LES 4 VÉRITÉS DE BRANE

« 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...

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. »

SOURCE : Matière et Évolution 03.03.2017