Le Monde, un univers de vide et de paradoxes

La notion de vide constitue un thème central de la construction de la physique. Cet exposé décrit l'évolution de cette notion de l'antiquité à l'époque actuelle. Passant du statut d'impossibilité philosophique voire théologique à l'état de médium douée d'étranges propriétés mécaniques (l'éther), le vide tout à l'opposé de la notion de néant  apparaît aujourd'hui comme le milieu où s'expriment les interactions fondamentales de la matière Loin néanmoins d'aboutir à une vision unifiée, l'état actuel de la physique nécessite d'exposer le vide au travers des différentes approches classique, quantique, relativiste et de montrer quelles sont les conséquences pour la compréhension de la notion de vide. A ce vide est affecté de propriétés duales vis-à-vis de la matière dont il ne se distingue que par la situation du référentiel d'observation.
Après la fusion de la notion d'énergie et de masse conduisant à la vision unifiée de la matière et du rayonnement, il s'agit d'une approche unifiée entre le vide et la matière. En définitive, il s'agit de comprendre les propriétés intimes de ce vide source de matière et donc de création qui permettra peut-être de répondre à la question ultime: Pourquoi quelque chose plutôt que rien ?
 

     1 La vision historique

La vision du vide a évoluée selon 5 périodes historiques:

Dans l’antiquité, le débat opposa la vision d’un monde continu et d’un monde atomiste dont la discontinuité introduisait le vide comme possibilité.

La fin du moyen âge voit la réintroduction du vide comme possibilité du Créateur de séparer plusieurs mondes potentiels.

Albert le Grand introduisit la notion d’une nature qui a horreur du vide et Thomas Bacon en fit un modèle car selon lui la cause finale unique assurait la continuité des corps. Ce ne pouvait être le vide qui attirait les corps entre eux mais la cause supérieure partout présente et empêchant la séparation des objets.

La deuxième période est celle de la pensée positive introduisant l’expérience comme sanction aux modèles..

L’expérience de Toricelli montre la possibilité d’un vide par chute de la pression atmosphérique au-dessus d’un tube à mercure. La notion de vide réintroduisait la notion d’atomes (à laquelle seuls les alchimistes continuaient à croire).

Dans un espace vide aucune direction n’était privilégiée et le mouvement se perpétuait; l’inertie était introduite.

Le vide devient avec le Newton de la gravitation le contenant des corps par la constitution d’un espace et d’un temps séparés et absolus c’est à dire coexistant avec la matière. Mais ce vide devient éther avec Newton l’opticien, support de la propagation des ondes et support possible de la propagation de la gravitation comme information sur la densité des corps.

Dans un troisième temps, avec Fresnel et Maxwell, le vide devient l’éther, lieu de la propagation des champs électromagnétiques. La célérité des ondes est déduite de la permittivité électrique et de la perméabilité magnétique, c’est à dire de la densité des lignes de flux possibles dans le milieu.

En posant l’invariance du vide dans tout repère, notamment dans un repère en translation uniforme et donc la propriété d’invariance de la célérité des ondes, la relativité restreinte introduisit un couplage entre l’espace et le temps qui perdait séparément leur caractère absolu . Seule une combinaison du temps et de l’espace demeurait absolu. par l’introduction d’une métrique de l’espace-temps. Cet espace-temps vidait l’éther de sa substance. L’espace -temps devenait le lieu de présence de la matière/énergie mais dans ce modèle restreint, ses interactions, notamment la gravitation, étaient encore omises.

Tout comme Newton avait introduit le vide abstrait et réintroduisit l’éther, Einstein réintroduisit finalement une sorte d’éther avec un espace -temps propageant sous forme d’une métrique, l’information sur la matière. L’état de l’éther est le tenseur de la gravitation.

La relativité générale a donc fait de l’espace-temps l’objet de la dynamique. L’espace est engendré avec le temps dans l’univers en expansion par ce qui advient à la densité de la matière et du rayonnement. L’espace -temps est la propriété des corps en dehors de leur localisation. Matière-espace-temps deviennent couplés et inséparables. Ondes et matière ne sont pas séparables dans leur sensibilité commune à la gravitation. L’espace n’est pas en soi homogène et isotrope car il n’est que le reflet de la répartition des corps.

L’espace est défini par les potentiels de gravitation alors que les champs électromagnétiques liés aux ondes et à la matière ne définissent pas cet espace d’où les tentatives avortées d’Einstein de réconcilier l’éther gravifique avec la matière.

L’espace-temps n’a pas d’existence en soi car il peut s’étendre continûment par l’expansion de l’univers, ce qui ne reflète que l’éloignement progressif entre les corpuscules de matière ou de rayonnement.

Inversement, dans les trous noirs, cet espace-temps peut imploser continûment, ce qui ne reflète que la propension de tout corps en chute dans le trou noir à rejoindre la singularité centrale, sans limitation de vitesse de chute, car le milieu vide entre la singularité et le rayon n’a plus les propriétés de célérité constante comme dans l’univers extérieur.

La physique quantique, à l’opposé, fait du vide un substrat latent où les quantas (onde ou particule suivant l’événement qui procède d’une mesure ) peuvent se manifester dès qu’une excitation suffisante est appliquée, par le polarisation du vide ou la création de paire particules-antiparticules).

L’atome devient par la mécanique quantique objet de mesure intrinsèquement statistique où les paramètres physiques ne peuvent plus être conçus indépendamment de la mesure et dont l’existence peut être admise en soi entre deux mesures.

Le vide physique (polarisation du vide) est représentable par une superposition de champ donc non localisable: champ électromagnétique et champ de jauge (champ abstrait codant des symétries lies à la conservation des nombres quantiques). La gravitation liée à l’espace-temps et donc à une localisation ne peut être traité par un champ qui nie la localisation sauf comme apparition d’une information qui n’existe pas en soi; l’espace et le temps sont crées par la mesure et ne sont pas le lieu de la propagation de l’information sur les corps.

En outre les propriétés de conservation de moment angulaire introduisent la notion de spin; les quanta portant la matière ne peuvent intrinsèquement être dans un même état quantique (principe d’exclusion de Pauli). ce qui introduit une dispersion dans leur localisation. Au contraire les quanta porteurs des interactions sont empilables dans le même état quantique. Seule la physique de l’extrême (trou noir, étoile à neutron et plasma de quark/gluon), par l’effet de gravitation d’un milieu ultradense, arrive à vaincre cette exclusion

2 Le vide comme un problème de représentation

Louis De Broglie exprimait la conviction que l’homme était toujours pris entre deux modes de représentation: les représentations continues et les représentations discontinues.

Les démarches discontinues ont le mérite de simplifier la complexité du monde en éléments simples, mais ces éléments ponctuels ne peuvent interagir entre eux puisque par hypothèse rien n’existe entre eux. D’où la nécessité d’un milieu ambiant porteur d’information mais les représentations continues poussées à l’extrême sont pernicieuses car elles conduisent à la disparition des individualités.

Les comportements des individus quantiques doivent pouvoir être expliqués soit par un milieu subquantique caché dans le vide , soit par les propriétés du vide lui-même. Le problème du vide a ainsi été introduit notamment par Finkelstein comme " le problème central de la physique d’aujourd’hui ".

3 Univers vide classique

Le vide classique est ce qui reste quand tout est ôté.

Il s’identifie à l’éther: support absolu de propagation des champs électromagnétique possédant des propriétés cinématiques liées à l’entraînement des sources de champs.

Le vide possède des propriétés électromagnétiques car il permet aux charges de s’attirer ou de se repousser.

Il possède une résistance liée aux coefficients de propagation permittivité et perméabilité. Ces coefficients concernent respectivement des forces électriques induites par les charges statiques et les forces magnétiques induites par les charges en mouvement. Avec cette résistance du vide apparaît une célérité limite des ondes: la constante c.

Dans ce milieu, les corps suivent le principe de Maupertuis; un mouvement naturel en l’absence de forces externes minimise le temps de propagation.
 
 

4 Univers vide pour la relativité générale
 
 

4.1 Courbure et gravitation

L’univers possède un champ de gravitation exprimé par la courbure spatiale.

L’espace n’y apparaît que comme un cadre relatif, médiateur et transmetteur de la courbure spatiale.

On parle de continuum espace-temps car toute onde se propage sans transition brusque à la vitesse de groupe du champ qu’elle propage (la célérité de la lumière). La courbure définit un mouvement naturel suivant une géodésique, c’est à dire en minimisant le temps propre de la particule d’épreuve qui parcourt une trajectoire définie en chaque point par une métrique (extension du principe de Maupertuis de minimisation du temps de parcours).

Toute matière (ou énergie) engendre une déformation de l’espace et une courbure se propageant sans limite à la célérité de la lumière.

La déformation de l’espace se propage sous forme d’onde gravitationnelles qui engendrent des variations locales de courbure au lieu de réception. Ces variations transportent de l’énergie mais elle ne contribuent pas au tenseur énergie-impulsion et ne sont donc pas localisables.

Il est important pour les conceptions du vide de souligner que de nombreuses géométries possibles sont compatibles de la relativité générale sans que ces univers aient un contenu de matière. Ce sont les ondes gravitationnel qui propage l’information sur la géométrie, que ces ondes soient générées par la géométrie globale ou par des effondrements locaux de matière. Mais lorsque les ondes transmettent l’information de la géométrie globale, l’énergie associée à ces ondes doit être attribuée à l’espace-temps comme un tout sans pouvoir être alloué à des points individuels.

Un univers vide, c’est à dire exempt de toute matière et de toute déformation spatiale n’est donc pas possible.

La gravitation selon Einstein n’est pas associé à l’écart par rapport à l’univers plat (univers de Minkowski) sans courbure; elle est associée à l’existence même d’une métrique: un univers vide au sens de la relativité est un univers sans métrique, et donc un univers sans distance, un univers du rien.

Mais on peut considérer que cet espace mathématique en dehors de toute description physique est une variété différentiable où les notions de voisinage et continuité demeurent. Un espace topologique mais sans métrique constitue donc le vide relativiste.
 
 

4.2 Les paradoxes du vide

La métrique de la gravitation apparaît comme l’information sur les corps extraite du champ, le champ définissant l’influence potentielle des corps hors de leur localisation.

Hors cette métrique revêt des aspects singuliers voire contradictoire.

Cette métrique comporte en effet en soi les différentes notions de:

- perspective relative entre observateurs où s’introduit la relativité des notions de courbure, de rotation, de chiralité, d’interposition par masquage

- d’espace occlus (les trous noirs) et non communicables

- de singularité , lieu de divergence à caractère absolu à tout repère

- et même de la mise en relativité au mouvement dans l’apparition des espaces occlus.
 
 

5 Fondements de la mécanique quantique

La mécanique quantique est un renoncement à une description du mouvement des systèmes microphysiques. Il s’agit à l’opposé d’une formalisation des informations que l’on peut extraire par une mesure dont les résultats s’expriment dans le monde macroscopique du laboratoire.

A une entrée de la boite noire ainsi définit se trouve l’action de mesure et à la sortie la valeur propre de l’observable. L’action de mesure et la sortie des observables sur l’appareil sont des actions macroscopiques.

La mesure est l’actualisation des observables potentielles de la boite noire.

L’état caractérise globalement le système et il est définit par la fonction d’onde du système. L’état quantique est uniquement un outil de prévision mais non pas de description.

On applique alors le principe de superposition linéaire qui exprime que la superposition de deux états est également un état du système et que les états sont dépendants les uns des autres.

La structure interne de la boite noire apparaît inconnaissable car en dehors du processus de la mesure.

L’état contient à la fois les aspects corpusculaires et ondulatoires. Il sera analysé selon une multiplicité d’observations expérimentales possibles. Le fait majeur est que des observables dépendantes ne peuvent pas être mesurées simultanément; la mesure sur l’un nécessite un apport ou une diminution d’énergie qui perturbe intrinsèquement la valeur de l’autre. L’impulsion mesurée perturbe la position et inversement. Préciser le moment d’un événement perturbe la mesure de la différence d’énergie lié à cet événement et inversement.

Il s’agit des relations d’incertitudes d’Heisenberg. Quel que soit la mesure un lien non réductible demeure.

La position fournit l’aspect particule et l’impulsion l’aspect onde. De même la précision dans le temps renseigne sur la localisation spatio-temporel donc sur le ponctuel et la mesure de l’énergie sur l’onde. Les deux aspects sont duaux; ils ne sont pas séparables et analysables séparément.

Le vide apparaît alors comme un médiateur entre les aspects ondes et corpuscules.

Afin de dépasser le stade de la mécanique quantique, les champs ont été introduit dans la boite noire; au lieu de les représenter le champ de façon classique comme la superposition d’oscillateurs de fréquences élémentaires, fruit de la décomposition de Fourier , le champ est vue comme une superposition d’oscillateur quantiques avec les mêmes fréquences mais où toute notion de mouvement disparaît; ces oscillateurs fictifs n’oscillent plus ;ils sautent d’un état à un autre mais les photons de ces oscillateurs quantiques ne sont plus observables.

Cette modélisation dite électrodynamique quantique rend compte des effets de second niveau de la microphysique (effet Lamb, effet Casimir)et rend compte surtout des phénomènes où le champ électromagnétique doit être quantifié pour correspondre aux expériences d’optique quantique (compression du vide,..).

L’électrodynamique quantique a été étendue pour fusionner les théories de l’interaction faible avec l’électromagnétisme. Un modèle comparable a été développé pour modéliser les interactions fortes et des modèles existent mais n’ont pas encore été confirmé expérimentalement pour fusionner ces deux modèles.

La gravitation quantique est encore aujourd’hui au début de son élaboration.
 

6 Univers vide pour la physique quantique

Le vide quantique serait l’état quantique totalement symétrique. Les particules n’apparaissent que dans la rupture de symétrie; le vide est donc l’état primordial de l’univers avant l’apparition des particules.

Seules les transitions quantiques sont observables; elles permettent de passer d’un état potentiel à un autre avec une probabilité de transition gouvernée par la fonction d’onde.

Certaines transitions entre niveaux d’énergies deviennent possibles avec leurs probabilité respectives alors que le système a été abandonné à lui-même sans apport d’énergie. Le système trouve la cause des transitions vers d’autres états d’énergie (par absorption ou émission de photons pour les électrons d’un atome) grâce à l’interférence entre états mélangés qui ne sont pas censés avoir été occupés (interférence entre " ondes de probabilité " dans l’intervalle temporel entre les deux observations).

La perturbation qui a fait passer le système d’un état propre observable à un autre a amplifié ou diminué certaines transitions qui ne peuvent pas être directement observées sur cet intervalle de temps, sous peine de violer le principe de conservation d’énergie.

Ces transitions dites virtuelles sont observables uniquement par leur effet indirect dans les probabilités de transition entre les deux états propres observés, probabilité qui résulte de la moyenne statistique observée sur un système collectif de transitions observables.

C’est uniquement dans un contexte expérimental. que les observables peuvent être mesurées (les états potentiels caractérisées par la probabilité de transition entre eux); le potentiel devient réel; il s’actualise.

Ces transitions, qui apparaissent extérieurement spontanées, sont dues à des interactions entre états non observables du vide. Ces états sont dits virtuels par opposition au potentiel des états mesurables (état où l’observable tombe par la réduction du paquet d’onde à partir de tout les états de configuration possibles); le vide est donc relatif à un contexte expérimental.

Ce vide en observabilité n’est pas référable directement à l’acte de mesure mais il apparaît dans son rôle de médiateur, par ses effets quantifiables sur les potentiels observables, potentiel actualisé par la mesure.

Le vide quantique est relatif à des conditions d’expérience corrélées aux états observables qu’elles permettent d’actualiser en les mesurant.

Il est faux de peupler le vide de particules virtuelles existant en soi mais inversement ces états virtuels ne sont pas une création de l’esprit. Le vide quantique a donc un statut paradoxal. Pour le lever il faut admettre la notion de relativité dans l’observabilité et donc dans la démonstration de l’existence des processus.

Au même titre que le domaine de la Logique ne forme pas un tout autocohérent et admet d’indécidabilité de certaines propositions, la physique possède une limite dans la démonstration de l’existence en soi des objets individualisés qu’elle manipule.

Le vide quantique n’est pas une notion spatiale car tout les points de l’espace peuvent être occupées avec une probabilité non nulle; les particules si l’on tente de les localiser agissent comme des ondes non localisables. La limitation à la sphère causale perd de sa pertinence car un ensemble expérimental est considéré comme un tout et une interaction en un lieu du système qui actualise un potentiel induit un impact sans délai sur tout le système observé. Le vide quantique est une notion qui s’exprime dans l’espace des configurations : l'ensemble des
états possibles caractérisés par les nombres quantiques.

Les états du vide peuvent être considérés comme des états insuffisamment stables pour être détectables à partir d’un système de mesure qui doit être intégré au système observable.

La fonction d’onde demeure applicable au vide quantique. Ce vide quantique n’est pas exempt de potentiel car il contient les champs en interaction. Un espace sans interaction serait un espace où les états de configuration auraient eux mêmes disparus, c’est-à-dire un espace sans fonction d’onde.

Le vide possède également la faculté de polarisation ce qui évite la divergence des champs électromagnétique à proximité des sources ponctuelles. En effet il faut comprendre qu’une expérience ne peut mesurer que l’énergie absorbée ou restituée et donc une différence d’énergie. Mesurer c’est donc définir deux états, avant et après.

Les relations d’incertitudes d’Heisenberg conduisent à définir une incertitude sur l’énergie mesurée dans l’intervalle de temps correspondant à cette période. Cette énergie minimale est celle de photons virtuel car à la limite de détectabilité .

Plus on se rapproche de la source de champ, plus le temps de propagation de ces photons depuis la source ponctuelle est court, plus leur énergie est grande. Il se concrétise donc dès leur émission par le champ en couples particules-antiparticules , par exemple un couple électron - antiélectron. Or si la source est un électron, elle va attirer l’électron virtuel et repousser l’anti-électron virtuel masquant ainsi partiellement la charge ponctuelle.

Toutes les charges ponctuelles à effet infini possède donc une charge finie; c’est l’effet d’écrantage. La technique de calcul permettant de retrouver une charge finie se nomme renormalisation.

On parle de polarisation du vide du fait que des particules virtuelles chargées sont sensibles au champ des particules de matière. Cet effet doit être pris en compte par exemple pour retrouver la valeur exacte les niveaux d’énergie atomique de l’électron (effet Lamb).

La prise en compte de l’effet lorsque la résolution est faible indique que la charge augmente avec la résolution (la charge augmente avec le niveau d’énergie apporté pour se rapprocher de la source).

L’énergie de ces photons virtuels permet donc d’attribuer à l’espace vide des modes d’excitation donc l’énergie est nulle en moyenne mais dont la variance aboutit à n x (h période/2), n étant le pas de quantification.

Ainsi lorsque deux plaques métalliques sont parallèles, certains modes d’excitation sont supprimés ce qui engendre une " dépression " mesurable au sein de la cavité. On parle de l’effet Casimir du nom de son inventeur.

De même certains dispositifs optiques basés sur la compensation des fluctuations permettent d’obtenir un bruit quantique sur une mesure de champ électromagnétique moins élevé que le bruit " brut " du vide; on parle de vide comprimé (le gain atteint un facteur 10 dans les dispositifs actuels).

Les fluctuations des mesures posées par Heisenberg, considérées souvent comme des " incertitudes " irréductibles de mesure, apparaissent en fait comme une propriété propre au milieu et sujette à investigation.
 
 

7 Influence du vide quantique sur les interactions fondamentales
 
 

7.1 introduction

Le vide est l’état de plus basse énergie. En générale la moyenne des champs est nulle

Mais dans le cas d’un champ d ’interaction minimal c ’est à dire sans orientation dans l ’espace la moyenne du champ peut être non nulle.

Les symétries du vide sont nécessaires aux interactions entre quarks et entre leptons mais ces symétries sont en partie cachées à basse énergie et ne sont apparues clairement qu’au tout début du Big-Bang.

Les fonctions d ’onde décrivant les particules sont invariantes vis-à-vis d ’un changement de phase. Il n ’ y a pas de phase absolu.

Ceci conduit à des symétries entre particules qui se transforment l ’une en l ’autre par le processus d ’interaction.
 
 

7.2 les quantas d’interaction

Les interactions fondamentales (électromagnétique, interaction faible et interaction nucléaire forte) dépendant de charge associes aux particules qui échangent des quanta d’interaction.

Les charges dépendent de la distance à laquelle on examine la particule. En raison des fluctuations du vide des particules virtuelles sont émises et polarise le vide; la densité de charge virtuelle augmente lorsqu’il faut apporter une énergie plus élevée (une longueur d’onde plus courte) pour préciser la position de la particule; cette énergie est convertie en couples particules-antiparticules qui habille la charge nue.

Les quanta d’interaction de l’électromagnétisme ne sont pas chargés; ce sont les photons; l’interaction décroît avec la distance; au contraire l’interaction faible est propagée par des bosons W et Z probablement sensibles eux mêmes à l’interaction qu’ils propagent. De même, l’interaction forte est propagée par des 8 gluons sensibles aux 3 couleurs qui symbolisent les 3 types de charge de l'interaction nucléaire forte.

Cette sensibilité des porteur de charge forte et faible à leurs propres interactions provoque un accroissement de l’interaction avec la distance.

Les deux interactions, faible et forte, s’accroissent avec la distance.

Existe t il une distance où les 3 interactions possède les mêmes valeurs de couplage?

Oui, si l’on introduit également le boson propageant un champ scalaire, c’est-à-dire un champ uniquement définit par une valeur en chaque point mais sans polarisation. La distance de fusion des forces est 10^-31 m.

Comment ces interactions se sont elles distinguées? .

Les champs scalaires engendre une densité de charge constante dans le vide qui va affecter le mouvement des particules en les freinant; certaines particules seront sensibles à cet effet et acquerront ce que la dynamique appelle une masse. D’autres particules demeureront insensiblement et, sans masse, se propageront à la célérité de la lumière.
 
 

8 Réunion de la relativité restreinte et de la mécanique quantique.

En élargissant pour l’électron l’équation d’onde de Schrodinger et en introduisant le relativité de la mesure à des référentiels inertiels (sans accélération relative), Dirac a aboutit à une forme au carré qui possédait une solution d’énergie positive: l’électron et une solution d’énergie négative: un trou dont les propriétés quantiques étaient opposées à celles de l’électron. Mais puisque les niveaux d’énergie s’étendent vers le bas, il faut trouver un modèle pour expliquer qu’un électron ne tombe pas en cascade en émettant des photons de plus en plus énergétique.

Dirac en vient à modéliser les états d’énergies négatives comme déjà occupés vu des énergies positives; le principe d’exclusion de Fermi empêche l’électron d’occuper des états quantiques déjà occupé. Ce vide de Dirac est compatible du vide électromagnétique de Maxwell car le champ n’y devient pas infini (pas de divergence).

Pour la matière, le vide parfait supposerait que tous les niveaux négatifs soient déjà remplis. Inversement pour les états d’énergie négative, son vide relatif seraient parfait si la matière occupait tout les états d’énergie positive.

Le vide est donc une notion relative, imparfaite et symétrique de la notion de matière.

Il ne peut s’agir que d’un modèle. Cette mer infinie de trous quantiques déjà occupés apparaissant comme une vision schématique et non pas comme une exacte représentation.

L’association de la relativité restreinte et de la mécanique quantique a aboutit à la théorie relativiste des champs. Dans ce cadre, le vide peut s’étendre, être dégénéré, être " faux " ou vide, subir des transitions de phase, être rempli de particules virtuelles et polarisées.

En théorie quantique, le champ n’est pas une grandeur observable; ce qui est observable c’est un opérateur à valeur dans un espace de distribution, qui n’est jamais nul.

Un opérateur nombre de particules est définit à partir des opérateurs champ pour lesquels les états d’énergie, impulsion, charge et moment angulaire sont définis.

Un état de champ libre pour lequel l’opérateur nombre de particules a une valeur propre nulle est définit comme le vide, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de quanta de champ (pas de matière) mais où l’état d’énergie minimum peut ne pas être nul.

La notion du vide est encore modifié lorsque les champs sont en interaction. Dans ce cas les états d’énergie ne correspondent plus à des états propres des opérateurs " nombre de particules " associées à ces champs. Il pourrait donc y avoir des particules , c’est-à-dire des quanta du champ.

Le vide correspond toujours à l’état d’énergie minimum mais cet état peut ne plus être unique. Il y aura plusieurs états possible de vide. Puisqu’il semble étrange d’envisager plusieurs états possibles pour un vide exempt de matière, il semble cohérent d’affirmer que les champs en interaction induisent un état d’énergie minimum mais avec des quanta de champ; un sorte d’état minimum de matière et donc une absence de vide effectif.

Existe t-il un vide? Les réponses à cette question passeront par la nécessité de mieux la comprendre.

La réunion des modèles quantiques et relativistes justifient que l’énergie impulsionnelle d’une particule (ex énergie cinétique d’un proton) soit convertible en matière. La masse propre de la matière est l'énergie d'une onde stationnaire (confinée et de célérité c car E =pc = (mc) c ) et l’impulsion caractérise l'onde; l’augmentation de l’impulsion accroît sa probabilité de présence et de détection.

Comme l’énergie est le reflet de la géométrie, la courbure géométrique détermine la probabilité de détection.

La géométrie est le surgissement de l’individuel dans l’univers global. La géométrie globale de l’univers ( sa courbure propre) reflète son aspect autorésonant: le surgissement de l’univers entier à lui-même.

Une parenthèse sur les trous noirs, où le principe d’exclusion ne s’applique plus, ferait dire également dans le cadre de ce modèle que l’énergie du vide s’effondrerait en émettant une quantité infinie de photons qui se concrétiseraient en couples électrons - antiélectrons. Ces particules resteraient confinées dans le rayon de Schwarzchild et le coeur en effondrement tomberait vers des états d’énergie négative inoccupés
 
 
 
 

9 Résumé de la structure du vide

Le vide des premiers philosophes pouvait apparaître comme inintelligible car il était conçu comme un vide total, non structuré: un Chaos. La théorie newtonienne lui a apporté une géométrie euclidienne, la relativité générale a donne à la géométrie le statut d’une variable qui dépend du contenu énergétique de l’univers et incluant un potentiel de matière et d’énergie lié à la géométrie globale et transmis par des ondes gravitationnelles non localisées.

Le vide de la théorie quantique des champs ajoute des potentiels structurés pour les valeurs des champs d’interactions.
 

10 Le vide effectif de la cosmologie (réunion de la relativité et de la physique quantique)

L’univers est de base rempli du rayonnement cosmologique

Un univers vide ne doit donc se concevoir qu’avant l’apparition de tout rayonnement et donc avant l’actualisation des champs quantiques en particules. Il doit être la réunion des vides relativiste et quantique: espace sans métrique et sans potentiels actualisables, donc un espace sans relation temporelle et sans champ d’interaction.
 
 

11 Articulation du vide avec les catégories physiques

Décrire le vide nécessite de le positionner face aux catégories " représentables ", causalité, substance, espace.

Le vide se réduit il à l’espace?

Le relativité einsteinienne avait comme but ultime de ramener les interactions à des courbures géométriques et, au-delà de la correspondance énergie/matière, de décrire une dualité entre énergie et géométrie.

L’espace y est considéré comme non matériel mais revêtant des propriétés métriques, possède en quelque sorte l’information de distance entre deux corps matériels, une information qui peut être extraite par une mesure.

L’information de positionnement dans cet espace-temps n’est pas possédée en soi par le corps d’épreuve; elle se mesure en interrogeant l’environnement du corps.

Cette notion est à rapprocher de l’interrogation d’un quanta sur sa position ou son impulsion; la mesure en interrogeant le lieu d’espace dans un intervalle de temps constitue l’information.

De même le vide relativiste possède des attributs de déformations ce qui est à rapprocher de la notion de champ dont les excitations permettent des transitions entre états et assure l’observabilité des quanta de matière.

Le champ peut être dans un mode excite ou dans un mode fondamental mais étant toujours présent, le vide n’est donc pas ce qui reste quand tout est ôté. En outre on ne peut pas dire qu’il est vide d’énergie car la théorie ne fait pas de différence fondamentale entre les quanta virtuels non observables et les quanta de matière observables.

Le vide dans toutes les approches physiques vérifie le maximum de symétrie admissibles, ce qui peut constituer une définition.

Le vide ne peut donc pas contenir de particules, ni contenir de rayonnement même gravitationnel ni être localisé.

Mais si toute matière et rayonnement était ôté , il ne subsisterait aucune source de structure spatiale pour tester ce vide et en mesurer les propriétés.

L’espace einsteinien possède une courbure qui varie d’un point à un autre du fait de la présence de la matière. Le vide apparaît donc comme une structure spatio-temporelle de référence, dépourvu au maximum de structure même globale car la courbure globale d’un univers homogène est le produit de la densité de matière.

La solution la plus générale de la relativité semble un univers vide avec une constante cosmologique mais le problème se pose de savoir comment transiter d’un univers de topologie avec une constante cosmologique à un univers réel avec matière, avec ou sans constante cosmologique. Il faut alors sortir du cadre relativiste où la topologie est invariante, pour introduire une gravitation quantique où des transitions entre types d’univers sont envisageables.

Un point important est la difficulté d’associer la constante cosmologique, constante pour un univers observable donné, et l’énergie du vide par essence variable et uniquement établie de manière différentielle. En outre, en absence d’une théorie de gravitation quantique , cette énergie du vide est très mal définie (quelle est l’énergie du champ quantique?).

La description des interactions fondamentales font intervenir des symétries dans des espaces abstraits. Ces symétries s’appliquent à l’espace abstrait dans lequel viennent prendre place les champs quantiques.

On parle de brisure de symétrie lorsque cet espace abstrait décrivant les interactions de façon unique doit être scindé en sous-espace abstrait pour décrire séparément les interactions. On associe ces brisures à des phases distinctes de l’univers primordial en refroidissement soudain. Les moments où les brisures se sont produites sont donnés par l’égalité entre la constante de temps de l’univers en expansion et le temps moyen entre deux interactions. Ces brisures s’adressent donc à l’espace où la matière interagit; l’espace quantique est donc dépositaire de propriétés non plus seulement de distance mais d’informations sur les conditions d’application aux différentes températures des lois physiques lors des interactions entre les quanta. C’est en extrayant  cette information du vide que les quanta subissent les contraintes qui leur font changer d’états. Le problème qui se pose alors est de déterminer si ces types d’information peuvent être extraites sans apport d’énergie.
 
 

12 Vide et infini

Vouloir décrire les phénomènes quantiques dans l’état primordial de l’univers , lorsque sa taille était de l’ordre de grandeur du rayon critique de Schwarzchild conduit à des paradoxes fondamentaux liés à la perte de la notion de mesure.

Section en cours de renseignements
 
 
 
 
 
 

13 La résonance vide géométrie matière: une solution cohérente à l’origine du Monde

Dans le vide quantique fluctuant, les particules virtuelles engendrent une géométrie elle aussi fluctuante qui en retour induit des ondes gravitationnelles; la géométrie entre en résonance avec le vide quantique et fluctue en réponse aux fluctuations quantiques.

Ce pourrait être le réservoir potentiel de l’univers.

L’expansion de l’espace-temps est le moteur de la création de la matière car l’énergie libérée par l’expansion est absorbée par le champ du vide pour transformer des particules virtuelles en particules observables.

L’énergie libérée est d’autant plus important que l’expansion est rapide, ce qui est caractéristique du premier âge de l’univers subissant une inflation exponentielle.

La gravitation est convertie en champ quantique qui se matérialise en particules de matière et en particules d’interaction.

Le vide est énergetiquement autosuffisant car il peut puiser de l’énergie dans la géométrie qu’il engendre.

Le vide est un espace organisé car le champ quantique qui le caractérise est non localisé, globale; une fluctuation locale du vide concerne le champ dans sa globalité. L’expansion du vide et la création conjointe de matière induisent un abaissement de la température et un effondrement progressif des symétries du vide; d’où l’apparition de la masse et d’interaction distinctes. Ce cheminement vers des états de moins en moins semblables s’exprime par la 2ème loi de la thermodynamique; l’entropie ne peut à terme qu’augmenter.

Dans la transmission du vide à l’univers, c’est la création autocohérente de la matière qui est générateur d’entropie; la cosmogénèse est entropique.
 
 
 
 
 

Annexe A Vision quantique

Un quanta peut être vu comme un maillage . Une maille préexiste dans un temps imaginaire car elle a une dimension inférieure à son rayon de Schwarzschild.

Cette maille est invariante par rotation dans l’espace des phases.

La projection de la maille dans l’espace réel est la réduction ou l’effondrement du paquet d’onde.

Elle fixe la phase sur une valeur .

La mesure étant perceptible au niveau macroscopique est une projection sur notre espace-temps.

La projection d’une dimension de la maille dans l’espace-temps classique fournit l’aspect corpuscule (mesure de la localisation) et l’aspect onde par une autre projection (mesure de l’impulsion).

Les particules virtuelles du vide quantique ne sont pas projetables; leurs projection dans notre espace-temps ne suit pas une trajectoire avec des points sur la ligne temporelle; leurs projections ne donne que deux points celui- de leur émission et celui de leur réception.
 
 
 
 

Annexe B Principe d’Heisenberg

Réduire la variation sur la quantité de mouvement c'est réduire la dispersion sur les longueurs d'onde de l'onde de probabilité de présence de la particule

h n’est que l’expression de la dispersion des futurs possibles.

Avec h=0, le futur serait unique plus h serait grand plus l’indétermination sur les futurs serait grand.

Question: la valeur de h correspond t-elle à une valeur optimum qui assure une diversité des futurs tout en réduisant  l'instabilité  des conditions caractérisant l’univers au cours du temps ?
 
 

Annexe C Matiere et antimatiere

La Matière est le reflet de l’Antimatière dans un miroir qui est le vide

L’Antimatière est le reflet de la Matière dans un miroir qui est le vide

La matière suit le temps et l’antimatière le remonte

L’excès de matiere sur l’antimatiere provoque l’expansion

Le vide ne possède plus autant d’antimatière qu’au début du Big-Bang ce qui a fait basculer l’univers dans l’expansion car l’antimatiere qui glisse vers le Big-Bang est moins importante que la matiere qui s’en eloigne.

La constante cosmologique serait elle la resultante de l’ecart entre la matiere et l’antimatiere ?

Quelle est la reduction d’energie du vide induite pour un ratio matiere / antimatiere de 10^-9 (voir La premiere seconde de H.Reeves).

D m /D V = L c² /(8p G)

D m à la fin de l’inflation indique la différence de masse des particules (X,Y) et (/X,/Y) ce ratio pouvant etre proche de 10^-9 .

En posant L_{fin inflation} = a /R³ _{fin inflation} on en déduit L_actuel = a /R³ _actuel

et on vérifie que cette valeur permet de passer d’un univers basique de 10 milliards d’années à une valeur plus réaliste de 14 milliards d’années compatible de l’age des etoiles de population II.
 
 

Le temps n’existe que pour les particules massives et donc sensibles à l’interaction faible.

A noter que la brisure de symétrie entre la matiere et l’antimatiere s’exprime au niveau de la difference de chiralite et intervient pour des particules sensibles à l’interaction faible.
 
 
 
 

Annexe D Une hypothèse sur l’origine de l’univers

Si la constante cosmologique est effectivement due à un déséquilibre entre matiere et antimatiere, la constante cosmologique du vide primordial possèdait une valeur très élevée (~ 10 ⁸⁰ kg/m3).

Cela signifie que le vide possèdait un deficit en particules d’antimatiere.

Supposons que l’origine de l’univers soit la dispersion d’un trou noir par effet Hawking.

La diffusion de sa masse par émission de particules virtuelles a émis dans l’univers primordial des particules de matière; le vide était donc occupé par des particules de matière, il s’agissait donc d’un antivide pour l’antimatière.

Le vide est donc partie en expansion dans le temps positif.

Lors de la desexcitation du vide, l’énergie potentielle du vide s’est transformée en particules réelles de matiere et d’antimatiere.

Cette diffusion a été déséquilibrée entre matiere et antimatiere. S’agit t-il d’un effet lié à la valeur de h?

Après desexcitation l’écart entre matiere et antimatiere s’est maintenue (même si le total des particules s’est réduit du fait que les photons du vide ne sont plus assez energetiques pour contrebalancer l’annihilation).

Cela signifierait dans ce scenario que la constante cosmologique s’est maintenue .

On notera que le passage d’un univers sans constante cosmologique agé de 10 milliards d’années à la valeur de 14 milliards d’années plus realiste pour tenir compte des ages des etoiles de population II necessite une constante cosmologique de 1,94 10^-55 m^-2.

avec D m /D V = L c² /(8p G) , il vient D m =1.04 10^-29 kg/m³.

Sachant que la densité critique dans un univers trou noir serait r =2 10^-30 g /cm³= 210^-27 kg/m³

alors D m/ M critique ~ 5 10^-3 au lieu d’une valeur attendue de 10^-9

Conclusion:l’origine de l'univers n'est pas la dispersion d’un trou noir par effet Hawking
 

Annexe E Definition d’un intervalle de vitesse limite

Au-dela de 10¹⁶ Gev, la masse n’existe plus car l’interaction faible ne se distingue plus des autres interactions.

Y a t-il une plage de vitesse interdite dans laquelle , toutes les particules perdraient leur masse et se deplacerait à une vitesse egale à c?

De façon equivalente au gain d’impulsion lié à la vitesse, existe t-il une distance limite vis-à-vis d’une masse pour atteindre une distorsion de la métrique égale à la distorsion induite par une particule qui passerait le seuil des 10¹⁶ Gev?

Annexe F  Relativité et non détectabilité
 

1 Détectabilité des objets de masse nulle

Seuls les objets de célérité c (donc de masse nulle au repos) se propageant vers l’observateur sont détectables Ceci introduit une notion de détectabilité dans la relativité.

Ceci explique également pourquoi la célérité est invariante si l’on change de référentiel; il faut en effet éliminer les référentiels en dehors de l’axe car ils ne vont pas détecter l’objet se déplaçant à la célérité c sur un autre axe.

Quant aux mesures de célérité sur le même axe que l’axe de propagation, il faut appliquer un principe de composition des longueurs d’onde; les longueurs d’onde propageant l’information sont additives.

Le vide confère une masse aux particules réagissant aux champs scalaires limitant leur propagation. Le vide confère aussi une limite c à la célérité pour les particules.

Le réel est il un processus d’élaboration exponentielle d’interactions constructives? La notion d’existence est elle relative à l’échelle considérée? Le tout est-il plus que la somme des parties par le processus d’interaction entre les parties et la croissance existentielle de l’échelle de Planck vers l’échelle de l’horizon actuel de l'univers?
 
 

2 Détectabilité des objets de masse non nulle ou trous noirs virtuels

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