Si le vide nous paraît au premier abord calme, il est en réalité constitué d’un chaos bouillonnant d’énergie à l’échelle de Planck. Agité par la dynamique des champs quantiques, il fluctue en permanence. Pour la première fois, une équipe de physiciens suisses a ainsi tenté, à l’aide d’impulsions laser, de mesurer l’énergie de ces fluctuations quantiques concernant le champ électromagnétique.
Si les fluctuations quantiques du champ électromagnétique ont été mises expérimentalement en évidence dans le cas de l’effet Casimir et du décalage de Lamb, aucune mesure spectrale directe n’en a été faite. Les détecteurs traditionnels ne peuvent être utilisés en raison de la nature quantique des fluctuations du champ dans son état de plus basse énergie. Les chercheurs de l’ETH Zürich ont donc dû mettre au point une nouvelle méthode de mesure décrite dans la revue Nature.
« Les fluctuations du vide du champ électromagnétique ont des conséquences clairement visibles et sont notamment responsables du fait qu’un atome peut spontanément émettre de la lumière » déclare le physicien Ileana-Cristina Benea-Chelmus, de l’institut pour l’électronique quantique à l’ETH Zürich.
« Les détecteurs traditionnels pour la lumière, telles que les photodiodes, reposent sur le principe selon lequel les particules de lumière, et donc l’énergie, sont absorbées par le détecteur » explique Benea-Chelmus. « Cependant, à partir du vide, qui représente l’état énergétique le plus bas d’un système physique, aucune énergie supplémentaire ne peut être extraite ».
Plutôt que de mesurer le transfert d’énergie d’un champ vide, l’équipe a mis au point un moyen de rechercher la signature de ses changements de probabilité subtils dans la polarisation des photons. En comparant deux impulsions laser de durée ultra-courte, envoyées à travers un cristal super froid à des moments et à des emplacements différents, l’équipe a pu déterminer comment l’espace vide entre les atomes du cristal affectait la lumière.
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« Néanmoins, le signal mesuré est absolument minuscule, et nous devions vraiment maximiser nos capacités expérimentales de mesure de très petits champs » explique le physicien Jérôme Faist.
Minuscule est définitivement un euphémisme. La puissance de mesure de cette méthode était si faible qu’il fallait aux chercheurs jusqu’à un milliard de milliards d’observations pour chaque comparaison, dans le but de s’assurer de la fiabilité des résultats. Aussi minimes que soient les résultats finaux, les mesures leur ont permis de déterminer le spectre fin d’un champ électromagnétique dans son état fondamental.
Récemment, une autre équipe de physiciens a tenté de limiter le bruit du vide à la température ambiante afin d’améliorer la fonctionnalité du détecteur d’ondes gravitationnelles LIGO. Les particules virtuelles sont également essentielles pour comprendre comment les trous noirs s’évaporent lentement au fil du temps, sous l’effet du rayonnement de Hawking.
Un trou noir
est un objet compact au champ gravitationnel si intense qu'aucune
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