Selon la mécanique quantique, le vide n’est pas vide du tout. Il est en fait rempli d’énergie quantique et de particules qui entrent et sortent de l’existence pendant un instant fugace – des signaux étranges connus sous le nom de fluctuations quantiques.
Pendant des décennies, il n’y a eu que des preuves indirectes de ces fluctuations, mais en 2015, des chercheurs ont affirmé avoir détecté directement les fluctuations théoriques. Aujourd’hui, la même équipe affirme avoir franchi une étape supplémentaire en manipulant le vide lui-même et en détectant les modifications de ces signaux étranges dans le vide.
Nous entrons ici dans le domaine de la physique de haut niveau, mais ce qui est vraiment important dans cette expérience, c’est que, si ces résultats sont confirmés, les chercheurs pourraient avoir trouvé un moyen d’observer, de sonder et de tester le domaine quantique sans interférer avec lui.
C’est important, car l’un des plus gros problèmes de la mécanique quantique – et de notre compréhension de celle-ci – est que chaque fois que nous mesurons et observons un système quantique, nous le détruisons, ce qui n’est pas de bon augure lorsque nous voulons comprendre ce qui se passe réellement dans le monde quantique.
C’est là que le vide quantique entre en jeu.
Tout d’abord, imaginons le vide de manière classique : un espace entièrement dépourvu de matière, avec l’énergie la plus faible possible. Il n’y a pas de particules, et rien qui puisse interférer avec la physique pure.
Mais un sous-produit de l’un des principes les plus fondamentaux de la mécanique quantique, le principe d’incertitude d’Heisenberg, stipule qu’il y a une limite à ce que nous pouvons savoir sur les particules quantiques. Par conséquent, le vide n’est pas vide, il bourdonne en fait de sa propre énergie étrange et est rempli de paires de particules et d’antiparticules qui apparaissent et disparaissent aléatoirement.
Ces paires de particules ressemblent davantage à des particules “virtuelles” qu’à de la matière physique, de sorte qu’il est normalement impossible de les détecter. Mais bien qu’elles soient invisibles, comme la plupart des choses dans le monde quantique, elles influencent subtilement le monde réel.
Ces fluctuations quantiques produisent des champs électriques à fluctuation aléatoire qui peuvent affecter les électrons. C’est ainsi que les scientifiques ont démontré indirectement leur présence pour la première fois dans les années 1940.
Pendant des décennies, c’est tout ce que nous avions à faire.
Puis, en 2015, une équipe dirigée par Alfred Leitenstorfer de l’université de Constance, en Allemagne, a affirmé avoir directement détecté ces fluctuations, en observant leur influence sur une onde lumineuse. Les résultats ont été publiés dans Science.
Pour ce faire, ils ont envoyé une impulsion laser très courte – d’une durée de quelques femtosecondes seulement, soit un millionième de milliardième de seconde – dans le vide et ont pu observer de subtils changements dans la polarisation de la lumière. Ils ont déclaré que ces changements étaient causés directement par les fluctuations quantiques.
Cette affirmation fait encore l’objet de débats, mais les chercheurs ont poussé leur expérience plus loin en “comprimant” le vide et affirment avoir pu observer les étranges changements dans les fluctuations quantiques.
Il ne s’agit pas seulement d’une nouvelle preuve de l’existence de ces fluctuations quantiques, mais aussi d’un moyen d’observer des expériences dans le monde quantique sans en altérer les résultats, ce qui détruirait normalement l’état quantique.
“Nous pouvons analyser les états quantiques sans les modifier en première approximation”, a déclaré M. Leitenstorfer.
Habituellement, lorsque vous recherchez les effets des fluctuations quantiques sur une seule particule de lumière, vous devez détecter cette particule de lumière ou l’amplifier afin de voir l’effet, ce qui supprimerait la “signature quantique” laissée sur ce photon, ce qui est similaire à ce que l’équipe a fait dans l’expérience de 2015.
Cette fois, au lieu de regarder les changements dans les fluctuations quantiques en absorbant et en amplifiant les photons de lumière, l’équipe a étudié la lumière sur le domaine temporel.
Cela semble bizarre, mais dans le vide, l’espace et le temps se comportent de la même manière, il est donc possible d’examiner l’un pour en apprendre davantage sur l’autre.
En procédant ainsi, l’équipe a constaté que lorsqu’elle “comprimait” le vide, cela fonctionnait un peu comme si l’on comprimait un ballon de baudruche et redistribuait les étranges fluctuations quantiques en son sein.
À certains endroits, les fluctuations sont devenues beaucoup plus fortes que le “bruit” de fond d’un vide non comprimé, tandis qu’à d’autres endroits, elles étaient plus silencieuses.
Leitenstorfer compare ce phénomène à un embouteillage : lorsqu’il y a un goulot d’étranglement derrière lequel les voitures s’accumulent, devant ce point, la densité des voitures diminue à nouveau.
La même chose se produit dans le vide, dans une certaine mesure : lorsque le vide se resserre à un endroit, la distribution des fluctuations quantiques change, et celles-ci peuvent s’accélérer ou se ralentir en conséquence.
Cet effet peut être mesuré dans le domaine temporel, comme vous pouvez le voir ci-dessous dans l’espace-temps. La bosse au milieu représente la “compression” dans le vide :
Comme vous pouvez le voir, en raison de la compression, il y a des fluctuations dans les fluctuations.
Mais il se passe aussi quelque chose d’étrange : à certains endroits, les fluctuations semblent passer sous le niveau de bruit de fond, qui est inférieur à l’état fondamental de l’espace vide, ce que les scientifiques appellent un “phénomène étonnant “.
“Comme la nouvelle technique de mesure ne doit ni absorber les photons à mesurer ni les amplifier, il est possible de détecter directement le bruit de fond électromagnétique du vide et donc aussi les écarts contrôlés par rapport à cet état fondamental, créés par les chercheurs”, explique un communiqué de presse.
L’équipe teste à présent la précision de sa technique et les enseignements qu’elle peut en tirer.
Même si les résultats obtenus jusqu’à présent sont impressionnants, il est toujours possible que l’équipe n’ait réalisé qu’une mesure dite faible – un type de mesure qui ne perturbe pas l’état quantique, mais qui ne renseigne pas beaucoup les chercheurs sur un système quantique.
Si cette technique leur permet d’en apprendre davantage, ils veulent continuer à l’utiliser pour sonder “l’état quantique de la lumière”, c’est-à-dire le comportement invisible de la lumière au niveau quantique que nous commençons tout juste à comprendre.
Des vérifications supplémentaires sont nécessaires pour reproduire les résultats de l’équipe et montrer que leur expérience fonctionne réellement. Mais il s’agit d’une première étape plutôt cool.
Les recherches ont été publiées dans la revue Nature.