Point zéro (mécanique quantique)

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En mécanique quantique, on appelle Energie de Point zéro l'état d'un système quantique dans son état fondamental minimum proche du zéro absolu en température, c'est-à-dire l'état d'un système quantique à la plus basse énergie quantifiée [1] [2]. L'énergie du point zéro est l'énergie quantique et non classique, qui subsiste lorsque toute agitation thermique avec son énergie calorifique a été enlevée.

Un système classique peut être immobile à son énergie minimum dans un potentiel classique. Un système quantique dans ce même potentiel est décrit par une fonction d'onde, qui est délocalisée et reste en mouvement quantique perpétuel sans aucune dissipation, suivant le principe d'Heisenberg, avec une énergie cinétique qui croit comme l'inverse de la dimension de localisation quantique décrivant ce mouvement. Dans l'état fondamental cette énergie de localisation est appelée énergie de point zéro, qui est associée à un mouvement de point zéro quantique.

Par exemple un Oscillateur harmonique quantique décrit en détail sur wikipedia, a un état fondamental d'énergie de point zéro fondamentale moitié de sa fréquence classique multipliée par la constante de Planck.

 \epsilon =  \frac{h\nu}{2}

Cette propriété se retrouve dans les ondes acoustiques qui sont quantiques dans les déplacements atomiques et appelées phonons avec un mouvement de point zéro collectif des atomes qui est observé sur chaque atome par rayons X et Radiocristallographie sous forme d'une imprécision de position.

Lorsque les atomes sont très légers et dans un faible potentiel interatomique comme pour les Hélium 3 et 4, l'énergie de point zéro est suffisante pour donner une amplitude de mouvement de point zéro si grande par rapport aux distances interatomiques que l'hélium ne peut plus se solidifier et reste liquide à pression nulle.

Une caractéristique de cette agitation de point zéro qui est très différente d'une agitation classique thermique désordonnée est qu'elle est décrite par une fonction d'onde quantique collective cohérente, avec des mouvements perpétuels sans aucune dissipation, sans viscosité ni résistance. En tenant compte de la statistique des atomes d'Hélium 3 ou 4, ce liquide dans son mouvement de point zéro quantique devient superfluide, s'écoulant sans dissipation[3], avec des écoulements quantiques perpétuels sans aucune dissipation [4], du fait qu'ils sont dans leur état fondamental quantique collectif de mouvement de point zéro. Ce mouvement est observé à l'état macroscopique comme un Superfluide ou un Supraconducteur [5].

Tous les champs quantiques, comme le champ électromagnétique avec ses photons quantiques, dans le vide, ont aussi un mouvement de point zéro dont on observe les variations, comme avec l'Effet Casimir, sous forme d'une force entre deux plaques ou matériaux.

Une difficulté est que cette énergie de mouvement de point zéro du vide, somme de toutes les énergies  h\nu de point zéro de chaque mode du champ, est infinie, car leur fréquence  \nu n'a pas de limite vers l'infini, avec des longueurs d'ondes très courtes, au delà de celles des rayons gamma. Néanmoins comme il s'agit de l'énergie minimum possible, il n'est pas possible d'extraire d'énergie utilisable de ce vide, contrairement à certaines propositions de science fiction. Au mieux on peut stocker de l'énergie dans des courants superfluide ou supraconducteur perpétuels et la récupérer plus tard en les stoppant.

Aussi, par Renormalisation, sans se préoccuper trop de la somme totale infinie, on ne calcule que des variations de cette énergie de point zéro du vide, observées par l'Effet Casimir ( qui devient la Force de van der Waals à très courte distance ). Cet Effet Casimir peut être décrit aussi par des échanges virtuels de photons qui de fait sont une description partielle des fluctuations de mouvement de point zéro du vide.

Le problème de la valeur totale de l'énergie de point zéro du vide immensément grande reste un des problèmes fondamentaux non résolus de la physique [6], car il reste à découvrir les phénomènes physiques avec une énergie opposée, qui permette d'expliquer la valeur faible observée pour la Constante cosmologique de l'énergie du vide [7] .



Articles connexes[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (fr) « L'énergie du vide », sur media4.obspm.fr (consulté le 14 janvier 2014).
  2. Encyclopedia Britanica en français.
  3. (en) Vinen, « THE PHYSICS OF SUPERFLUID HELIUM »
  4. (en) Nature's Building Blocks, John Emsley, Oxford University Press, Oxford, 2001, (ISBN 0-19-850341-5), p. 175–179
  5. l’Institut de Physique du CNRS, « supraconductivité résistance nulle et superfluidité »
  6. SE Rugh, H Zinkernagel, « The quantum vacuum and the cosmological constant problem », Studies in History and Philosophy of Science Part B: Studies in History and Philosophy of Modern Physics, vol. 33, no 4,‎ 2002, p. 663–705 (DOI 10.1016/S1355-2198(02)00033-3, lire en ligne)
  7. « Communiqué de presse (2003) - L'énergie du vide est-elle vraiment la principale composante de la densité de l'Univers ? », sur le site du CNES

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Mécanique Quantique R.Feynman
  • Cours de mécanique quantique Y. Ayant, E. Belorizky
  • Principles of quantum mechanics, R. Shankar, 2nd edition, Plenum publishing, NY, 1994 - chapitre 7.