Le vide quantique : du néant au tout

Le concept de vide, qu’il soit compris comme Rien ou Tout, se retrouve, différemment déguisé, au centre des plus importantes questions scientifiques et philosophiques de tous les temps. Le concept de vide quantique, même s’il est compris et interprété différemment, représente aujourd’hui le fondement de la physique et de la cosmologie modernes, et sa compréhension effective la clé ultime de l’interprétation de la réalité. Analysons brièvement les principales théories “officielles” sur le vide quantique et les derniers résultats de la recherche scientifique de pointe.

Le concept de vide

“La nature a horreur du vide” : cette affirmation, qui remonte aux philosophes grecs il y a plus de 2500 ans, montre que le problème du vide, dans les différentes significations, souvent contradictoires, qui l’ont caractérisé dans l’histoire de la pensée humaine, a été et est toujours l’un des thèmes centraux des discussions et des débats scientifiques et philosophiques.Loin d’être considérée comme une question purement académique, la nature réelle du vide physique est aujourd’hui la base de la cosmologie moderne et la clé pour comprendre les fondements de la physique elle-même. Le concept d’un vide absolu dans lequel rien n’existe, en plus d’induire un sentiment de malaise, semble artificiel sinon carrément dénué de sens. Par exemple, comment deux corps matériels pourraient-ils être séparés par un vide absolu ?

Quel serait le sens de l’espace ?

S’il est vrai que notre Univers est en expansion, dans quoi l’espace s’étend-il ? Ce ne sont là que quelques-unes des innombrables questions auxquelles conduit l’idée de vide. Le concept de vide a subi plusieurs modifications et interprétations au cours des siècles. Déjà dans la Grèce antique, l’interprétation du concept de vide divisait profondément les penseurs : d’une part, il y avait l’école de pensée dirigée par Parménide, reprise ensuite par Aristote, selon laquelle l’espace vide entre les objets matériels était en réalité rempli par un milieu invisible ; d’autre part, il y avait l’école “atomiste” dirigée par Démocrite et Leucippe, selon laquelle la réalité ultime était constituée de particules matérielles invisibles et indivisibles (atomes) existant dans un vide absolu, dont les diverses combinaisons donnaient naissance à la matière.

Ce débat, qui était encore à l’époque essentiellement de nature métaphysique, a vu s’opposer ces positions antithétiques (la négation du vide d’une part et son existence en tant que “contenant” de la matière d’autre part) tout au long du Moyen Âge. La naissance de la science moderne au XVIIe siècle n’a pas réussi à résoudre la question du vide, mais a au contraire rendu le scénario conceptuel encore plus complexe avec la formulation du principe d’inertie par Galilée et de la dynamique par Newton.

Dans la conception newtonienne, en effet, l’espace existant entre tous les corps matériels de l’Univers est rempli par un milieu ayant des caractéristiques extrêmement spéciales : invisible, sans friction et tel qu’il permet le mouvement sans déterminer aucune interférence sur celui-ci. Newton a appelé cette “substance” éther et elle est devenue le système de référence privilégié par rapport auquel tout type de mouvement pouvait être décrit. Dans la conception de Newton, le concept d’éther était donc nécessaire pour identifier le mouvement dit absolu, identifiant le système de référence privilégié par rapport auquel déterminer les mouvements “relatifs”. Cette interprétation de la réalité a tenté de donner une réponse au problème fondamental des forces dites “inertielles”, comme, par exemple, la force centrifuge, qui se manifeste dans les systèmes en rotation comme la Terre. Selon Newton, en effet, l’élargissement de la Terre à l’équateur provenait de la force due à la rotation de la Terre par rapport à un système de référence absolu constitué par l’éther.

A cette conception s’opposait radicalement celle de Gottfried Leibniz, selon laquelle tout type de mouvement, donc aussi le mouvement rotatif, devait au contraire être considéré comme relatif par rapport à tous les autres corps présents dans l’Univers et en particulier par rapport aux étoiles dites fixes. Un observateur en mouvement de rotation dans l’espace profond aurait vu les étoiles tourner en sens inverse et aurait en même temps ressenti une force centrifuge : si les étoiles avaient soudainement disparu, la force aurait disparu avec elles aussi. De cette façon, selon Leibniz, il n’était pas nécessaire d’introduire le concept d’un milieu invisible par rapport auquel le mouvement pouvait être calculé. La position de Leibniz aurait ensuite été reprise dans un sens encore plus radical par Ernest Mach au XIXe siècle, selon lequel les forces centrifuges et leurs effets sur le mouvement d’un corps donné dus aux masses devaient être attribués exclusivement à la force gravitationnelle exercée à distance par toute la matière restante dans l’univers sur le corps en question.

Véritable nature de l’espace : sujet central de discussion scientifique

Au cours du XIXe siècle, l’interprétation de la véritable nature de l’espace vide était devenue un sujet central de discussion scientifique et avait assumé un rôle crucial dans la compréhension d’un autre phénomène aussi fondamental que mystérieux : la propagation des interactions à distance.

Comment, par exemple, le Soleil pourrait-il attirer la Terre si seul un espace vide existait entre les deux corps ? Ou comment deux aimants proches l’un de l’autre, mais non en contact, ont-ils pu interagir mutuellement ? Dans le cas des interactions électriques et magnétiques, l’interprétation possible du phénomène a été proposée par le physicien Michael Faraday, selon lequel les corps chargés électriquement et les aimants généraient, autour d’eux, une région d’influence de taille pratiquement infinie : c’était la première formulation du concept moderne de champ de force qui allait devenir l’un des concepts les plus importants, mais aussi, à la lumière de développements plus récents, l’un des plus controversés, de la physique moderne.

L’article complet traite également des sujets suivants :

  • le concept de champ
  • la révolution quantique
  • le concept moderne du vide
  • le vide de Higgs et d’autres théories du vide plus récentes et plus innovantes
  • le vide quantique comme condensat et l’hypothèse du volume de Planck