La physique quantique

Les particules virtuelles (III)

Chacun sait que le vide est exempt de matière par définition, que l'éther n'existe pas et qu'il n'existe aucune entité - force ou objet - dans l’univers capable de créer de la matière à partir de rien. Mais ces idées sont fausses ! Véritable bombe dans le champ de notre conception du monde physique, la découverte de l'influence du vide quantique fut confirmée par deux mathématiciens hors catégorie en la personne de Stephen Hawking et d'Andreï Sakharov. Ils ont découvert une théorie selon laquelle le vide, dans son acceptation quantique, était constitué d'énergie "virtuelle" et pouvait fluctuer sur base des relations d'incertitudes de Heisenberg.

Ces lois ont d'ores et déjà permis d'éclaircir l'évolution des trous noirs à long terme, d'inventer la théorie inflationnaire, de présumer l'existence de l'énergie sombre ou d'instaurer une nouvelle constante cosmologique.

Les physiciens ont en effet toutes les preuves nécessaires pour démontrer que des particules virtuelles sont créées en permanence et disparaissent aussitôt sans presque laisser de traces. Comme le disait David Bohm il y a plusieurs décennies, le vide n'est pas un "vacuum" mais un "plénum" réellement actif dont l'énergie quantique peut subir une analyse mathématique de proche en proche.

Hawking et Sakharov considéraient que les relations d'incertitudes de Heisenberg sont capables de révéler tout un monde virtuel auquel on peut assigner une densité d'énergie, comme on en attribue aux particules réelles. En fait ce monde virtuel est présent sans vraiment l'être...

Comme les physiciens Casimir[8], Compton[9] ou Lamb[10] l'ont constaté, les instabilités du vide sont omniprésentes, elles induisent des effets sur les particules réelles et agissent même entre particules virtuelles dans une cascade de réactions infinies. Aux yeux des mathématiciens, il reste donc à renormaliser tous ces infinis pour obtenir une théorie cohérente. C'est alors qu'on découvrit les théories de supersymétrie et leur pouvoir unificateur.

Après la découverte du positron par Carl Anderson et Patrick Blackett qui confirmait la théorie de Dirac, Heisenberg s'était demandé “pourquoi un proton ne serait-il pas, dans certains cas, un proton plus une paire d'électron-positron, etc ?”. Le concept de démocratie nucléaire émergea à nouveau, rendant l'hypothèse du “bootstrap” de Chew tout à fait plausible. Toutes les particules pouvaient virtuellement exister et se transformer les unes en les autres tant que le bilan global restait inchangé. D'un autre côté, quantité de particules étaient remarquablement stables. Les deux théories étaient-elles incompatibles ?

A gauche, selon la théorie quantique, une particule physique consiste en une particule réelle "nue" entourée d'un nuage de particules dites "virtuelles" dont la durée de vie est très courte. A droite, La force gravitationnelle engendrée par les fluctuations quantiques d'énergie est plus faible entre les deux plaques métalliques qu'à l'extérieur. Par conséquent, les deux plaques se rapprochent l'une de l'autre. C'est l'effet Casimir (1948). Documents T.Lombry et P.Yam/Scientific American (1997).

On sait depuis lors que ce que nous appelons communément une “particule” devient dans le langage quantique les “modes propres” de l'excitation des champs. Quant à la force qui agit entre les particules, c'est un phénomène provoqué par l'échange de particules virtuelles.

En fait, n’importe quelle particule peut se matérialiser si elle satisfait aux relations d’incertitudes de Heisenberg. C’est ainsi qu’en EDQ chaque électron est entouré d’un nuage de particules virtuelles, de photons, qui n’attendent qu’une occasion pour se manifester sous la forme du champ électromagnétique. Lorsque deux électrons se rapprochent par exemple, chacun peut absorber un photon virtuel et dévie de sa trajectoire ainsi que nous le constatons dans les expériences.

Le vide quantique à son tour, constitué de particules virtuelles, peut avoir des effets dans le monde qui nous entoure. L’énergie ou la charge de l'électron par exemple se modifie en permanence dans le champ du noyau, lui donnant des valeurs infinies où les solutions des équations divergent. C'est ici que la renormalisation vient nettoyer ces termes infinis sur bases expérimentales. Ces interactions entre les mondes virtuel et réel provoquent une polarisation du vide. La force électromagnétique qui relie l'électron au noyau peut induire la création d'une paire d'électron-positron qui émerge un court instant à la surface de la réalité pour aussitôt s'annihiler. Entre-temps l'électron a eu le temps d'attirer à lui le positron virtuel (et de repousser l'électron virtuel) et de modifier leur orientation spatiale : le vide est polarisé. Ce phénomène a pour effet de modifier légèrement l'orbite de l'électron autour du noyau en provoquant un décalage spectral connu sous le nom de “décalage de Lamb”.

Les mesures du physicien Willis Lamb s'accordent parfaitement avec la théorie de l'électrodynamique quantique à condition d'inclure l'effet de la polarisation du vide. Ce phénomène et bien d'autres prouvent que les particules virtuelles ont un effet dans le monde réel. Il justifie aussi les expériences nucléaires dans lesquelles interviennent des collisions entre électrons et positrons car ces accélérateurs et autres collisionneurs de particules permettent d'explorer l'univers de l'antimatière et de découvrir de nouvelles paires de particules-antiparticules. La création de la matière à partir du vide est donc possible, à condition de parler du vide quantique. L'expression “création ex nihilo“ se retrouve à présent dans la bouche de physiciens tels que Stephen Hawking et Andreï Sakharov.

Dans le même contexte, certains vulgarisateurs font des rêves éveillés, sous-entendant qu’un objet macroscopique peut se déplacer spontanément suite à des fluctuations quantiques. Mais ainsi que l’a dit l’astrophysicien Hubert Reeves, en considérant la quantité de matière formant un objet macroscopique, cette probabilité est négligeable. Si deux électrons en interactions peuvent, et doivent échanger un photon virtuel, cette chance n’est pas supérieure à 1/10³². Elle est donc tout à fait négligeable, improbable, bref quasi impossible.

Il existe donc une série de phénomènes qui, impossible à réaliser dans le monde qui nous entoure, le sont également pour la physique quantique. Ouf, diront les fervents adeptes de la physique quantique qui interprètent correctement cette théorie, sans chercher à lire entre le lignes.

L'influence du vide quantique

Au XIX^e siècle, les physiciens démontrèrent que l'onde propageant le champ électromagnétique (le champ de Maxwell) présentait une certaine énergie dite de "point zéro", même dans le vide ou dans son état de plus basse énergie. C'est comme si l'électron était en permanence agité, même au repos.

En fait, selon la théorie de Maxwell, les ondes pouvaient avoir une longueur infinie. Cela signifiait que tout point de l'espace présentant un niveau minimum d'énergie pouvait présenter différentes longueurs d'ondes et donc une infinité d'énergies dans son état fondamental.

Le calcul de ces fluctuations indiquait également que la masse et la charge de l'électron devaient être infinies. L'équivalent-masse de l'ensemble de ces énergies était donc infini et devrait peser de tout son poids sur l'avenir de l'univers; la gravitation devrait entraîner son effondrement en une fraction de seconde. Or, ce n'est pas ce qu'on constate. D'un autre côté, la théorie imposait qu'à mesure que la fréquence augmentait l'énergie devenait plus importante. Tout cela n'était pas en accord avec les observations.

Dans les années 1940, les physiciens Richard Feynman, Julian Schwinger et Shin'ichiro Tomonaga parvinrent à supprimer ces infinis grâce à la renormalisation de sorte que l'électron devint la particule que nous connaissons : ces fluctuations d'énergie demeuraient minimes et cadraient avec l'expérience.

Le même principe fut appliqué à la théorie de Yang-Mills qui est une extension de la théorie du champ de Maxwell tenant compte des interactions forte et faible. Les fluctuations de l'énergie du vide provoquaient également une augmentation infinie de l'énergie dans les états fondamentaux de la matière et produisait des phénomènes paradoxaux.

Si l'on en croit Casimir par exemple, la température du rayonnement du corps noir à 2.7 K devrait être réduite d'un facteur 10³⁰ et l'univers aurait dû se refroidir en l'espace de 10^-41 seconde ! Il donne aussi une densité critique à l'univers égale à 10⁹³ gr/cm³, un rapport de puissance 122 fois supérieur à la valeur standard ! Du coup l'univers aurait dû s'effondrer quelques milliers d'années après sa création. Il y a donc un vice caché.

En renormalisant tous ces infinis des équations, les physiciens furent amenés à faire une étonnante découverte. Selon la définition des physiciens, le vide est l’état de plus basse énergie. Mais cela ne veut pas dire qu'il ne s'y produit aucune réaction. La nuance est subtile et a de profondes conséquences dans la nouvelle physique.

Sur la toile de fond de la théorie M

Quel statut faut-il alors donner au vide quantique ? Sans aucun doute le statut de la réalité virtuelle, à l'image d'un monde inaccessible, d'une mer insondable dont seuls les embruns soulignent l'existence. Nous savons que l'énergie joue un rôle fondamental, elle est omniprésente à tous les seuils critiques de température, à chaque brisure de symétrie pour façonner l'avenir. C'est ici que physiciens et mathématiciens ne s'entendent plus. Le monde chaud de la physique quantique fera encore transpirer des générations de chercheurs. Une théorie doit être vérifiable et jusqu'à présent les physiciens ne sont pas encore parvenus à valider entièrement l'influence du vide quantique dans toutes les conditions de leurs laboratoires. La renormalisation permet d'obtenir un résultat fini mais qui résiste ci et là à la confrontation avec la réalité; beaucoup de questions restent ouvertes.

C'est pourquoi les théoriciens ont inventé les théories de supersymétrie dont les espaces et les entités multidimensionnelles permettront peut-être d'entrevoir une solution au problème de l'unification des champs, des infinis et autre singularité.

Si la matière émerge réellement à la surface d'une mer d'énergie invisible, nos scientifiques ont encore pas mal de travail à abattre s'ils désirent inventer une théorie cohérente qui unisse le monde visible et le monde virtuel dans lequel nous baignons. La théorie d'Einstein et les conceptions paradoxales de Heisenberg restent encore nos seuls outils de prédiction fiables. Leur union dans une possible théorie M ou de la gravité quantique à boucles (LQG) pourrait-elle nous aider ?

Au jeu du Big Bang, les contradictions des règles témoignent des limites de nos théories et nous rappellent que l'usage incohérent de certaines lois de symétrie a conduit, à d'autres époques, au rejet de l'évidence. La supersymétrie est une voie très intéressante qui semble conduire à la Théorie de Tout. Mais cette annonce est encore prématurée car il nous faut d'abord unifier toutes les particules, quelles que soient leur niveau d'énergie ainsi que toutes les interactions. A ce propos, voyons où nous en sommes aujourd'hui.

Prochain chapitre

Les interactions entre particules