Einstein :

« La relativité nous enseigne le lien entre les descriptions différentes d’une seule et même réalité. »

Einstein écrit dans « Sur l’électrodynamique des corps en mouvement » (1905) :

« On sait que l’électrodynamique de Maxwell – telle qu’on la conçoit habituellement aujourd’hui – conduit, lorsqu’on l’applique à des corps en mouvement, à des asymétries, qui ne semblent pas inhérentes aux phénomènes. Que l’on songe, par exemple, à l’interaction électrodynamique entre un aimant et un conducteur. Le phénomène observable ne dépend ici que du mouvement relatif du conducteur et de l’aimant, alors que, selon la conception usuelle, il convient de distinguer très nettement les deux cas, selon que c’est l’un ou l’autre de ces deux corps qui est en mouvement. En effet, si c’est l’aimant qui se déplace et le conducteur qui est au repos, il apparaît au voisinage de l’aimant un champ électrique dont l’énergie a une certaine valeur, et qui engendre un courant aux endroits où se trouvent des portions du conducteur. Mais si c’est l’aimant qui est au repos et le conducteur qui est en mouvement, il n’apparaît aucun champ électrique au voisinage de l’aimant ; en revanche, il apparaît dans le conducteur une force électromotrice, à laquelle ne correspond aucune énergie intrinsèque, mais qui – à supposer que le mouvement relatif soit le même dans les deux cas considérés – donne naissance à des courants électriques de même intensité et de même évolution temporelle que ceux produits par les forces électriques dans le premier cas… Nous allons élever cette conjecture (dont le contenu sera dans la suite appelé « principe de relativité ») au rang de postulat, et au surplus introduire le postulat, qui n’est qu’apparemment incompatible avec le précédent, selon lequel la lumière se propage dans l’espace vide toujours avec une vitesse V bien déterminée, indépendante de l’état de mouvement du corps émetteur. Ces deux postulats suffisent pour parvenir à une électrodynamique des corps en mouvement simple et exempt de contradictions, fondée sur la théorie de Maxwell pour les corps au repos. »

Einstein écrit en 1916 dans « Les fondements de la théorie de la relativité générale » :

« Le développement de la théorie de la relativité générale doit, dans le même temps, conduire à une théorie de la gravitation ; on peut en effet « engendrer » un champ de gravitation par simple changement du système de coordonnées… Il ne nous reste qu’à considérer tous les systèmes de coordonnées concevables comme tant, par principe, également légitimes pour ce qui concerne la description de la nature. Ce qui revient à exiger que Les lois de la nature sont représentées par des équations qui sont valables pour tous les systèmes de coordonnées, c’est-à-dire qui sont covariantes vis-à-vis de n’importe quelle substitution (généralement covariantes).

« Il est clair qu’une physique qui satisfait à ce postulat est conforme au postulat de relativité générale. Car dans l’ensemble de toutes les substitutions figurent en tout état de cause celles qui correspondent à tous les mouvements relatifs des systèmes de coordonnées (à trois dimensions). Cette exigence de covariance générale, qui ôte à l’espace et au temps ce qui leur restait d’objectivité physique, est une exigence naturelle. »

Et, en 1919, dans un projet d’article pour la revue « Nature », Einstein écrit :

« Dans la construction de la théorie de la relativité restreinte, l’idée suivante (…) concernant l’expérience de Faraday sur l’induction électromagnétique a joué pour moi un rôle fondamental. Selon Faraday, lors du mouvement relatif d’un aimant par rapport à un circuit conducteur, un courant électrique est induit dans ce dernier. Peu importe si c’est l’aimant ou le conducteur qui est en mouvement ; d’après la théorie de Maxwell-Lorentz, seul compte le mouvement relatif. Cependant l’interprétation théorique du phénomène n’est pas du tout la même dans les deux cas. (…) L’idée que l’on avait affaire à deux cas de nature différente m’était intolérable. La différence entre les deux ne pouvait être, j’en étais persuadé, qu’une différence dans le choix du point de vue, et pas une différence réelle. Du point de vue de l’aimant, il n’y avait assurément pas de champ électrique ; du point de vue du conducteur il y en avait assurément un. L’existence d’un champ électrique n’était donc que relative, dépendante de l’état du mouvement du système de coordonnées utilisé, et il n’était possible d’accorder de réalité objective qu’à l’ensemble du champ électrique et du champ magnétique, indépendamment de l’état de mouvement de l’observateur ou du système de coordonnées. C’est le phénomène d’induction magnéto-électrique qui m’a contraint à postuler le principe de relativité (restreinte) »

(cité par G. Holton dans « Thematic Origins of Scientific Thought : Kepler to Einstein »)

Qu’est-ce qui est relatif ?

Chacun sait que la relativité est un phénomène physique étudié successivement par de grands physiciens comme Galilée, Poincaré, Mach, Lorentz, Voigt, Herz et Einstein. C’est le nom de ce dernier qui est resté attaché à la théorie de la relativité.

Un exemple simple peut indiquer ce que signifie ce terme de relativité : celui d’un ascenseur en chute libre après avoir cassé le câble qui le retient. Cette chute, vue de l’extérieur, n’est rien d’autre qu’un effet de la gravitation. De l’intérieur, elle apparaît comme un effet de l’inertie.

La théorie de la relativité générale doit son origine à la tentative d’expliquer un fait connu depuis le temps de Galilée et de Newton, mais qui se dérobait à toute interprétation théorique : l’inertie et le poids d’un corps, en eux-mêmes deux choses entièrement distinctes, sont mesurés par une seule et même constante, la masse. De cette correspondance il s’ensuit qu’il est impossible de découvrir par l’expérience, si un système donné de coordonnées est accéléré, ou si son mouvement est rectiligne et uniforme et qu’alors les effets observés sont dus à un champ de gravitation (ceci est le principe d’équivalence de la théorie de la relativité générale). Nous pouvons donc dire que gravitation et inertie sont relatifs et qu’on ne peut pas distinguer de manière objective, indépendante de l’observateur et de son mouvement, s’il s’agit de l’une ou de l’autre.

Une des erreurs fréquentes sur la relativité consiste à penser que celle-ci serait d’abord issue d’une propriété de la mécanique des déplacements, propriété selon laquelle les vitesses relatives ne pourraient pas simplement s’additionner dans des mouvements composés (par exemple un passager qui marche dans un train ou un objet en mouvement qui lance un objet), une propriété démontrée par l’expérience de Michelson-Morley et affirmant que le déplacement de la Terre est insensible pour le mouvement de la lumière dans l’espace.

En 1905, Einstein écrit : « Ce n’est pas seulement dans la mécanique qu’aucune propriété des phénomènes ne correspond à la notion de mouvement absolu mais aussi dans l’électrodynamique. »

Einstein écrit encore :

« Le phénomène de l’induction électromagnétique me poussait à formuler le postulat du principe de relativité (restreinte). » (cité par Michel Paty dans « La création scientifique selon Poincaré et Einstein » )

Bien des gens pensent que les phénomènes liés à la relativité d’Einstein sont soit astronomiques soit microscopiques car ils ne se produisent qu’en approchant de la vitesse de la lumière. Contredisant cette idée fausse, l’induction électromagnétique, qui concerne des circuits et des aimant en mouvement relatif lent, est un effet relativiste qui se produit à notre échelle.

En physique, la loi de Lenz-Faraday permet de rendre compte des phénomènes macroscopiques d’induction électromagnétique. Fondée sur les travaux de Michael Faraday en 1831, et sur l’énoncé de Heinrich Lenz de 1834, elle est aujourd’hui déduite de l’équation locale de Maxwell-Faraday. Il s’agit d’une loi de modération, ce qui signifie qu’elle décrit des effets qui s’opposent à leurs causes. Cette modération est un effet relativiste de dilatation du temps appliqué aux particules chargées en mouvement. Cela signifie qu’un mouvement crée des effets qui s’y opposent, qu’un déplacement de courant crée des effets qui diminuent ce courant et donc crée un courant inverse. Et de même, un changement de champ magnétique crée un changement inverse.

Dans son article de 1864, A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, Maxwell écrit :

« L’accord des résultats semble montrer que la lumière et le magnétisme sont deux phénomènes de même nature et que la lumière est une perturbation électromagnétique se propageant dans l’espace suivant les lois de l’électromagnétisme. »

Certes, la physique depuis Maxwell, connaît parfaitement l’existence de liens entre électromagnétisme et induction mais elle oublie souvent que ce sont des changements relativistes qui amènent des passages d’une quantité à l’autre, ce qui signifie que l’on peut tout à fait transformer un phénomène électromagnétique en phénomène uniquement électrique ou uniquement magnétique par des modifications relatives du mouvement des repères (loi de modération de Lentz). Les phénomènes électricité et magnétisme n’en restent pas moins opposés mais ce sont des opposés qui se combinent sans cesse, se changent l’un dans l’autre, et subissent toutes les modifications si curieuses, si contraires au bon sens et à la logique formelle, des contraires dialectiques.

Le lien entre relativité et induction n’est pas assez souligné par la plupart des auteurs et beaucoup ne se souviennent pas que l’induction électromagnétique est à l’origine de la découverte de la relativité par Einstein.

Rappelons que l’induction est un phénomène lié à l’électromagnétisme au cours de mouvements et de changements (mouvements de circuits électriques ou changements du champ magnétique). L’induction a été étudiée par Faraday, Maxwell et Lorentz, pour l’essentiel. Le mouvement d’un conducteur et d’un aimant se révèlent relatifs au sens où l’effet est exactement le même que ce soit le conducteur ou l’aimant qui soient en mouvement. C’est la relativité de leur mouvement qui compte.

Le premier mémoire d’Einstein sur l’électrodynamique des corps en mouvement démontre que le mouvement d’un conducteur passif et d’un aimant permanent est relatif et non absolu

Exposant comment il a été amené à découvrir la théorie de la relativité, Einstein écrit en 1905 :

« Dans la construction de la théorie de la relativité restreinte, l’idée suivante concernant l’expérience de Faraday sur l’induction électromagnétique a joué pour moi un rôle fondamental. Selon Faraday, lors du mouvement relatif d’un aimant par rapport à un circuit conducteur, un courant électrique est induit dans ce dernier. Peu importe si c’est l’aimant ou le conducteur qui est en mouvement ; d’après Maxwell-Lorentz, seul compte le mouvement relatif. (…) Du point de vue de l’aimant, il n’y avait assurément pas de champ électrique, du point de vue du conducteur, il y en avait assurément un. L’existence d’un champ électrique n’était donc que relative, dépendante de l’état de mouvement du système de coordonnées utilisé, et il n’était possible d’accorder de réalité objective qu’à l’ensemble du champ électrique et du champ magnétique. »

Le fait qu’un champ électrique puisse se transformer en champ magnétique du fait du mouvement réciproque du courant et de l’aimant prouve non seulement la relativité du mouvement mais la relativité des champs électriques et magnétique.

Paul Davies écrit dans "Les forces de la nature" :

« Les champs électrique et magnétique peuvent se « nourrir » l’un l’autre, chacun étant la source de l’autre… Un champ électrique commence à changer et crée ainsi un champ magnétique, dont la croissance engendre un champ électrique, qui crée encore plus de champ magnétique, et ainsi de suite. La manière précise dont ces champs s’entrecroisent se trouve dans les équations de Maxwell. »

Les équations de l’électromagnétisme montrent pleinement ce caractère relativiste du lien entre électricité et magnétisme qui les rend interdépendants. Il suffit en effet d’effectuer un changement de repère en prenant un nouveau repère en mouvement par rapport au premier pour transformer un champ électrique en champ magnétique et réciproquement. Les champs magnétique et électrique ne sont pas des réalités indépendantes mais il existe un champ électromagnétique qui peut, dans certains repères, s’exprimer soit de manière uniquement électrique soit de manière uniquement magnétique. C’est ce que l’on veut dire en affirmant que, dans le phénomène de l’induction, l’électromagnétisme se montre un effet relativiste. De même que l’on ne peut plus dire si c’est le courant ou l’aimant qui sont en mouvement, on ne peut plus dire si c’est un champ magnétique ou un champ électrique. Cela dépend par rapport à quel observateur, par rapport à quel repère.

Et on peut ainsi se demander quels sont les phénomènes qui sont relativistes. Ce sont ceux pour lesquels on ne peut pas distinguer un caractère absolu, indépendant de l’observateur lui-même en mouvement. Comme on l’a vu précédemment et contrairement aux affirmations couramment entendues, un effet relativiste ne nécessite pas un phénomène de déplacement approchant de la vitesse de la lumière et certains phénomènes à notre échelle sont relativistes.

Par contre, l’expression « tout est relatif » ne veut pas dire grand-chose car il existe des phénomènes qui sont des absolus.

Mais il est exact que le mouvement rectiligne et uniforme (un mouvement sans accélération) est relatif. Il ne peut pas être distingué du repos, de l’immobilité. Aucun phénomène ne peut permettre d’affirmer que ce mouvement soit réellement du mouvement et pas de l’immobilité.

On a rappelé précédemment que le mouvement de deux corps l’un par rapport à l’autre, et pas seulement d’un conducteur et d’un aimant, est aussi relatif.

Mais ce sont loin d’être les seuls phénomènes importants de la physique qui découlent de la relativité.

En fait, l’espace, le temps, la matière sont, tout comme le mouvement, relatifs.

Cela signifie que ce ne sont pas des absolus, indépendants de leur mouvement.

En fait, espace et temps sont des contraires qui sont aussi liés que magnétisme et électricité. C’est pour cela que l’on parle d’espace-temps et qu’on mesure la valeur d’un intervalle d’espace-temps par une quantité qui intervient couramment en théorie de la relativité et qui vaut la somme des carrés de l’intervalle de temps et de l’intervalle d’espace. Cela signifie qu’un intervalle de temps peut apparaître comme un intervalle d’espace à condition que les deux intervalles aient la même valeur d’espace-temps. De la même manière qu’un champ magnétique peut se transformer par relativité en champ électrique, et inversement, du moment que le champ électromagnétique soit conservé.

En fait la matière, elle-même, peut se transformer en énergie c’est-à-dire en mode d’organisation du vide, du moment que la quantité d’énergie est conservée. Matière et énergie sont deux modes d’apparition de la même chose, sont donc relatifs.

D’ailleurs la matière, elle-même, est dépendante du mouvement et est relativiste. Une particule de matière peut se transformer en particule du vide et réciproquement par rapport à l’observateur. Là encore, on croit souvent que c’est juste sa valeur qui change : la masse augmente à grande vitesse quand on se rapproche de la vitesse de la lumière. Mais ce n’est pas le seul phénomène relativiste concernant la matière.

En fait, la matière existe dans le vide de manière fugitive. On dit qu’elle est éphémère ou « virtuelle » par opposition à la matière possédant une masse inerte qui semble permanente et que l’on appelle « réelle ».

Cependant cette opposition matière réelle / matière virtuelle est relative. En effet, cela dépend de l’énergie du mouvement de l’observateur par rapport à cette matière. Un observateur se déplaçant avec suffisamment d’énergie considère une matière virtuelle comme réelle. C’est donc un phénomène relatif.

C’est cela qui explique que de la matière puisse apparaître et disparaître dans le vide quantique. Cela explique aussi que de la matière puisse se transformer en énergie et inversement. Cela explique enfin que de la matière virtuelle recevant un boson de Higgs devienne de la matière réelle. Il n’y a pas d’opposition absolue ni de séparation absolue entre matière et vide.

L’espace vide est lui-même relatif car il est dépendant des masses qui s’y déplacent. Espace et masses sont mutuellement relatifs.

En fait, c’est l’ensemble de la physique qui est relativiste, même si certains phénomènes ne nécessitent pas d’en tenir compte.

La raison en est que toutes les propriétés de la physique de la matière et de la lumière découle des propriétés du vide.

« Un électron isolé se déplaçant à travers l’éther engendre un courant électrique, c’est-à-dire un champ électro-magnétique. Ce champ correspond à une certaine quantité d’énergie localisée, non dans l’électron, mais dans l’éther. » écrivait Henri Poincaré dans « La Mécanique nouvelle ».

Alors tout est donc relatif puisque tout le monde matière/lumière/vide l’est ?

Bien au contraire, la théorie de la relativité, loin de souligner ce qui est relatif, souligne ce qui ne l’est pas, ce qui n’est pas modifiable par des changements quelconques, les lois de la nature. Ces dernières, si elles sont formulées correctement en fonction de paramètres correspondants au fonctionnement réel, ne peuvent pas changer de manière arbitraire si on change les coordonnées, c’est-à-dire le mouvement de l’observateur. C’est curieusement cette affirmation d’un absolu qui caractérise la théorie de la relativité.

Les absolus de la physique relativiste ne s’appellent pas temps, vitesse, masse, nombre de particules réelles ni énergie mais intervalle d’espace-temps, valeur et inertie de l’énergie-masse, vitesse de la lumière, nombre de quanta, etc…

Extrait de « Rien ne va plus en physique » de Lee Smolin :

« Selon la théorie générale de la relativité d’Einstein, l’espace et le temps ne constituent plus un fond fixe et absolu. L’espace est aussi dynamique que la matière : il bouge et il change de forme. (…) Quelques siècles avant Einstein, Galilée avait découvert l’unification du repos avec le mouvement uniforme (en ligne droite à vitesse constante). A partir de 1907 environ, Einstein a commencé à s’interroger sur les autres types de mouvement, tel le mouvement accéléré. Dans le mouvement accéléré, la direction ou la vitesse varient. (…) C’est à ce moment qu’Einstein a fait l’avancée la plus extraordinaire. Il a réalisé que l’on ne pouvait pas distinguer les effets de l’accélération des effets de la gravité. (…) Dans une cabine d’ascenseur en chute libre, les passagers de la cabine ne sentiraient plus leur poids. (…) L’accélération de l’ascenseur en chute libre compense totalement l’effet de la gravité. (…) L’unification de l’accélération et de la gravitation a eu des conséquences importantes et, avant même que ses implications conceptuelles ne soient comprises, d’importantes implications expérimentales furent dégagées. Quelques prédictions en découlaient (…) par exemple que les horloges doivent ralentir dans un champ gravitationnel. (…) Ou encore que la lumière se courbe lorsqu’elle circule au travers d’un champ gravitationnel. (…) La théorie d’Einstein a des conséquences très importantes, puisque les rayons de lumière sont courbés par le champ gravitationnel qui, à son tour, réagit à la présence de la matière. La seule conclusion possible est que la présence de matière influence la géométrie de l’espace. (…) Si deux rayons de lumière sont initialement parallèles, ils peuvent se rencontrer, s’ils passent tous les deux près d’une étoile. Ils sont recourbés l’un vers l’autre. Par conséquent, la géométrie euclidienne (où les droites parallèles ne se rencontrent jamais) n’est pas adaptée au monde réel. De plus, la géométrie varie sans cesse, parce que la matière est sans arrêt en mouvement. La géométrie de l’espace n’est pas plate comme un plan infini. Elle est plutôt comme la surface de l’océan : incroyablement dynamique, avec de grandes vagues et de toutes petites rides. Ainsi, la géométrie de l’espace s’est révélée n’être qu’un autre champ. (…) Dans la relativité restreinte, l’espace et le temps forment, ensemble, une entité quadridimensionnelle qu’on appelle espace-temps. (…) L’unification einsteinienne du champ gravitationnel avec la géométrie de l’espace-temps était le signal de la transformation profonde de notre façon de concevoir la nature. Avant Einstein, l’espace et le temps avaient été pensés comme possédant des caractéristiques fixes, données une fois pour toutes : la géométrie de l’espace est, a été et sera toujours celle décrite par Euclide et le temps avance indépendamment de tout le reste. Les choses pouvaient se déplacer dans l’espace et évoluer dans le temps, mais l’espace et le temps eux-mêmes ne changeaient jamais. (…) La théorie générale de la relativité d’Einstein diffère complètement. Il n’y a plus de fond fixe. La géométrie de l’espace et du temps varie et évolue en permanence, ainsi que le reste de la nature. (…) Il n’y a plus un champ qui se déplace sur un fond géométrique fixe. Au contraire, nous avons une collection de champs, qui interagissent tous, les uns avec les autres, qui sont dynamiques, qui tous exercent une influence sur les autres, et la géométrie de l’espace-temps en fait partie. (…) La relativité générale a vite mené aux prédictions de phénomènes nouveaux, tels que l’expansion de l’univers, le Big Bang, les ondes gravitationnelles et les trous noirs, dont il existe, pour tous, de solides preuves expérimentales. (…) La leçon principale de la relativité générale était qu’il n’y avait pas de géométrie fixe du fond spatio-temporel. (…) Cela signifie que les lois de la nature doivent s’exprimer sous une forme qui ne présuppose pas que l’espace ait une géométrie fixe. C’est le cœur de la leçon einsteinienne. Cette forme se traduit en principe, celui d’indépendance par rapport au fond. Ce principe énonce que les lois de la nature peuvent être décrites dans leur totalité sans présupposer la géométrie de l’espace. (…) L’espace et le temps émergent de ces lois plutôt que de faire partie de la scène où se joue le spectacle. Un autre aspect de l’indépendance par rapport au fond est qu’il n’existe pas de temps privilégié. La relativité générale décrit l’histoire du monde au niveau fondamental en termes d’événements et de relations entre eux. Les relations les plus importantes concernent la causalité : un événement peut se trouver dans la chaîne causale qui mène à un autre événement. (…) Ce sont lesdits événements qui constituent l’espace. (…) Toute définition concrète de l’espace dépend du temps. Il existe autant de définitions de l’espace que de temporalités différentes. (…) La question fondamentale pour la théorie quantique de la gravitation est, par conséquent, celle-ci : peut-on étendre à la théorie quantique le principe selon lequel l’espace n’a pas de géométrie fixe ? C’est-à-dire peut-on faire une théorie quantique indépendante du fond, au moins en ce qui concerne la géométrie de l’espace ? »

Relativité de la matière elle-même ?

« Il y a de nombreux états du vide qui seraient difficilement interprétables en concevant l’espace comme « vide ». Un champ quantique a toujours une énergie de base résiduelle non nulle (…) activité résiduelle qui se maintient en l’absence d’excitations du vide sous formes de quanta, activité qui se manifeste dans les expériences. Si nous considérons le champ électromagnétique, par exemple, alors les fluctuations de celui-ci peuvent être interprétées comme des créations et annihilations spontanées de photons virtuels, ou de couples virtuels de particule/antiparticule (polarisation du vide). Quand le champ électromagnétique est en interaction, disons avec un électron (ou avec toute particule ou champ), la polarisation du vide peut produire des changements observables, comme ceux de la structure hyperfine de l’hydrogène (dédoublement des raies appelé effet Lamb shift). Dans la physique des particules, la notion d’état du vide joue un rôle croissant. Il y a plusieurs états du vide, avec notamment les notions de « faux vide », d’effet tunnel d’un état du vide à un autre (Coleman, 1977), d’états particuliers du vide (Emch, 1972), etc. (…) Mon opinion est que ces états du vide qui sont des niveaux de base se fondent sur une sorte de structure de niveau inférieur qui joue un rôle dans la structure inertielle de l’espace-temps (…) Ce qui apparaît du vide pour un observateur peut apparaître comme de la matière pour un observateur accéléré. »

Michel Spiro dans « Les dossiers de La Recherche » de juillet 2006 :

« La masse des particules ne serait pas une propriété intrinsèque des particules elles-mêmes : elle serait liée à la manière dont celles-ci interagissent avec la structure quantique du vide. »

Michel Cassé dans « Dictionnaire de l’ignorance » :

« 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. »

Maurice Jacob dans « Au cœur de la matière » :

« Le vide est animé par la création continuelle et la disparition rapide de paires électron-positron. Ce sont des paires virtuelles mais cela va compliquer notre processus d’absorption qui ne demande qu’un temps très bref durant lequel ces paires virtuelles ont bien le temps de se manifester. L’électron, de charge négative, va ainsi attirer les positrons de ces paires virtuelles en repoussant leurs électrons. « Approchant » de l’électron, le photon va ainsi le « voir » entouré d’un « nuage » de charge positive dû aux positrons virtuels attirés. Il aura l’impression que la charge de l’électron est plus faible que celle annoncée. C’est une version quantique de l’effet d’écran. (…) Revenons à notre électron absorbant un photon tout en s’entourant d’un nuage virtuel contenant plus de positrons que d’électrons. Si le transfert augmente, le photon peut « voir » avec plus détail. Il « attrapera » l’électron avec une partie plus faible de ce nuage positif qui l’entoure. Le photon aura l’impression que la charge de l’électron augmente avec le transfert qu’il apporte. (…) L’effet principal peut être conçu comme la transformation de photon en une paire électron-positron, qu’il réabsorbe avant l’interaction. (…) La diversité sort de la structure du vide. (…) Le vide du modèle standard a une structure. Il se comporte d’une façon analogue à un corps supraconducteur. (…) Si le temps d’observation est de dix puissance moins 21 secondes (…) des paires électron-positron peuvent spontanément apparaître. Si le temps d’observation tombe à dix puissance moins 24 secondes, (…) le vide peut bouillonner de pions. Sur un temps de dix puissance moins 26 secondes, une particule Z peut se manifester. (…) Quand on atteint un temps de dix puissance moins 44 secondes, la gravitation devient quantique. »

Michel Cassé écrit dans « Du vide et de la création » :

« Au centre de la nuée du virtuel est encore un virtuel, d’ordre plus élevé. Et ces électrons et positons doublement virtuels s’entourent eux-mêmes de leur propre nuage de corpuscules virtuels, et cela ad infinitum. (…) L’image quantique qui en résulte est un électron (…) protégé par des rangs successifs de photons virtuels (…) L’électron n’est plus l’être simple qu’il était. (…) Il s’habille de vide fluctuant. De même, chaque proton est dépeint comme un microcosme concentrique où s’étagent les différents niveaux de virtualité. Au centre est la particule réelle, sa garde rapprochée est constituée par des particules et antiparticules les plus massives (énergétiques) et donc les plus éphémères, bosons W et Z, paires proton-antiproton et photons gamma. Le second cercle contient les couples positon-électron et les photons de 1 MeV environ. A la périphérie flottent les photons d’énergie déclinante. Chaque particule virtuelle, comme précédemment, s’entoure de son cosmos virtuel et chacune à son tour fait de même et cela indéfiniment. Le vide est constitué d’un nuage virtuel flottant de manière aléatoire. L’activité frénétique autour du moindre électron, du moindre proton, nous éloigne à jamais de l’image paisible que la plupart des philosophes attribuent au mot « vide ». »

Lee Smolin dans ’Rien ne va plus en physique" :

« Quelques siècles avant Einstein, Galilée avait découvert l’unification du repos avec le mouvement uniforme (en ligne droite à vitesse constante). A partir de 1907 environ, Einstein a commencé à s’interroger sur les autres types de mouvement, tel le mouvement accéléré. Dans le mouvement accéléré, la direction ou la vitesse varient. (…) C’est à ce moment qu’Einstein a fait l’avancée la plus extraordinaire. Il a réalisé que l’on ne pouvait pas distinguer les effets de l’accélération des effets de la gravité. (…) Dans une cabine d’ascenseur en chute libre, les passagers de la cabine ne sentiraient plus leur poids. (…) L’accélération de l’ascenseur en chute libre compense totalement l’effet de la gravité. (…) L’unification de l’accélération et de la gravitation a eu des conséquences importantes et, avant même que ses implications conceptuelles ne soient comprises, d’importantes implications expérimentales furent dégagées. Quelques prédictions en découlaient (…) par exemple que les horloges doivent ralentir dans un champ gravitationnel. (…) Ou encore que la lumière se courbe lorsqu’elle circule au travers d’un champ gravitationnel. (…) La théorie d’Einstein a des conséquences très importantes, puisque les rayons de lumière sont courbés par le champ gravitationnel qui, à son tour, réagit à la présence de la matière. La seule conclusion possible est que la présence de matière influence la géométrie de l’espace. (…) Si deux rayons de lumière sont initialement parallèles, ils peuvent se rencontrer, s’ils passent tous les deux près d’une étoile. Ils sont recourbés l’un vers l’autre. Par conséquent, la géométrie euclidienne (où les droites parallèles ne se rencontrent jamais) n’est pas adaptée au monde réel. De plus, la géométrie varie sans cesse, parce que la matière est sans arrêt en mouvement. La géométrie de l’espace n’est pas plate comme un plan infini. Elle est plutôt comme la surface de l’océan : incroyablement dynamique, avec de grandes vagues et de toutes petites rides. Ainsi, la géométrie de l’espace s’est révélée n’être qu’un autre champ. (…) Dans la relativité restreinte, l’espace et le temps forment, ensemble, une entité quadridimensionnelle qu’on appelle espace-temps. (…) L’unification einsteinienne du champ gravitationnel avec la géométrie de l’espace-temps était le signal de la transformation profonde de notre façon de concevoir la nature. Avant Einstein, l’espace et le temps avaient été pensés comme possédant des caractéristiques fixes, données une fois pour toutes : la géométrie de l’espace est, a été et sera toujours celle décrite par Euclide et le temps avance indépendamment de tout le reste. Les choses pouvaient se déplacer dans l’espace et évoluer dans le temps, mais l’espace et le temps eux-mêmes ne changeaient jamais. (…) La théorie générale de la relativité d’Einstein diffère complètement. Il n’y a plus de fond fixe. La géométrie de l’espace et du temps varie et évolue en permanence, ainsi que le reste de la nature. (…) Il n’y a plus un champ qui se déplace sur un fond géométrique fixe. Au contraire, nous avons une collection de champs, qui interagissent tous, les uns avec les autres, qui sont dynamiques, qui tous exercent une influence sur les autres, et la géométrie de l’espace-temps en fait partie. (…) La relativité générale a vite mené aux prédictions de phénomènes nouveaux, tels que l’expansion de l’univers, le Big Bang, les ondes gravitationnelles et les trous noirs, dont il existe, pour tous, de solides preuves expérimentales. (…) La leçon principale de la relativité générale était qu’il n’y avait pas de géométrie fixe du fond spatio-temporel. (…) Cela signifie que les lois de la nature doivent s’exprimer sous une forme qui ne présuppose pas que l’espace ait une géométrie fixe. C’est le cœur de la leçon einsteinienne. Cette forme se traduit en principe, celui d’indépendance par rapport au fond. Ce principe énonce que les lois de la nature peuvent être décrites dans leur totalité sans présupposer la géométrie de l’espace. (…) L’espace et le temps émergent de ces lois plutôt que de faire partie de la scène où se joue le spectacle. Un autre aspect de l’indépendance par rapport au fond est qu’il n’existe pas de temps privilégié. La relativité générale décrit l’histoire du monde au niveau fondamental en termes d’événements et de relations entre eux. Les relations les plus importantes concernent la causalité : un événement peut se trouver dans la chaîne causale qui mène à un autre événement. (…) Ce sont lesdits événements qui constituent l’espace. (…) Toute définition concrète de l’espace dépend du temps. Il existe autant de définitions de l’espace que de temporalités différentes. (…) La question fondamentale pour la théorie quantique de la gravitation est, par conséquent, celle-ci : peut-on étendre à la théorie quantique le principe selon lequel l’espace n’a pas de géométrie fixe ? C’est-à-dire peut-on faire une théorie quantique indépendante du fond, au moins en ce qui concerne la géométrie de l’espace ? (…) En 1916, Einstein avait déjà compris qu’il existait des ondes gravitationnelles et qu’elles portaient une énergie. Il a tout de suite remarqué que la condition de cohérence avec la physique atomique demande que l’énergie portée par les ondes gravitationnelles soit décrite en termes de la théorie quantique (dans « Approximate integration of the field of gravitation ». (…) Heisenberg et Pauli croyaient que, lorsqu’elles sont très faibles, on pouvait considérer les ondes gravitationnelles comme de minuscules ondulations qui viennent déranger une géométrie fixe. Si l’on jette une pierre dans un lac par un matin calme, elle provoquera de petites ondulations qui ne dérangeront que très peu la surface plane de l’eau, il sera alors facile de penser que les rides se déplacent sur un fond fixe donné par une surface. Mais quand les vagues sont fortes et turbulentes près d’une plage lors d’une tempête, cela n’a aucun sens de les considérer comme des perturbations de quelque chose de fixe. La relativité générale prédit qu’il existe des régions de l’univers où la géométrie de l’espace-temps évolue de façon turbulente comme les vagues qui viennent frapper la plage. Pourtant, Heisenberg et Pauli croyaient qu’il serait plus facile d’étudier d’abord les cas où les ondes gravitationnelles sont extrêmement faibles et peuvent être considérées comme de petites rides sur un fond fixe. Cela leur permettait d’appliquer les mêmes méthodes que celles qu’ils avaient développées pour l’étude des champs quantiques électromagnétiques qui se déplaceraient sur un fond spatio-temporel fixe. (…) Le résultat était que chaque onde gravitationnelle devait être analysée selon la méthode dictée par la mécanique quantique, comme une particule qu’on appelle graviton – analogue au photon, qui, lui, est un quantum du champ électromagnétique. Or, à l’étape suivante, un énorme problème s’est posé, car les ondes gravitationnelles interagissent entre elles. Elles interagissent avec tout ce qui a une énergie ; et elles-mêmes ont aussi une énergie. Ce problème n’apparaît pour les ondes électromagnétiques, puisque les photons interagissent avec les charges électriques et magnétiques, ils ne sont pas eux-mêmes chargés et, par conséquent, ils peuvent facilement traverser les autres photons. (…) Puisque les ondes gravitationnelles interagissent les unes avec les autres, elles ne peuvent plus être pensées comme se déplaçant sur un fond fixe. Elles modifient le fond sur lequel elles se déplacent. (…) Il ne suffit pas d’avoir une théorie des gravitons fabriqués à partir de cordes se tortillant dans l’espace (théorie des cordes). Nous avons besoin d’une théorie de ce qui fait l’espace, c’est-à-dire une théorie indépendante du fond. (…) Les approches les plus réussies, à ce jour, de la gravité quantique utilisent la combinaison de trois idées fondamentales : que l’espace est émergent, que la description est fondamentalement discrète et que cette description fait intervenir la causalité de façon cruciale. (…) Personne plus que Roger Penrose n’a contribué à notre façon d’appréhender et d’utiliser la théorie de la relativité générale, excepté Einstein lui-même. (…) Penrose a affirmé pendant des années que l’insertion de la gravité dans la théorie quantique rend cette théorie non linéaire. Cela mène à la résolution du problème de la mesure, par le fait que les effets de la gravité quantique causent un collapse dynamique de l’état quantique. (…) Bien que beaucoup de physiciens de premier plan admettent en privé que le problème des fondements de la mécanique quantique existe, leur expression en public consiste à dire que tous ces problèmes ont été résolus dans les années 1920. (…) Désirez-vous une révolution scientifique ? Laissez entrer quelques révolutionnaires. (…) Il existe quelques caractéristiques des universités et des centres de recherche qui découragent tout changement. »

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Le vide matériel ou la matière crée l’espace par Michel Paty