le vide a pour effet de masquer partiellement une charge d’essai à des distances de h / mc, où m est la masse de l’électron. En d’autres termes, à des distances inférieures à la taille (4x10-13 m), la charge électrique effective sur un corps test semblera augmenter. C’est l’effet habituel de la polarisation dans tous les milieux dipolaires normaux (y compris, à cet égard, le vide de l’électrodynamique quantique (QED)). Une surprise majeure a été la découverte de Gross et Wilczek (1973) et de Politzer (1973) selon laquelle, dans les théories de jauge non abéliennes (telles que celles censées décrire les interactions fortes et faibles des quarks et des leptons), la polarisation sous vide produit une « filtrage » : les « charges » effectives fortes et faibles diminuent à la séparation entre les particules. Il est classique de discuter de ce phénomène en termes de « constantes de structure fine » α, α3 et αn, pour les interactions électromagnétique, forte et faible, respectivement. (…) Le ou les champs qui ont une valeur de vide non nulle sont appelés de manière générique champs de Higgs, d’après PW Higgs, l’un des initiateurs de ce mécanisme (Higgs 1964) par lequel des quanta normalement sans masse acquièrent une masse. (…) En réalité, il n’y a rien de déraisonnable dans l’idée que l’état d’énergie minimale (le vide) peut être un état dans lequel une certaine quantité de champ a une valeur moyenne non nulle. Il existe de nombreux exemples de physique de la matière condensée affichant cette caractéristique - par exemple, le ferromagnétique en dessous de sa température de transition, où il existe un alignement net des spins atomiques. Cependant, il reste une conjecture que quelque chose comme ceci se produit réellement dans le cas d’une interaction faible ; à l’heure actuelle, il n’existe aucune base dynamique pour le mécanisme de Higgs, et il est purement phénoménologique. "

  • « Vide ou Holomovement », BJ Hiley (1991) :

    « Quantifier le champ gravitationnel pose de redoutables problèmes. Le lien profond entre gravité et espace-temps implique que, si l’on veut réussir la quantification, des changements radicaux dans notre compréhension de l’espace-temps seront nécessaires. Dans cet article, je vais explorer de nouvelles idées d’espace-temps qui peuvent être motivées par une approche purement algébrique de la mécanique quantique et qui remettent en question la notion de localité absolue. Afin de faire ressortir ces idées, nous présentons d’abord un bref aperçu des notions classiques et quantiques du vide, en particulier dans leur relation avec notre compréhension de la structure espace-temps. (…) L’histoire du vide a eu, à mon sens, une évolution plutôt curieuse. Au cours de l’histoire, les opinions sur sa nature semblent basculer d’un extrême à l’autre. Il a parfois été considéré comme “complet” ou substantif, alors que d’autres fois, il a été traité comme “vide” ou vide. Même dès les premiers jours, il y a eu peu d’accord. Par exemple, Parménide soutenait que « la vacuité est un néant et que ce qui n’est rien ne peut pas être ». Pour lui, le vide devait être un plénum compact qu’il considérait comme étant constitué d’un tout continu et immuable. Et sa seule logique l’oblige à conclure que le mouvement n’est qu’une illusion. Mais sûrement, le mouvement est plus qu’une simple illusion. La substance matérielle est perçue comme changeant constamment, certains changements étant rapides, d’autres extrêmement lents. Cela ne s’explique-t-il pas plus naturellement par le passage d’atomes démocritiens d’une région de l’espace à une autre qui n’est pas déjà occupée par d’autres atomes, c’est-à-dire dans des régions vides ? Par conséquent, pour concevoir le mouvement des entités substantives, ne devons-nous pas avoir un vide d’emprisonnement ? Cette notion de vide, de vide vide, a servi de toile de fond au développement de la physique newtonienne. La mécanique des particules, renforcée par le calcul différentiel, est issue des concepts primitifs fournis par Démocrite et étendus qualitativement par Lucrecius. Les particules en mouvement fourniraient une explication mécanique de tous les processus physiques. De l’avis de Newton, même la lumière était de nature particulaire, avec des "corpuscules" se déplaçant dans le vide, parfois réfléchis et parfois transmis lorsqu’ils atteignaient une limite transparente. Cependant, leur comportement prédit une fois qu’ils sont entrés dans le médium n’est pas étayé par l’expérience et c’est la théorie des ondes qui a finalement triomphé avec ses explications plus simples d’interférence et de diffraction. La théorie corpusculaire a été abandonnée jusqu’à l’événement de la théorie quantique. Mais comment une vague pourrait-elle être maintenue dans un « espace vide » ? Certes, toute notre expérience des phénomènes de vagues était d’origine mécanique et nécessitait un support dans lequel les vibrations pouvaient être maintenues. L’ethos mécanique était devenu si profondément enraciné qu’une explication des champs électromagnétiques en termes de vibrations dans une sorte d’éther substantif était fortement recommandée. Ainsi, un vide semblable à un plénum a été réintroduit et, à la fin du XIXe siècle, il est devenu à la mode de prendre cet éther très au sérieux et de rechercher une explication de la source ultime de tous les phénomènes physiques, y compris les atomes, en termes de structures. ou des caractéristiques invariantes du plénum lui-même (comme des vortex). C’est l’incapacité de détecter tout mouvement de la Terre par rapport à ce plénum maxwellien qui a commencé à susciter de sérieux doutes quant à l’existence d’une telle « substance ». Des expériences telles que celles de Michelson et de Morley n’avaient pas non plus détecté un tel mouvement dans l’éther, mais la structure même de la théorie de la relativité restreinte faisait apparaître que toute tentative de recherche d’un tel éther était vouée à l’échec. La conclusion apparemment inévitable semble être que le vide est « vraiment vide », une notion qui a dominé les développements les plus récents de la physique. La réaction contre la réintroduction d’un tel éther ou plénum a été si forte que toute théorie qui osait invoquer une telle notion était considérée pendant un temps inacceptable et absurde. Dans les années 1960 et 1970, je suis souvent tombé sur une telle réaction lorsque j’ai essayé de discuter de l’utilisation par De Broglie d’un « milieu sub-quantique » comme moyen de fournir une explication possible du formalisme quantique. L’objection n’était pas tant contre la tentative de trouver une explication plus physiquement intuitive du phénomène quantique, mais plutôt contre l’introduction du "milieu sub-quantique". La réplique, "Einstein nous a sûrement montré que le vide était" vide "et que la réintroduction d’un mode de pensée aussi démodé ne permettrait pas une compréhension satisfaisante des phénomènes", n’était pas inhabituel. Pourtant, dans le monde quantique relativiste, la notion de « polarisation par le vide » était déjà apparue et était utilisée assez librement, bien que de manière très formelle. Mais il est nécessaire d’évoquer la théorie quantique des champs, Einstein (1924) lui-même n’a pas réagi aussi fortement contre la notion d’éther. Ce qu’il a mis en doute, c’est la nécessité d’interpréter les équations de Maxwell « mécaniquement », c’est-à-dire en termes de vibrations d’une substance semblable à un plénum. Est-il nécessaire de considérer la notion de champ comme un attribut de la substance ou peut-elle être considérée comme une chose à part entière ? Einstein (1969) a fait valoir que les équations de Maxwell rendaient compte avec succès d’un grand nombre de phénomènes et qu’il n’était pas nécessaire d’interpréter les quantités de champ en termes de structure plus profonde. On ne gagnerait rien à essayer d’interpréter ces champs en termes de substance sous-jacente, comme l’exige l’approche mécanique ; La mécanique newtonienne était clairement limitée, alors pourquoi continuer à utiliser une forme conceptuelle démodée ? Que le champ continu soit considéré comme une entité à part entière. Bien sûr, il serait maintenant possible de prendre le champ électromagnétique comme un éther et d’essayer de rendre compte de toutes les propriétés du champ comme un éther et d’essayer de rendre compte de toutes les propriétés de la matière en termes de son seul champ. En effet, de nombreux efforts ont été faits dans cette direction. Cependant, certains processus n’étaient clairement pas d’origine électromagnétique. La gravité était l’un des exemples les plus évidents et il est vite devenu évident qu’il fallait quelque chose de plus. Einstein fut le premier à comprendre que le champ électromagnétique contenait une autre limitation, à savoir que les équations de Maxwell ne sont invariantes que dans des cadres de référence spéciaux, les cadres inertiels. (…) Pour Einstein (1924), des termes comme « le champ gravitationnel », « la structure de l’espace-temps » et « l’éther » étaient tous synonymes. (…) Revenant maintenant à la relativité générale, il convient de rappeler qu’Einstein (1969) ne considérait pas lui-même que la théorie exprimée dans les équations de champ était complète. (…) Einstein voulait considérer la particule elle-même comme une concentration d’énergie de champ ou peut-être même une singularité dans le champ gravitationnel, de sorte que la gravité, les particules et, bien entendu, l’électromagnétisme puissent être décrits par un seul champ, le champ"."

  • Werner Heisenberg, dans « La partie et le tout, Le monde de la physique atomique », expose le lien entre la physique quantique et les particules virtuelles du vide :

    « Un quantum de lumière qui passe à côté d’un noyau atomique peut se transformer en une paire de particules : un électron et positron. Est-ce que cela signifie, en fait, que le quantum de lumière se compose d’un électron et d’un positron ? (…) On peut dire, peut-être, que le quantum de lumière se compose « virtuellement » d’un électron et d’un positron. Le mot « virtuellement » indique qu’il s’agit là d’une possibilité. (…) Le quantum de lumière se compose aussi virtuellement de quatre particules (deux électrons et deux positrons) et ainsi de suite. (… ) On pourrait dire, dans ce cas, que chaque particule élémentaire se compose virtuellement d’un nombre quelconque d’autres particules élémentaires. Car, si l’on envisage des collisions extrêmement énergétiques, un nombre arbitraire de particules (en fait autant de particules et d’antiparticules) pourra être créé dans ces collisions. (…) Peut-être existe-t-il encore de très nombreuses particules élémentaires que nous ne connaissons pas encore parce que leur durée de vie est trop courte. (…) On peut alors faire comme si la particule élémentaire se composait d’un grand nombre d’autres particules élémentaires, éventuellement diverses. (…) La particule élémentaire n’est en fait plus élémentaire ; elle constitue, au moins virtuellement, une structure très compliquée. (…) Etant donné que la durée de vie de ces nouvelles structures paraît plus brève que celle de toutes les particules élémentaires connues jusque-là, il peut exister encore de nombreuses autres particules de cette sorte, particules qui ont échappé jusque-là à l’observation grâce à une durée de vie encore plus courte que celle du méson pi. »

    "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. » écrit le physicien-chimiste Ilya Prigogine, dans « Temps à devenir ».

    « 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. »

  • « Ainsi notre théorie folle (du vecteur de Poynting) dit que les électrons reçoivent leur énergie pour produire de la chaleur, parce qu’il y a un flux d’énergie rentrant dans le fil provenant du champ extérieur. Notre intuition suggérerait plutôt que les électrons reçoivent leur énergie de leur mouvement le long du fil, et donc l’énergie devrait s’écouler le long du fil. Mais la théorie dit que les électrons sont en réalité poussés par un champ électrique dû à des charges très éloignées, et qu’ils acquièrent leur énergie pour engendrer de la chaleur à partir de ces champs. L’énergie s’écoule d’une certaine façon, à partir des charges éloignées, à travers une vaste région de l’espace, puis vers l’intérieur du fil. En fin pour vous convaincre que cette théorie (de Poynting) est évidemment loufoque… »

    « Vous commencez sans doute à avoir l’impression que la théorie de Poynting viole au moins partiellement votre intuition en ce qui concerne la localisation de l’énergie dans un champ électromagnétique…. »

    Feynman dans Electromagnétisme II chapitre 27

    En somme, le câble reçoit son énergie de l’extérieur de la matière… Il la reçoit du vide…

  • « Les particules n’accèdent à l’existence dans le monde ordinaire que grâce à un processus de création-annihilation dans ce plein qu’est le vide. (...) En 1927, Dirac, en cherchant l’équation qui serait capable de rendre compte du comportement de l’électron et satisferait tout à la fois à la théorie quantique et à la théorie de la relativité einsteinienne, (…) s’aperçut qu’il y avait une autre solution (que l’électron) de charge positive. (…) Chaque fois qu’on construit une théorie quantique relativiste pour décrire une particule, la théorie fait apparaître la nécessité de postuler une « antiparticule » symétrique, de charge opposée. Ces antiparticules forment ce qu’on appelle l’antimatière, dénuée de tout le mystère dont on entoure parfois son nom : ce n’est en fait rien qu’une autre forme de la matière, composée d’antiparticules ayant des charges opposées à celles des particules ordinaires. (…) Dirac, tirant les conclusions de la découverte du positron (antiparticule de l’électron), put proposer une description toute nouvelle du vide. Jusqu’alors, on s’était représenté le vide comme réellement vide, on aurait extrait toute forme de matière et de rayonnement, ne contenait strictement rien, et, en particulier, aucune énergie. C’est à Dirac que l’on doit d’avoir, en deux étapes, repeuplé le vide et fait en sorte que le vide ne soit plus vide. (...) Nous avons fait ressortir (..) ce caractère du vide en tant que conjonction des opposés. (..) Conjonction des opposés qui ne trouve son vrai sens que dans la mesure, néanmoins, où elle correspond au plus près à une dialectique des modes d’être. (..). C’est la négation du principe d’identité. (..) Proclus : ’’Je définis au sujet du mode des négations qu’elles ne sont pas privatives de ce sur quoi elles portent, mais productives de ce qui est’’(..) et tout au terme de la course , c’est la négation de la négation elle-même. (..) Si l’on accepte de suivre cette pensée dialectique dans sa rigueur tout interne, on s’aperçoit en même temps comment tombent les objections qu’on oppose à ce modèle. (..) Ce que nous voulions montrer, c’est qu’il existe une logique de la pensée du vide »

    Victor Weisskopf dans « La révolution des quanta »

  • Engels avait génialement anticipé cette notion révolutionnaire.

    "L’éther est-il matériel ? De toute façon, s’il est il doit être matériel, il doit être intégré dans le concept de matière. Mais il n’a pas de pesanteur. » Friedrich Engels dans « Dialectique de la nature »

  • "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. »

    Michel Cassé dans « Dictionnaire de l’ignorance »

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

    Michel Paty dans « Nouveaux voyages au pays des quanta »

  • « 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 »

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