Le vaste vide de l’espace-temps pourrait ne pas être vide du tout. En fait, la physique de pointe suggère qu’il fourmille d’une quantité incommensurable, voire infinie, d’énergie. Ce concept, connu sous le nom d’énergie du vide, découle de certaines des théories les plus profondes de la science moderne. Cependant, malgré son abondance théorique, la perspective d’exploiter cette énergie pour des applications pratiques reste un défi persistant.
Comprendre l’énergie du vide
La notion d’énergie du vide émerge de la théorie quantique des champs, un cadre sophistiqué qui synthétise la mécanique quantique avec la théorie de la relativité restreinte d’Einstein. Dans cette construction théorique, ce que nous percevons communément comme des particules est mieux compris comme des excitations ou des perturbations localisées au sein de champs quantiques omniprésents qui s’étendent sur l’intégralité de l’espace et du temps. L’entité fondamentale est le champ lui-même, les particules étant des manifestations transitoires de son énergie.
Ces champs quantiques possèdent des énergies inhérentes à chaque point de l’espace. Par conséquent, tout volume fini d’espace, aussi petit soit-il ou apparemment dépourvu de matière, contient théoriquement un nombre infini de points géométriques, chacun associé à de l’énergie. Cela implique une quantité infinie d’énergie dans ce volume. Ce phénomène persiste même lorsque ces champs sont dans leur configuration d’énergie la plus basse possible, appelée état de point zéro ou état fondamental. La mécanique quantique dicte que même ce minimum fondamental, dépourvu d’énergie externe, porte intrinsèquement de l’énergie en raison de sa nature probabiliste, contribuant à cette densité d’énergie théoriquement infinie.
L’impossibilité d’extraction
Malgré l’infinitude théorique de l’énergie du vide, elle ne peut être pratiquement extraite ou convertie en travail utilisable. La raison fondamentale réside dans sa nature: elle représente l’état d’énergie le plus bas possible pour l’univers. Pour accomplir un travail, l’énergie doit être transférée d’un état supérieur à un état inférieur, ou d’un système vers son environnement. Si l’énergie du vide est déjà le « fond » ultime, il n’y a pas d’état inférieur vers lequel elle pourrait transiter, et elle ne peut pas non plus être « extraite » et dirigée, comme on tirerait d’une source déjà épuisée. C’est comparable à une tentative de tirer de l’eau du fond d’un puits complètement asséché; il ne reste simplement rien à donner ou à transférer.
Particules virtuelles et principe d’incertitude de Heisenberg
Une autre perspective sur l’énergie du vide, pleinement compatible avec la théorie quantique des champs, implique le principe d’incertitude de Heisenberg. Ce principe fondamental de la mécanique quantique stipule que certaines paires de propriétés d’une particule, telles que son énergie et la durée de son existence, ne peuvent être connues avec une précision parfaite simultanément. Cela implique que même dans l’état fondamental de l’univers, des particules peuvent apparaître momentanément en un éclair. Ce sont ce qu’on appelle les particules virtuelles, qui « empruntent » temporairement de l’énergie au vide, à condition qu’elles disparaissent assez rapidement pour restituer cette énergie.
De manière cruciale, ces particules virtuelles ne peuvent être isolées ou rendues permanentes. Ce faisant, cela violerait fondamentalement le principe d’incertitude de Heisenberg, car cela constituerait un retrait permanent d’énergie de l’état fondamental sans qu’elle soit restituée. Ces particules virtuelles éphémères sont simplement des manifestations des énergies intrinsèques des champs quantiques qui imprègnent l’espace-temps, une partie intégrante de l’état de fond du vide.
En fin de compte, l’énergie du vide, quelle que soit sa valeur théorique précise, sert de toile de fond fondamentale sur laquelle tous les processus physiques se déroulent. Tout comme on ne peut pas descendre sous le rez-de-chaussée d’un bâtiment sans sous-sol, il est impossible d’atteindre un état énergétique inférieur à l’état fondamental de l’univers. Cela signifie qu’il n’y a aucune différence de potentiel à exploiter, aucune énergie disponible à extraire, et par conséquent, aucune méthode pour l’exploiter à des fins utiles. Tout travail accompli dans l’univers doit, par nécessité, reposer sur des sources d’énergie et des transformations conventionnelles.