Quelle est la structure de la matière et du vide - ou comment la matière est virtuelle et le virtuel est matière

Lochak

« Stabilité de la matière

« La théorie quantique eut parmi ses premiers objectifs de comprendre la stabilité des édifices atomiques. En effet, un « électron classique » (non-quantique) pourrait orbiter à une distance arbitraire d’un « noyau classique ». Rayonnant de l’énergie électromagnétique, il pourrait se rapprocher indéfiniment du noyau, perdant dans cette chute une quantité d’énergie … infinie ! La théorie quantique, en corrélant l’extension spatiale d’un électron à son énergie cinétique (inégalités d’Heisenberg), interdit une telle catastrophe et assure l’existence d’atomes stables, dont l’énergie ne peut descendre en dessous d’un certain plancher absolu (niveau fondamental). Mais Pauli fit remarquer, dès les années 1925, que cette stabilité individuelle des atomes, si elle est nécessaire, ne suffit en rien à assurer la stabilité de la matière. (…) Si le principe de Pauli n’intervenait pas pour tenir les électrons à distance mutuelle, la matière serait incomparablement plus concentrée, d’autant plus que la quantité en serait plus grande. (…) Ajoutons enfin que le rôle du principe de Pauli ne se borne pas à assurer l’existence de la matière, mais conditionne toutes ses propriétés électroniques détaillées, en particulier la conductivité ou la semi-conductivité des matériaux qu’utilise la technologie électronique. »

Jean-Marc Lévy-Leblond dans « La quantique à grande échelle », article de l’ouvrage collectif « Le monde quantique »

Louis de Broglie : « A tout élément matériel de masse m est associée une onde dont la longueur d’onde lambda est égale à h divisé par le produit de la masse m et de la vitesse v de cette masse. »

Franco Selleri dans « Le grand débat de la théorie quantique » :

« Les neutrons sont des particules instables et finissent par se désintégrer en proton + électron + antineutrino au bout d’un temps correspondant à leur vie moyenne. Celle-ci est d’environ mille secondes (...) des neutrinos peuvent vivre beaucoup moins (disons cent secondes) ou beaucoup plus (disons trois mille secondes) que leur vie moyenne de trois mille secondes. Le problème se pose très naturellement de comprendre les causes qui déterminent les différentes vies individuelles dans les différents systèmes instables. (…) (ces variations peuvent s’expliquer) par des fluctuations du vide dans de petites régions entourant la particule ». On ne dispose par contre d’aucune description de l’objet neutron ou de l’objet particule qui explique ces vies de durées diverses et cette durée moyenne. Mais nous verrons que la physique quantique va plus loin et remet carrément en question que la particule soit un objet individuel : « En théorie quantique, tous les concepts classiques, une fois appliqués à l’atome, sont aussi bien ou aussi mal définis que « la « température de l’atome. (...) Le concept d’existence de l’électron dans l’espace et le temps conduit à un paradoxe. » D’où la nécessité de définir la particule comme une structure émergente issue des interactions du vide et non comme une chose préexistante et fixe.

Heisenberg défend l’idée que la matière subit des sauts qualitatifs, des discontinuités : « Comme vous le savez, Planck a découvert que l’énergie d’un système atomique varie de façon discontinue, que lors de l’émission d’énergie par un tel système, il existe, pour ainsi dire, des positions d’arrêt, correspondant à des énergies déterminées, c’est ce que j’ai appelé plus tard les états stationnaires. » Il cite là un débat avec Albert Einstein qui lui dit : « Vous savez que j’ai essayé de suggérer l’idée que l’atome tombe, pour ainsi dire subitement, d’un état d’énergie stationnaire à un autre, en émettant la différence d’énergie sous forme d’un paquet d’énergie ou encore quantum de lumière. Ceci serait un exemple particulièrement frappant de cette discontinuité dont j’ai parlé tout à l’heure. » Il lui répond ainsi : « Peut-être faudrait-il imaginer la transition d’un état stationnaire à un autre à peu près comme le passage d’une image à une autre dans certains films. « Et Einstein répondait : « Si votre théorie est juste, vous devrez me dire un jour ce que fait l’atome lorsqu’il passe d’un état à un autre en émettant de la lumière. » Heisenberg reconnaît ne pas connaître la réponse : « Lorsque l’électron (d’un atome) saute – dans le cas d’émission de rayonnement – d’une orbite à l’autre, nous préférons ne rien dire au sujet de ce saut : est-ce un saut est-ce un saut en longueur, un saut en hauteur ou quoi d’autre ? » Et, pour souligner la difficulté du problème et, surtout, à la fois la nécessité et la difficulté d’admettre la discontinuité de la nature, il cite un autre grand physicien quantique Erwin Schrödinger qui déclare : « Si ces damnés sauts quantiques devaient subsister, je regretterais de m’être jamais occupé de théorie quantique. »

Basarab Nicolescu dans “Nous, la particule et le Monde”, Editions Le Mail, 1985

“Le Vide quantique - un vide “plein” : (...) Quand nous pénétrons dans une région de plus en plus petite de l’espace nous découvrons une activité de plus en plus grande, signe d’un perpétuel mouvement.
La clef de la compréhension de cette situation paradoxale est fournie à nouveau par le principe d’incertitude de Heisenberg. Une toute petite région de l’espace correspond, par définition, à un temps très court et donc, conformément au principe de Heisenberg, à un spectre très large d’énergies. Par conséquent, pour des intervalles de temps très courts, la loi de conservation d’énergie peut être violée : tout se passe comme si les quantas de matière sont créées à partir de rien. Plus précisément, les “fluctuations quantiques” du vide déterminent l’apparition soudaine de paires particules-antiparticules “virtuelles” qui s’annihilent ensuite réciproquement, ce processus ayant lieu dans des intervalles de temps très courts.”

CONCLUSIONS PROVISOIRES SUR LA PHYSIQUE DE LA MATIÈRE

PRÉAMBULE

Dans l’état actuel de nos connaissances en physique, la compréhension des phénomènes de la matière et de la lumière nécessite un changement fondamental sur le plan conceptuel, c’est-à-dire philosophique.

La physique quantique a rendu nécessaire de revoir tous nos concepts, nos quantités caractéristiques (position instantanée, vitesse, trajectoire, quantité de mouvement), et nos descriptions des phénomènes, mais, plus encore, elle a rendu indispensable de repenser notre philosophie de la matière. Et d’abord, nous devons prendre conscience que, dans notre description physique, nous n’utilisons pas seulement une science de la matière, mais également une philosophie, et qui est souvent très dépassée. « Nous ne philosophons pas, nous observons, nous mesurons et nous confrontons à des schémas mathématiques », répondraient bien des physiciens. Ils n’ont pas entièrement raison : les observations, comme les mesures et les schémas mathématiques sont guidés par une vision du monde à observer. Ce n’est pas l’observation qui a déterminé ce que nous mesurons. Ce n’est pas l’expérience qui décide si nous devons utiliser telle ou telle abstraction comme image de la réalité. Depuis longtemps, la physique quantique a rappelé qu’observer, ce n’est pas regarder la réalité, c’est agir sur elle et regarder ce que cela change, ce qui est très différent. Mais l’expérience ne décide pas comment on décide d’agir sur cette réalité. Nous avons donc des connaissances mais, surtout, nous avons progressivement bâti une philosophie et, de temps en temps, nous nous rendons compte qu’il va falloir … la remettre complètement en cause !

La physique quantique n’a certes jamais cessé de poser ce type de problème aux scientifiques et aux philosophes et les débuts de « la quantique » n’ont pas manqué de tels débats. Cependant, aujourd’hui, on ne peut en rester à parler de dualité, de complémentarité et d’incertitude quantique. Il est loin d’être suffisant de rappeler que la physique quantique ne correspond pas au bon sens, qu’elle est probabiliste et non descriptive, ou encore qu’elle ne permet que des calculs et non des interprétations. Pour s’en convaincre, il suffit de remarquer que les termes d’onde et de corpuscule continuent d’être employés sans avoir été remplacés par des notions plus adéquates, alors que l’on sait depuis longtemps qu’il n’existe ni onde ni corpuscule. Certains continuent même à parler d’énergie (ou de quantité de mouvement) pour l’élémentarité (de la lumière ou de la matière), alors que l’on sait depuis longtemps que l’élémentarité, que l’élément commun de la matière et de la lumière (et aussi du vide) dans tous leurs états, ne peut être qu’une action, c’est-à-dire un moment cinétique (produit d’une énergie et d’un temps ou d’une distance par une quantité de mouvement). « Le passage du quantum d’action au quantum d’énergie constitue, selon moi, une regrettable erreur d’aiguillage. » écrit Jean-Claude Auffray dans « L’atome ».

Il ne suffit pas non plus de remarquer des dualités, comme onde/corpuscule ou fermions/bosons ou encore vide/matière ; il faut comprendre ce que ces oppositions ont en commun, comment elles font pour s’interchanger et s’interpénétrer. En somme, qu’y a-t-il de commun entre matière, lumière, vide, espace et temps, pour qu’ils interagissent comme ils le font ? Comment font-ils, en particulier, pour apparaître et disparaître, pour s’échanger l’un dans l’autre ? D’où vient qu’ils ont sans cesse des comportements contradictoires : ordonnés d’un côté, désordonnés de l’autre ; ondulatoire en un sens, corpusculaire dans l’autre ; fondés sur la constance autant que sur la dynamique, sur la symétrie et sur la rupture de symétrie, sur la permanence autant que sur l’émergence ? Des changements qualitatifs, brutaux, menant à des structures contradictoires, un désordre mêlé à toutes les échelles à un ordre, oui, c’est bien de philosophie qu’il faut changer pour interpréter ces phénomènes.

Nos connaissances actuelles reposent à nouveau la question de notre représentation du monde matériel et c’est loin d’être une image qui nous vient spontanément. Nous sommes trompés par les apparences de l’univers dans lequel nous évoluons. Notre cerveau nous joue des tours et notre existence nous situe à un niveau très particulier de la réalité, ce que nous avons tendance à confondre avec un point de vue objectif ! Nous faisons comme si l’espace et le temps allaient de soi alors que, dès que nous nous posons la question de leur nature, de leur origine, de leur interaction avec la matière et la lumière, nous sommes amenés à répondre que nous ne parvenons pas à concevoir d’où pourraient venir un espace et un temps qui ne seraient pas donnés d’avance. Nous avons du mal à concevoir un univers où ces deux éléments ne seraient pas établis ou tels que nous les concevons à notre échelle. Nous voulons nous convaincre de la continuité de l’univers qui nous entoure et nous cherchons à faire ressembler la physique à cet idéal régulier, calme, progressif. Nous voulons croire que l’existence matérielle du monde se résout en termes d’objets permanents. Nous avons peine à admettre non seulement que la microphysique a mis fin à cet espoir mais que la matière à notre échelle ne fait que simuler, par le grand nombre d’actions collectives et par la taille des temps caractéristiques (bien plus longue que la durée de vie des états transitoires), cette apparence de permanence des objets. Toutes ces conceptions sont dépassées, ou devraient l’être, au vu de nos connaissances en physique. C’est cependant encore un effort à réaliser et qui ne doit pas être minimisé.

Très longtemps, on a été à la recherche d’objets élémentaires appelés particules. Notre langage continue à parler de particules, mais cela n’a plus du tout la même signification. Nous savons maintenant qu’une particule n’est pas « une » puisqu’elle doit, pour exister, être entourée de particules fugitives et échanger des photons tout aussi fugitifs. Nous savons aussi qu’elle n’est pas de la catégorie « objet qui se déplace jusqu’à heurter un autre objet », ni de la catégorie « onde qui contourne les obstacles », ni de la catégorie « champ qui transforme les propriétés de l’espace ». Cela signifie, en premier, qu’il faut renoncer définitivement à toute notion d’objet fixe, de solide, de rigide, de particule élémentaire en somme au sens de « choses ».

L’électron n’est pas une chose, au sens où ce n’est pas autre chose qu’une structure d’interactions du niveau structuré inférieur, qui, lui-même n’est encore rien d’autre qu’une structure des interactions d’un niveau encore inférieur. Les stabilités ne sont donc que structurelles et fondées sur une agitation sous-jacente. L’ordre n’est qu’un produit émergent du désordre.

On rechercherait en vain la source de la durabilité dans la fixité des quantités caractéristiques ou dans des propriétés fixes, qui décriraient complètement les structures. Dire qu’une quantité se conserve, décrit une interaction et non un objet. Cette interaction n’est pas marquée par la fixité mais par un processus de changement très agité (relativement au rythme caractéristique de la structure). Enfin, l’interaction ne prend en considération qu’une partie des caractéristiques de la structure. Cela signifie que l’interaction ne dit pas tout de la structure. Deux particules qui entrent en relation ne savent pas tout l’une sur l’autre. Elles ont juste un court échange (une particule d’interaction) puis disparaissent l’une pour l’autre. La particule d’interaction est une intervention brutale d’un niveau inférieur (le photon par exemple). La matière ne pourrait interagir avec la matière sans échange des photons, c’est-à-dire sans changer son état interne. La constance n’est nullement à la base des échanges. Quant à la particule isolée (sans relation avec une autre particule), elle ne pourrait conserver sa charge ou sa masse (numériquement fixes) si elle n’échangeait pas sans cesse photons lumineux et particules (dites virtuelles) de l’agitation extraordinairement dynamique du vide quantique. La durabilité de la particule matérielle ne réside pas dans son immuabilité physique et la base de la stabilité structurelle ne se fonde pas dans la constance des paramètres. C’est, au contraire, parce qu’elle mute sans cesse (qu’elle n’est jamais le même objet, la propriété de masse sautant d’une particule virtuelle à une autre), que la particule matérielle conserve ses caractéristiques, comme sa masse ou sa charge. Mais ces caractéristiques, si elles indiquent le type d’interaction avec l’environnement, ne disent pas tout sur la particule individuelle. Les interactions ayant lieu dans un temps caractéristique ne permettent pas aux particules de tout savoir sur cet environnement. Elles ont, comme nous, une image générale de ce qui les entoure et agissent en fonction de cette image floue, vague, approximative. Le nombre laisse croire à un univers agissant par connaissance précise et complète de l’univers, par interaction entre des quantités précises. La particule est changeante et ne peut être caractérisée par la fixité. Elle ne dispose pas d’une énergie infinie lui permettant d’explorer le monde dans tous ses détails, à toutes les échelles. Enfin, contrairement au nombre fixe, elle est contradictoire. Toute la physique est fondée sur de telles relations dialectiques : entre énergie matérielle et énergie rayonnante, entre onde et particule, entre matière et antimatière et entre matière et vide. La particule est entourée d’un nuage de polarisation qui ressemble à une onde mais tout ce qui ressemble à une onde est composé de couples particule/antiparticule du vide. Le vide est composé de matière virtuelle et la matière est fondée sur l’interaction du vide. Ces contraires se combattent et se changent sans cesse les uns dans les autres. Là encore, on retrouve l’interdépendance et l’interpénétration des contraires. La structure particulaire ne conserve ses caractéristiques (masse, charge, dimensions, etc) que grâce à une dynamique au travers de laquelle la particule disparaît et réapparaît sans cesse (saut quantique). Le physicien Michel Spiro explique dans son article pour « 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. »
Agitation aléatoire et désordre sont la source même de l’ordre. On s’attendrait ainsi à ce que la structure la plus durable soit la plus figée, et c’est le contraire qui est vrai. La structure fondée sur le changement brutal est la plus pérenne. Celle qui est la moins agitée, et nous semble solide, va, au contraire, casser brutalement et de façon inattendue.

Le deuxième changement conceptuel concerne donc l’ancien point de vue selon lequel l’élément « de base » serait ce qui est ordonné, régulier, fixe, stable ou durable et non ce qui est agité, apparemment aléatoire, changeant à très grande vitesse de façon désordonnée. Là aussi, on constate un retournement complet de point de vue. L’ordre peut être émergent, être issu du désordre. La structure peut être fondée sur un niveau inférieur d’organisation connaissant une grande agitation. Elle peut posséder une grande stabilité structurelle sans être fondée sur des éléments fixes. Cette remarque signifie que le désordre n’est pas seulement ce qui perturbe, ce qu’il faut écarter dans les mesures, ce qui nous gêne pour trouver les lois de l’univers : c’est ce qui fonde ces lois.

Donc, on renonce aux « choses » fixes, on admet que nous avons affaire à des structurations émergentes issues du désordre. Et puis, quoi encore ?

La troisième révolution de pensée dont nous avons besoin concerne la vision selon laquelle le monde évolue au sein d’un espace-temps qui préexiste, se conserve sans cesse et est fondé sur la continuité de l’espace et du temps au sein de laquelle matière et lumière ne feraient que se déplacer comme des boules sur un billard qui se déplacent et se choquent pour rebondir ensuite, le billard restant indifférent à ces évolutions. Au lieu de cette conception cinématique, selon laquelle le temps s’écoule régulièrement de manière continue, selon laquelle la matière et la lumière se déplacent au sein d’un espace vide sans être transformées par lui, nous avons besoin d’un point de vue dynamique dans lequel les interactions de la matière, de la lumière et du vide produisent l’espace et le temps, lequel rétroagit sur eux, sur leurs changements et leurs mouvements. La base de l’interprétation des phénomènes matériels n’est plus le déplacement cinématique et les chocs. La base de l’interprétation des phénomènes lumineux n’est plus l’onde continue qui se déplace sans se modifier au contact des autres, en se contentant de s’additionner relativement (interférences). Les nouveaux êtres qui peuplent notre univers sont fugitifs, ce sont des structures appelées quantons qui ont une existence à plusieurs niveaux de l’univers et interagissent avec l’espace et le temps.

Renonçons d’abord à notre ancienne notion de temps. Celle-ci suppose à tort que le temps préexiste et n’est pas construite par l’existence de matière au voisinage. Elle suppose également un écoulement continu du temps. Or, nous n’avons aucune raison de penser que le temps n’est pas fondé sur des sauts. C’est vrai aussi en physique macroscopique. La « simple » particule « élémentaire est le produit de multiples échanges avec le vide quantique, réception de photons réels et virtuels, recomposition avec les antiparticules virtuelles (dématérialisations) et nouvelles décompositions en deux pôles (matérialisations). Les grandes collections de molécules qui constituent les corps physiques à notre échelle ne présentent pas moins de situations critiques. Le physicien Georges Lochak rappelait que cela n’est pas exact : « Ce serait une grave erreur de croire que la propriété que possède un atome de n’apparaître que dans un ensemble discret d’états physiques et de sauter brusquement d’un état à un autre au cours d’une perturbation est l’apanage des systèmes microphysiques et est étrangère à la mécanique habituelle. » (dans l’article « Vers une microphysique de l’irréversible » de la « Revue du Palais de la Découverte » de mai 1977). Par exemple, la diffusion des protons en milieu aqueux se fait par saut d’un proton d’une molécule d’eau à une autre (échange très fugace). Par exemple, la molécule de chlore Cl2 se décompose en deux ions Cl-. Les chimistes Ben Aïm et Destrian expliquent dans « Cinétique chimique » : « Les radicaux dont elles supposent l’existence peuvent, le plus souvent, être mis en évidence, parce qu’ayant une durée de vie très brève. » Roger Balian montre dans « La flèche du temps » que les réactions chimiques sont sujettes à des transformations brutales : « La réaction chimique hydrogène plus chlore donne gaz chlorhydrique H2 + Cl2 à 2 HCl se produit dans l’obscurité à une vitesse imperceptible, plus rapidement (en fait de manière explosive) lorsqu’on éclaire le mélange à la lumière du soleil. » Roger Balian montre dans « La flèche du temps » que les réactions chimiques sont sujettes à des transformations brutales : « La réaction chimique hydrogène plus chlore donne gaz chlorhydrique H2 + Cl2 à 2 HCl se produit dans l’obscurité à une vitesse imperceptible, plus rapidement (en fait de manière explosive) lorsqu’on éclaire le mélange à la lumière du soleil. (…) Les temps caractéristiques microscopiques, périodes d’oscillations électroniques ou atomiques, durées de collisions, se mesurent en picosecondes (millième de milliardième de seconde) ou même en femtoseconde (millionième de milliardième de seconde), alors qu’on peut faire commencer l’échelle des temps macroscopiques à la nanoseconde (milliardième de seconde, période typique des ondes radio ou temps mis par une molécule d’un gaz à parcourir, entre deux collisions successives, une distance de l’ordre d’un micron. »

« A nos yeux, à l’œil nu, rien ne change. Mais si nous pouvions voir avec un agrandissement d’un milliard de fois, nous verrions que, de son propre point de vue, la nature change sans cesse ; les molécules sont sans cesse en train de quitter une surface matérielle et d’autres sans cesse en train d’y tomber. » expose le physicien Richard Feynman. Mais il est vrai que ces sauts sont particulièrement frappants et incontournables au niveau quantique. Les temps brefs de ces transitions deviennent proches des temps caractéristiques des particules quantiques.

La physique quantique montre que l’infiniment petit en termes de temps n’existe pas davantage qu’en termes de masse ou d’espace. Une des conséquence de la physique des quanta est que tout est saut ; le mouvement n’ayant rien de différent sur ce plan du changement. La particule saute sans cesse d’un état à un autre, d’une particule éphémère à une autre. C’est la propriété qui se maintient, pas la particule. En effet, ce n’est pas la même particule qui porte la propriété de masse et c’est cette propriété qui va d’un emplacement à un autre, portée par un boson. Il n’y a pas mouvement de la particule d’un point à un autre mais saut de la propriété de masse, ce qui est très différent et le temps qui intervient dans ce phénomène fondamental, pour la conservation de la masse, n’est pas continu. L’autre phénomène, tout aussi fondamental, est l’émission/absorption d’un boson par une particule. C’est également un phénomène brutal qui n’est pas continu. Il détermine également un temps par sauts. Nous savons maintenant que le fondement de la matière et de la lumière est l’émergence de structure au sein du vide. Or, le temps est désordonné dans le vide et se déplace dans les deux sens de façon extrêmement agitée. Donc le temps cohérent émerge de la matière et le temps local des interactions entre matières. Il n’est plus donné d’avance.

Renonçons également à notre ancienne conception du mouvement qui serait un déplacement sans changement complet de l’objet. Le physicien et philosophe Eftichios Bitsakis, dans « Physique et matérialisme », en donne la raison : « Dans la théorie quantique des champs, le mouvement ne peut pas être défini en dehors des transformations des particules. (...) C’est ainsi que, si un électron est dévié d’une direction de mouvement dans une direction différente, cet événement est décrit comme « destruction » de l’électron initial, et comme « création » d’un autre électron, qui se met dans la nouvelle direction. » Cela signifie que tout changement est fondé sur un saut quantique et tout saut quantique sur des changements de particules, sur des émissions/réceptions de photons ou de particules virtuelles du vide. L’astrophysicien Laurent Nottale explique dans « La complexité, vertiges et promesses » : « 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… A l’intérieur de l’électron, il y a une espèce de foisonnement de particules virtuelles qu’on ne voit pas à grande échelle. (...) Un électron est objet élémentaire qui contient toutes les particules élémentaires existantes. » « Dans cette théorie, par conséquent, il n’y a pas de particule qui garde toujours son identité (...) Le mouvement est ainsi analysé en une série de re-créations et de destructions, dont le résultat total est le changement continu de la particule dans l’espace. » expose le physicien David Bohm dans « Observation et Interprétation »

La quatrième transformation conceptuelle qui nous est nécessaire consiste à cesser de considérer la particule dite élémentaire, comme électron, proton, neutron ou autre, en tant qu’unité individuelle. Les particules, qui se rencontrent et interagissent, sont indiscernables. Elles ne sont pas non plus individuelles au sens qu’elles font partie d’un environnement indispensable. Nous verrons, en effet, qu’autour de chacune, il est indispensable que gravitent une quantité de particules de niveau structurel inférieur ayant une vie fugace. Nous verrons aussi que la particule n’est pas l’une d’entre elles, mais tantôt l’une tantôt l’autre. Pas de particule sans son nuage de particules fugaces dites éphémères ou virtuelles. Le terme de virtuel ne veut nullement dire que ces particules n’existeraient que dans notre imagination. Nous allons voir qu’elles sont bel et bien là, indispensables à la compréhension des expériences physiques sur la matière réelle, même si on ne peut pas directement les percevoir et les mesurer comme les particules dites réelles.

Enfin, le cinquième changement conceptuel, aussi indispensable que les précédents, concerne la fin de la conception métaphysique du type « ou bien, ou bien ». Que représente cette ancienne conception ? Cela consiste à dire : ou bien c’est une particule réelle ou bien c’est une particule virtuelle ; ou bien nous sommes dans un phénomène quantique, ou bien c’est un phénomène classique ; ou bien c’est un neutron ou bien c’est un proton ; ou bien c’est un électron ou bien c’est un photon ; ou bien c’est fermion, ou bien c’est un boson ; ou bien on est dans le macroscopique, ou bien on est dans le microscopique. Cette vision doit être remplacée par un point de vue dynamique selon lequel le neutron se transforme dans le proton et réciproquement, selon lequel le virtuel se change en réel, pour peu qu’il reçoive un boson adapté à ce saut qualitatif, selon lequel la particule qui émet ou reçoit de la lumière n’est plus la même particule et plus la même lumière (les deux s’étant mêlés selon un processus que nous expliciterons plus loin).

Opposer particules chargées positivement et négativement n’est pas suffisant, pas plus qu’opposer bosons et fermions. Au sein du vide, la particule « isolée » est entourée de particules virtuelles : si la particule est positive, elle est entourée de particules virtuelles négatives et inversement. Friedrich Engels exposait déjà que « La dialectique a montré en s’appuyant sur notre expérience de la nature à ce jour que les oppositions polaires en général sont déterminées par l’action mutuelle de deux pôles opposés interagissant l’un sur l’autre, que la séparation et l’opposition de ces pôles existe toujours conjointement à leur connexion mutuelle et à leur réunion, et inversement leur union existe uniquement dans la mesure de leur séparation, et leur mutuelle connexion uniquement dans celle de leur opposition. » Et effectivement, particules négatives et positives s’attirent, se composent, mais aussi s’opposent (principe de Pauli) ; fermions et bosons obéissent à des statistiques opposées mais ils s’interpénètrent par absorption et deux fermions qui d’unissent forment un boson. La métaphysique qu oppose diamétralement les contraires doit être remplacée par une dialectique qui les unit puis les sépare et les oppose à nouveau.

L’opposition principale qui a un caractère métaphysique, c’est-à-dire de classement figé et abstrait, est l’opposition entre matière et vide. La matière ne s’oppose pas seulement au vide, elle en fait aussi partie, se change en vide et le vide se change en matière. Ce phénomène n’a rien de miraculeux car le vide quantique n’est pas rien : il contient les particules virtuelles et celles-ci peuvent se changer en particules réelles et inversement. Rien d’étonnant, du coup, que la matière apparaisse et disparaisse sans cesse dans le vide.

Albert Einstein explique dans « L’évolution des idées en physique » : « Il fallait une imagination scientifique hardie pour réaliser pleinement que ce n’est pas le comportement des corps qui compte, mais le comportement de quelque chose qui se trouve entre eux (..) qui est essentiel pour comprendre et ordonner les événements. »

Pour subsister, la particule doit brutalement émettre un ou plusieurs photons par un processus qui est assimilable à un choc et par lequel la particule saute d’un état à un autre. Par l’émission de certains bosons (particules d’interaction), ceux du mécanisme de Higgs, la particule cède sa propriété de masse à la particule virtuelle voisine. Le virtuel devient réel et inversement, par une procédure assimilable au même type de choc et qui fonde une nouvelle structure. C’est par ce mécanisme de changement brutal que les caractéristiques de l’ancienne particule sont conservées. La conservation structurelle a eu lieu aux dépens de la matérialité de la particule. Cette dernière a disparu ou, plus exactement, ce n’est plus le même grain qui en est porteur. C’est au prix de cette disparition et de cette apparition que la matière se conserve au plan structurelle (conservation de la masse, de la charge, de l’énergie, etc).

Si on ne doit pas opposer métaphysiquement réel et virtuel, macroscopique et microscopique, quantique et classique, comment les distinguer ? C’est la notion de quanta qui répond à la question. Dès que nous travaillons sur le microscopique, nous ne pouvons plus ignorer que nous avons affaire à des entités dites discrètes (unités discontinues en nombre entier) : ce sont les quanta. Cela ne veut pas dire qu’elles n’existent pas au niveau macroscopique, ni qu’elles n’y apparaissent jamais, mais, au niveau microscopique, les phénomènes ne sont interprétables que par des quantas, en nombre entier de fois d’une quantité appelée l’action (équivalent au produit d’une énergie et d’un temps). Cela implique que l’on ne peut mesurer que des quanta : un, deux, trois quanta …, chacun valant la constante dite de Planck h. Du coup, l’énergie et le temps ne peuvent varier n’importe comment puisque le produit des variations ne peut qu’être un nombre entier de fois h ! Si on a une variation possible de l’un, la variation de l’autre est limitée. C’est ce que l’on appelle les inégalités d’Heisenberg. Au lieu d’avoir une valeur fixe, les quantités qui mesurent la particule ne sont pas entièrement définies et ce flou provient de l’agitation du vide qui interagit sans cesse avec la matière. Quand les fluctuations du vide son sensibles, on est au niveau quantique ; lorsqu’elles ne sont pas sensibles, on peut raisonner approximativement en termes classiques (position, vitesse, trajectoire, énergie,…). Si le produit de l’énergie caractéristique du phénomène et du temps caractéristique de l’interaction donne un petit nombre de quanta d’action, on est dans le domaine quantique. Si cela donne un nombre considérable de quanta, on est clairement dans le domaine classique. Et si on est au niveau d’un quanta ou si on descend, momentanément, en dessous d’un quanta, on est dans le virtuel. Ce n’est plus mesurable par un de nos appareils. Cela se déroule dans un temps extrêmement court qui est inversement proportionnel à la quantité d’énergie impliquée. Cela signifie que la particule de courte durée n’est pas moins « fondamentale » que celle qui a une durée de vie plus importante. Plus exactement, les unes n’existent pas sans les autres. Le fondement n’est pas le plus le ordonné ni le plus stable ni le plus durable. Le fondement est une dynamique qui s’appuie sur des changements à différentes échelles qui sont interactives. Pour la matière dite durable, l’échelle inférieure descend en dessous des mesures effectuables sur de la matière ordinaire, limites appelées les inégalités d’Heisenberg.

Nous atteignons la question de la différence entre particule dite réelle et particule dite virtuelle. Rappelons qu’elles sont tout aussi réelles les unes que les autres, mais qu’il ne s’agit pas du même niveau de réalité. Sans les particules virtuelles, le niveau du réel ne pourrait pas émerger. Ni les unes ni les autres ne sont des objets au sens habituel du terme, mais des structures, des phénomènes ou des propriétés qui se maintiennent plus ou moins durablement. La propriété « matière » se conserve dans un temps beaucoup plus long que la propriété de la particule virtuelle, qui disparaît extrêmement rapidement. Comme on l’a déjà dit, la particule dite réelle n’est rien d’autre que l’une des particules virtuelles qui a reçu un boson bien particulier, le boson de Higgs porteur de cette propriété de masse. Cela ne veut pas dire que ce soit sans cesse la même particule qui possède cette propriété dite « matière », ni que cette propriété reste généralement attachée à une certaine particule virtuelle. Au contraire, la condition de la conservation de la matière est que cette propriété passe, très rapidement, d’une particule virtuelle à une autre. Cela signifie qu’elle passe d’une particule dite de matière à une particule virtuelle située dans son environnement immédiat (autrement appelé nuage de polarisation).

Le milieu des particules virtuelles est appelé le vide, mais ce terme ne doit pas nous illusionner : il n’est vide que de particules mesurables par des phénomènes matériels. Nos instruments ne décèlent pas les particules virtuelles mais les phénomènes matériels nous apprennent leur existence et leurs propriétés.

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.

Le « réel » est défini par le respect des inégalité d’Heisenberg : il y a plus d’un quanta et dExdT > h/2pi

Le virtuel est défini par le fait qu’il n’y a pas plus d’un quanta, donc dExdT = h/2pi

LE VIRTUEL DONNE UNE INTERPRETATION DE LA STABILITE DE LA MATIERE (pourquoi la matière ne se concentre pas plus ou n’explose pas)

Il est étonnant que des particules chargées positivement et négativement, qui s’attirent, n’aillent pas jusqu’à s’écraser l’une sur l’autre. Il est étonnant que des protons, chargés positivement et donc répulsifs l’un pour l’autre, parviennent à rester dans un espace aussi étroit que le noyau atomique alors qu’elles se repoussent. Il est étonnant que l’électron négatif, qui appartient à un atome, ne chute pas sur le noyau de l’atome (positif) qui l’attire. Etc, etc…. C’est le problème de la stabilité de la matière.

Le passage de la propriété matière de façon agitée entre des particules dont l’existence est elle-même très agitée est la base de l’existence « stable » de la matière. C’est la base de la stabilité de la matière et de ses propriétés classiques comme quantiques. Premièrement, ce qui empêche les particules de tomber les unes sur les autres malgré des « forces » qui les attirent (par exemple, l’électromagnétisme qui attire les particules d’électricités opposées plus et moins), c’est qu’autour de chaque particule réelle existe un nuage de particules virtuelles et que celles-ci, du fait des attractions (deux signes opposés s’attirent) et des répulsions (deux signes identiques se repoussent), ont tendance à constituer des couches autour de la particule de masse, couches successivement positives et négatives (on dit qu’elles « écrantent » la charge électrique). Cela signifie que la charge électrique est partiellement masquée à proximité. Si ce n’était pas le cas, elle aurait une énergie d’interaction infinie avec son environnement. Et, si elle s’approche trop, une particule porteuse d’une charge finit par être repoussée. Du coup, une particule de masse qui s’approche ne peut pas tomber sur une autre particule. Il y a d’autres aspects de cette stabilité. Notamment le fait que la matière ne se touche pas. Deux particules ne peuvent être dans une même position et dans un même état. Elles ne pourraient pas disposer au tour d’elles chacune de son nuage de polarisation, les deux nuages empêchent les deux particules de se trouver dans un même état. Les particules ne vont jamais se toucher ou rebondir les une sur les autres comme des balles de ping-pong, comme on l’imaginait. Pour se déplacer la propriété « matière » va sauter d’une particule virtuelle à une autre. Pour interagir deux matières vont échanger des photons (c’est-à-dire de la lumière ou, plus généralement, on dira que des fermions échangent des bosons). Mais ce n’est pas une transmission au sens classique puisque le photon se décompose et se recompose avec la particule en donnant une nouvelle particule et un nouveau photon. En effet, un photon n’est rien d’autre qu’un dipôle de deux particules virtuelles (une particule et son antiparticule) qui sont si rapprochées que l’on ne les distingue que lors de l’absorption. A proximité de la particule, le photon se polarise en grains positifs et négatifs et l’un d’entre eux s’attache à la particule pour donner un nouveau photon. Dans le vide les pôles opposés du photon, rencontrent rapidement les pôles virtuels du vide, s’éloignent qui se recomposent et ainsi de suite, de façon périodique et définit ainsi un battement. Le photon électromagnétique n’est donc pas un objet mais un processus dynamique fondé sur des contradictions dépassées puis recomposées. Et ce n’est qu’un exemple. Il en va de même des autres « particules d’interaction » comme le gluon. Le photon régit l’interaction des particules comme l’électron, le proton ou l’atome. Le gluon commande les interactions des quarks (chromodynamique quantique).

Une matière qui absorbe un photon se couple avec le pôle d’électricité opposée, pour former un nouveau photon) et relâche l’autre pôle qui devient une particule. Tel est la procédure des émissions/absorptions de photons par la matière. Là encore, le virtuel est le niveau de la dynamique.

Il en résulte que le monde dit « réel » a besoin pour exister réellement du monde dit « virtuel », qu’il est une simple déformation locale du monde virtuel, déformation qui n’est d’ailleurs sensible qu’à une certaine échelle. Dans le monde virtuel, des quanta apparaissent et disparaissent dans un temps donné, parce que le temps lui-même est agité en tous sens. Là encore, on est loin de nos conceptions usuelles. Notre monde, à l’échelle macroscopique, semble se modifier au sein d’un espace-temps qui sert de toile de fond, mais, au niveau quantique – tout particulièrement pour le vide quantique -, on s’aperçoit qu’il n’en est rien. Le virtuel n’a pas d’écoulement régulier du temps et ne connaît pas la flèche du temps (vers l’augmentation de l’entropie). L’écoulement régulier du temps n’existe que dans une zone où il y a de la matière dite réelle et la flèche du temps n’existe que s’il y a une grande quantité de matière. A plus grande échelle encore, l’expansion de l’univers n’existe que dans une zone où il y a une très grande quantité de matière. Nous avons donc des univers emboîtés avec des lois différentes suivant l’échelle que l’on considère. Ce ne sont pas des univers séparés les uns des autres puisqu’ils appartiennent les uns aux autres, se constituent mutuellement et existent à la fois à toutes ces échelles. L’apparition de l’expansion, l’apparition de la matière réelle, l’apparition d’un espace régulier, l’apparition d’un temps régulier sont des phénomènes successifs de seuil entre niveaux de ces mondes hiérarchiques. Ces mondes se produisent mutuellement. L’expansion des grandes bulles de vide de l’espace produit la matière réelle et la lumière réelle, la lumière produit l’espace et la matière produit le temps. Le virtuel de virtuel produit le virtuel ; le virtuel produit le réel ; le réel produit le macroscopique.

« Au centre 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 » explique Cassé dans « Du vide et de la création ».

Deux électrons « réels » interagissent en échangeant des photons virtuels.

Deux particules échangent des bosons virtuels :

· Interaction électromagnétique (entre charges électriques dans le vide ou au sein d’un atome) : photon.
· Interaction faible (par exemple, radioactivité béta) : boson Z et boson W.
· Interaction forte (pour le neutron et le proton, ou entre eux, au sein du noyau) : gluon ou quark.
· Interaction nucléaire : méson pi. Cette dernière étant une conséquence de l’interaction forte.
Ces interactions ont des temps caractéristiques qui ne sont pas du même ordre de grandeur.

« Une autre manière de se rendre compte de l’intensité de cette interaction (forte) est le temps extrêmement court qu’elle met à se manifester : il est de l’ordre de 10-23 secondes, parfois plus faible encore. (...) On ne connaît pas dans la nature de phénomène qui soit plus pressés d’aboutir que ceux-là. » expose le physicien Etienne Klein dans « Le temps des particules ».

Ordres de grandeur des temps caractéristiques :

– Le temps d’interaction faible est dix puissance moins dix secondes, à la même échelle que le temps des collisions moléculaires dans un gaz alors que le temps d’interaction entre l’électron et l’atome auquel il est lié est dix puissance moins trois secondes, un temps beaucoup plus long. L’interaction moléculaire des gaz ne peut rompre la liaison électronique de l’atome, même pour les électrons périphériques. On revoit ici que les liens possibles entre interactions rapide et lente dépendent du rapport des temps (ou rapport inverse des énergies caractéristiques). Ce rapport est souvent présenté comme une vitesse : un rapport entre une distance et un temps. Par exemple, l’une des constantes de couplage fondamentales est alpha (1/137,037…) qui est un rapport de deux vitesses : la vitesse de l’électron dans l’atome divisé par la vitesse de la lumière. En effet, la constante de couplage électromagnétique alpha vaut 2 pi fois e²/h divisé par c. (e : charge électrique ; h : constante de Planck). C’est, en fait, un rapport de temps caractéristiques de deux niveaux interactifs, celui de l’électron dans l’atome et celui du photon dans le vide, puisque l’électron dans l’atome change de niveau par émission/absorption de photons ! Les relations entre particules chargées électriquement sont toutes marquées par cette constante alpha ou par ses puissances.

Plus généralement, il faut retenir que deux phénomènes interagissent à tel niveau, ou n’interagissent pas, en fonction du rapport des temps caractéristiques des deux phénomènes. En effet, deux particules de matière ne se touchent jamais. Elles se contentent d’échanger des bosons. C’est un saut quantique et non un déplacement. Le temps d’interaction n’est pas un temps d’un mouvement mais un temps caractéristique d’un phénomène. Le boson a son temps caractéristique, la particule aussi. Le temps n’est pas la notion qui nous usuelle, pas plus que l’espace. Ils se transmettent par quantités discrètes et brutalement et ne s’écoulent pas progressivement, même si cela a le même effet à notre échelle. Le temps d’une particule « réelle » provient de la dimension du trou que produit cette masse dans le niveau virtuel, autrement appelé longueur d’onde de Broglie.

L’émission/absorption de lumière (plus généralement boson) par la matière (fermions) est fondée sur un échange qui nécessite un couplage des phénomènes. Le photon réémis n’est pas le photon reçu. La particule qui repart n’est pas la même. Elles ont échangé une anti-particule. Le photon (ou boson) est réémis s’il y a un rapport des temps convenable. Ce rapport de temps est équivalent à un rapport distance sur temps appelé vitesse de la lumière c. Dans un rapport plus grand que c, on n’a plus un boson réel.

– Le temps caractéristique d’une particule de masse m est h divisé par 2 pi fois mc² soit la longueur d’onde de Broglie divisé par la vitesse. La longueur d’onde de Broglie est h/mc. Cela signifie qu’une particule de masse m ne peut pas « voir » (interagir avec) un phénomène de durée caractéristique très inférieure à h / 2pi x mc². Cela provient du fait que les inégalités d’Heisenberg sont, en fait, des conditions sur le rapport des temps caractéristique pour qu’une interaction soit possible.

– Le temps de couplage faible à l’intérieur de protons est 10-8 secondes

– La durée de vie d’un état excité d’un atome est 10-10 secondes (temps pendant lequel un électron d’un atome peut sauter sur une couche plus extérieure avant de retomber sur sa couche électronique).

– Le méson pi zéro se décompose en 10-16 secondes en une paire de photons.

– Le temps d’interaction entre deux électrons est de l’ordre de 10-20 secondes, durée de vie du méson éta (qui se désintègre ensuite en deux photons)

– Le couple électron/positron virtuels du vide est d’une durée de vie variable de façon aléatoire, mais inférieure à 6 x 10-22 secondes

– Le temps d’échange de particules portant une charge de couleur (quarks et/ou gluons) est 10-23 secondes.

– Le temps d’échange d’un pion entre deux nucléons a une existence virtuelle de 10-24 secondes, temps caractéristique de l’interaction forte.

– Le temps du virtuel : un muon virtuel va intervenir durant 10-24 secondes, un Zo en 10-25 secondes et un W virtuel durant 10- 27 secondes, temps qui correspondent aux durées des collisions entre particules de hautes énergies au sein des collisionneurs.

– Nous avons vu des temps caractéristiques des particules réelles, des particules virtuelles et de leurs interactions, mais il existe au moins un niveau inférieur puisque le temps élémentaire serait le « temps de Planck » : 10-43 secondes

Les particules de matière n’ont pas seulement des temps caractéristiques mais également des dimensions caractéristiques en termes de distance. Mais chaque particule n’a pas qu’une seule dimension ! Là encore, c’est un phénomène quantique qui ne s’explique que par les propriétés du vide virtuel. La particule est parfois assimilable à une masse ponctuelle, mais elle est définie aussi par le rayon de l’onde de Broglie, par le rayon de Compton (distance de choc avec un photon par effet du même nom), les rayons des couches successives des particules virtuelles successivement positives et négatives, ….

LE VIRTUEL : UN NOUVEAU PARADIGME DE L’ESPACE-TEMPS-MATIERE-LUMIERE

Ce que la physique quantique avait longtemps refusé de faire, c’est d’établir une description phénoménologique de « ce qui se passe quand », y compris pour les phénomènes fondamentaux et « simples » comme « ce qui se passe quand une particule émet ou reçoit un photon » ou encore « ce qui se passe quand deux particules interagissent » ; ce qui se passe quand un photon est réfléchi ou réfracté par une surface de séparation entre deux milieux, etc.. Les schémas de Feynman en électrodynamique quantique ont partiellement changé cette situation. Cependant, ce grand physicien est resté fermement sur sa position selon laquelle ces schémas restaient des artifices de calcul. Les physiciens ont continué à considérer le virtuel comme un schéma pratique, le vrai univers restant « réel », vu que c’est le seul que nous puissions mesurer directement à l’aide de nos instruments. Le virtuel est resté un mode de calcul plus qu’une description fondamental de la matière à une certaine échelle. D’autre part, on se contente souvent de parler de « fluctuations » du vide plus que de quantons du vide ou de quantum virtuels de matière et d’antimatière, comme il nous semble que ce devrait être le cas.

L’agitation du vide (sauts de l’énergie, du temps, de la masse, de l’apparition et disparition de la matière) semble à beaucoup d’auteurs une preuve que le vide ne serait pas la base de la stabilité structurelle de la matière (fondée selon ces auteurs sur la conservation de l’énergie, de la masse, du nombre de particules ou de la charge). Ils ont tort : c’est parce que les structures de la matière sont fondées sur une agitation très importantes qu’elles reposent sur des transitions extrêmement rapides (virtuelles) et qu’elles sont structurellement stables, comme nous allons le voir plus avant.

En fait, il n’est pas possible de donner une interprétation de la matière et de la lumière sans en donner une du vide, de l’espace et du temps, ce que tente la notion de virtuel. Résumons-la : l’univers est fondé sur des quanta de matière et d’antimatière qui existent à plusieurs échelles (fractales). Le macroscopique, le quantique, le virtuel et le virtuel de virtuel sont certaines de ces échelles. Tout quanta à une échelle est également entouré de quanta aux échelles inférieures et inséparables d’elles. En effet, le quanta saute sans cesse d’un quanta de niveau inférieur à un autre. Ces sauts proviennent d’interactions réalisées par un autre élément de cette physique qu’est le couple attaché (relativement) de deux quanta de matière et d’antimatière ou boson. Ce couple est généralement attaché mais si le photon est absorbé par la matière, le couple se détache.

Le vide n’est pas le dernier niveau. Lui-même est agité par un désordre de niveau hiérarchique inférieur.

Quant à la lumière, plus généralement au boson, nous la représentons comme un couple d’une particule et d’une antiparticule virtuels fusionnés (par exemple, un neutrino et antineutrino), des structures émergentes du vide qui disparaissent et apparaissent dans un temps aléatoire sous l’action de l’agitation du sous-vide, le virtuel de virtuel.

Le vide construit les structures matérielles et les détruit. La destruction est l’émission/absorption d’un boson. Le sous-vide construit les structures du virtuel et les détruit. La destruction est l’émission/absorption d’un boson virtuel.

La matière est un « trou » au sein du monde virtuel, comme l’a montré Dirac. Elle ne peut se définir sans ce monde sous-jacent. Aucune particule matérielle ne peut exister si elle n’est pas entourée de particules virtuelles qui constituent son nuage de polarisation.

L’espace et le temps ne sont pas indépendants de ces phénomènes, mais en sont le produit de la manière suivante :

– Le temps est déterminé par tous les couples d’une particule de matière et d’antimatière qui fondent ce temps sur un battement entre particule et antiparticule.

– Le vide est le siège d’apparitions/disparitions de paires virtuelles. Le temps du vide est donc désordonné, puisque les couples ne durent que peu de temps… à moins de constituer des photons virtuels qui peuvent durer à condition de porter une faible quantité d’énergie.

– Le boson est porteur d’un temps qui est déterminé par un phénomène périodique : celui du boson formé par un couple de particule et d’antiparticule virtuels qui s’approchent et s’éloignent, battement déterminant une fréquence. Le photon est l’exemple le plus important. Il peut être constitué par exemple sur un couple fusionné neutrino/antineutrino. C’est la base de la fréquence de la lumière. En ce qui concerne la matière, chaque fermion est relié à une antiparticule virtuelle, la plus proche, et détermine, avec elle, un temps. La séparation entre le fermion et l’antiparticule virtuelle est la longueur d’onde de Broglie.

– Le temps cohérent est déterminé par la structure de matière (réception d’un boson de Higgs)

– L’échange de bosons entre matières construit la dimension d’espace ; on dit que c’est un « vecteur métrique ».

6ème étape : Dirac, Feynman, Higgs, Diner

Découverte de l’antimatière qui se comporte comme si le temps marchait à rebours. L’énergie du vide peut se transformer en matière et inversement : apparitions et disparitions de couples particules et antiparticules. Particules élémentaires durables et éphémères – le stable n’est pas plus fondamental. Le vide est un milieu diélectrique, supraconducteur, polarisable, dynamique et porteur d’énergie, de bruit, d’une topologie de l’espace, d’une mesure de la chiralité (spin)
Le vide est instable et plein d’énergie de brève durée - manifestations du vide quantique, fluctuations – le vide n’est pas rien – Il contient des photons et des particules qui sont éphémères et sont appelés virtuels. Les particules subissent des transitions très rapides en permanence, transitions par lesquelles elles s’échangent avec les particules du vide et les photons du vide. Recomposition permanente entre matière et vide – l’apparente stabilité est fondée sur une interaction dynamique et ultra-agitée entre structures transitoires de la matière, de la lumière et du vide.
Nouveauté fondamentale de la théorie quantique des champs : dans un état donné du champ, même parfaitement déterminé, le nombre de particules n’est pas toujours défini. C’est (entre autres) ce qui interdit d’employer systématiquement une description purement corpusculaire de la matière. Cela interdit aussi de considérer que le vide ne contient pas de particules. Il contient des particules virtuelles qui peuvent être actualisées par un apport d’énergie. Ces particules (et antiparticules) virtuelles se lient pour former des photons. Particules et antiparticules du vide sont virtuelles au sens où ils ont une durée de vie trop brève pour être mesurables par des expériences matière/lumière à notre échelle, par nos instruments en somme.
Le vide est polarisé. Les fluctuations du niveau zéro d’énergie peuvent être interprétées comme des apparitions et disparitions de photons virtuels ou de couples particule/antiparticule virtuels.
La présence de l’électron trouble l’activité du vide, et cette distorsion agit en retour sur l’électron lui-même. Tout ceci complique énormément la description quantique qui doit prendre en compte tous ces phénomènes. Or, la diversité infinie de ces interactions fantômes implique des quantités infinies d’énergie. L’exemple le plus simple est celui de deux particules, deux électrons par exemple, échangeant un photon. Entre son émission et sa réception, ce dernier interagit en chemin avec d’autres particules avant d’atteindre l’autre électron. Cela peut se traduire par la transformation du photon en une paire électron - positron (virtuels) ; les membres de cette nouvelle paire peuvent échanger à leur tour un autre photon virtuel ; puis s’annihiler en engendrant un nouveau photon, qui est cette fois absorbé par l’électron récepteur.
Ce n’est qu’en 1949 que Julian Schwinger, Richard Feynman, Sin-Itiro Tomonaga et Freeman Dyson parviennent à résoudre ce problème des quantités infinies des diagrammes en boucle : ils le contournent en inventant une méthode de calcul ingénieuse appelée renormalisation. Elle introduit enfin les concepts quantiques de façon cohérente dans la théorie de Maxwell. Cette nouvelle théorie est appelée électrodynamique quantique. L’électrodynamique quantique est valable jusqu’à une certaine distance minimale qu’on choisit plus ou moins arbitrairement : l’addition des diagrammes de Feynman en boucle sur tous les points de l’espace-temps s’arrête alors à cette distance. On peut toujours descendre de niveau mais on ne peut jamais descendre dans l’infiniment petit, sous peine d’en tirer des infinis grands qui ne sont pas observés dans les expériences. La renormalisation n’est pas seulement une astuce de calcul : elle rapporte une propriété fondamentale : cette notion de distance minimale indispensable pour que les calculs ne rendent pas des résultats infinis entraîne une conséquence fondamentale : la discontinuité de l’univers. D’autre part, la discontinuité fait un autre pas en avant : la notion de trajectoire d’objets se déplaçant en continu est abandonnée : dans les diagrammes de Feynman, un électron peut être émis à un point donné de l’espace-temps et absorbé à un autre.

7ème étape : Wilson, Gell-mann, Cohen-Tannoudji, Hiley, Gunzig, Finkelstein

Brisure de symétrie et renormalisation donnent une nouvelle image de la formation de matière à partir du vide.
Lorsque deux particules (par exemple, deux électrons) interagissent, elles peuvent le faire « simplement », en échangeant un seul photon. Mais ce photon peut lui-même se matérialiser puis de dématérialiser en chemin. Sur le schéma du bas, par exemple, il crée une paire électron-positron qui recrée ensuite le photon. Si l’on tient compte de cette aventure, la description de l’interaction des deux électrons de départ n’est plus la même. Cela n’est en fait que la « première correction ». En effet, il peut arriver au photon des histoires beaucoup plus compliquée qui représentent des corrections d’ordre 2,3,4… La physique quantique exige de tenir compte de l’infinité de ces corrections pour le moindre calcul. Cette difficulté considérable a conduit à incorporer à la physique quantique l’idée de renormalisation.
Les échanges toujours plus emmêlés entre différents types de particules virtuelles tissent une sorte de réseau ; des particules fantômes entrent et sortent, apparaissent et disparaissent dans un enchevêtrement vibrant d’énergie.

La séparation entre matière, lumière et vide est dépassée. La matière peut se transformer en énergie du vide et inversement. La séparation réel/virtuel est relative à l’observateur accéléré.

Production d’un espace et d’un temps par le virtuel et le virtuel de virtuel.
Pas d’indépendance des particules par rapport à l’espace-temps du vide – la matière est une propriété (et non un objet) qui naît du vide et s’y déplace d’une particule virtuelle à une autre (Higgs). Michel Spiro explique ce mécanisme dans son article pour « 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. »

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… »

Finalement, qu’est-ce que le vide et qu’est-ce que la matière, que sont leurs interactions ?

Rappelons d’abord que bien des hypothèses simples sur ce thème ont dû être abandonnées car elles ne correspondaient pas aux résultats des expériences.

La principale et la plus simple de ces hypothèses sans issue a été celle d’une matière constituée d’objets, formés d’une somme de particules élémentaires, se déplaçant dans un vide ne contenant aucune sorte de particules.

La matière n’est pas une simple somme de particules. L’élémentarité ne peut se concevoir en termes d’objets. Le vide contient des particules (dites « virtuelles ») se comportant différemment que les particules (dites « réelles ») ayant une masse au repos. Le vide ne se contente pas de s’opposer à la matière. Il contient aussi des particules. Même la particule dite élémentaire n’est pas une seule particule mais tout un nuage issu du vide et qui se déplace en même temps que la particule. C’est ce qui explique que la particule soit à la fois ponctuelle et se manifeste dans un espace de dimension non nulle. Cela explique également que des interférences aient lieu entre la particule et elle-même : ce sont des interférences entre les particules virtuelles du nuage.

Au sein de ce nuage, la particule qui possède une masse au repos n’est pas toujours la même. Au contraire, la propriété de masse saute sans cesse d’une particule (virtuelle) du nuage à une autre. La matière est une propriété émergente et non un objet fixe. Elle ne contente pas de s’opposer à la lumière et au vide. Elle est fondée sur les mêmes éléments qu’eux : des particules et antiparticules virtuelles.

Le vide est sans cesse le siège de transitions ultra-rapides qui permettent de dissocier les particules virtuelles associées par paires : particules et antiparticules virtuelles. Dans le vide, il y a autant d’antiparticules que de particules. Elles se séparent et se couplent sans cesse, constituant ainsi les oscillateurs de base du virtuel.

Les photons (appelés « lumière » ou radiation électromagnétique) sont constitués par le couplage d’une particule et d’une antiparticule virtuels qui, en échangeant sans cesse des interactions, sont couplés.

La dynamique des particules et des particules virtuelles provient de leurs interactions via les photons ainsi que des attractions et répulsions dues à leur charges électriques.

Les particules (virtuelles comme réelles) ne se touchent pas. En effet, elles sont entourées de particules et antiparticules (du virtuel de virtuel ou du virtuel) qui constituent des couches électrisées successivement positives et négatives qui repoussent toute autre particule qui s’approcherait trop.

Quant aux photons qui couplent une particule et une antiparticule, ces nuages entourant chaque particule amènent la particule et l’antiparticule a s’attirer (électriquement) puis à se repousser du fait de la couche virtuelle électriquement opposée à la charge de la particule.

Il en résulte un mouvement périodique qui définit la période du photon (qu’il soit réel ou virtuel).

Les couches successives de niveaux emboités en fractale déterminent donc à la fois les caractéristiques de la matière, de la lumière (attraction et répulsion périodiques) et du vide (attraction puis répulsion désordonnées).

La masse de la particule « réelle » n’est rien d’autre que la rupture de symétrie de cet équilibre dynamique du vide. Séparation durable entre particule et antiparticule, elle privilégie pour un nombre infime de particules (par rapport au grand nombre de particules virtuelles) la propriété matière plutôt qu’antimatière.

La matière se couple avec les particules et antiparticules virtuelles du vide, en émettant des photons. La matière ne fait pas qu’émettre et recevoir des photons : après échange, la particule n’est plus la même et le photon n’est plus le même. La matière est électrisée comme le sont les particules et antiparticules virtuelles. En recevant ou en émettant un photon, la particule se couple avec l’un des éléments du couple particule/antiparticule du photon, celui qui est d’électricité opposée.

Les particules « réelles » ne relationnent pas par contact mais via des photons. Les particules virtuelles ne relationnent pas par contact mais via des photons virtuels qui sont constitués du couplage d’une particule et d’une antiparticule, qui sont appelés « virtuel de virtuel ».

La notion de « virtuel » fait appel à des seuils appelés inégalités d’Heisenberg. Quand on est en dessous de ces seuils, on est dans le virtuel. Ce qui est inférieur à un quanta h est du virtuel, c’est-à-dire un phénomène du vide quantique. Par exemple, le spin moitié de h (un demi quanta) de la particule électrisée, comme l’électron, est une manifestation du vide.

Le spin est une manifestation de l’interaction entre la particule réelle et son nuage virtuel : la rotation due au magnétisme des particules et antiparticules du nuage due à l’interaction entre particules électrisées. Ce n’est pas une simple rotation sur elle-même de la particule réelle. Les particules virtuelles comme les particules réelles tourbillonnent dans le vide du fait des interactions magnétiques entre particules chargées électriquement et les dipôles du vide.

Le vide loin de la matière ne se comporte pas comme l’espace autour de la matière en termes de temps et d’espace. Dans le vide ont lieu des sauts de temps et d’espace. La discontinuité fondamentale se manifeste également pour l’espace-temps. Et la flèche du temps n’existe pas. Le temps du vide existe mais il est désordonné : il fait des petits sauts, aussi bien vers le passé que vers le futur. Il n’est ordonné que par la présence d’une grande quantité de matière qui interagissent et constituent un temps régional cohérent.

Le temps ordonné est donc un effet collectif de la matière. C’est un phénomène émergent. Le temps est modifié par la présence de matière. La relation quantique qui expose qu’une transformation « réelle » ne peut se produire que par un échange d’une nombre entier de quanta – quantité qui est une action c’est-à-dire une énergie fois un temps (E fois t égale un quanta ou un nombre entier de quanta) signifie que gagner de l’énergie consiste à perdre du temps.

Les « horloges » et les « règles » du vide, mesures du temps et de l’espace, sont les photons « réels » et les photons « virtuels ». L’éloignement puis le rapprochement du couple particule/antiparticule du photon en est la mesure. L’interaction entre particules via les photons met les particules (virtuelles comme réelles) à la même aune d’espace-temps.

C’est de ce monde du vide que proviennent les phénomènes fondamentaux des interactions de la matière et du vide, telle qu’elle est décrite par les schémas de Feynman qui expliquent les apparitions et disparitions de couples particules/antiparticules dans le vide.

– couplage électron-photon (appelé vertex) : un électron peut émettre ou absorber un photon ; ce processus a une probabilité proportionnelle à la charge électrique de l’électron ;
– propagateur du photon : un photon peut être émis à un point donné de l’espace-temps et absorbé à un autre ; la probabilité ne dépend que de la distance dans l’espace-temps entre les deux points ;

– propagateur de l’électron : un électron peut être émis à un point donné de l’espace-temps et absorbé à un autre

L’histoire du vide au travers de l’expérimentation

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.

(…) 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. »

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 ». »

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. »