D’où vient l’énergie ?

D’où vient l’énergie ?

Oui, mais quelle énergie ? Par exemple, celle que nous consommons ? Eh bien, dirons certains, mais nous la produisons dans nos usines, dans nos centrales nucléaires, thermiques, dans nos installations électriques, dans nos usines de fabrication de batteries, non ?

Mais la société humaine ne pourrait pas produire de l’énergie si les mécanismes naturels n’en fabriquaient pas ! Les hommes n’ont inventé aucune énergie qui ne soit pas naturelle et ils sont même loin d’être capables d’exploiter l’essentiel de l’énergie produite par la nature. La fraction de l’énergie naturelle qui est utilisée par l’homme est moins de 1% !!!

Sous nos yeux, le Soleil produit tous les jours une énergie folle dont une partie parvient sur Terre ou dans l’atmosphère, et le centre radioactif de la Terre en produit aussi une quantité considérable que l’homme est incapable d’exploiter pour le moment. Les nuages, les mers, les océans sont eux aussi pleins d’une énergie folle dont rien ne sert à l’homme.

La lumière, c’est de l’énergie, direz-vous donc et la matière, voilà la source de l’énergie, non ?

Eh bien, justement c’est cela que nous voulons discuter dans ce texte.

On se souvient ainsi du « E = mc² » de la Relativité d’Einstein qui indique l’équivalence entre masse et énergie.

On remarque également combien cette énergie est immense puisqu’il faut multiplier la masse par la vitesse de la lumière puis une deuxième fois par la vitesse de la lumière qui est énorme…

Une toute petite partie de cette énorme énergie contenue dans la matière se dissipe par radioactivité, lorsqu’un tout petit bout de la matière disparaît, se transformant entièrement en radiations, en énergie.

Car l’énergie, c’est du rayonnement !

La lumière, la radioactivité, l’électromagnétisme en général mais aussi les porteurs de la force nucléaire forte et faible, c’est de l’énergie.

Le photon, le gluon, les particules W et Z, les particules d’interaction, les bosons en général, ce sont des porteurs quantiques de l’énergie.

Quel rapport entre quanta et énergie ?

Eh bien, il n’y a qu’un quanta. Il vaut toujours la même valeur mais ce n’est pas de l’énergie ! C’est un produit d’une énergie et d’un temps. Plus le temps est court, plus l’énergie est grande, ce qui permet que le quanta soit toujours de la même valeur d’une grandeur appelée « action ».

Cependant, la question posée était « d’où vient l’énergie » et pas seulement où elle réside…

« D’où vient » est une question sur l’origine…

On peut penser ainsi que l’énergie de l’Univers viendrait d’un Big Bang…

Mais les soleils, les phénomènes physiques montrent que l’énergie ne s’est pas seulement produite il y a des milliards d’années mais aussi sous nos yeux.

Voici, par exemple, comment l’énergie est produite dans les étoiles, ces soleils

Voici aussi comment l’énergie est produite dans le centre de la Terre, dans son noyau

L’énergie radioactive, c’est d’abord naturel et pas produit par l’homme dans les centrales : voir ici

Mais des phénomènes naturels aussi simples que les vagues ou les nuages produisent eux aussi une quantité incroyable d’énergie !

En fait, l’énergie est-elle vraiment « produite » sous nos yeux ou est-elle seulement « transformée » selon les lois de la Thermodynamique ? N’est-ce pas seulement des passages entre des quantités d’énergie mécanique, calorifique, chimique, électrique, magnétique, lumineuse, nucléaire, avec conservation et non fabrication d’énergie ?

En ce qui concerne la matière et la lumière, il est exact que l’énergie ne se perd pas et qu’une nouvelle énergie ne se produit, elle ne fait que se conserver et changer de forme.

Rappelons que la Thermodynamique affirme de plus que l’énergie, en changeant de forme, change de qualité et que ces changements peuvent être irréversibles.

Cela signifie que l’on peut transformer toute qualité d’énergie en chaleur mais que le contraire n’est pas vrai.

La chaleur est l’énergie la plus désordonnée apparemment et, du coup, on ne peut pas transformer intégralement de la chaleur en énergie mécanique ou électromagnétique par exemple. Bien sûr, l’exemple des centrales thermiques montre qu’une partie de la chaleur peut se transformer quand même en énergie mécanique ou électromagnétique.

Que vient faire « la qualité » dans cette affaire de l’origine de l’énergie qui semblait vraiment uniquement quantitative ?

L’énergie, c’est toujours à un certain niveau une question d’agitation. Or ce qui peut s’agiter, se choquer et choquer le reste du monde, ce sont des objets matériels, des molécules, des atomes, des particules, toutes sortes de corpuscules et de groupes de corpuscules matériels qui existent à diverses échelles de l’univers matériel. Car cet univers de la matière est organisé de manière hiérarchique avec des niveaux divers.

Il est connu que le niveau où nous nous trouvons, appelé macroscopique, n’est pas identique au niveau des molécules et des cellules vivantes, le niveau microscopique, ni au niveau des particules comme l’électron, le niveau quantique (l’atome est déjà au niveau du cent millionième de centimètre, le noyau, le proton et l’électron descendent encore les degrés !). Il est moins connu qu’existent, encore en dessous, deux niveaux hiérarchiques de la matière qui contiennent les mêmes particules matérielles mais de manière de plus en plus éphémère et agitée, ce sont des niveaux du vide quantique appelé « le virtuel » et « le virtuel de virtuel », niveaux qui disparaissent trop rapidement pour qu’aucun de nos appareils (qui sont à l’échelle macroscopique) ne peuvent mesurer directement.

Or, c’est encore de la matière que l’on trouve dans le vide quantique. Et cette matière produit des chocs, des interactions, et a besoin pour cela de corpuscules d’interaction, donc d’énergie.

L’énergie du vide est portée elle aussi par des corpuscules du niveau dit « virtuel » (terme qui ne veut pas dire qu’ils n’existent pas réellement). Ce sont les mêmes qu’au niveau quantique dit « réel » mais ils ne sont pas durables.

Les bosons virtuels existent tous, comme le photon virtuel ou le gluon virtuel.

Et le plus remarquable est ce que l’on va dire maintenant : toute l’énergie, y compris celle de la matière durable et de la lumière durable, de l’univers « réel », toute cette énergie de l’Univers provient du vide quantique !!!!

D’où vient l’énergie ? Elle provient, toujours et partout, du vide !

La matière et la lumière, corpuscules durables, dits réels, sont tous fondées sur des structurations du vide qui nécessitent l’énergie du vide pour développer toutes leurs propriétés.

Prenons un phénomène ultra courant et simple pour le démontrer…

Un courant électrique passe dans un conducteur, il n’y a pas plus élémentaire comme expérience. Eh bien, l’énergie qui permet au courant de passer… vient du vide quantique ! Eh oui !

Comment le prouver ?

Comme chacun sait, les lois qui régissent ce phénomène sont celles de Maxwell. Tiré de ces lois, on a déduit un outil mathématique qui permet de savoir d’où vient l’énergie, comment elle entre, comment elle sort, dans quelle direction et dans quel sens : c’est ce que l’on appelle le « vecteur de Poynting » du nom de celui qui a effectué ce calcul tiré de Maxwell. Un vecteur, c’est justement un outil mathématique, à la fois numérique, dirigé et orienté. Cela permet de savoir en tout point, comment l’énergie se déplace, de combien, dans quelle direction et dans quel sens.

Or le calcul du vecteur de Poynting S, effectué à propos du courant électrique passant dans un conducteur électrique, est très parlant : le vecteur est perpendiculaire au conducteur et dirigé vers le conducteur.

Vers le conducteur, cela signifie que l’énergie va vers le conducteur et vient d’où ?

Eh bien, elle vient du… vide !!!!!

Cela signifie que le passage du courant dans le conducteur modifie le vide quantique, le structure et le rend capable de fournir en permanence de l’énergie au conducteur !!!

En somme, l’ensemble du conducteur et de l’espace autour ne change pas d’énergie mais il y a transfert du vide vers le conducteur…

Feynman expose ainsi la question dans son « Cours de Physique » (électromagnétisme 2) :

« Il est clair que l’énergie de la matière ne se conserve pas. Quand un objet rayonne de la lumière, il perd de l’énergie. Néanmoins, l’énergie perdue peut être décrite sous une autre forme, par exemple sous forme de lumière. Par suite, la théorie de la conservation de l’énergie est incomplète si l’on ne considère pas l’énergie associée à la lumière, ou plus généralement, au champ électromagnétique. Nous allons maintenant traiter de la loi de la conservation de l’énergie et aussi de l’impulsion des champs. Certes, nous ne pouvons traiter l’un sans l’autre, puisque dans la théorie de la relativité elles sont deux aspects du même quadrivecteur (vecteur à quatre dimensions).

Tout au début du volume I nous avons parlé de la conservation de l’énergie, nous avons dit là, seulement, que l’énergie totale de l’univers était constante. Nous voulons maintenant étendre l’idée de la loi de conservation de l’énergie d’une façon importante – d’une façon qui nous indique dans le détail « comment » l’énergie se conserve. Cette nouvelle loi nous dira que si de l’énergie s’échappe d’une région, c’est parce qu’elle « s’écoule » à travers les frontières de cette région. C’est une loi un peu plus forte que la conservation de l’énergie sans une telle restriction…

L’idée est de supposer qu’il existe une densité d’énergie u et un flux S qui dépendent uniquement des champs E et B (électrique et magnétique)…

Le calcul donne :

u = epsilon zéro sur 2 fois E fois E + epsilon zéro fois c² sur 2 fois B fois B

S = epsilon zéro fois c² fois E fois B

où

c = vitesse de la lumière

epsilon zéro = permittivité du vide

Ce nouveau vecteur S est le « vecteur de Poynting », du nom de celui qui l’a découvert. Il nous indique la vitesse à laquelle l’énergie du champ se déplace dans l’espace…

Prenons un exemple. Considérons le flux d’énergie dans un condensateur que nous chargeons lentement… Quand le condensateur se charge, le volume compris entre les armatures reçoit l’énergie… Il doit y avoir un flux d’énergie entrant dans ce volume et issu de quelque part. Il est évident, pensez-vous, qu’il doit arriver par les fils de charge.

Eh bien, pas du tout !

Il ne peut traverser l’espace compris entre les armatures dans cette direction, car le vecteur champ électrique E est perpendiculaire aux armatures ; E x B (produit de deux vecteurs) doit être parallèle aux armatures.

Vous vous souvenez, bien sûr, que pendant la charge du condensateur il existe un champ magnétique dont les lignes de champ sont des cercles centrés sur l’axe… Il existe donc un flux d’énergie proportionnel à E x B qui pénètre tout autour par les bords du condensateur…

L’énergie n’est pas réellement apportée par les fils mais provient de l’espace environnant le condensateur…

Comment est-ce possible ? Ce n’est pas une question facile, mais voici une façon d’y réfléchir. Supposons qu’il y ait des charges au-dessus et au-dessous du condensateur, très loin. Quand les charges sont très loin il y a un champ faible mais très étendu tout autour du condensateur. Puis, quand les charges se rapprochent, le champ devient plus intense près du condensateur. Donc l’énergie du champ qui est à l’extérieur se déplace vers le condensateur, et finalement s’arrête entre les armatures.

Comme autre exemple cherchons ce qui se passe dans un morceau de résistance parcouru par un courant. Comme le fil a une résistance, il y a un champ électrique le long du fil, qui produit le courant. Comme il y a une chute de potentiel le long du fil, il y a aussi un champ électrique à l’extérieur et tout près du fil, parallèle à sa surface. Il existe de plus un champ magnétique qui tourne autour du fil, en raison du courant. Les vecteurs E et B (électrique et magnétique) sont perpendiculaires ; donc le vecteur de Poynting (issu du produit vectoriel E x B) est radial et dirigé vers l’intérieur. Il y a tout autour un flux d’énergie entrant dans le fil. Celui-ci est égal à l’énergie dissipée dans le fil sous forme de chaleur.

Ainsi, notre théorie « folle » dit que les électrons reçoivent leur énergie pour produire de la chaleur, parce qu’il y a un flux d’énergie entrant dans le fil et provenant du champ extérieur.

Notre intuition nous suggérait plutôt que les électrons reçoivent leur énergie de leur mouvement le long du fil, et donc, l’énergie devrait s’écouler le long du fil.

Mais la théorie dit que les électrons sont en réalité poussés par un champ électrique dû à des charges très éloignées, et qu’il s acquièrent leur énergie pour engendrer de la chaleur à partir de ces champs.

L’énergie s’écoule d’une certaine façon, à partir des charges éloignées à travers une vaste région de l’espace, puis vers l’intérieur du fil…

Vous commencez sans doute à avoir l’impression que la théorie de Poynting viole au moins partiellement votre intuition en ce qui concerne la localisation de l’énergie dans un champ électromagnétique… Il est clair que nos intuitions courantes sont tout à fait fausses. »

Lorsque Feynman expose que l’énergie vient du champ ou vient de l’espace et va vers le fil conducteur ou vers le condensateur qu’on charge, il est clair que cela signifie qu’elle est produite par… le vide quantique !!!!

Rappelons que le vide quantique, ce sont des particules et des antiparticules de matière éphémère qui fondent le monde entier, à la fois le vide mais aussi la matière et la lumière durables.

Particules et antiparticules sont éphémères au sein du vide mais, quand elles ne disparaissent pas, sont couplées.

Toutes les sortes de particules, et il y a en a un très grand nombre, des centaines, qui ne se limite pas aux plus connues comme électron, proton et neutron, existent sous forme éphémère, virtuelle.

Donc ces particules éphémères existent et se déplacent par couples au sein du vide quantique, puis disparaissent pour se transformer en énergie et cette transformation crée une agitation énergétique permanente dans le vide.

Le vide produit sans cesse de l’énergie qu’il fournit à la matière et à la lumière, et sans laquelle ceux-ci ne pourraient pas exister.

La simple existence de la propriété de durabilité des particules « réelles » de matière provient du fait qu’elles ont reçu un boson (= particule porteuse d’énergie) dit de Higgs !!!

La lumière est elle-même fondée sur les particules et antiparticules du vide qu’elle couple, un photon étant équivalent par exemple à un couple électron-antiélectron.

Toutes les interactions entre atomes ou particules matérielles se font au travers des particules et antiparticules du vide quantique et au travers de photons qui sont des paires particule-antiparticule.

Il faut ainsi au minimum une énergie de 1 MeV pour créer dans le vide un couple électron-positron (le positron étant l’antiparticule de l’électron).

L’astrophysicien 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 ». »

« Au cœur de la matière » de Maurice Jacob :

« Plus le temps d’observation est bref, plus les fluctuations possibles de l’nergie sont élevées. La constante de Planck ayant une valeur pratiquement nulle quand elle est exprimée à l’aide d’unités de temps et d’énergie propres à l’échelle humaine, ces fluctuations quantiques sont invisibles à notre échelle mais ce n’est plus le cas pour des unités de temps et d’énergie à l’échelle de la physique des particules. Les fluctuations quantiques deviennent omniprésentes… Si le temps d’observation est de l’ordre de dix puissance moins vingt-une seconde, une fluctuation de 1 MeV est fort probable. Nous pouvons donc trouver une paire électron-positron apparaissant à partir de rien pour s’évanouir ensuite car son énergie de masse est en effet de l’ordre de 1 MeV. Si le temps d’observation accordé n’est maintenant que de l’ordre de dix puissance moins vingt-quatre seconde, le vide nous semble bouillonner avec un grand nombre de paires électron-positron se formant et s’annihilant sans cesse, en absorbant ou en donnant des photons, mais des pions, comme si les interactions fortes s’étaient elles aussi réveillées. Il suffit en effet de 300 MeV pour créer une paire de pions globalement neutre, un pi plus et un pi moins et, avec une échelle de temps de dix puissance moins vingt-quatre seconde, une fluctuation d’énergie de l’ordre de 1 GeV est fort probable. Descendons encore par un facteur deux dans l’intervalle de temps permis. Nous voyons apparaître des paires proton-antiproton. Allons jusqu’à dix puissance moins vingt-six secondes et des W et des Z apparaissent. Les interactions faibles jouent maintenant à fond. Nous voyons que, même si tout semble étrangement calme à l’échelle humaine, toute la physique est présente dans le vide. Il garde en mémoire toutes les lois de la physique de sorte que l’on peut dire de façon imagée que ce néant contient l’être de façon potentielle…
Donc nous arrivons à cette conclusion : l’énergie est portée par des paires particule-antiparticule éphémères du vide… »

Pourquoi seulement du vide ?

Eh bien, c’est seulement dans le vide que l’on trouve des antiparticules et des particules éphémères.

Qui sont ces couples particule-antiparticule ? Eh bien, ce sont le photon, les particules W et le Z par exemple, ou encore le gluon ou toute particule d’interaction…

L’énergie de l’Univers provient donc exclusivement du vide quantique qui est le fondement aussi de la matière et de la lumière et de leur énergie comme de leurs propriétés.

Le fait que l’énergie soit portée par des couples éphémères particule-antiparticule explique son caractère quantique. En effet, plus le couple aura une courte durée de vie, plus il sera porteur d’énergie, de sorte que le produit énergie par temps soit toujours égal à un quanta de Planck h.

La nature de l’énergie est donc directement liée à la nature quantique de l’Univers !

Le réel est virtuel et le virtuel est le réel
Pourquoi le vide quantique est la base de toute formation et de toute compréhension de la matière ?

Lire encore sur l’énergie du vide

Lire encore sur le vide quantique