Le dictionnaire RAE nous dit que rien c’est “l’inexistence totale ou le manque absolu de tout être” ou encore “le rien”. D’autre part, le même dictionnaire nous dit que le vide en physique serait “l’espace dépourvu de matière”. Si l’on s’en tient à ces définitions, les deux concepts peuvent sembler synonymes en physique, mais comme nous allons le voir, le vide en tant qu’espace sans matière peut contenir d’autres ingrédients, ce qui le différencie du néant. De plus, le vide est un concept avec lequel nous travaillons en physique, alors que rien ne l’est pas.
La chose fondamentale pour comprendre la différence est de savoir que bien que le vide ne contienne pas de particules, cela ne signifie pas qu’il ne contient rien. Un vide peut contenir des ondes électromagnétiques qui le traversent, comme la lumière visible ou les ondes radio. Cette idée était très difficile à accepter et pendant longtemps on a cru que le vide était en fait rempli d’un milieu éthéré, l’éther, nécessaire à la propagation de ce type d’ondes. Cette hypothèse reposait sur une analogie avec les ondes mécaniques, par exemple le son, qui nécessitent un milieu matériel, comme l’air ou l’eau, pour se déplacer d’un point à un autre dans l’espace. Or, une expérience menée par Albert Michelson et Edward Morley en 1887 montra que l’éther n’existait pas et que les ondes électromagnétiques se propageaient dans le vide, sans avoir besoin d’aucun support matériel.
D’autre part, l’évolution de la physique au cours du 20ème siècle a radicalement modifié notre conception du vide. D’abord avec la mécanique quantique, puis avec la théorie quantique des champs, notre description des particules matérielles a subi un changement radical. Au lieu de considérer les particules matérielles comme des objets bien situés dans l’espace, nous en sommes venus à les décrire au moyen de champs quantiques. Ces champs sont des objets qui remplissent tout l’espace-temps et ont une valeur spécifique à chacun de leurs points. Cette valeur serait égale à zéro dans pratiquement tout l’espace, et ce n’est qu’en certains points que l’on trouverait de petites ondes, ce qui correspondrait à des particules classiques. Cependant, la nature quantique de ces champs signifie que, même aux points où la particule classique ne serait pas trouvée et, par conséquent, nous identifions comme vide, le champ ne serait pas strictement nul, mais oscillerait entre de petites valeurs non nulles. Dans le langage des particules, ce phénomène correspondrait à un essaim de paires particule-antiparticule se produisant et s’annihilant continuellement suffisamment vite pour ne pas violer la loi de conservation de l’énergie.
Il est également possible de trouver des champs dont l’intensité est différente de zéro dans tout l’espace, même dans ce que nous considérons comme vide. C’est le cas de ce qu’on appelle le champ de Higgs, associé au boson de Higgs découvert en 2012 dans l’expérience LHC du CERN. Ce champ a une valeur minimale non nulle dans tout l’espace, grâce à laquelle on peut expliquer la masse de la plupart des particules élémentaires. C’est aussi un résultat aux implications très importantes, puisqu’il est possible que cette configuration du vide, dans laquelle le champ de Higgs a une valeur non nulle partout, ne soit pas stable et puisse à un moment donné passer à une valeur différente. Cette modification du vide signifierait un changement dans la physique microscopique telle que nous la connaissons qui aurait des conséquences catastrophiques pour notre univers. Cependant, même si nous devions nous retrouver dans ce scénario, l’état actuel du vide resterait probablement inchangé pendant des milliards d’années de plus, nous n’avons donc pas trop à nous inquiéter.
Ainsi, nous avons vu que le vide n’est pas aussi vide qu’on pourrait le penser, mais peut contenir des ondes électromagnétiques qui le traverseraient, la création et la destruction continues de paires particule-antiparticule, et le bain uniforme du champ de Higgs. Mais, en plus de tout cela, nous savons que le vide contient une énergie non nulle qui remplit tout l’espace, l’énergie du vide. Cette énergie est responsable de l’expansion de plus en plus rapide de notre univers, et grâce à cet effet nous avons pu la mesurer. Sa valeur est extrêmement faible ; cependant, il est décisif pour le destin de l’univers. Cette énergie du vide proviendrait, d’une part, du contenu en particules que nous avons décrit précédemment, tandis qu’une autre composante proviendrait de la théorie de la relativité générale. On peut estimer la première composante de l’énergie du vide à partir de ce que l’on sait de la physique des particules, et le résultat obtenu est absurdement supérieur à la valeur mesurée, d’un facteur supérieur à 10 puissance 50, soit un 1 suivi de 50 zéros ou même 10 à la puissance 120 (1 suivi de 120 zéros). On pourrait alors penser que la deuxième composante pourrait être d’une amplitude similaire, de sorte que la somme des deux donnerait lieu à la petite valeur mesurée. Cependant, cela impliquerait un lien entre deux aspects différents de la physique, tels que la gravité et la physique des particules, que nos théories actuelles n’ont pas été en mesure de concilier pour le moment. Nous sommes confrontés à l’un des mystères non résolus les plus importants de la physique moderne, connu sous le nom de problème de la constante cosmologique, également lié à l’énigmatique énergie noire qui représente près de 40% de notre univers.
En bref, le vide en physique est assez plein de choses, dont certaines que nous ne comprenons pas tout à fait, nous devons donc continuer à creuser et à chercher de nouvelles théories pour l’expliquer.
Mariam Tortola est professeur titulaire au Département de Physique Théorique de l’Université de Valence et chercheur àInstitut de physique corpusculaire.
Question envoyée par Alberto García Baladía
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