Et la lumière surgit du néant...

Les fluctuations quantiques du vide révèlent que le néant est peuplé de particules virtuelles. Image : Jean-François Colonna - CMAP/ CNRS/ Ecole polytechnique

Les fluctuations quantiques du vide révèlent que le néant est peuplé de particules virtuelles. Image : Jean-François Colonna - CMAP/ CNRS/ Ecole polytechnique

Des chercheurs finlandais ont fait apparaître des photons bien réels à partir du vide. De quoi bouleverser notre conception du «rien». D'autant que les physiciens tentent aussi de créer de la matière venue de nulle part.

Il va falloir nous y habituer: le vide n’existe pas… Aristote en avait eu une extraordinaire préscience lorsqu’il affirmait, il y a quelque 23 siècles, que «la nature a horreur du vide». Même si on peut parier que le philosophe grec ne pensait pas exactement à la même notion de vide que celle des physiciens d’aujourd’hui, il avait quand même mis dans le mille.

La définition classique du vide nous dit qu’il s’agit d’une absence de matière dans une zone de l’espace. Or, en fait, le vide n’est jamais totalement vide. La physique quantique nous apprend, au contraire, qu’il pullule de particules... et d’antiparticules. Dans le vide quantique, ce bouillon se traduit par un jeu à somme nulle. La matière et l’antimatière ne faisant pas bon ménage, elles se font mutuellement disparaître.

Pourtant, pendant des temps très courts, des particules parviennent à exister avant d’être irrémédiablement annihilées.

L'effet Casimir

A-t-on l’assurance de la réalité de ce phénomène? En 1948, le physicien néerlandais Hendrick Casimir a prédit que deux miroirs parallèles placés dans le vide subiraient une force d’attraction l’un vers l’autre.

Depuis, plusieurs expériences ont, en 1978 et, surtout, à partir de 1997, démontré sur l’effet Casimir existe bien. Deux miroirs très fins et très conducteurs, placés dans le vide, ont tendance à se rapprocher. Comme si une force s’exerçait de part et d’autre, poussant les deux miroirs l’un vers l’autre.

Une force? Alors qu’il n’y a que du vide? Si le vide peut appliquer une pression, c’est qu’il contient de l’énergie... Chacune des particules jouant à s’annihiler le plus vite possible dans le bouillon bouillonnant est associé à une onde. Et ces ondes exercent une pression sur la surface de chaque miroir.

Mais il existe aussi du vide entre les miroirs... Certes, mais leur faible écartement, précisément calculé, perturbe les ondes prisonnières. La force de rapprochement des miroirs permet de mesurer la différence de pression exercée entre les ondes situées à l’extérieur des deux miroirs et celles qui sont entre les deux… Etonnant, non?

L'énergie du vide

Cette expérience met en évidence de nombreuses choses… quantiques. En particulier, l’existence d’une énergie du vide. Ou la présence, dans ce «vide», d’une infinité de particules invisibles du fait de leur trop courte période d’existence.

Mais que se passerait-il si l’on faisait varier la distance entre les deux miroirs? Juste pour voir. C’est la question que se sont posés deux chercheurs finlandais de l’université d’Aalto, Sorin Paraoanu et Pasi Lähteenmäki.

«Si nous agissons très vite, nous pouvons empêcher les particules de se recombiner, explique le premier. Elles sont alors transformées en particules réelles qui peuvent être détectées.»

Pour réaliser l’exploit d’empêcher les particules évanescentes de disparaître, les physiciens sont allés jusqu’à modifier la vitesse de la lumière. Pour cela, ils ont utilisé un réseau d’aimants supraconducteurs, les SQUIDs, similaires à ceux desi machines d’IRM utilisées pour l’imagerie du cerveau. C’est en modifiant le champ magnétique émis par ces aimants qu’ils ont fait varier rapidement la vitesse de la lumière.

«Nous avons ainsi pu extraire des photons du bruit du vide quantique», précise Pasi Lähteenmäki. Autrement dit, des photons, et donc de la lumière, sont devenus visibles dans le vide. De véritables particules sont ainsi sorties du néant apparent.

Variation de la vitesse de la lumière

L’étude, publiée le 11 février 2013 par les PNAS, fait l’objet d’un article sur le site de la revue Nature provenant de Scientific American. Pasi Lähteenmäki y explique que l’expérience revient à modifier l’indice de réfraction du vide.

On sait en effet que la vitesse de la lumière varie en fonction de cette propriété de la matière qu’elle traverse.

«Imaginez que vous êtes assis dans une pièce très sombre, explique le chercheur. Si, soudain, l’indice de réfraction de la lumière [ de la pièce ] change, la pièce va devenir lumineuse.»

Ce qui peut être assimilé au remplacement, d'un coup, de murs peints en noir par des murs peints en blanc.

Le plus extraordinaire réside dans ce surgissement de particules réelles à partir du vide. L’expérience de Casimir avait permis de découvrir que le vide n’est pas vide. Celle des Finlandais met en lumière, au sens strict, l’un de ses composants. Mais les photons ne sont pas les seules particules qui habitent le vide.

De la lumière à la matière

En effet, la formule d’Einstein E=MC2 peut être écrite: M=E/C2. Ce qui signifie qu’une masse peut exister pourvu que l’on dispose d’énergie. Ainsi, si le vide contient de l’énergie, il doit être possible de la transformer en masse. Dans ce cas, ce ne serait plus uniquement de la lumière qui surgirait du néant mais bien de la matière. Le seul problème réside dans la quantité d’énergie nécessaire pour que la masse ne reste pas nulle. Etant donné qu’il faut la diviser par le carré de la vitesse de la lumière (300.000 km/s), on comprend que l’énergie qu’il faut ajouter à celle du vide doit être gigantesque.

Faire bouillir le vide

Cette difficulté ne fait pas peur à un Français, Gérard Mourou, directeur de l’Institut de la lumière extrême (ILE) à l’Ecole polytechnique de Palaiseau. Spécialiste des impulsions laser ultracourtes, le physicien dirige ce projet qui doit aboutir, d’ici 2015, à la création d’une installation assez extraordinaire. Elle alliera en effet un laser de forte puissance à la technologie des impulsions atteignant la femto, voire l’attoseconde. C'est-à-dire 10-15 à 10-18 secondes. Et pourquoi pas la zeptoseconde (10-21 s). Très loin des durées imaginables.

La puissance du laser ne l’est pas plus: 200 petawatts (PW), soit 1015 watts (100.000 fois la puissance électrique produite par l’homme sur Terre) concentrée sur un espace d’un micron, un millième de mm. Le résultat visé n’est rien d’autre que de «faire bouillir le vide».

Juste après le Big Bang

Cela revient à recréer les conditions dans lesquelles les particules fondamentales sont apparues juste après le Big Bang. Si les physiciens atteignent leur but, notre conception du vide sera définitivement modifiée. Après avoir fait jaillir la lumière qu’il contient grâce à l’expérience finlandaise, ce sera la lumière qui fera surgir de la matière de ce qui constitue, finalement, la matrice de ce qui nous entoure. Avant même d’être poussière, nous avons été… vide.

M.A.  

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