Énergie du point zéro

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L'énergie du point zéro, ou énergie du point zéro du vide quantique, est la plus faible énergie possible qu'un système physique quantique puisse avoir ; cela correspond à son énergie quand il est dans son état fondamental, c'est-à-dire lorsque toute autre forme d'énergie a été retirée[1],[2].

Tous les systèmes mécaniques quantiques subissent des fluctuations même quand ils sont à leur état fondamental (auquel est associée une énergie du point zéro), une conséquence de leur nature ondulatoire. Le principe d'incertitude implique que chaque système physique possède un point zéro pour son énergie, supérieure au minimum de son puits de potentiel classique. Cela entraîne du mouvement même au zéro absolu. Par exemple, l'hélium liquide ne gèle pas sous la pression atmosphérique, quelle que soit la température, à cause de son énergie du point zéro.

Le concept d'énergie du point zéro a été développé par Max Planck en Allemagne en 1911 comme terme correcteur ajouté à l'équation de sa théorie quantique originale datant de 1900. Le terme énergie du point zéro est une traduction du mot allemand « Nullpunktsenergie ».

L'énergie du vide correspond à l'énergie du point zéro de tous les champs de l'espace, ce qui pour le modèle standard inclut le champ électromagnétique, les champs de jauge et les champs fermioniques, ainsi que le champ de Higgs électrofaible. C'est l'énergie du vide qui dans la théorie quantique des champs est définie non comme un espace vide mais comme l'état fondamental des champs. En cosmologie, l'énergie du vide est une explication possible pour la constante cosmologique.

Le système quantique le plus simple possédant une énergie du point zéro est un oscillateur harmonique quantique, dont l'énergie minimale est \epsilon = \frac{h\nu}{2}\nu est la fréquence propre de l'oscillateur. L'énergie quantifiée d'une onde électromagnétique possède une expression similaire à celle d'un oscillateur harmonique, et il s'avère qu’on peut développer l'analogie pour quantifier le champ électromagnétique, qui possède également une énergie de point zéro moyenne égale à \Epsilon^2 = \frac{\hbar\omega}{2 \epsilon_0 V} (\epsilon_0 est la permittivité du vide et V le volume occupé par le champ).

Ceci implique que, même en l'absence de toute matière, le vide possède une énergie de point zéro, fluctuante, d'autant plus grande que le volume considéré est petit. Aux échelles macroscopiques, cette énergie est négligeable car les fluctuations s'annulent sur de grands volumes. Cette énergie possède cependant des effets physiques microscopiques comme l'effet Casimir, l'émission spontanée de photons par des atomes, la création de paires de particules/antiparticules, ou une agitation minimale des molécules. Ceci implique notamment que la température du zéro absolu ne peut être atteinte microscopiquement, à cause de l'agitation minimale de la matière ou l'existence d'une énergie de point zéro.

Cas général[modifier | modifier le code]

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 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 héliums 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, 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].

Cas du vide[modifier | modifier le code]

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 superfluides ou supraconducteurs 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 permettent d'expliquer la valeur faible observée pour la constante cosmologique de l'énergie du vide[7].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Calphysics Institute : Énergie du point zéro et champ du point zéro.
  2. « L'énergie du vide », sur media4.obspm.fr (archivé) (consulté le 14 janvier 2014).
  3. (en) V. F. Vinen, « THE PHYSICS OF SUPERFLUID HELIUM ».
  4. (en) John Emsley, Nature's Building Blocks, Oxford, Oxford University Press, 2001 (ISBN 0-19-850341-5), p. 175–179.
  5. Institut de physique du CNRS, « supraconductivité résistance nulle et superfluidité ».
  6. (en) H Zinkernagel SE Rugh, « 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,‎ , 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 cnes.fr, CNES.

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Zero-point energy » (voir la liste des auteurs).

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]