Vide : matière et principe d'exclusion

La stabilité de la matière et la régularité du tableau périodique des élémentstableau périodique des éléments atomiques de Mendeleïev sont finalement dues au fait que les électrons obéissent à une loi fondamentale de la mécanique quantique connue sous le nom de principe d'exclusion : deux électrons dans un même système ne peuvent occuper le même état d'énergie quantique.

Des paires de particules et d'antiparticules ont été créées et sont observées en train de spiraler dans un champ magnétique à l'intérieur d'une chambre à bulles du Cern en 1970. © Cern

Quand Paul DiracPaul Dirac comprit le premier que les électrons peuvent avoir un double chargé positivement, l'« anti » électron appelé positron, il fit appel à ce principe d'exclusion pour bâtir un modèle du vide qui ferait apparaître de telles entités inhabituelles. Il suggéra que l'on considère le vide comme étant loin d'être désertdésert : pour Dirac il était rempli d'une infinité d'électrons dont les énergies individuelles occupent toutes les valeurs depuis l'infini négatif jusqu'à une certaine valeur maximum.

Une telle mer profonde et calme est partout présente et indécelable tant que rien ne la perturbe. Nous appelons cet état normal l'état fondamentalétat fondamental, qui est le niveau de base à partir duquel toutes les énergies sont définies : le « niveau de la mer » de Dirac définit le zéro de l'énergie.

Les fluctuations d’énergie du vide

La célèbre équationéquation d'EinsteinEinstein E = mc² peut être reformulée en m = E/c², qui nous dit que de la massemasse peut être produite à partir d'énergie. Un électron et son jumeaujumeau d'antimatièreantimatière, le positron, ont le même mc² et des charges électriques égales mais de signe opposé. Donc, si une énergie E dépasse 2mc², il est possible qu'un électron et un positron en émergentémergent. Les fluctuations d'énergie du vide peuvent spontanément se transformer en électrons et positrons, mais sous la condition, imposée par le principe d'indétermination, que cela ne dure pas plus que / 2mc², ce qui ne fait guère que 10^-21 seconde. Cette duréedurée est si petite qu'elle ne permet à la lumièrelumière de parcourir qu'environ un millième de la taille de l'atomeatome d'hydrogènehydrogène. De telles particules « virtuelles » ne peuvent pas plus être observées que les déviations à la conservation de l'énergie que ces fluctuations représentent. Cependant les conséquences de cette omniprésence de particules virtuelles dans le vide peuvent être détectées par des mesures minutieuses et précises.

Une particule chargée électriquement, comme un électron ou un ionion, est entourée d'un nuagenuage virtuel d'électrons et de positrons. Un des effets de ces nuages est de modifier l'intensité des forces électriques entre deux objets chargés. Plus le microscopemicroscope avec lequel nous regardons est puissant, plus nous serons sensibles aux effets de ces nuages virtuels dans le vide. Comme l'existence virtuelle d'une paire électron-positron va fluctuer dans seulement un millième du rayon atomique, elle peut influencer la force exercée entre le protonproton et l'électron périphérique de l'atome d'hydrogène, induisant une légère modification à la loi de la force en inverse du carré. Cela affectera également le magnétismemagnétisme de particules comme l'électron d'une manière calculable qui s'avère en accord avec les mesures d'une précision meilleure qu'un cent-milliardième.

Le vide de Dirac et les électrons

Dans le vide de Dirac, vu comme une mer infinie remplie d'électrons, si un électron de cette mer est absent, il laisse un trou. L'absence d'un électron chargé négativement, doté d'une énergie négative par rapport au niveau de la mer, apparaîtra comme une particule chargée positivement et dotée d'une énergie positive, donc avec les caractéristiques du positron. Des fluctuations à la surface de la mer, définie par le phénomène de l'énergie du point zéropoint zéro décrit précédemment, peuvent momentanément extraire un électron en laissant un trou, ce qui apparaît comme une paire électron-positron.

Le physicien Paul Dirac, le découvreur de l'antimatière. © The Nobel Foundation

On peut rendre visibles ces fluctuations en fournissant de l'énergie à l'atome. Si un photonphoton d'énergie supérieure à 2mc² rencontre un atome, il est très probable qu'il ionisera cet atome. Mais il est possible qu'un électron et un positron virtuels émergent du champ électriquechamp électrique de l'atome juste au moment de l'impact. Dans ce cas le photon peut les éjecter hors de l'atome, laissant derrière lui un atome non perturbé. Ce phénomène, appelé « création de paire », peut être photographié dans une chambre à bulles, et donner naissance à des objets d'art esthétiques et mystérieux. Les deux particules virtuelles deviennent alors réelles.

Les antiparticules

Pour Dirac, les antiparticulesantiparticules sont des trous créés dans cette mer infiniment profonde qu'est le vide. Cette image résout également ce qui, autrement, serait un paradoxe. Si le vide était vraiment sans rien, où donc seraient inscrites les lois de la nature, les propriétés de la matière, qui font que tous les électrons et les positrons créés « à partir du vide » ont des propriétés identiques, avec des masses bien spécifiques, plutôt que d'émerger selon un continuum aléatoire de potentialités ? Les protons, les quarks et d'autres particules similaires obéissent également au principe d'exclusion et remplissent une mer sans fond. C'est cet entrepôt infini, constitué par la mer de Dirac, qui nous approvisionne en particules que nous pouvons matérialiser.

Le vide est constitué par une mer infiniment profonde de niveaux d’énergie occupés, depuis l’infini négatif jusqu’à un maximum. Nous définissons cette configuration, l’état de plus basse énergie, comme le zéro d’énergie. Un état d’énergie positive, par exemple un électron d'énergie positive par rapport au vide. Un trou dans le vide, l’absence d’un état d’énergie négative et de charge négative apparaît comme un état d’énergie positive et de charge positive. C’est l’image que Dirac donne de l’antiparticule de l’électron : le positron. Un état d’énergie négative est vide et un état d’énergie positive est rempli. Cela peut être un électron d’énergie positive associé à un trou perçu comme un positron d’énergie positive. Pour produire cette configuration, il est nécessaire de fournir de l’énergie au vide. Cette énergie peut avoir été apportée par un photon qui s’est converti en un électron et un positron. © CC by-sa 2.0

Dans cette interprétation, le vide devient un milieu. Cela a de profondes connexions avec des phénomènes qui se passent dans des milieux « réels », comme les solidessolides ou les liquidesliquides, où de très grands nombres d'atomes ou de particules s'organisent eux-mêmes en différentes « phases ». Le vide quantique s'apparente donc à la configuration d'énergie la plus basse, l'« état fondamental », d'un ensemble de corps. Nous reviendrons là-dessus dans le prochain chapitre. Cela a des conséquences d'une portée considérable, et ouvre la possibilité que la nature du vide ait pu ne pas être la même au cours de l'histoire de l’Univers. Cela soulève également une possibilité intéressante : que l'on puisse ajouter quelque chose au vide, tout en abaissant pourtant son énergie. Dans une telle situation, on aurait créé un nouvel état de vide ; le vide précédent, qui a une énergie supérieure à celle de l'état fondamental, est appelé « faux vide ». La transition du faux vide au nouveau est appelée « changement de phase ». Les théoriciens se demandent, et les expériences en physiquephysique des hautes énergies pourraient donner bientôt la réponse, s'il ne s'est pas produit quelque chose de ce genre très tôt dans l'histoire de l'UniversUnivers, à des températures dépassant le million de milliards de degrés.