L’Académie des sciences consacre une série de podcasts, en partenariat avec Canal Académies, à Blaise Pascal. Au micro, Étienne Ghys, l’un de ses deux secrétaires perpétuels. Cortex Média a retranscrit ces échanges, à lire ci-dessous.
Après Pascal, le vide cesse d’être seulement une question philosophique : il devient un objet central de la physique et un outil indispensable aux technologies modernes.
Dans cette seconde partie, Étienne Ghys poursuit avec Édouard Brézin l’histoire du vide, des expériences du XVIIe siècle à la physique quantique, aux accélérateurs de particules et à la conception moderne de l’espace-temps.
Étienne Ghys : Dans la première partie de ce podcast, nous avons parlé avec Édouard Brézin de l’histoire du vide, d’Aristote jusqu’à Pascal. Nous allons maintenant continuer de Pascal jusqu’à Einstein. Bonne écoute !
Édouard Brézin : Passons à la période moderne. La technologie fait aujourd’hui un usage intensif du vide : toute la microelectronique, la fabrication des circuits intégrés, se fait sous vide. Ce qui me frappe le plus, en tant que physicien, c’est le grand accélérateur du CERN, le LHC — cet anneau de cinquante kilomètres de tour dans lequel on accélère des protons jusqu’à leur faire atteindre presque la vitesse de la lumière. S’il n’y avait pas de vide dans l’anneau, on ne verrait jamais un seul proton arriver sur la cible. C’est l’un des records de vide technologique jamais atteints sur Terre.
Étienne Ghys : Tu as une idée de la pression, en millièmes de millimètre de mercure ?
Édouard Brézin : De l’ordre de dix puissance moins dix à dix puissance moins onze millimètres de mercure. Je crois que c’est le record de vide jamais réalisé par l’homme — il faut aussi que les tuyaux tiennent, ce qui n’est pas rien.
Étienne Ghys : Et ça s’obtient simplement par des pompes ?
Édouard Brézin : Non, par des dispositifs de liquéfaction, pas par de simples pompes à vide. Cela montre en tout cas l’importance technologique du vide, sans aucun doute.
L’effet Casimir, ou une énergie cachée dans le vide
Édouard Brézin : Je voudrais revenir à la physique moderne, née après la Seconde Guerre mondiale, à partir de 1945, et à des questions qui touchent aussi bien la physique fondamentale — la physique quantique — que l’astronomie et l’univers dans son ensemble. La physique quantique n’a rien d’intuitif : elle s’applique à l’échelle des atomes, que nous ne voyons pas, et nous n’y sommes pas habitués. Pour comprendre, il faut d’abord imaginer ce qui se passe classiquement lorsqu’on met une bille dans un bol : elle oscille un moment, puis finit par s’immobiliser au centre. Si l’on remplace la bille par un atome et le bol par un réseau d’autres atomes, comme dans un solide, ce raisonnement classique ne tient plus : on ne peut pas avoir une bille quantique simultanément immobile en un point connu. La mécanique quantique, depuis Heisenberg en 1925 et toutes les expériences qui ont suivi, montre qu’il existe des fluctuations dans la position et dans la vitesse, et qu’elles sont antagonistes : plus on limite les unes, plus les autres deviennent grandes. C’est aujourd’hui une réalité expérimentale bien établie, avec une conséquence importante : l’énergie la plus basse que peut atteindre notre bille quantique n’est jamais tout à fait nulle. Il reste une énergie résiduelle due à ces fluctuations, ce qu’on appelle l’énergie du point zéro. Un bon élève de lycée dira aussitôt : quelle importance, puisque seules comptent les variations d’énergie, le travail des forces ? Cette énergie résiduelle semblait donc n’être qu’un vice de forme — jusqu’à ce qu’un physicien néerlandais travaillant chez Philips à Eindhoven, dans l’immédiat après-guerre, Hendrik Casimir, ait une idée : prenons une enceinte métallique contenant du rayonnement. On sait, depuis Maxwell, au milieu du XIXe siècle, que le rayonnement dans une enceinte est constitué d’oscillateurs, des modes d’oscillation du champ électromagnétique — qui se comportent, eux aussi, comme la bille de tout à l’heure. Il doit donc exister, pour chacun de ces oscillateurs, une énergie de point zéro pour le champ électromagnétique dans la cavité. Là encore, le bon élève dira : quelle importance, ce n’est pas observable.
Édouard Brézin : Mais Casimir eut l’idée suivante : si l’on modifie la géométrie de l’enceinte — par exemple avec des parois qu’on peut rapprocher —, on modifie les modes d’oscillation, donc l’énergie de point zéro, donc l’énergie totale : c’est donc une force. Il prédit ainsi l’existence d’une force résiduelle entre deux plaques placées dans le vide le plus parfait qu’on puisse imaginer — une force due aux seules fluctuations du vide.
Étienne Ghys : Casimir était un pur théoricien ?
Édouard Brézin : Un pur théoricien, mais l’expérience a été reproduite rapidement et a vérifié ses prédictions. Plus près de nous, notre confrère et ami Serge Haroche et ses collaborateurs ont travaillé sur une cavité dans laquelle on peut faire entrer et sortir des photons un par un, vérifiant ainsi, dans le détail, ces prédictions sur les fluctuations du vide. Le vide est donc vide, mais il s’y passe tout de même quelque chose : il faut imaginer qu’y apparaissent sans cesse, par fluctuation quantique, des paires virtuelles d’électrons et de positrons, qui se recombinent aussitôt.
Étienne Ghys : Il y a une citation que j’aime bien, un peu mystérieuse pour moi — je crois que c’est de Dirac : le vide n’est qu’un trou dans la matière, la matière un trou dans le vide. Tu peux me l’expliquer ?
Le trou de Dirac
Édouard Brézin : C’est une histoire magnifique : c’est la matière qui, en un sens, entre dans le vide. Dirac cherche à construire une théorie de l’électron compatible à la fois avec la mécanique quantique et avec la relativité d’Einstein. Il s’aperçoit qu’elle n’est possible qu’en introduisant une particule que personne n’avait jamais observée, identique à l’électron mais de charge opposée — ce qu’on appelle aujourd’hui le positron. À l’époque, elle n’avait pas encore été découverte, et Dirac était très embarrassé, car il n’était pas d’usage d’inventer une particule — même pour Dirac. Il envisage un moment qu’il pourrait s’agir du proton, mais celui-ci est deux mille fois plus lourd : ça ne colle pas. Pour s’en sortir, il imagine ce qu’on appelle aujourd’hui la mer de Dirac : le vide serait en réalité rempli de positrons, et l’on peut parfois en extraire un, creusant un trou dans cette mer — un trou qui se manifeste comme l’émission d’un positron. C’est vertigineux : le positron est littéralement un trou dans le vide.
Étienne Ghys : Est-ce que cette vision est toujours celle d’aujourd’hui ?
Édouard Brézin : Oui, c’est tout à fait celle d’aujourd’hui.
Étienne Ghys : Le vide serait donc une sorte de soupe fluctuante, avec des positrons et…
Édouard Brézin : Et des photons virtuels — une soupe proprement invraisemblable. Toute l’électrodynamique quantique repose sur ces fluctuations du vide, et c’est tout de même la théorie qui offre le plus bel accord entre expériences détaillées et prévisions théoriques.
Étienne Ghys : Comment Pascal aurait-il réagi à tout cela ?
Édouard Brézin : Je pense qu’il en aurait été émerveillé.
La constante cosmologique d’Einstein
Édouard Brézin : Je voudrais parler maintenant de l’énergie du vide et de l’univers. Il faut remonter à 1915, l’année où Einstein formule la relativité générale, qui corrige la théorie de Newton là où il le fallait. Cherchant aussitôt une solution à ses équations pour un univers rempli de masses en interaction, il en cherche une qui ne change pas avec le temps, tant il est convaincu — comme nous le sommes tous a priori — que l’univers est immuable, qu’il a toujours été et sera toujours ce que nous voyons. Ne trouvant aucune solution stable, il se dit : dommage, je vais légèrement modifier ma théorie. Il ajoute à ses équations ce qu’on appelle une constante cosmologique. Quelques années plus tard, au début des années 1920, un astronome américain, Edwin Hubble, découvre non seulement qu’il existe d’autres galaxies que notre Voie lactée, mais que ces galaxies s’éloignent de nous d’autant plus vite qu’elles sont lointaines : c’est la découverte de l’expansion de l’univers.
Étienne Ghys : Donc elles ne s’éloignent pas seulement de nous, mais aussi les unes des autres ?
Édouard Brézin : Exactement — un peu comme dans l’image de Poincaré, celle d’une pâte à gâteau truffée de raisins qui gonfle au four : tous les raisins s’éloignent les uns des autres, sans qu’aucun ne soit un centre privilégié.
Étienne Ghys : Il avait le sens de l’image.
Édouard Brézin : Un sens merveilleux — je pense à La Science et l’Hypothèse. Einstein, lui, se frappe le front : quelle a été la plus belle erreur de ma vie, pourquoi ai-je modifié ma théorie ? Je n’avais, a priori, aucune raison de penser que l’univers était immuable. On est alors dans les années 1920, et l’on finit par oublier la constante cosmologique d’Einstein. Mais à la toute fin du siècle dernier, en 1998, des astronomes reviennent avec une découverte inattendue : non seulement l’univers est en expansion, mais cette expansion s’accélère. Et pour l’expliquer, il faut revenir à la théorie modifiée d’Einstein, et réintroduire une constante cosmologique.
Étienne Ghys : La même équation ?
Édouard Brézin : La même équation, avec le fameux lambda — la théorie s’appelle d’ailleurs aujourd’hui Lambda-CDM. Les théoriciens se demandent alors s’ils peuvent expliquer l’existence de ce lambda, cette constante cosmologique, en revenant à l’énergie du vide, puisqu’elle se couple, nous dit Einstein, à la gravitation. On calcule alors les fluctuations de l’énergie du vide pour voir ce que cela donne — et l’on tombe sur une horreur, qui va faire dire à tous les mathématiciens que les physiciens sont franchement lamentables : on trouve une constante cosmologique bien trop grande, avec un facteur d’erreur de dix puissance cent vingt. Autrement dit, nous sommes devant la plus grande crise entre théorie et réalité expérimentale de toute l’histoire des sciences, et je suis bien incapable, aujourd’hui, de te dire quelle en sera l’issue.
Étienne Ghys : Cette estimation d’un facteur dix puissance cent vingt, elle date de quand ?
Édouard Brézin : Des physiciens comme Weinberg ont commencé, à la fin du siècle dernier, à alerter sur cette crise entre l’énergie du vide et la constante cosmologique. Mais à l’époque, on n’avait pas encore mesuré l’accélération de l’expansion : on cherchait plutôt du côté d’autres particules. La supersymétrie, par exemple, permettrait d’obtenir une constante plus petite que ce facteur de dix puissance cent vingt — mais encore bien trop grande. On n’est toujours pas sorti de cette situation : il faudra sans doute inviter, dans quelques années, un jeune physicien qui aura enfin compris.
Étienne Ghys : Cela fait longtemps que nous savons que la science ne s’arrête jamais.
Édouard Brézin : C’est exactement cela. Mais rarement la crise aura été aussi flagrante.
Enseigner une physique de plus en plus complexe
Étienne Ghys : Est-ce que tu ne regrettes pas un peu cette époque merveilleuse où l’on pouvait faire de la physique avec une bouteille d’eau et un soufflet ? Aujourd’hui, il faut un milliard d’euros et un tunnel de cinquante kilomètres sous vide. Plus largement, ne regrettes-tu pas l’époque où l’on pouvait être à la fois mathématicien, physicien et philosophe ?
Édouard Brézin : Cela dépend des branches de la physique. Pour étudier les particules élémentaires, avec les cinquante kilomètres de l’anneau du CERN, il faut évidemment se regrouper par milliers pour pouvoir expérimenter : on est complètement sorti de l’ancien modèle. Il reste tout de même, à notre époque, des chercheurs qui naviguent entre théorie et expérience — je pensais tout à l’heure à Serge Haroche, à Claude Cohen-Tannoudji, ou encore à Pierre-Gilles de Gennes, qui n’est plus parmi nous : des gens qui n’ont cessé d’osciller entre les deux. Il subsiste donc une physique plus légère, où ce contact direct est resté possible.
Étienne Ghys : Est-ce que cela n’a pas des conséquences un peu négatives sur l’enseignement de la physique ? Les questions que tu évoques sont bien plus complexes qu’à l’époque où j’étais lycéen. Comment peut-on l’enseigner aujourd’hui — est-on obligé de simplifier à l’extrême, voire de mentir un peu, ou de s’en tenir aux bases ?
Édouard Brézin : J’ai enseigné pendant pas mal d’années, par exemple, la mécanique quantique, et il est clair que je ne faisais pas les mêmes expériences de cours que mes propres professeurs, quand j’étais lycéen ou même étudiant. Je crois néanmoins que, lorsqu’on prend le temps — ce qu’on n’a pas toujours — de raconter l’histoire des concepts, leurs conflits, les différentes visions qui se sont affrontées aux débuts de la physique moderne, les élèves suivent beaucoup mieux. Quand on leur explique que le modèle élémentaire de l’atome, avec un électron qui tourne autour d’un noyau positif comme une planète, ne tient pas la route — puisqu’un tel électron devrait rayonner son énergie et s’effondrer sur le noyau —, ils sont fascinés de découvrir que ce modèle simple, presque planétaire, qu’ils avaient en tête, ne peut tout simplement pas fonctionner. On y arrive, mais pas en multipliant les cours magistraux — sur ce point, je suis d’accord avec toi.
Étienne Ghys : Merci pour cette histoire, c’est une belle aventure.
