Dans leur prochain article intitulé « Origin of Mass and the Nature of Gravity », les physiciens Nassim Haramein, Olivier Alirol et Cyprien Guermonprez décrivent comment la nature substantielle et énergétique du vide quantique génère des forces de masse et de confinement qui, à l’échelle microscopique, aboutissent à des hadrons stables tels que le proton. Ici, nous voyons directement par l’expérience comment les modes collectifs cohérents de l’énergie du point zéro du vide se traduisent par des ondes de matière observables, comme un plasma chaud d’électrons et de trous dans des super-réseaux de graphène avec une intensité de champ électrique effective supérieure à la limite de Schwinger. Cet article est accompagné d’une revue en direct, qui peut être consultée ci-dessous :
Le vide quantique – la masse-énergie omniprésente de l’espace
En physique, il existe un état hypothétique de l’espace que l’on appelle le vide. L’idée du vide est un espace complètement vide, dépourvu de toute matière, énergie ou force. Cet état est hypothétique car il n’existe nulle part dans la nature. La raison en est que le tissu même de l’univers, l’espace, est un milieu substantiel, une mer d’énergie. En fait, l’éminent physicien Paul Dirac – connu pour l’équation de Dirac, une extension de l’équation de Schrodinger compatible avec la relativité restreinte – a postulé que le vide devait être rempli d’une mer infinie d’électrons à énergie négative (voir également son travail fascinant sur l’hypothèse des grands nombres).
C’est ce qu’on appelle la mer de Dirac, qui résulte des solutions d’énergie négative de l’équation de Dirac et de sa prédiction selon laquelle les électrons relativistes doivent continuellement émettre de l’énergie (sous forme de photons), ce qui les fait chuter à des valeurs d’énergie inférieures : ce phénomène devrait pouvoir se poursuivre sans limite, de sorte que les électrons passeraient de l’« énergie zéro » à des valeurs d’énergie négative, dont il n’existe pas de valeur inférieure. Dirac a émis l’hypothèse que la seule raison pour laquelle nous n’observons pas ce phénomène est que toutes les valeurs d’énergie négative sont déjà remplies et qu’en raison du principe d’exclusion de Pauli, les électrons d’énergie positive ne peuvent pas occuper ces états déjà remplis. Il est intéressant de noter que cette hypothèse a conduit à la prédiction du positron, le pendant antimatière de l’électron, car Dirac a prédit qu’un trou, ou un niveau inoccupé dans la mer de Dirac, semblerait provoquer l’« annihilation » immédiate d’un électron qui émettrait rapidement toute l’énergie positive pour occuper le trou (il ne s’est pas annihilé, mais est entré dans la mer de Dirac où il n’est pas directement observable).
Un photon transfère de l’énergie à un électron d’énergie négative dans la mer de Dirac en lui donnant une valeur d’énergie positive E > 0, laissant un trou de même masse que l’électron mais de charge positive. En 1930, Carl Anderson a repéré cette particule appelée positron lors d’une expérience.
La mer de Dirac a été supplantée par la théorie quantique des champs, dans laquelle le vide est rempli d’une mer de particules beaucoup plus vaste, de sorte que chaque paire particule-antiparticule imaginable fluctue constamment entre la création et l’annihilation dans une danse sans fin occupant une gamme infinie de modes de leurs champs quantiques respectifs. Dans la théorie quantique des champs, les particules ne sont pas de petits objets dans l’espace, mais des manifestations apparemment ponctuelles de distributions spatiales étendues d’excitations de champs quantiques – de petits tourbillons de résonateurs harmoniques quantiques qui oscillent énergétiquement de manière continue dans tout l’espace.
Cette énergie non nulle de l’espace – où elle devrait se trouver au point zéro s’il n’y avait rien – n’est pas anodine. Les fluctuations de l’énergie du vide ont des effets physiques significatifs qui sont observés dans une variété de phénomènes tels que:
- le décalage de Lamb (le signe avant-coureur de l’électrodynamique quantique moderne développé par Julian Schwinger, Richard Feynman et Freeman Dyson)
- émission spontanée : processus par lequel un système mécanique quantique (tel qu’une molécule, un atome ou une particule subatomique) passe d’un état d’énergie excité à un état d’énergie inférieur (par exemple, son état fondamental) et émet une quantité quantifiée d’énergie sous la forme d’un photon.
- zitterbewegung, à partir de l’équation de Dirac pour les électrons relativistes dans l’espace libre, on sait qu’il existe une interférence entre les états d’énergie positive et négative qui produit ce qui semble être une fluctuation (jusqu’à la vitesse de la lumière) de la position d’un électron.
- les gluons fluctuants expliquent comment les hadrons obtiennent 98 % de la masse qui n’est pas attribuée au mécanisme dit de Higgs (dans la chromodynamique quantique, le nucléon est un volume de milliards de paires de particules quark anti-quark fluctuantes qui s’annulent toutes, à l’exception de trois d’entre elles, et qui interagissent avec le champ de Higgs pour donner 2 % de la masse du baryon)
- et bien sûr, peut être directement observé dans l’effet Casimir (voir mon article Contrôler le vide avec des dispositifs de Casimir fonctionnels). En fait, dans l’effet Casimir dynamique, des photons sont directement émis à partir du vide quantique.
Comment se fait-il alors que nous ne soyons pas plus conscients de cette mer infinie d’énergie et de la nature substantielle de l’espace ? L’une des raisons est que le vide quantique dans l’espace libre est dans un état d’équilibre : si l’on pense à la matière, elle possède un nombre infini de particules et d’antiparticules, de sorte qu’à l’échelle macroscopique que nous observons, elles « s’annulent » complètement et il n’y a pas d’effet net. De même pour les forces, l’espace est infiniment courbé positivement et infiniment courbé négativement, de sorte qu’à l’échelle macroscopique, il semble plat. Ce n’est que dans les conditions où il existe un gradient dans la structure du vide que les particules, l’énergie ou les forces sont observées. Par exemple, le spin induit un gradient dans la structure de l’espace, de sorte que si vous vous représentez l’espace comme composé d’une infinité de petites unités polarisables, les tourbillons dans ce plasma du vide quantique apparaîtront comme substantiels, ayant une masse, une charge et des forces de liaison comme la gravité forte et l’électromagnétisme (voir le prochain article de Nassim Haramein et du Dr Olivier Alirol intitulé Scale Invariant Unification of Forces, Fields & Particles in a Quantum Vacuum Plasma).
Une autre façon de décrire la formation d’un gradient dans l’espace est la polarisation du vide. En effet, on prédit depuis longtemps qu’avec une polarisation suffisante du vide, les particules qui abondent dans le vide seront émises : c’est le cas de l’effet Hawking-Unruh, où une forte courbure gravitationnelle est la source du gradient dans le vide qui provoque l’émission de particules, et de l’effet Schwinger, qui nous intéresse ici : où un champ électrique extrêmement puissant provoque une polarisation du vide et entraîne l’émission de particules à partir du vide quantique.
Dans l’extension au champ quantique de l’idée de la mer de Dirac, l’un des modes énergétiques du vide quantique est constitué par les paires de particules électron-positron : aucun champ électrostatique n’est mesuré à l’échelle macroscopique du vide dans l’espace libre, car la charge négative de l’électron est équilibrée par la charge positive du positron (tout comme leur masse, leur spin, leur quantité de mouvement et d’autres propriétés). Toutefois, si nous générions un champ électrique extrêmement puissant, au lieu de passer continuellement de la création à l’annihilation, les différentes charges feraient accélérer les paires de particules dans des directions différentes dans le champ électrique. Dans ces conditions, les particules sembleraient émerger du vide quantique, et l’on obtiendrait des électrons et des positrons observables générés dans le champ électrique extrêmement puissant. C’est ce que l’on appelle l’effet Schwinger, dont l’hypothèse a été formulée pour la première fois par Julian Schwinger il y a plus de 70 ans [1]. Dans l’effet Schwinger, la matière est créée à partir d’un champ électrique puissant, la polarisation du vide provoque l’émission de paires de particules électron-positron, ce qui entraîne la désintégration du champ électrique – en fait, le champ électrique ne peut pas devenir trop puissant avant que l’énergie ne soit utilisée pour générer des électrons et des positrons à partir du vide quantique.
En présence d’un champ électrique fort et constant, des électrons, e-, et des positrons, e+, sont spontanément créés.
Il est à noter que lorsque des particules sont produites de cette manière, elles sont nécessairement enchevêtrées l’une dans l’autre, puisqu’elles sont formées à partir d’un état singulier (le vide). Cet effet est donc également la réalisation du vortex de Wheeler, qui décrit les paires électron-positron comme un vortex quantique dans la structure du vide – c’est ce que l’on appelle l’effet holographique de Schwinger [2]. L’effet Schwinger est analogue au rayonnement Unruh-Hawking, mais au lieu d’un champ électrique, c’est le champ gravitationnel extrêmement puissant d’un trou noir qui provoque la séparation des paires de particules du vide ; dans les deux cas, un gradient est généré dans la densité d’énergie du vide, ce qui entraîne l’extraction d’énergie de masse du vide. Il s’agit là d’un élément clé dans le développement de technologies capables d’exploiter l’énergie quantique du vide – la clé étant de générer un gradient dans la structure du vide.
En effet, les intensités de champ impliquées dans ces deux effets sont si fortes que l’on pense qu’ils ne se produisent que dans des objets astronomiques extrêmement compacts et massivement énergétiques, comme les trous noirs et les étoiles à neutrons (en particulier les versions extrêmement puissantes des étoiles à neutrons appelées magnétars). Cette propriété des trous noirs de générer des particules et de l’énergie à partir du vide quantique est l’une des raisons pour lesquelles les chercheurs de la Fédération spatiale internationale considèrent les trous noirs comme des moteurs de création de masse et d’énergie (pour en savoir plus, consultez notre article Les moteurs galactiques). En fait, ces objets astronomiques sont des laboratoires naturels pour tester les théories de la création de matière dans la théorie quantique des champs et la nature substantielle du vide. Les étoiles à neutrons comptent parmi les objets stellaires les plus passionnants connus des astronomes : elles possèdent les champs magnétiques les plus extrêmes, avec des valeurs allant jusqu’à 1015 G, et, à l’exception des trous noirs de masse stellaire, ce sont les étoiles les plus denses, avec des densités de ≈ 1014 g cm-3 (essentiellement des noyaux atomiques de taille macroscopique).
En 2018, des observations de la lumière polarisée émise par une étoile à neutrons ont montré qu’elle présentait une biréfringence dans le vide [3]. La biréfringence est un effet optique normalement observé dans les cristaux et utilisé pour séparer la lumière en faisceaux distincts. Elle se produit parce que les ondes électromagnétiques ayant des polarisations différentes interagissent différemment avec la structure électronique des atomes dans le réseau cristallin en fonction de leur orientation. Les champs électriques et magnétiques extrêmement puissants d’une étoile à neutrons provoquent une rupture de symétrie spatiale dans la structure du vide, lui donnant une phase cristalline, et provoquant la biréfringence de la lumière lorsqu’elle est émise par l’étoile à neutrons. Il s’agit d’une observation claire de la nature substantielle du milieu spatial, le plasma quantique du vide.
Première observation directe de l’effet Schwinger
On pensait que les intensités de champ nécessaires pour produire ces effets de polarisation dans le vide ne pouvaient se produire qu’autour des étoiles à neutrons et des trous noirs, ce qui rendait impossible tout test expérimental en laboratoire sur Terre de prédictions telles que l’effet Schwinger… jusqu’à aujourd’hui. Dans une expérience publiée dans la revue Science et dirigée par l’université de Manchester, une équipe internationale de chercheurs a utilisé une propriété phénoménale du graphène pour observer l’effet Schwinger pour la première fois [4]. Le graphène est devenu un centre d’intérêt pour la recherche en science des matériaux, car il possède des propriétés structurelles et électroniques remarquables. Par exemple, il peut transporter d’énormes densités de courant – environ 108 A/cm2, soit environ deux ordres de grandeur de plus que le cuivre, et même s’il se présente sous la forme de configurations alvéolaires planes ou de « feuilles », il est remarquablement résistant (s’il est enroulé dans un nanotube de carbone, il est plus résistant que l’acier). Des chercheurs ont prétendu observer des propriétés supraconductrices dans le graphène, ce qui n’est normalement observé que dans les métaux ou les alliages métalliques surfondus.
Dans le graphène, il existe un vide au point (dans l’espace des moments) où les bandes d’électrons de conduction et de valence du matériau se rencontrent et où aucun porteur de charge intrinsèque n’est présent. En collaboration avec des collègues espagnols, américains, japonais et britanniques, l’équipe de Manchester dirigée par Andre Geim a identifié une signature de l’effet Schwinger à ce point de Dirac, en observant des paires d’électrons et de trous (l’équivalent des positrons à l’état solide) créées à partir du vide.
Représentation du graphène dans l’espace réel et dans l’espace de quantité de mouvement. (a) Chaque atome de carbone du réseau en nid d’abeille du graphène forme de fortes liaisons covalentes avec ses voisins, et il reste un électron non lié qui se promène dans le cristal bidimensionnel. (b) Une image de la structure de bande du cristal décrit la dépendance énergétique de ce mouvement électronique. Semi-métal, le graphène possède des bandes de valence et de conduction qui se touchent en des points discrets de la zone de Brillouin. La relation de dispersion énergie-moment devient linéaire au voisinage de ces points, la dispersion étant décrite par l’équation énergétique relativiste E = |ℏ k|v F, où v F est la vitesse de Fermi et ℏ k sa quantité de mouvement. Par conséquent, un électron a une masse effective de zéro et se comporte plus comme un photon que comme une particule massive conventionnelle dont la dispersion énergie-momentum est parabolique. Image et description de l’image tirées de [5].
L’équipe est parvenue à ce résultat en construisant des dispositifs à partir de ce que l’on appelle des super-réseaux de graphène, où essentiellement chaque réseau cristallin planaire d’atomes de carbone est empilé mais légèrement désaligné, ce qui permet des interactions électroniques non linéaires entre les atomes du réseau. Dans ces super-réseaux de graphène, la cellule unitaire du graphène – la simple répétition des atomes de carbone dans sa structure cristalline – s’étend considérablement, de sorte que le cristal est étiré d’un facteur 100 dans toutes les directions. Cet étirement modifie considérablement les propriétés du matériau, permettant aux chercheurs de produire des intensités de champ électrique de ~1018V/m, ce que l’on appelle la limite de Schwinger, au-delà de laquelle le champ électromagnétique devient non linéaire (et commence à générer des paires électron-positron).
Comme l’indique l’équipe de recherche, les principales signatures observées indiquant la réalisation de l’effet Schwinger sont des caractéristiques courant-tension qui ressemblent à celles des supraconducteurs, des pics importants dans la résistance différentielle, l’inversion du signe de l’effet Hall et une anomalie marquée causée par la production d’un plasma électron-trou chaud semblable à celui de Schwinger. En appliquant de forts courants électriques aux dispositifs à base de graphène-superlattice, avec des densités de courant allant jusqu’à 0,1 mA mm-1, l’équipe a pu identifier des caractéristiques de courant-tension qui ne se produisent qu’avec la production d’électrons et de trous (positrons).
De manière surprenante, l’équipe a observé un autre processus inhabituel à haute énergie qui n’a pas encore d’analogue en physique des particules ou en astrophysique. Lorsque les chercheurs ont rempli le vide du graphène avec des électrons et les ont accélérés jusqu’à la vitesse maximale autorisée dans le matériau (environ 1/300 de la vitesse de la lumière), les électrons sont devenus superlumineux ! Dans ces conditions, les électrons ont produit un courant électrique bien supérieur à celui autorisé par la théorie, que les chercheurs ont attribué à la production spontanée d’un plasma électron-trou chaud dans le vide. La conduction accrue ressemble tellement à celle de la supraconductivité que les chercheurs suggèrent que certains rapports antérieurs de supraconductivité dans certaines configurations spéciales de graphène pourraient avoir été des observations de la production de plasma de trous d’électrons de type Schwinger, plutôt que des preuves de supraconductivité.
La science unifiée en perspective
L’un des aspects centraux de la physique unifiée du physicien Nassim Haramein et de la Fédération internationale de l’espace est que l’espace n’est pas vide, il est substantiel, absolument saturé de masse-énergie, exactement comme la théorie quantique des champs l’indique (prédisant une valeur d’espérance du vide de densité d’énergie infinie dans le régime non normalisé). Il est intéressant de noter que, bien qu’il s’agisse d’un aspect central de la physique et de la théorie quantique, de nombreux scientifiques semblent encore considérer l’espace comme vide. En effet, de nombreux rapports non spécialisés sur l’étude décrite ici indiquent que les scientifiques ont « créé quelque chose à partir de rien ». La clé pour surmonter ce malentendu est de cesser de décrire le vide comme « rien » – comme l’indique le surnom, rien n’existe, un véritable vide n’existe que dans l’imagination des scientifiques. Lorsque l’on comprend que l’espace est substantiel et plein d’énergie fluctuante, il n’est pas surprenant que des particules soient générées à partir de cet espace, qu’il soit la source de la masse, des forces et des champs, et même que nous puissions utiliser des processus naturels pour accéder à ce réservoir illimité d’énergie à des fins d’applications technologiques.
Références
[1] J. Schwinger, “On Gauge Invariance and Vacuum Polarization,” Phys. Rev., vol. 82, no. 5, pp. 664–679, Jun. 1951, doi: 10.1103/PhysRev.82.664
[2] J. Sonner, “Holographic Schwinger Effect and the Geometry of Entanglement,” Phys. Rev. Lett., vol. 111, no. 21, p. 211603, Nov. 2013, doi: 10.1103/PhysRevLett.111.211603
[3] R. P. Mignani et al., “Evidence of vacuum birefringence from the polarization of the optical emission from an Isolated Neutron Star.” arXiv, Feb. 14, 2018. Accessed: Oct. 18, 2022. [Online]. Available: https://arxiv.org/abs/1710.08709
[4] A. I. Berdyugin et al., “Out-of-equilibrium criticalities in graphene superlattices,” Science, vol. 375, no. 6579, pp. 430–433, Jan. 2022, doi: 10.1126/science.abi8627. (ArXiv Preprint https://arxiv.org/abs/2106.12609)
[5] M. Wilson, “Electrons in atomically thin carbon sheets behave like massless particles,” Physics Today, vol. 59, no. 1, pp. 21–23, Jan. 2006, doi: 10.1063/1.2180163
