Le vide est généralement un bon isolant en ce qui concerne la physique ordinaire dite aussi macroscopique. Cependant, en physique quantique, ce n’est plus le cas. Depuis longtemps, des expériences ont montré que de la chaleur pouvait être transmise entre deux objets placés dans un espace totalement vide et n’ayant aucun contact entre eux.
Pour expliquer cette étrangeté, des physiciens ont montré que des fluctuations quantique du vide permettaient des échanges de chaleur entre deux objets placés dans une aire entièrement vide.
Mais que sont les fluctuations quantiques du vide ? En théorie quantique des champs, ces échanges de chaleur ne correspondent pas à une création d’énergie. Ils ne sont qu’une très brève variation locale du niveau d’énergie du champ. Cela n’entre donc pas en contradiction avec le principe de conservation de l’énergie. En d’autres mots, pendant un laps de temps très court, de l’énergie est empruntée et restituée au vide.
L’énergie du vide est donc animée de fluctuations quantiques permanentes.
Mais ce n’est pas tout. Les fluctuations d’énergie du vide peuvent correspondre à l’existence de particules massives. En effet, en théorie quantique des champs, les fluctuations quantiques donnent lieu à l’apparition spontanée de paires particule-antiparticule virtuelles qui disparaissent presque aussitôt en s’annihilant. Ces particules sont dites « virtuelles » car leur durée de vie est extrêmement brève. Le vide quantique est donc animé de paires de particules virtuelles apparaissant et disparaissant continuellement.
Si les mathématiques prédisent rigoureusement l’existence des fluctuations quantiques, qu’en est-il de leur réalité physique ? Les fluctuations quantiques émergent à l’échelle microscopique et sont quasiment instantanées, elles ne sont donc pas directement observables. Cependant, leurs effets sont quant à eux mesurables. Il existe actuellement deux importantes preuves expérimentales de l’existence des fluctuations du vide : l’effet Casimir et le décalage de Lamb.
L’effet Casimir
En 1948, le physicien Hendrik Casimir postule l’existence d’un effet d’attraction entre deux plaques parallèles conductrices (deux miroirs par exemple). Pour cela, il démontre, grâce à la théorie quantique des champs, que les fluctuations quantiques du vide exercent une pression de radiation (pression exercée sur une surface par un rayonnement électromagnétique) sur l’extérieur des deux plaques qui tendent ainsi à se rapprocher.
Les plaques sont ainsi attirées sous l’effet d’une force, baptisée « force de Casimir », inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Une première preuve expérimentale de l’effet Casimir est réalisée en 1997.
Plus précisément, ce sont les fluctuations quantiques du champ électromagnétique qui sont à l’œuvre dans ce phénomène. Comme expliqué plus haut, les fluctuations correspondent à des particules virtuelles. Dans le cas du champ électromagnétique, il s’agit donc de photons virtuels caractérisés par leur longueur d’onde. Entres les deux plaques conductrices, seuls les photons dont la longueur d’onde est inférieure à la distance séparant les deux plaques peuvent exister.
Dès lors, la somme des photons virtuels entre les deux plaques est nécessairement inférieure à la somme des photons virtuels à l’extérieur des plaques (qui, eux, n’ont aucune contrainte de longueur d’onde pour exister). Les photons virtuels extérieurs étant plus nombreux, ils exercent une pression de radiation externe supérieure à la pression interne, créant ainsi une force rapprochant les deux plaques.
Le décalage de Lamb
En 1947, les physiciens Willis Eugene Lamb et Robert Retherford, en étudiant le spectre micro-onde de l’atome d’hydrogène, remarquèrent un écart d’énergie entre les deux niveaux de l’atome d’hydrogène. Or, selon le modèle quantique de l’électron et l’équation de Dirac, ces deux niveaux devraient normalement posséder la même énergie. Il faut cependant attendre la fin des années 1940 pour que le physicien Hans Bethe fournisse la première explication théorique au moyen des fluctuations quantiques du vide.
De nouveau, ce sont les fluctuations quantiques du champ électromagnétique qui sont à l’œuvre dans le décalage de Lamb. Autour du noyau atomique, le vide fluctue en permanence, donnant naissance à des paires d’électrons-positrons virtuels. L’électron de l’atome d’hydrogène interagit ainsi un très court instant avec les positrons virtuels. Cette interaction provoque alors une très légère modification de l’orbite de l’électron, entraînant finalement un écart d’énergie entre les deux niveaux de l’atome.rs.
Référence
Tranfer in phonon heat across a vacuum through quantum fluctuation
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1800-4R
Published online: 11 December 2019
Transfer in solids is typically conducted through either electrons or atomic vibrations known as phonons. In a vacuum, heat has long been thought to be transferred by radiation but not by phonons because of the lack of a medium.
Recent theory, however, has predicted that quantum fluctuations of electromagnetic fields could induce phonon coupling across a vacuum and thereby facilitate heat transfer. Revealing this unique quantum effect experimentally would bring fundamental insights to quantum thermodynamics and practical implications to thermal management in nanometre-scale technologies.
Here we experimentally demonstrate heat transfer induced by quantum fluctuations between two objects separated by a vacuum gap. We use nanomechanical systems to realize strong phonon coupling through vacuum fluctuations, and observe the exchange of thermal energy between individual phonon modes. The experimental observation agrees well with our theoretical calculations and is unambiguously distinguished from other effects such as near-field radiation and electrostatic interaction. Our discovery of phonon transport through quantum fluctuations represents a previously unknown mechanism of heat transfer in addition to the conventional conduction convection and radiation. It paves the way for the exploitation of quantum vacuum in energy transport at the nanoscale.
https://www.newscientist.com/article/2226783-heat-can-quantum-leap-across-a-totally-empty-vacuum/
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