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Le Vide : C'est un Concentré d'Énergie

Tout serait simple si le vide n'était rien. Or il génère une telle énergie que les théoriciens ont fini par le considérer comme tout... sauf vide. Mais quelle est sa véritable identité ? Pour trouver la réponse, les physiciens pistent désormais l'énergie sombre, cette force qui accélère l'expansion de l'Univers...

On aimerait pouvoir écrire que le vide est ce qui ne contient rien, ou qu'il est de l'espace sans contenu. En son temps, Aristote régla la question à sa manière, en déclarant que le vide ne pouvait exister. Sage décision ! Car depuis qu'ils ont choisi de l'inclure dans leur description de la matière, les physiciéns ont dû se rendre à l'évidence. Par quelque bout qu'ils le prennent,le vide ne peut jamais se réduire à rien...
D'après la théorie quantique des champs, qui sert de cadre mathématique au modèle standard de la physique des particules, le vide serait même bourré de particules fantômes, que les spécialistes appellent "fluctuations de point zéro" ou encore " énergie du vide". Pour étrange que soit cette énergie invisible, elle a néanmoins des effets bien réels, en tous points conformes aux prédictions. Seul - mais sérieux - hic, la valeur de l'énergie du vide calculée à partir des équations de la théorie quantique est totalement délirante, voire - on ose à peine l'écrire - infinie. Selon Alvaro de Rujula, au service de physique théorique du Cern, à Genève, la crise est à ce point sévère que "chaque physicien qui ne consacre pas au moins une heure par jour à ce problème devrait être jeté en prison" ! Une plaisanterie, certes, mais elle révèle bien l'importance d'une question qui taraude les physiciens depuis plus d'un siècle.
C'est le physicien allemand Max Planck qui se frotta le premier à l'énergie du vide. En 1900, le futur prix Nobel cherche à décrire le rayonnement électromagnétique, dit thermique, émis par tout corps en fonction de sa température. La théorie de ce précurseur de la mécanique quantique est un succès, mais elle peine à décrire le régime des hautes températures. Planck, en 1912, revoit donc sa copie et publie un nouvel article sur le sujet. Néanmoins si l'ajout, à la main, d'un terme mathématique supplémentaire dans ses équations résout le problème, le physicien ne saisit pas très bien sa raison d'être physique.
Quatre ans plus tard, le chimiste allemand Walther H. Nernst, lui aussi futur prix Nobel, comprend que ce drôle d'ajout a en réalité une signification déconcertante : il sous-entend que, même en l'absence de tout rayonnement - c'est-à-dire lorsque le nombre de photons, les grains de lumière, est égal à zéro -, une énergie assimilable à des soubresauts du champ électromagnétique, pourtant nul partout, subsiste dans l'espace.
Il faut attendre le développement de la théorie quantique, dans les décennies suivantes, pour que les physiciens donnent une signification à ce que l'on appelle déjà la "catastrophe du vide". Avec la nouvelle physique, tout corpuscule, qu'il soit grain de lumière, atome ou électron, est décrit par les différentes configurations d'un objet mathématique abstrait - appelé champ quantique - dont les vibrations, telles des vagues à la surface de l'eau, s'étendent à tout l'espace. Lorsque le champ est très excité (hauteur des vagues importante), cela correspond à un état où il y a beaucoup de particules. Inversement, lorsqu'il est peu excité (léger clapot), peu de particules sont présentes. Ainsi, à chaque type de particules correspond un champ différent. De façon étonnante, la mécanique quantique indique que l'absence de particules correspond, non pas à l'absence de champ, mais tout simplement à une configuration dans laquelle tous les champs décrivant tous les types possibles de particules sont au repos, dans ce que les physiciens appellent leur état fondamental. De même qu'en l'absence de vagues, la mer ne disparaît pas : sa surface est simplement plus lisse.

DÉPLACER LE ZÉRO DE L'ÉCHELLE DES ÉNERGIES

Ainsi, cet état fondamental n'est pas "rien". Il contient de l'énergie dont les soubresauts correspondent à une situation physique peu intuitive dans laquelle des particules (électrons, quarks, neutrinos...) dites virtuelles surgissent sans cesse des recoins de l'espace-temps pour disparaître avant même de s'être matérialisées. Après tout, c'est vrai, la mécanique quantique n'en est pas à une bizarrerie près : ne prédit-elle pas qu'une particule est à la fois une onde et un corpuscule ? Ou, plus étrange encore, comme l'expliquait le physicien autrichien Schrodinger, qu'un chat obéissant aux lois quantiques pourrait être, dans certaines conditions, à la fois mort et vivant ? Pourquoi, dès lors, le vide ne pourrait-il pas être également "plein" ? L'idée est séduisante mais les physiciens se heurtent bientôt à un nouvel obstacle en calculant explicitement l'énergie contenue dans un morceau de vide. Car quelle que soit la taille de ce volume, la valeur de cette énergie est tout simplement infinie !
Pour contourner l'obstacle, les physiciens, confrontés au non-sens physique de ce résultat, décident, tout simplement, de déplacer le zéro de l'échelle des énergies. Un peu comme si l'on décidait que l'altitude zéro n'était plus le niveau de la mer, mais le sommet du mont Blanc. Ainsi, on peut poser arbitrairement que l'énergie du vide est égale à zéro. Après tout, physiquement, seules comptent les différences d'énergie entre deux situations, pas l'énergie absolue de l'une ou de l'autre. Pour autant, si mettre l'énergie du vide sous le tapis présente l'avantage d'éviter les quantités infinies, cela ne préserve pas de ses effets. Car ses fluctuations ne sont pas qu'une vue de l'esprit. Comme le rappelle Serge Reynaud, physicien au laboratoire Kastler Brossel de l'Ecole normale supérieure, à Paris, "le problème de l'énergie du vide a été identifié dès le début du XXè siècle, mais ignoré au motif que l'on peut déplacer le zéro des énergies. C'est absurde ! De fait, les fluctuations du vide ont de nombreux effets parfaitement mesurables".
L'un des plus spectaculaires est l'effet Casimir (->), du nom du physicien qui l'a décrit en 1948. On l'observe en plaçant dans un vide expérimental deux miroirs se faisant face. D'après la théorie quantique, la cavité définie par les deux miroirs limite les possibilités de fluctuations du vide. Si l'on se représente ces fluctuations comme les oscillations d'une corde de guitare tendue entre les deux miroirs, celles dont la fréquence de vibration est plus basse que le son fondamental de la corde ne peuvent pas être produites. Or cette limitation n'a pas cours à l'extérieur de la cavité, où, pour filer la métaphore, les vibrations de la corde (ici aussi longue que l'espace tout entier) peuvent être aussi graves que l'on veut. Autrement dit, le vide est moins «vide» à l'intérieur de la cavité qu'à l'extérieur. D'après le calcul du physicien, ce vide exerce donc une pression plus importante sur les faces extérieures de la cavité qu'à l'intérieur. Résultat : les deux miroirs ont tendance à se rapprocher l'un de l'autre (->). L'effet Casimir a été observé dès 1958. Et aujourd'hui la force associée est mesurée avec une précision de l'ordre du pour cent, en parfait accord avec ce que prévoit la théorie. Dans ces conditions, difficile de faire comme si la valeur infinie de l'énergie du vide n'était qu'une conséquence sans importance de la théorie quantique !
Une autre solution est de se souvenir que la théorie quantique des champs, qui sert à faire tous ces calculs, n'a qu'un domaine de validité limité. De fait, comme l'indique Edouard Boulat, au laboratoire Matériaux et phénomènes quantiques de l'université Paris-Diderot, "le choix de décrire la matière dans le cadre de la théorie quantique des champs opère une réduction drastique du champ des possibles". En particulier, les physiciens sont sûrs que la théorie quantique des champs achoppe dès que l'énergie mise en jeu dans un processus élémentaire dépasse 1019 gigaélectron-volts (1 GeV est égal à un milliard d'électronvolts), soit l'énergie nécessitant une prise en compte de la gravitation dans un cadre quantique, ce que personne ne sait faire aujourd'hui. Dans ce cas, l'estimation de l'énergie de point zéro ne doit pas tenir compte des fluctuations dont l'énergie dépasserait 1019 GeV, puisque la théorie n'est pas censée pouvoir les décrire. Une façon de dire que lorsqu'une théorie valable à ces énergies existera, elle résorbera d'elle-même ces infinis sans signification physique.
De cette manière, on limite la catastrophe. Du moins en principe. Car si la valeur de l'énergie du vide prend alors une valeur finie, elle vaut tout de même 10112 joules par mètre cube d'espace ! Ce qui revient à dire, en vertu de la célèbre équation d'Einstein E=mc², stipulant qu'énergie et matière sont une seule et même chose, qu'un mètre cube de vide devrait peser 1095 kilogrammes, soit la masse de 1054 galaxies. Délirant !
Le problème prend carrément une tournure surréaliste si l'on se souvient que toute masse exerce autour d'elle un champ de gravitation qui courbe l'espace-temps. Or, d'après un calcul réalisé par le physicien autrichien Wolfgang Pauli en 1930, le champ de gravitation du vide est tellement extrême que sous son effet, l'espace-temps se trouve courbé et replié sur lui-même. A tel point que la taille de l'Univers serait réduite à une trentaine de kilomètres ! Suite à ces calculs, le vide a contribué, pendant des décennies, à séparer deux communautés de physiciens. D'un côté, les spécialistes de la théorie quantique des champs et des particules élémentaires, pour qui le vide était cette drôle d'écume bourrée de particules fantômes et renfermant une énergie bien réelle quoique d'une intensité, sur le papier, difficile à accepter. De l'autre, les cosmologistes férus de relativité générale (la théorie einsteinienne de la gravitation), ne voyant dans le vide quantique qu'une monstruosité théorique démentie du simple fait de l'existence de l'Univers, et dont ils n'avaient nullement besoin pour rendre compte de l'histoire et du destin du cosmos.
La situation a fini de s'embrouiller totalement à partir de 1998. Deux équipes internationales indépendantes, le Supernova Cosmology Project et la High-z Supernova Search Team, découvrent que l'expansion de l'Univers, non contente de se poursuivre jusqu'à la fin des temps, s'emballe depuis 5 à 6 milliards d'années. Leur méthode : mesurer la distance et la vitesse d'éloignement de supernovae de type Ia, dont la luminosité est très bien connue. Or, elle révèle que ces astres paraissent systématiquement moins lumineux, et donc plus éloignés, que prévu. Conclusion : une force mystérieuse accélère l'expansion du cosmos. Une révolution, car, jusqu'à cette découverte, la question se résumait à se demander si cette expansion, sous l'effet des forces de gravitation engendrées par la matière, allait un jour s'arrêter ou bien simplement ralentir.

ET SI C'ÉTAIT L'ÉNERGIE SOMBRE ?

Dix ans plus tard, les cosmologistes n'ont toujours pas réussi à identifier l'origine de cette mystérieuse force, baptisée "énergie sombre", qui s'oppose à la gravitation et accélère l'expansion. Pour autant, ironie du sort, l'un des candidats les plus sérieux n'est autre que... le vide lui-même ! Dans ce cas, les paramètres de l'évolution cosmologique indiquent que, convertie en équivalent masse, son énergie vaudrait 10-20 kilogramme par mètre cube d'Univers. C'est peu, mais ce n'est pas zéro. C'est surtout inférieur de 115 ordres de grandeur à la valeur de l'énergie du vide calculée avec la théorie quantique ! Comme le résume Pierre Astier, au laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies (université Pierre et Marie Curie), à Paris, "avant, l'énergie du vide des cosmologistes était nulle. D'une certaine manière, cette dernière n'était pas leur problème. Désormais, d'aprés les paramètres de l'expansion, si c'est effectivement elle qui se cache derrière l'énergie noire, elle vaut pour eux un petit quelque chose. Or la seule théorie permettant de l'évaluer théoriquement donne une valeur qui n'a rien à voir".
Le problème est à ce point énorme que personne n'a aujourd'hui la moindre idée de la manière de le résoudre. Pour la plupart des physiciens, la crise ne trouvera une issue que le jour où les physiques de l'infiniment petit et de l'infininlent grand se parleront. Autrement dit, lorsque la mécanique quantique sera réconciliée avec la relativité générale. En attendant, les tressaillements du vide affolent autant les physiciens de l'infiniment petit que de l'infiniment grand. Et ce n'est pas rien !

LE VIDE N'EXISTE PAS
Les physiciens l'ont compris : le vide est une vue de l'esprit, puisque, une fois vidé de tout ce qui y traîne, l'espace reste bourré de fluctuations quantiques. Voilà pour la théorie. En pratique, le vide est une notion encore plus abstraite. Impossible, en effet, de vider intégralement un volume de son contenant. A la pression atmosphérique, cela reviendrait à vider chaque centimètre cube d'espace des 2x1019 molécules qui s'y trouvent. Les premières pompes à vide sérieuses apparaissent au milieu du XIXè siècle. Celle du physicien allemand Heinrich Geissler permet de diviser par mille la quantité de matière dans une enceinte fermée. On est encore loin du vide intégral ! Aujourd'hui, un vide standard dans un laboratoire de physique correspond à 200 millions de molécules par cm³. Ce que l'on peut faire de mieux sur Terre, c'est le vide du tube d'un accélérateur de particules, comme le LHC du Cern, soit deux millions de molécules par cm³. On parle alors d'ultravide, qui règne aussi dans l'espace interplanétaire. Pour faire encore mieux, il faut quitter le système solaire. Ainsi, au sein des gaz interstellaires, on trouve environ un atome par cm³. Quant aux recoins les plus désolés de notre Univers, ils comptent encore un proton par m³ et 400 millions de photons, 45 millions de neutrinos et 15 millions de gravitons. Bref, pour faire vraiment le vide, essayez plutôt la méditation...

MATHIEU GROUSSON - SCIENCE & VIE > Juillet > 2008
 

   
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