Que sont les fluctuations quantiques du vide ?

Avec l’avènement de la mécanique quantique, la notion de « vide », déjà complexe à définir pour les physiciens, a pris une toute nouvelle dimension. Aujourd’hui, les scientifiques savent que le vide n’est pas une entité physique inerte mais, au contraire, qu’il est animé d’un mouvement chaotique permanent.

En effet, le vide est continuellement le siège de fluctuations quantiques à l’échelle microscopique. Mais que sont ces fluctuations ? Comment apparaissent-elles ? Sont-elles observables ?

Le vide quantique : énergie, fluctuations et particules

Le vide quantique occupe l’ensemble de l’univers. Il possède une énergie présente en tout point de l’espace appelée « énergie du vide ». Cette énergie fluctue en permanence autour de sa valeur moyenne selon une relation liant le temps et l’énergie tirée du principe d’indétermination d’Heisenberg.

Cette inégalité montre que l’énergie d’un système est inversement proportionnelle à la durée de la mesure effectuée. Ainsi, il peut y avoir une variation spontanée de valeur d’énergie du vide pendant un intervalle de temps extrêmement court, correspondant à une « création » ou à un « excès » d’énergie.

En réalité, le vide quantique étant assimilé à un champ quantique (en théorie quantique des champs), cette « création d’énergie » n’est autre qu’une très brève variation locale du niveau d’énergie du champ. Cela n’entre donc pas en contradiction avec le principe de conservation de l’énergie. En d’autres mots, pendant un laps de temps très court, de l’énergie est empruntée et restituée au vide.

L’énergie du vide est donc animée de fluctuations quantiques permanentes. Mais ce n’est pas tout. Avec la relativité restreinte, Albert Einstein a introduit sa fameuse relation donnant l’équivalence masse-énergie :

E = mc²

Ainsi, les fluctuations d’énergie du vide peuvent donc correspondre à l’existence de particules massives. En effet, en théorie quantique des champs, les fluctuations quantiques donnent lieu à l’apparition spontanée de paires particule-antiparticule virtuelles qui disparaissent presque aussitôt en s’annihilant. Ces particules sont dites « virtuelles » car leur durée de vie est extrêmement brève. Le vide quantique est donc animé de paires de particules virtuelles apparaissant et disparaissant continuellement.

Si les mathématiques prédisent rigoureusement l’existence des fluctuations quantiques, qu’en est-il de leur réalité physique ? Les fluctuations quantiques émergent à l’échelle microscopique et sont quasiment instantanées, elles ne sont donc pas directement observables. Cependant, leurs effets sont quant à eux mesurables. Il existe actuellement deux importantes preuves expérimentales de l’existence des fluctuations du vide : l’effet Casimir et le décalage de Lamb.

L’effet Casimir

En 1948, le physicien Hendrik Casimir postule l’existence d’un effet d’attraction entre deux plaques parallèles conductrices (deux miroirs par exemple). Pour cela, il démontre, grâce à la théorie quantique des champs, que les fluctuations quantiques du vide exercent une pression de radiation (pression exercée sur une surface par un rayonnement électromagnétique) sur l’extérieur des deux plaques qui tendent ainsi à se rapprocher.

Les plaques sont ainsi attirées sous l’effet d’une force, baptisée « force de Casimir », inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. La première preuve expérimentale de l’effet Casimir est réalisée en 1997.

Plus précisément, ce sont les fluctuations quantiques du champ électromagnétique qui sont à l’œuvre dans ce phénomène. Comme expliqué plus haut, les fluctuations correspondent à des particules virtuelles ; dans le cas du champ électromagnétique, il s’agit donc de photons virtuels caractérisés par leur longueur d’onde. Entres les deux plaques conductrices, seuls les photons dont la longueur d’onde est inférieure à la distance séparant les deux plaques peuvent exister.

Dès lors, la somme des photons virtuels entre les deux plaques est nécessairement inférieure à la somme des photons virtuels à l’extérieur des plaques (qui, eux, n’ont aucune contrainte de longueur d’onde pour exister). Les photons virtuels extérieurs étant plus nombreux, ils exercent une pression de radiation externe supérieure à la pression interne, créant ainsi une force rapprochant les deux plaques.

Le décalage de Lamb

En 1947, les physiciens Willis Eugene Lamb et Robert Retherford, en étudiant le spectre micro-onde de l’atome d’hydrogène, remarquent un écart d’énergie entre les deux niveaux de l’atome d’hydrogène. Or, selon le modèle quantique de l’électron et l’équation de Dirac, ces deux niveaux (notés 2s1/2 et 2p1/2) devraient normalement posséder la même énergie. Il faut cependant attendre la fin des années 1940 pour que le physicien Hans Bethe fournisse la première explication théorique au moyen des fluctuations quantiques du vide.

De nouveau, ce sont les fluctuations quantiques du champ électromagnétique qui sont à l’œuvre dans le décalage de Lamb. Autour du noyau atomique, le vide fluctue en permanence, donnant naissance à des paires d’électrons-positrons virtuels. L’électron de l’atome d’hydrogène interagit ainsi un très court instant avec les positrons virtuels. Cette interaction provoque alors une très légère modification de l’orbite de l’électron, entraînant finalement un écart d’énergie entre les deux niveaux de l’atome.

Les fluctuations quantiques dans l’univers

Avec le décalage de Lamb et l’effet Casimir, les physiciens ont pu mettre en évidence des effets microscopiques et relativement macroscopiques sur la matière, dus aux fluctuations quantiques. La théorie quantique des champs prévoit généralement une contribution totalement nulle des fluctuations quantiques à l’échelle de l’univers. Toutefois, certaines théories prédisent que ces fluctuations ont pu jouer, et jouent encore, un rôle à l’échelle cosmique.

C’est notamment le cas du modèle du Big Bang et du mécanisme inflationnaire. Lors de l’inflation, l’univers se dilate et s’étend avec une vitesse, une température et une énergie phénoménales. Ces conditions chaotiques secouent tellement l’espace-temps qu’elles engendrent des fluctuations quantiques d’amplitude extrêmement élevée, qui agissent sur la structure même de l’univers. Elles seraient ainsi responsables de la distribution de la matière et de la formation des grandes structures cosmologiques.

En 1975, le physicien Stephen Hawking prédit l’existence d’un phénomène « d’évaporation » des trous noirs : le rayonnement de Hawking. Aux abords des trous noirs, le champ gravitationnel est si intense qu’il permet de séparer les paires de particule-antiparticule virtuelles issues des fluctuations du vide avant qu’elles ne s’annihilent.

Du point d’un vue d’un observateur extérieur, tout se passe comme si une particule d’énergie positive était émise tandis qu’une particule d’énergie négative était absorbée par le trou noir. L’absorption d’énergie négative correspond à une perte de masse pour le trou noir, qui s’évapore alors progressivement.