Le vide, les vides

Le vide : un concept très polymorphe

Aussi surprenante que cette affirmation puisse paraître, la notion de vide reste d’actualité [01]. Car il se pourrait qu’elle constitue une des clés nécessaires à l’obtention d’une compréhension affinée de ce qui lie et de ce qui sépare les deux piliers de la physique fondamentale. Mais prenons le temps d’éclairer le cheminement de la pensée justifiant qu’on se penche sur ce qui semble ne pas avoir d’existence : le vide.

Le mot, en effet, est une sorte de boite de Pandore. Il s’associe volontiers avec le néant, l’absence, le rien. Autrement dit, il porte avec lui une kyrielle de sens qui n’ont pas forcément un rapport clair et direct avec ceux que la physique lui donne. C’est ce qui explique qu’il trouve également sa place dans diverses disciplines sans lien avec la précédente : la psychologie (la sensation de vide qui suit le départ ou la mort d’un être cher) ; la politique (le nihilisme) ; la philosophie.

Quelques références pour compléter la lecture

[01] Klein, E. : Finalement, qu’est-ce-que le vide ? conférence visible en ligne sur la chaine Youtube « Espace des sciences » ; https://www.youtube.com/watch?v=db2rhB49IGo

[02] Transformations de Lorentz, calcul rapide #14 sur la chaine Youtube « ScienceClic Plus », niveau Baccalauréat + 1 : https://youtu.be/NkDlFo-c524?si=OuYmM16_C-A46N63

L'apparition du vide en physique

Le vide fait son apparition en physique-chimie dès le moment où les érudits s’intéressent aux relations entre volume, température et pression (exemple : p.V = N.R.T). Faire le vide devient parfois synonyme de faire baisser la pression. Et faire baisser la pression dans un récipient consiste à le vider de la matière qu’il contient.

Dans un autre domaine, la propagation des ondes (sonores, électromagnétiques) tout semblait clair jusqu’à la fin du dix-neuvième siècle. Comme les ondes avaient besoin d’un support pour se propager, les régions séparant la Lune de la Terre s’identifiaient forcément avec une sorte d’éther.

Tout changé avec l’expérience de Morley et Michelson – et surtout avec l’analyse qui en est faite. La notion d’éther devient inconsistante. Le « vide » fait son entrée dans le débat. Il désigne désormais l’ensemble des volumes de l’univers dans lesquels il n’est pas possible de reconnaitre la présence d’une particule matérielle.

Le vide, les vides ?

Le vide

L’analyse de cette expérience historique fonde la mise au point des transformations de Lorentz-Poincaré [02] et explique l’apparition de la relativité restreinte. Dans la foulée, l’état des connaissances en matière d’astronomie au début du vingtième siècle donne naissance à une représentation uniforme et homogène de ces volumes vides. Comme suite apparemment logique, une dichotomie claire s’installe dans les esprits entre ces volumes et ceux qui « hébergent » une particule matérielle. Le modèle planétaire est inconsciemment transposé aux échelles atomiques. Les particules ont a priori une claire délimitation géographique.

Les vides

Ces deux caractéristiques, l’homogénéité des régions vides et le positionnement précis des particules, volent en éclat au sein de la physique quantique. En effet, en physique quantique, on ne parle pas du vide (comme s’il s’agissait d’un seul et unique objet ; par exemple comme s’il s’agissait d’un morceau d’or pur) mais des « états énergétiques » du vide.

Le principe d’incertitude sur les mesures de W. Heisenberg et l’apparition de l’interprétation probabiliste concernant la présence des particules élémentaires modifient profondément la manière dont il convient de se représenter le monde atomique.

Il n’est plus permis d’affirmer qu’une particule est située quelque part autrement qu’en ajoutant l’information complémentaire : « avec un taux de probabilité de tant de % »… Ce qui, contre-intuitivement, veut dire qu’il existe une petite probabilité qu’elle n’y soit finalement pas ! L’obligation de penser de la sorte est à l’origine du concept d’orbitale.

L’approche quantique rend donc désuète l’idée selon laquelle une particule est délimitée par une surface précise.

Conséquence ultime de ce nouveau paradigme, à l’extrême, en « descendant » mentalement dans l’échelle des longueurs vers la longueur dite de Planck, il devient très présomptueux de faire le distinguo entre ce qui est vide et ce qui ne l’est pas. La représentation classique de la nature vole en éclat.

Les régions vides dans la théorie de la question (E)

Les principes

Dans un tel contexte, se pose une question à laquelle il devient difficile de répondre. « Sur quel principe fédérateur est-il possible de bâtir une théorie dont l’essence intègre d’emblée la vision déterministe de la théorie de la relativité et l’approche quantique probabiliste ? »

Les choix qui doivent être faits ne doivent pas négliger de s’attaquer à l’un des paradoxes les plus énervants de la physique actuelle. Je veux parler de la divergence colossale entre deux estimations de l’énergie disponible dans les régions vides de l’univers. L’une, relativiste, donne un résultat proche de zéro et l’autre, quantique, donne un nombre presque infini [Weinberg] !

Certains auteurs pensent que la quête d’un principe unificateur est une perte de temps [Dyson]. Ils suggèrent aussi que s’il existe, alors les regards devraient se tourner vers la recherche de similitudes pertinentes entre la gravitation et la thermodynamique [Dyson], [Rovelli].

La théorie de la question (E) ajoute un constat à ces points de vue : « l’omniprésence écrasante des régions vides dans l’univers observable ». Et le constat vaut autant pour les zones intra-atomiques que pour les gigantesques bulles intersidérales.

Ainsi, si lien avec la thermodynamique il y a, alors la matière perçue comme particulaire relève du « principe de l’iceberg ». Elle est l’infinitésimale partie émergée et perceptible de courants énergétiques invisibles et non-matérialisés. Ce principe justifie par exemple le point de vue créationiste défendu autrefois par Hoyle (voir les questions encore ouvertes en cosmologie).

Certes, en l’état actuel des connaissances, de telles idées confinent à la métaphysique. J’en suis très conscient. Mais en avons-nous d’autres ?

Les premiers résultats

C’est la raison pour laquelle le document initial de la théorie de la question (E) revêt un aspect fondamental. Il donne en effet un corps mathématique aux idées précédentes.

Comment ? En introduisant la problématique des produits vectoriels déformés et de leurs décompositions dans équations de Maxwell classiques écrites en dimension 3 + 1 pour décrire les champs électromagnétiques dans les régions vides de l’espace-temps.

Pourquoi ? Parce que la démonstration permet de parvenir à une équation dynamique. C’est-à-dire permet finalement de parvenir à une conclusion à priori contradictoire avec les circonstances qui ont permis de l’établir. Cette conclusion s’énonce : « Il existe une force par unité de volume non nécessairement partout nulle, même dans les régions de l’univers très distantes des sources ».

A l’instar de l’expérience de Morley et Michelson, ce résultat prouve son importance non pas tant dans ce qu’il démontre mais dans ce qu’il n’aurait pas dû démontrer. En effet, dans un vide absolu euclidien tridimensionnel et classique, on ne s’attend pas à priori à pouvoir démontrer l’existence de la moindre potentialité de mouvement. Or c’est pourtant ce que laisse deviner l’équation obtenue.

Ce premier résultat pousse à admettre l’existence d’une activité dynamique sous-jacente dans le vide de Maxwell. Par extrapolation de la pensée : il doit en être de même dans le vide quadridimensionnel de la relativité générale. Il en découle immédiatement une question complémentaire et plus pointue : celle qui consiste à se demander ce qui subit cette force et comment celle-ci se manifeste. Autrement dit : comment ces courants énergétiques se manifestent-ils ? Les particules élémentaires en sont-elles une des manifestations ? Y-a-t-il un critère déclenchant la manifestation ? L’apparition d’un champ de gravitation est-il la signature de la présence d’une particule ? Toute chose étant égale par ailleurs, est-il comparable au phénomène de cristallisation de l’eau ?

Avant d’esquisser une réponse à ce qui doit être compris comme une des questions les plus difficiles de la physique du vingt et unième siècle, je vais faire quelques remarques à la frontière avec la métaphysique. Leur essence aidera peut-être à trouver des éléments de réponse.

Le document initial (version francophone)

Le document intial (en anglais).