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Qu'est-ce que l'effet Casimir ? - Matière et Révolution
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Qu’est-ce que l’effet Casimir ?

dimanche 3 avril 2016, par Robert Paris

Qu’est-ce que l’effet Casimir ?

Le caractère matériel du vide quantique pose un problème qui n’est pas que physique mais philosophique car pendant très longtemps le vide a été opposé diamétralement (donc pas dialectiquement) à la matière, le virtuel opposé diamétralement au réel, et l’énergie opposée aussi diamétralement à la matière et à la lumière. L’effet Casimir transforme toutes ces oppositions diamétrales en contradictions dialectiques…

L’effet Casimir est une des rares manifestations directes de l’existence réelle par l’action du vide quantique dans un phénomène se déroulant à notre échelle (dite macroscopique).

Ce phénomène est le suivant : deux plaques conductrices de grande taille sont placées dans le vide et l’une contre l’autre. On constate alors qu’elles ne peuvent être écartées aisément car elles subissent une force de pression extérieure. Or l’ « extérieur », c’est le vide. Il y a donc une pression qui provient… du vide.

Cela fonctionne avec deux conducteurs plans mais également avec deux électrodes d’autres formes ou avec deux miroirs.

Ce phénomène n’a pas été expérimenté par hasard et sa mesure n’a pas donné un résultat inattendu. Au contraire, c’est la théorie du vide quantique qui a amené à prédire ce résultat et les mesures qui ont été faites de la force donnant cette pression amènent exactement les résultats prévus par le théoricien, en l’occurrence Casimir…

L’effet fut prédit en 1948 par le chercheur hollandais Hendrik Casimir : deux miroirs parallèles et placés dans le vide s’attirent faiblement. Très faiblement : pour des miroirs de 1 cm2, espacés de 0,5 micromètre, la force d’attraction correspond au poids d’une masse de 0,2 milligramme. Il n’empêche que l’effet Casimir a été vérifié dès 1958 par un autre physicien hollandais, Marcus Sparnaay, qui a pu mettre en évidence à la fois l’existence de la force d’attraction et sa dépendance vis-à-vis de l’écart entre les plaques.

D’où provient l’effet Casimir ? La réponse fait intervenir le mariage entre les lois de l’électromagnétisme et celles de la physique quantique. Quand on calcule, par les lois quantiques, l’énergie minimale du champ électromagnétique, on s’aperçoit qu’elle n’est pas nulle. Le résultat peut être interprété par l’existence de fluctuations spontanées du champ. En d’autres termes : bien qu’en moyenne la valeur du champ électromagnétique soit nulle dans cet état d’énergie minimale qu’est le « vide », elle fluctue continuellement et aléatoirement autour de zéro, en positif comme en négatif. Ces fluctuations baignent tout l’espace et donnent lieu à une certaine énergie appelée « énergie de point zéro ». Il se trouve que sa valeur est infinie, ce qui a bien sûr soulevé une difficulté ; mais les physiciens la surmontent en faisant remarquer que l’énergie de point zéro, même infinie, n’est pas observable : seules les différences d’énergie le sont.

L’énergie du « vide » entre deux plaques se calcule en tenant compte uniquement des photons (y compris des photons virtuels) dont les longueurs d’onde divisent exactement la distance entre les deux plaques (où n est un entier positif, λ la longueur d’onde d’un photon, et L la distance entre les deux plaques). Ceci implique que la densité d’énergie du vide (entre ces deux plaques) est fonction du nombre de photons qui peuvent exister entre ces deux plaques.

Plus les plaques sont proches, moins il y a de photons obéissant à la règle prescrite, car sont exclus les photons dont la longueur d’onde est supérieure à L. Il y a donc moins d’énergie.

La force entre ces deux plaques, à savoir la dérivée de l’énergie par rapport à L, est donc attractive.

Dans le cas des deux miroirs envisagé par Casimir, ces objets modifient, par leur présence même, les fluctuations spontanées du champ électromagnétique. En effet, la valeur du champ électrique doit être nulle au niveau d’une surface parfaitement conductrice de l’électricité (ce qu’est un miroir parfait). Les fluctuations du champ qui règnent à l’intérieur de la cavité doivent ainsi obéir à certaines « conditions aux limites ». La situation est analogue à celle d’une corde attachée par ses deux extrémités à des points fixes : l’amplitude de ses vibrations doit être nulle aux points d’attache, ce qui restreint les modes de vibration possibles. De ce fait, les fluctuations, qui sévissent spontanément à toutes les longueurs d’onde (ou fréquences), sont amplifiées ou diminuées suivant que leur longueur d’onde s’accorde ou non avec la longueur de la cavité. Ces contraintes sur les fluctuations du champ à l’intérieur de la cavité formée par les deux miroirs ont pour résultat de modifier l’énergie du vide. La différence d’énergie, qui est calculable, est à l’origine de la force d’attraction présente dans l’effet Casimir.

L’effet Casimir est un effet visible à très petite échelle, mais tout de même mesurable et qui correspond à une pression sur des plaques conductrices exercée par le vide quantique situé entre elles. Ainsi qu’il est décrit en théorie quantique des champs le vide quantique est le lieu de création et d’annihilation à tout instant de nombreuses particules virtuelles. L’existence de conditions au bord différentes pour le vide extérieur et intérieur aux plaques implique alors une différence d’énergie entre les deux qui est la cause de la pression mesurée sur les plaques.

Les particules dites « virtuelles » (celles qui peuplent le vide quantique) sont par définition en dehors de leur couche de masse, ce qui signifie qu’elles ne satisfont pas à la relation E2 = p2c2 + m2c4, et sont par définition inobservables individuellement bien que leur contribution collective soit mesurable comme dans l’effet Casimir et plus généralement dans toutes les corrections quantiques aux observables classiques d’une théorie quantique des champs.

Effet du miroir en mouvement dans le vide, effet Unruh, effet Casimir, effet Ahoronov-Böhm, fentes de Young, nuage de polarisation, etc, l’importance du vide ne peut plus être méconnue : • le vide fluctue en énergie • le vide est un milieu diélectrique qui polarise les particules • le vide est porteur des ondes • le vide permet les transitions de fermions par échanges de photons virtuels • le vide limite les trains d’ondes • le vide matérialise et dématérialise • le vide a une énergie, une température, une pression.

Loin d’être marqué par une immobilité parfaite comme on le pensait, le vide est le siège de l‘agitation bien plus instable que la matière. Le contenu du vide est très réel : des fluctuations d’énergie désordonnées en tous sens, désordonnées dans l’espace comme dans le temps. Nous trouvons dans le vide quelque chose qui ressemble à une particule matérielle ou à un photon (rayonnement), elle s’évanouit très rapidement. C’est si rapide que ce n’est pas perceptible à notre échelle. Nous disons qu’il s’agit d’objets « virtuels » qu’il conviendrait plutôt d’appeler éphémères relativement à la matière et hors du temps relativement au vide lui-même.

« Au commencement était l’action. » d’après « Faust » de Goethe. Avec Planck, la physique a donné raison à Goethe en donnant comme base du réel le quantum d’action. Mais la question est : où sont les quanta réels qui interviennent en physique. Est-ce les particules matérielles ? Est-ce les photons du rayonnement ? Non. Ces « objets » sont d’énergie constante (c’est-à-dire une énergie divisée par un temps) donc ne sont pas une certaine quantité d’action. C’est le vide qui fournit des « objets » (particules et photons dits virtuels car éphémères) qui sont un quantum, deux, trois, ... quanta. Et au « commencement » était ... le vide. Attention, comme on l’a déjà dit, le vide de la physique n’est pas un lieu sans agitation et sans rien. La meilleure preuve de cette agitation (du type agitation thermodynamique des molécules) c’est la pression qu’elle exerce sur la matière. Ainsi, en rapprochant deux grandes plaques métalliques, on remarque que celles-ci sont collées par une pression extérieure … du vide. C’est l’effet Casimir ou la pression du vide.

Quelles sont les propriétés de ce vide quantique ? Tout d’abord nous remarquons qu’il s’agit d’un autre monde que celui des particules de la même manière que nous avions remarqué que le monde des particules était très différent du monde à notre échelle (macroscopique) que nous voyons et où nous raisonnons. Que se passe-t-il de si étonnant dans ce monde du vide ? Tout d’abord nos notions de temps et de distance sont bouleversées car le temps peut être parcouru dans les deux sens, vers le passé comme vers le futur ! Ensuite les durées de vie sont bien plus courtes et les énergies bien plus grandes. Les constantes ne sont pas respectées : on peut se déplacer plus vite que la vitesse de la lumière et on peut trouver des quantités inférieures à la constante de Planck. Cela provient du fait que ce monde infra-vitesse de la lumière et infra-Planck est plus vieux que ces deux transformations : libération de la lumière et création de particules durables déterminées par la relation durée de vie multipliée par bande d’énergie égale constante de Planck ou de multiples de celle-ci.

Quelles sont les preuves que ce vide que l’on ne peut pas mesurer à l’aide de procédés matériels, puisqu’il est d’un niveau inférieur, existe bien, soit un vide physique. On a vu qu’il était nécessaire de considérer un vide possédant des propriétés mais cela pourrait très bien être un artefact mathématique comme un grand nombre de physiciens continuent de le considérer. Une première remarque consiste à constater que les constantes universelles fondamentales sont toutes liées aux propriétés du vide, en m’absence de matière. Par exemple, les constantes c et h apparaissent dans la pression du vide appelée l’effet Casimir. Un autre argument est l’existence de fluctuations en l’absence de matière. Il s’agit donc d’un bruit du vide, produit spontanément, sans action d’aucun milieu matériel. D’autre part, Claude Fabre a démontré (dans l’ouvrage collectif « Le vide ») que l’on peut agir par des méthodes optiques sur ce milieu vide pour comprimer les fluctuations du vide qui ont donc une réalité physique puisqu’elles sont transformables par une action physique.

Particules et photons du vide sont dits « virtuels » parce qu’il sont si éphémères que nos instruments matériels ne sont pas capables de les détecter. Il y a une question de durée de vie des particules éphémères mais le vide, c’est aussi un monde nouveau. « L’analyse mathématique en termes de perturbation peut, comme nous l’ont appris des diagrammes de Feynmann, être transcrits sur un mode imagé. C’est alors qu’interviennent les particules virtuelles qui assument la transformation de modes de vibration d’un champ à l’autre Une particule virtuelle a certes les mêmes propriétés (charge électrique, spin, ...) qu’une particule réelle, mais elle n’est pas contrainte par les relations relativistes entre masse, impulsion et énergie qui définissent l’existence physique d’une particule réelle. » écrivent Edgard Gunzig et Isabelle Stengers dans « Le vide », ouvrage collectif de Simon Diner et Edgard Gunzig. On a d’abord pensé qu’il ne s’agissait que de l’ombre des vrais objets, réels eux. Par contre, ils ont des effets bien réels et mesurables en microphysique par exemple sur l’électron ou les quarks du proton. Avec des processus optiques quantique non-linéaire au laser (voir Claude Fabre dans « Le vide » cité précédemment), on a également mis en évidence l’action des « objets » du vide sur le rayonnement. On a d’abord pensé qu’il ne s’agissait que de l’ombre des vrais objets, réels eux.

Le vide est un véritable milieu dynamique. Le vide a, implicitement, toutes les propriétés qu’une particule peut avoir : spin, polarisation dans le cas de la lumière, énergie, etc. Il a lui-même différents niveaux de structure. De nombreux effets s’avèrent interprétables par les fluctuations du vide polarisable : – effet Debye de dispersion des rayons X par les solides – effet Casimir – effet proton-proton ou effet Hillman – effet Ahoronov-Böhm – effet Unruh – effet Compton – principe de Pauli – stabilité de l’atome (l’électron ne tombe pas sur le noyau) – décalage des raies Lambshift par réfraction du vide – Radiation de type « corps noir » (thermodynamique du vide) Nottale explique dans « La complexité, vertiges et promesses » que les diverses échelles de la matière/vide coexistent et interagissent : « Un objet, comme l’électron, vu classiquement comme un simple point, devient compliqué vers les petites échelles : il émet des photons, les réabsorbe, ces photons deviennent eux-mêmes des paires électrons-positons, etc… »

Dans le vide, c’est-à-dire l’état quantique dénué de particules, un champ peut ainsi tricher avec cette définition et être animé d’un bouillonnement d’apparition et de disparitions de particules (et d’anti-particules), tant qu’elles ont lieu sur des durées suffisamment courtes pour être indétectables. D’une certaine façon, on peut dire que le champ, et donc le vide, peut violer la conservation de l’énergie, mais uniquement s’il le fait de manière assez rapide pour ne pas être pris en flagrant délit par un observateur ! C’est pour cela que les particules qui apparaissent et disparaissent sans que l’on puisse les observer sont nommées particules virtuelles. Cependant, il est bien connu que le crime parfait n’existe pas, et même si le vide est un état dénué de particules réelles, observables, l’agitation associée aux matérialisations et annihilations des particules virtuelles a un effet visible sous la forme d’une énergie moyenne non-nulle qui est un reliquat de ce bouillonnement quantique. En physique moderne, le vide quantique est donc défini non seulement comme l’absence de particules mais aussi bien comme le minimum d’énergie (le minimum de quantas possible), ce minimum n’étant pas zéro contrairement à ce que l’intuition classique laisserait croire. Il est important de noter que l’existence de ces fluctuations quantiques du vide a été mise en évidence expérimentalement, notamment par la mesure de l’effet Casimir qui correspond en quelques sortes à l’existence d’une pression négative exercée par la vide ! Il s’agit donc à la fois d’un phénomène physique irréfutable et d’un phénomène allant dans le sens de ce que l’on observe en cosmologie, même si la mesure en laboratoire de l’énergie du vide est beaucoup plus ardue et n’a pas encore pu être effectuée à ce jour. L’univers à grande échelle est ainsi en quelques sortes un laboratoire exceptionnel de physique fondamentale et la cosmologie permet d’étudier en première ligne des concepts aussi avancés que l’énergie du vide !

"Le niveau de description ultime susceptible de fonder la singularité du vide est la théorie quantique des champs, qui combine les concepts de la relativité restreinte et ceux de la physique quantique. (…) le vide y est le ciment permanent de l’univers, les particules en jaillissent et y replongent comme des poissons volants, non sans servir de monnaie d’échange entre les particules stables et durables qui donnent sa chair au monde, et qui proviennent d’ailleurs elles-mêmes de la pulvérisation du vide primordial. (…) Les particules virtuelles (du vide quantique) sont si fugitives qu’elles sont comme si elles n’étaient pas. Les particules « réelles » et « virtuelles » sont tout aussi existantes les unes que les autres, mais les dernières disparaissent avant même qu’on puisse les observer. (…) Les termes de « fluctuation du vide » et « particules virtuelles » sont équivalents dans la description, le premier appartenant au langage des champs, le second à celui des particules. (…) Les fluctuations électromagnétiques, et donc les photons virtuels qui en sont la contrepartie dans le langage des particules, furent mises en évidence dès 1940, par la mesure du décalage des raies spectrales de l’hydrogène (Lamb shift) dû à un très léger changement des niveaux d’énergie de l’atome correspondant, et par la découverte d’une minuscule attraction entre deux plaques conductrices (effet Casimir). (…) Le vide se peuple d’une invisible engeance. L’inventaire du moindre centimètre cube d’espace frappe de stupeur : les paires électron-positon (+ et -) côtoient toute une faune de quanta. Les paires électron-positon virtuelles, en dépit de leur faible durée de vie, s’orientent dans le champ électrique des charges électriques présentes et modifient leurs effets. Océan de particules virtuelles, on peut s’étonner de voir encore à travers le vide, tant il est poissonneux En lui s’ébattent tous les photons, bosons intermédiaires et gluons nécessaires à la transmission des forces qui charpentent, coordonnent et organisent le monde. Les particules furtives qui émergent du vide et s’y précipitent aussitôt relient entre elles les particules stables et durables de la matière, dites particules réelles (quarks et leptons). (…) Le vide, à la différence de la matière et du rayonnement, est insensible à la dilatation car sa pression est négative. Ceci provient de la relation : pression = opposé de la densité d’énergie qui lui confère son invariance relativiste. La pression négative engendre une répulsion gravitationnelle. De fait, si la gravitation freine l’expansion de l’univers, l’antigravitation ne peut que l’accélérer.

Le vide est écarteur d’espace et créateur de matière

(…) La création de matière (via la lumière) est le fruit de la transmutation du vide indifférencié en entités physiques distinctes. Il y a là une chaîne physique de la genèse : Vide -> Lumière -> Matière et Antimatière. Le vide est une composante de l’univers, distincte de la matière ordinaire et du rayonnement. Vide, rayonnement et matière diffèrent par leur équation d’état (relation entre densité et pression pour le fluide considéré), laquelle influe sur l’expansion de l’univers et est influencée par elle, par le biais des transitions de phase. (…) Sa rage savonneuse à s’étendre indéfiniment, l’univers la tiendrait du vide. Le vide a enflé sa bulle. (…) Il y a autant de vides que de champs. (…) Chaque restructuration profonde, ou brisure de symétrie, modifie l’état du vide. Inversement, chaque modification de l’état du vide induit une brisure de symétrie. L’évolution de l’univers procède ainsi par brisures de symétrie successives qui se soldent par des transitions de phase, lesquelles bouleversent l’apparence globale du cosmos. »

Michel Cassé dans « Dictionnaire de l’ignorance »

L’expérience qui démontre que le vide est plein d’énergie

Qu’est-ce que l’effet Casimir ?

Qu’est-ce que l’effet Casimir dynamique ?

Une équipe internationale de chercheurs vient de prouver que l’effet Casimir dynamique est bien une réalité, en transformant des paires de photons virtuels du vide en véritables grains de lumière. Le physicien Paul Davies a montré que ce phénomène a des liens avec le rayonnement Hawking et l’effet Unruh.

Les équations de la mécanique quantique prédisent que le vide ne l’est pas vraiment mais qu’il est continuellement agité par des paires de particules violant temporairement la loi de la conservation de l’énergie en se matérialisant brièvement avant de replonger dans le néant. Ces particules ne peuvent être observées directement mais leur présence est bien réelle comme l’ont montré, par exemple, les expériences avec l’effet Casimir.

Dans le cas de l’effet Casimir dit statique, on constate qu’entre deux miroirs séparés par une très courte distance, il apparaît une force d’attraction résultant de la modification de l’état des fluctuations quantiques du champ électromagnétique présent partout dans l’univers, même en l’absence de charges électriques. Ce ne sont cependant que des photons virtuels qui rendent compte de ce fascinant phénomène laissant rêver, un jour, d’une possible exploitation de l’énergie du vide quantique. En 1970, le physicien Gerald Moore était toutefois arrivé à une autre surprenante conclusion.

Le mouvement accéléré d’un miroir, par exemple lorsqu’il effectue des oscillations à hautes fréquences, peut faire passer les photons virtuels directement inobservables du vide quantique à l’état de particules réelles. Concrètement, cela signifie qu’il suffirait de faire vibrer un miroir dans le vide pour éclairer une pièce.

Ce phénomène décrit pour la première fois par les équations de Moore sera appelé effet Casimir dynamique par Julian Schwinger, le prix Nobel de physique auteur de la première démonstration du théorème CPT.

Le principe de l’effet Casimir dynamique est, en simplifiant grossièrement, un peu similaire à celui d’une balançoire. En vibrant, la surface d’un miroir donne en quelque sorte des coups aux photons virtuels, violant la conservation de l’énergie temporairement donc normalement inobservables. Ces chocs donnent donc de l’énergie permettant aux photons de devenir réels, de la même façon que le mouvement d’oscillation d’une personne est amplifié lorsqu’elle se balance avec une balançoire. Des photons réels peuvent ainsi s’accumuler dans une cavité formée de parois réfléchissantes dont l’une vibre.

L’effet Casimir dynamique serait resté anecdotique si l’effet Unruh et l’effet Hawking n’avaient pas été découverts, là aussi théoriquement seulement, au début des années 1970.

Dans le premier cas, un observateur en mouvement uniformément accéléré par rapport à un référentiel au repos devrait voir un bain de particules ayant les caractéristiques d’un rayonnement de corps noir, d’autant plus chaud que son accélération est forte, alors que pour un observateur au repos, il n’existe rien de tel. De même, en partie à cause du principe d’équivalence de la relativité générale, un observateur proche de l’horizon d’un trou noir et subissant l’accélération de la gravité devrait voir un rayonnement du même type. Dans les deux cas, il se produit une création de particules réelles à partir des paires de particules virtuelles du vide quantique.

Or, ces deux phénomènes ont été reliés à l’effet Casimir dynamique par le physicien Paul Davies, bien connu de nos jours pour ses ouvrages de vulgarisation et ses implications dans des recherches sur la biologie quantique et l’exobiologie. Il a ainsi cosigné l’article polémique faisant état de bactéries utilisant peut-être l’arsenic à la place du phosphore.

L’effet Hawking conduisant à l’évaporation des trous noirs n’a malheureusement pas été observé, pas même au LHC, mais il semblerait qu’on puisse en créer un analogue, par exemple dans une fibre optique. On comprend donc que la publication dans Nature et sur arxiv d’un article annonçant que l’on a bel et bien observé pour la première fois l’effet Casimir dynamique soit une bonne nouvelle car elle donne un peu plus de crédit aux calculs concernant les rayonnements Hawking et Unruh.

Mais pourquoi a-t-il fallu attendre presque quarante ans avant que l’on puisse observer cet effet Casimir dynamique ? Tout simplement parce qu’il faut que les mouvements du miroir s’effectuent à une fraction notable de la vitesse de la lumière ! Pour contourner cet obstacle, les physiciens ont fait appel à la supraconductivité.

Ils ont couplé un Squid avec une ligne constituant un guide d’onde microscopique. Le circuit supraconducteur se trouvant à une extrémité de cette ligne de transmission, il se trouve que modifier l’état du Squid, donc ce qu’on appelle les conditions aux limites pour une telle ligne, équivaut à avoir un miroir en mouvement à un quart de la vitesse de la lumière à cette extrémité.

Le signal micro-onde qui se forme à l’autre extrémité de la ligne en modifiant l’état du Squid plusieurs milliards de fois par seconde apparaît alors conforme à ce que l’on attendrait d’un vrai miroir vibrant dans le vide selon l’effet Casimir dynamique. Il semble donc que l’on ait bel et bien créé de la lumière à partir du vide…

Créer de la lumière à partir du vide

Lire encore sur le vide quantique

L’article originel de Casimir

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