Marc Henry (4/4)- Qu'est-ce que le vide?- Les Rendez-Vous de l'Eau - EAU: Séance iLive!

Dans la 4e et dernière partie de l'émission "Les Rendez-Vous de l'Eau", Marc Henry chimiste à l'Université de Strasbourg a tenu à évoquer le sujet du Vide car il y avait beaucoup de chose à en dire justement...


Texte de Marc Henry, www.marchenry.com

Le vide est le fameux cinquième élément, la quintessence, sans laquelle les quatre autres ne pourraient pas s'exprimer. C'est aussi un chef d'orchestre qui coordonne toute activité vitale. Un des résultats fondamental de la théorie quantique des champs est que la notion de vide ne signifie plus nécessairement qu’il y a absence de matière ou de rayonnement, mais peut correspondre à une situation où deux phénomènes bien réels de même intensité agissent de manière opposée. Cette conception nouvelle du vide est étroitement liée à la notion de phase quantique qui gouverne ce qui pourra être observé lorsqu’un événement donné est susceptible de se produire selon deux modalités discernables quant aux chemins suivis mais indiscernables quant au résultat final. Lorsqu’on inclue le phénomène de gravitation, un autre résultat remarquable est obtenu: le vide spatio-temporel ne peut pas être distingué de la matière à l’échelle de Planck (10-35 m). 




Un autre moyen commun d’exprimer cela est de dire que lorsqu’une particule ayant l’énergie de Planck se déplace dans l’espace, elle sera diffusée par les fluctuations de l’espace-temps lui-même, aussi bien que par la matière rencontrée, et que les deux cas ne peuvent pas distingués sur un plan expérimental. Ces résultats a priori surprenants reposent sur un fait très simple: quelle que soit la définition de la masse que l’on utilise, il faudra toujours faire appel à des mesures combinées d’espace et de temps. Ceci est vrai même pour les balances à plateaux, où la masse est mesurée par le déplacement d’une pièce mobile de la machine. La mesure des masses est donc impossible à l’échelle de Planck car les erreurs faites lors de ces mesures font qu’il est impossible de distinguer entre vide et matière. En particulier, le concept même de particule n’est plus pertinent à l’échelles de Planck. Par dessus tout, il n’existe ni matière, ni rayonnement, ni horizon, ni espace, ni temps à l’échelle de Planck, car tous ces concepts ne sont pertinents que dans des situations de faible énergie. Or les observateurs semblent faits de matière et non de rayonnement, ni de vide. La notion d’observateur est donc biaisée par un point de vue très particulier. Comme à l’échelle de Planck, matière, rayonnement et vide ne peuvent être distingués, il en découle que les observateurs n’existent plus au voisinage de l’énergie de Planck car il ne peut plus y avoir de biais en faveur de la matière par rapport au vide. La physique moderne n’est donc pertinente qu’en dessous de l’énergie de Planck. On apporte ainsi une nouvelle réponse à une question très ancienne: «pourquoi existe-t-il quelque chose plutôt que rien»? Á l’échelle de Planck, la réponse est triviale: il n’existe aucune différence entre quelque chose et rien, c’est à dire qu’en toute honnêteté nous pouvons dire que nous sommes faits de rien. L’impossibilité de distinguer entre matière et vide implique l’absence d’information aux échelles de Planck. Par ricochet, cela implique l’existence d’une entropie de base associée à toute partie de l’univers à de telles échelles. Tout ceci amène bien sûr à la question de savoir à partir de quelle énergie il devient possible de distinguer la matière du vide. Une réponse peut être donnée en posant une autre question: peut-on distinguer un liquide d’un gaz en regardant un seul atome? Non, bien sûr, pour cela il faut considérer beaucoup d’atomes. De même, il est impossible de distinguer entre vide et matière en ne regardant qu’un seul point, mais uniquement en considérant un grand nombre de points. Tout ce que nous pouvons observer, ce sont des moyennes. Cependant, il n’existe aucune moyenne parfaite. Chercher à distinguer la matière du vide est un peu comme chercher à distinguer les nuages dans un ciel clair: à l’instar des nuages, la matière ne possède pas de frontière précise. 




Enfin, puisque vide, particules et champs ne peuvent être distingués à l’échelle de Planck, nous perdons aussi la distinction entre états transitoires et permanents ainsi que toutes les propriétés intrinsèques des systèmes physiques. Ceci est un résultat très fort, puisque cela signifie qu’il est impossible de distinguer un système de son environnement. Autrement dit, à l’échelle de Planck, il est impossible de parler de mouvement. Bien évidemment, certains esprits pointilleux pourront faire remarquer que l’échelle de Planck est si extraordinairement petite que cela ne peut concerner que les particules élémentaires et en aucun cas un système macroscopique comme une cellule vivante. Alors à quoi bon savoir que vide et matière sont deux aspects antagonistes d’une même substance «hermaphrodite» qui s’exprime selon l’énergie mise en jeu soit comme une chose vide et donc dénuée de masse, soit comme une chose pleine remplie de tout ce que l’on désire. Le fait de considérer un grand volume spatio-temporel et d’observer avec une faible énergie, nous oblige à faire une moyenne sur les fluctuations gravitationnelles quantiques et apparaît alors la distinction familière entre vide et matière. Toute ceci serait parfaitement exact s’il l’on s’en tient à la gravitation quantique qui s’exprime dans les dimensions d’espace et de temps, c’est à dire dans les dimensions de l’objet. Or, c’est un fait indéniable que l'on ne peut pas décrire l’univers comme un objet vu de l’extérieur, puisque nous en en faisons partie et cette observation conduit donc à prendre en compte le sujet dans la description des phénomènes. Le monde décrit par la gravitation quantique est ainsi un monde d’objets, que le sujet qui effectue la description considère en quelque sorte «du dehors», alors qu’il en fait partie. Ceci ne peut pas être correct et pour résoudre ce paradoxe il faut introduire l’invariance du rapport sujet- objet et non pas se limiter aux propriétés d’invariance des objets seuls. Ainsi plutôt que d’affirmer spéculativement que «tel objet est invariant», on s'autorise à dire «je vois cet objet invariant . Cette introduction du «je» dans la description physique nécessite d'introduire des paramètres "côté sujet" qui sera alors complétée par la possibilité de comparer les descriptions obtenues pour différentes valeurs d’entre eux, aboutissant à une forme d’objectivité relative à un ensemble de sujets, conforme à la réalité de la pratique scientifique. Ce point est très subtil et passe souvent inaperçu, mais une fois qu’on l’a identifié et correctement perçu, il devient impératif de le prendre en considération de manière scientifique et rigoureuse, c’est à dire à l’aide d’un nouvel opérateur de la physique quantique s’exprimant dans la dimension du sujet et non plus dans la seule dimension de l’objet. Louis de Broglie fut le premier à percevoir cela en notant que la dualité onde-corpuscule avait comme conséquence d’associer aux grandes masses des hautes fréquences, selon un loi de linéarité dérivant de la loi de Planck-Einstein instituant une relation linéaire directe entre énergie et fréquence au moyen de la constante de Planck h. Or, toujours selon Albert Einstein, il existe aussi une relation linéaire directe entre énergie et masse obtenue en multipliant la masse par le carré de la vitesse de la lumière dans le vide. La théorie quantique des champs nous apprend donc que masse et fréquence sont directement proportionnels. Lorsque l’on y réfléchit bien, c’est assez troublant, car toute la physique est bâtie de nos jours sur la notion de particule où les grandes masses sont vues comme un assemblage de particules d’autant plus nombreuses que la masse est grande. Mais si l’on applique la dualité onde-corpuscule, en considérant non plus les masses mais les fréquences, on arrive à un résultat inverse, à savoir que ce sont les petites fréquences (particules) qui contiennent par le jeu des harmoniques les grandes fréquences (objets macroscopiques). D’un côté les objets macroscopiques de par leurs masses imposent leurs lois au monde microscopique mais en retour le monde microscopique de par ses fréquences dicte ce que sera le monde macroscopique. Il doit donc exister une sorte de dialogue de nature ondulatoire entre les différentes échelles de la nature pour éviter d’arriver à une cacophonie finale. Voilà, pour le côté matière. Du côté gravitation, ce fut Hermann Weyl, grand spécialiste de théorie de la relativité, qui fit remarquer que la symétrie du vide était bien plus large que celle couramment admise par la théorie de la relativité. Le vide est en effet non seulement invariant par isométries (rotations et déplacement infinitésimaux) mais aussi par dilatation conforme, c’est à dire changement  d’échelle laissant les angles invariants. Que l’on considère la matière ou le vide, on arrive donc toujours à la même conclusion que ce qui se passe à une certaine échelle ne peut en aucun cas être séparé de ce qui se passe à une autre échelle...




Sur un plan pratique, un examen du rôle de l'échelle dans le processus de mesure amène à considérer cette dernière comme un paramètre physique autonome et indépendant des dimensions spatio-temporelles. Lorsque l'on formule une telle exigence au sein de la théorie quantique, on constate alors qu'il existe à côté des ondes de matière de Schrödinger-De Broglie associées à l'espace-temps physique, des ondes dites d'échelle associées à l'appareil de mesure qui à une échelle donnée observe le phénomène spatio-temporel. Grosso modo ce sont les ondes d'échelles qui assurent la cohérence entre les différentes échelles de description et de manifestation d'un même objet physique, de la même manière que les ondes de matière assurent la cohérence du système en différents points de l'espace-temps. Ces ondes d'échelle qui n'apparaissent pas dans les traités de physique quantique ou relativiste académiques nous sont pourtant bien familières à partir du moment où l'on accepte de se poser la question de savoir comment un individu arrive à reconnaître les différentes parties qui le constitue. Grâce aux ondes d'échelle, un même individu ressent son unité quelque soit l'échelle qu'il utilise pour se décrire. Il peut ainsi se percevoir comme étant lui-même soit au niveau de son corps macroscopique (échelle du mètre), soit au niveau de ses organes (échelle du centimètre), de ses tissus (échelle du millimètre), de ses cellules (échelle du micron), de ses biopolymères (échelle du nanomètre), de ses atomes (échelle de l'angström), de ses noyaux atomique (échelle du femtomètre) ou de ses quarks (échelle de Planck). Ces mêmes ondes d'échelle permettent aussi à l'individu de se percevoir comme lui-même à l'échelle d'une planète (échelle du km), du système solaire (échelle de l'année-lumière), d'une galaxie (échelle du parsec) ou de l'univers tout entier (échelle du mégaparsec). Reste évidemment à prouver que ces ondes d’échelles existent bel et bien. Le mieux pour cela est de se poser la question de savoir comment réconcilier un spectre de masse linéaire prévu par la théorie quantique avec un spectre de masse exponentiel imposé par la symétrie conforme du vide. De manière très intéressante, la réponse à cette question se trouve dans la gamme tempéré de Bach, qui fut créée pour rendre toutes les compositions musicales invariantes d’échelle (invariance par transposition d’octave ou par changement de tonalité sur toute la gamme). Il en découle donc que tout système qui suit une gamme tempérée de Bach est le siège d’ondes d’échelles qui sont émises et absorbées pour assurer la cohésion du système quelle que soit l’échelle choisie pour l’observer. L’existence d’intervalles musicaux dans la répartition des masses des particules élémentaires ou dans celle des acides aminés d’une protéine est ainsi une preuve indirecte mais bien tangible de l’existence de ces ondes d’échelles émises dans la dimension du sujet, tout comme les ondes de matières sont émises dans la dimension de l’objet. Les conséquences de cet état de fait sont évidemment énormes puisque chacun d’entre nous peut via les ondes d’échelles qui le traverse s’adresser soit à son vide interne jusqu’à l’échelle de Planck, soit étendre sa conscience jusqu’à l’univers tout entier. Science et philosophie ancestrale sont à ce niveau en parfait unisson, un état de plénitude que Pythagore aimait à évoquer sous le beau nom d’harmonie des sphères où que la sagesse orientale évoque sous le nom troublant de vacuité.