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Qu'est-ce que le vide ?

On dit souvent que le vide, ce n'est rien. On regarde un verre et on pense instinctivement qu'il est vide. On pense aussi que l'Univers est majoritairement composé de vide, le fameux vide de l'espace. Mais qu'est-ce que le vide ? Est-il composé de quelque chose ? Que savons-nous vraiment de ce vide omniprésent ?


Définir le vide paraît être une mission assez simple. Le vide est universellement reconnu comme un endroit où il n'y a rien, un espace non occupé. Le vide serait donc simplement une absence de matière. Mais, cette conception du vide est remise en cause par la physique quantique. La physique classique admet l'existence du vide. La physique moderne, ou quantique, elle reconnaît des champs dans le vide. Le vide ne serait donc pas vraiment vide, mais rempli de champs.


Dans Gravity, les astronautes flottent-ils dans le vide ? © Film Gravity depuis une capture d'écran du Journaldugeek

Revenons d'abord sur la notion de vide. Dans la Grèce antique, de nombreux penseurs et intellectuels posent les bases de sciences encore actives aujourd'hui comme la physique. Une des choses qu'ils ont en horreur est l'idée de vide. Pour eux, rien ne devrait être vide. Les Grecs ont donc inventé le concept d'éther pour pallier à ce vide ambiant. L'éther serait un milieu plus subtil que l'air, qui remplirait tout l'espace.


L'idée d'éther persiste au fil des siècles. Au XIXe siècle, la conception de l'éther a évolué mais n'a pas changé drastiquement. L'éther est sans poids, transparent mais surtout indétectable. Aucun test ne permettrait de trouver sa nature. Il ne produirait aucun frottement, aucune résistance. L'éther laisserait les corps célestes le traverser sans problème. L'éther serait à la fois solide comme l'acier et souple comme un élastique. L'éther constituerait l'immense majorité de l'Univers. En bref, il n'y a pas de vide, juste de l'éther.


Voilà qu'un nouveau chercheur prouve le contraire au XXe siècle. Albert Einstein réfute la thèse de l'éther. Il prouve que seul le mouvement relatif compte en physique. Or l'idée d'éther incluait un mouvement absolu et un espace absolu, des notions impossibles dans la physique d'Einstein. L'éther perd du terrain, avant d'être complètement réfuté. Les scientifiques se penchent donc enfin sur les mystères du vide.


Nous savons aujourd'hui que le vide est donc loin d'être désert. Paul Dirac, un autre physicien du XXe siècle, voit le vide comme une infinité d'électrons dont les énergies individuelles occupent toutes les valeurs depuis l'infini négatif jusqu'à une valeur maximale inconnue. Il pense aussi que le vide est partout, indécelable tant que rien ne le perturbe. Retenons bien ces derniers mots qui sont très importants : tant que rien ne perturbe le vide, il est indécelable. Cette idée introduit une notion essentielle au vide dans la physique moderne : l'énergie du vide.


Expliquons simplement ce qu'est cette énergie du vide, expression qui peut sembler contradictoire. Partons d'un simple atome. Nous voyons au collège et au lycée que l'atome est composé de protons, de neutrons et d'un noyau. Nous apprenons aussi qu'entre ces éléments, il y a du vide. Cependant, l'atome est loin d'être rempli de vide. Rien que son noyau est une source de puissants champs électriques qui baignent dans l'espace « vide » de l'atome. Cette découverte des champs électriques vaudra d'ailleurs à Ernest Rutherford le Prix Nobel de chimie en 1908.


La structure d'un atome, invisible à l'œil nu ! Entre les balles, il semble y avoir du vide ? Ou est-ce du vide ? © ScienceJunior

Passons maintenant à Einstein et sa fameuse formule E=MC2. Si le E, qui est l'énergie, dépasse la valeur de 2mc2, soit deux fois la masse de l'entité physique et de la vitesse de la lumière au carré, il est possible qu'un électron et un positron se forme spontanément. Le positron est le jumeau maléfique de l'électron si on le souhaite. Il est son double en antimatière.


L'espérance de vie de l'électron et du positron durent 10-21 (10 puissance -21) secondes. Après cela, ils disparaissent. Il nous est donc impossible d'observer ce phénomène. L'électron et son positron sont donc décrits comme virtuels. Ils existent, mais seulement virtuellement car nous ne pouvons pas les observer empiriquement.


Pourtant, nous savons qu'ils existent. Nous le savons car lors de ce laps de 10-21 secondes, les particules peuvent être détectées par des mesures. La technologie actuelle nous permet d’observer des nuages virtuels d'électrons et de positrons car ils modifient l'intensité des forces électriques entre deux objets chargés électriquement. Ce qui paraît vide est en fait rempli de champs électriques et de particules virtuelles !


Ce phénomène de création de paires virtuelles peut aussi devenir réel. Le photon peut rejeter l'électron et le positron hors de l'atome, ce qui les faire apparaître « réellement ».


Le vide est donc composé de champs, d'énergie, de création et de disparitions d'atomes à la fois. Le vide n'est donc pas vraiment vide, il s'y passe bien des choses. Le vide devient un milieu plus qu'un état. Tout l'Univers fourmille de particules et d'antiparticules. Celles-ci se renouvellent en permanence.


Si vous êtes arrivé jusqu'ici, félicitations vous avez compris les rudiments de la physique quantique en matière de vide. C'est bien les théories quantiques qui ont théorisé l'apparition et la disparition des paires virtuelles.


Rentrons maintenant encore plus loin dans les théories quantiques sur le vide. Nous savons donc que le vide est composé de particules et d'antiparticules qui se renouvellent et bougent en permanence. Le vide est rempli d'énergies, l'énergie du vide. Or, celle-ci fluctue due à l'apparition et la disparition des paires de particules. C'est la fluctuation de l'énergie du vide. En faisant des mesures pour déterminer l'existence des particules virtuelles, on peut détecter des variations spontanées de valeur d'énergie. L'énergie du vide semble varier sur des laps de temps très courts. Ces créations, ou excès, d'énergie sont en fait une brève variation locale du niveau d'énergie du champ. De l'énergie est empruntée et restituée au vide sur des laps de temps très courts. Certains chercheurs ont même réussi à provoquer des réactions micro et macroscopiques dû à la fluctuation de l'énergie du vide, prouvant ainsi son existence !


Un astronaute flottant dans l'espace © NASA

Les physiciens ont donc théorisé ce vide quantique. Selon les derniers travaux, le vide quantique serait la configuration d'énergie la plus basse possible, la plus fondamentale. En effet, le vide quantique est l'état où la particule quantique est dans son état le plus bas, soit la plus basse vitesse. La particule ne peut pas descendre à une vitesse plus basse que celle du vide quantique. Si on trouve un jour, une particule moins rapide, notre physique serait encore une fois bouleversée. Entre temps, l'énergie de la particule du vide quantique est le point zéro, le point de vitesse irréductible.


S’il arrivait dans le futur que ces théories soient infirmées, nous connaîtrions une nouvelle révolution dans le monde de la physique. Pour certains chercheurs, cette révolution ne serait qu'une question de temps.


Nous pouvons donc continuer à nous interroger sur la nature du vide. La physique quantique ne peut pas encore répondre à toutes nos questions. Reste les questions les plus complexes : le vide existe-t-il vraiment ? Ou n'est-il qu'une fiction ?


- Emilie