Energie du vide / création de paire

[curiossss]

Bonjour,

Le vide quantique peut on le sait créer des paires de particule/antiparticule, par exemple électron/positron qui ont une durée de vie très courte car ils vont s'attirer et s'annihiler rapidement.

Par contre le photon est sa propre antiparticule. Le vide pourrait-il créer des paires de photons comme il crée des paires de particules/antiparticules ? Dans ce cas ces photons seraient créés partout à la fois et constitueraient un fond de rayonnement. Comme le seul fond de rayonnement constaté a une énergie très basse et provient du temps du Bigbang, alors le questionnement devient : pourquoi le vide ne crée-t-il pas des paires de photons (paire pour respecter la conservation de la quantité de mouvement) ? La théorie prévoit-elle une explication ?

Peut-être que la création de paires n'est possible qu'avec des particules chargées ?

Je me rends compte que j'aurais peut-être dû créer cette discussion dans le forum 'Physique' plutôt que dans 'Discussion libres'. Désolé.
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[Deedee81]

Salut,

Non, il y a aussi des photons dans les fluctuations du vide. Et ces photons apparaissent puis disparaissent, obligatoirement. Ces photons ne peuvent exister (comme les paires e-e+) que parce que pour un court intervalle de temps l'énergie n'est pas bien définie (mais pour un long intervalle si). C'est une des formes d'une principe d'incertitude de Heisenberg : Delta T * Delta E >= h/2pi (h = cst de Planck of course)

Par contre (à cause de cet aspect laissons ici) en présence d'autres choses avec lesquels le photon ou la paire peut interragir, ça peut changer. Par exemple s'il y a un champ gravitationnel, ces particules peuvent devenir réelles et rester (aussi bien les photons que les paires) : c'est le rayonnement de Hawking (en toute rigueur c'est lié à l'horizon des événements ou à l'horizon cosmologique ou même l'horizon de Unruh).
Autre cas : un champ électrique hyper intense : il peut y avoir création de paires e+e- permanentes (enfin, qui ne disparaissent pas une fraction de seconde après je veux dire). C'est l'effet Schwinger mais jamais réalisé en labo (il faut des champs électriques bien supérieur à ce qu'on sait faire).

EDIT un tel processus peut créer des paires dans le champ électrique d'un noyau mais l'effet est un peut différent car l'énergie apportée par un photon gamma. Il s'agit plutôt d'un effet inverse de l'annihilation.

Il n'est pas exclut que ce type de phénomène ait un rôle cosmologique mais ça reste extrêmement spéculatif (par exemple dans un article que j'avais lu dans ArXiv, sur un modèle cosmologique, l'auteur ajustait les paramètres pour éviter que l'inflation ne crée par ce processus : plus de matière qu'il y en a dans l'univers mais c'est du réglage ad hoc ). Ou alors totalement inaccessible à la mesure (le rayonnement de Hawking est incroyablement faible, plus faible que l'intérêt d'un discours politique )

[invite44b0b22d]

Désolé de me mêler à la conversation je trouve le phénomène vraiment intéressant. Comment se fait il que des particules puissent se former dans le vide c’est à dire en l’absence de matière ? Je demande ça vis à vis du principe de conservation de la matière. J’ai l’impression de ce que j’ai lu qu’un système émettra un minimum d’énergie et qu’on ne peut pas atteindre le zéro absolu. Est ce que c’est parce qu’on considère que le vide est «*pollué*» par des «*résidus*» dont on ne peut pas se débarrasser expérimentalement ? Est ce lié au fait que l’univers contient de la matière et que même une zone vide finira par entrer en interaction avec des zones qui ne le sont pas ?

[Deedee81]

Salut,

C'est de la mécanique quantique. Les grandeurs qu'on mesure à notre échelle comme l'énergie, la vitesse, la position ne sont que des "approximations" macroscopiques. Plus précisément, l'état quantique d'un système physique est plus complexe que ça et une particule peut avoir (par exemple) deux positions en même temps (ou plus, en générale le "spectre" est continu) ou plusieurs énergies etc... (techniquement on parle des valeurs propres ou du spectre des opérateurs hermitiens correspondants aux observables). Tu as déjà du voir ces histoires de "fonction d"onde" avec l'électron "étalé" (orbitales) dans un atome.

Et de ce fait une grandeur comme l'énergie n'est pas nécessairement conservée. Elle l'est sur un long intervalle de temps mais pas s'il est très court : ça "fluctue". Même la masse (pour les "particules virtuelles", ces particules n'existant qu'un bref instant pendant une interaction, comme un photon échangé entre deux électrons qui se repoussent, on parle d'états "hors de la couche de masse").

De même, en physique quantique des champs (champs électromagnétique quantifié => photons, champ de Dirac quantifié => électrons positrons, champ de Klein-Gordon quantifié => mésons, etc...) les particules ne sont que des excitations des champs (un peu comme une petite secousse qui se propagerait sur une corde) et ces excitations sont quantifiées. Et donc avec les interactions le nombre de particules n'est pas fixé, des particules peuvent être créées ou annihilées lors des interactions.... même dans le vide.

Attention, ce domaine est vraiment difficile. La physique classique est celle qu'on applique à notre échelle, donc à la vie au quotidien, c'est la physique "de l'intuition" (enfin, presque, quand on voit la trajectoire débile du boulet de canon sur la Tapisserie de Bayeux )

Si je devais (c'est personnel et arbitraire) attribué un degré de complexité (théorique, mathématique, expérimental) je noterais :
physique classique : 1
Relativité (surtout générale) : 10
Physique quantique : 100
Gravité quantique : 1000
Et comme en plus l'intuition nous trompe dans ces domaines on est mal (je connais par exemple fort bien la théorie et la physique des trous noirs, et pourtant si tu savais les co....ies que j'ai déjà lâché en réfléchissant un peu "trop vite", comme disait Osgood Fielding III : Nobody's perfect )

Et la bonne vulgarisation est..... très rare (sur Futura c'est en général pas trop mal dans les discussions mais là le gros défaut c'est : trop court, un peu normal dans un forum. Et un petit risque : d'avoir plusieurs intervenants avec chacun sa manière d'expliquer : ce qui peut se compléter.... ou créer un bourbier de confusion).

Donc Prudence Petitpas nom d'un chat.

[A voir en vidéo sur Futura]

[pm42]

C'est l'effet Schwinger mais jamais réalisé en labo (il faut des champs électriques bien supérieur à ce qu'on sait faire).

On s'en approche : https://www.laserfocusworld.com/test...own-the-vacuum

[Deedee81]

On s'en approche : https://www.laserfocusworld.com/test...own-the-vacuum

C'est vrai qu'on est loin En tout cas les lasers de "très haute puissance" sont vraiment impressionnant.

Mais amha on est encore loin aussi de la limite de création "spontanée" :
https://fr.qwe.wiki/wiki/Schwinger_limit

Il manque encore pas mal d'ordres de grandeur.

[Gilgamesh]

Désolé de me mêler à la conversation je trouve le phénomène vraiment intéressant. Comment se fait il que des particules puissent se former dans le vide c’est à dire en l’absence de matière ? Je demande ça vis à vis du principe de conservation de la matière. J’ai l’impression de ce que j’ai lu qu’un système émettra un minimum d’énergie et qu’on ne peut pas atteindre le zéro absolu. Est ce que c’est parce qu’on considère que le vide est «*pollué*» par des «*résidus*» dont on ne peut pas se débarrasser expérimentalement ? Est ce lié au fait que l’univers contient de la matière et que même une zone vide finira par entrer en interaction avec des zones qui ne le sont pas ?

En complément de la réponse de DD, ce que ça implique en profondeur c'est que le vide n'est pas l'absence de particule mais l'état de repos des champs. Plutôt que de voir des électrons comme des corpuscules individuelle et indépendantes, il vaut mieux se représente l'Electron, un champ qui remplit tout l'univers, et dont les états d'excitation sont appelés électrons, des particules. Même si ce vocable d'Electron (une entité unique avec sa majuscule) n'est pas du tout en usage, c'est ce concept qui fonde la théorie quantique des champs.

[Deedee81]

Pour approfondir (enfin, "commencer à...") une discussion pas récente :
https://forums.futura-sciences.com/p...uantiques.html
(mais sur ça il y en a eut pleins, y compris des plus récentes)

[curiossss]

Bonsoir,

Est-ce que l'énergie du vide serait proportionnelle à la courbure de l'espace ? (donc plus élevée près d'un trou noir ?)

[Gilgamesh]

Bonsoir,

Est-ce que l'énergie du vide serait proportionnelle à la courbure de l'espace ? (donc plus élevée près d'un trou noir ?)

Ben là ça va dépendre de l'observateur. S'il est en chute libre, non. S'il observe ça de loin, il verra ce vide excité (--> rayonnement de Hawking).

[curiossss]

Merci Gilgamesh.

Etant donné que présence de matière impliquerait champ gravitationnel plus intense, alors l'intensité de l'énergie du vide pourrait suivre la distribution spatiale de l'intensité des champs gravitationnels dans l'univers ?

Question qui vient aussitôt à l'esprit :
La dilatation de l'espace se ferait préférentiellement là où l'énergie du vide est la plus faible ? Si oui on devrait pouvoir le détecter : le redshift serait plus ou moins intense suivant que le parcours des photons ait traversé ou pas des champs gravitationnels faibles => on devrait trouver des cas de galaxies ayant un âge calculé peu compatible avec leur composition métallique (étoiles de seconde génération) (je crois bien que des anomalies ont déjà été trouvées) => faire la liste des anomalies et voir ensuite s'il y a corrélation entre la déviation du redshift (par rapport à la composition des étoiles) avec les zones d'espace traversées...
Et dire qu'il y a des scientifiques payés pour faire ça, moi je le ferais gratuitement ! (ohé c'est un appel du pied ça !)

Par la même occasion on pourrait confronter toutes les hypothèses : redshift dû à la dilatation de l'espace, à la fatigue de la lumière (et si oui quelles rencontres ont pu la fatiguer), et autres hypothèses s'il y en a. SI aucune hypothèse ne satisfait, on alors on aurait quand même un puissant critère de validation pour toute théorie nouvelle à construire pour expliquer le redshift. Dans tous les cas de figure cette étude n'aurait pas été du temps perdu.

C'était le quart d'heure Spéculations.

[Gilgamesh]

Merci Gilgamesh.

Etant donné que présence de matière impliquerait champ gravitationnel plus intense, alors l'intensité de l'énergie du vide pourrait suivre la distribution spatiale de l'intensité des champs gravitationnels dans l'univers ?

Question qui vient aussitôt à l'esprit :
La dilatation de l'espace se ferait préférentiellement là où l'énergie du vide est la plus faible ? Si oui on devrait pouvoir le détecter : le redshift serait plus ou moins intense suivant que le parcours des photons ait traversé ou pas des champs gravitationnels faibles => on devrait trouver des cas de galaxies ayant un âge calculé peu compatible avec leur composition métallique (étoiles de seconde génération) (je crois bien que des anomalies ont déjà été trouvées) => faire la liste des anomalies et voir ensuite s'il y a corrélation entre la déviation du redshift (par rapport à la composition des étoiles) avec les zones d'espace traversées...
Et dire qu'il y a des scientifiques payés pour faire ça, moi je le ferais gratuitement ! (ohé c'est un appel du pied ça !)

Par la même occasion on pourrait confronter toutes les hypothèses : redshift dû à la dilatation de l'espace, à la fatigue de la lumière (et si oui quelles rencontres ont pu la fatiguer), et autres hypothèses s'il y en a. SI aucune hypothèse ne satisfait, on alors on aurait quand même un puissant critère de validation pour toute théorie nouvelle à construire pour expliquer le redshift. Dans tous les cas de figure cette étude n'aurait pas été du temps perdu.

C'était le quart d'heure Spéculations.

Ok, en fait on mélange deux trucs.

La densité d'énergie du vide c'est une densité ρ positive et une pression P négative. P = -ρ. C'est équivalent à une cte cosmologique => gravité répulsive. Plus ρ est élevé, plus l'expansion l'est également. La dilatation de l'espace se ferait préférentiellement là où l'énergie du vide est la plus *forte*.

Si on met un fort gradient de gravité, ça ne change PAS le niveau d'énergie du vide (son niveau de base) mais ça l'excite donc il produit des particules réelles (pour l'observateur extérieur, ce n'est plus vide). La pression de rayonnement P est positive, elle gravite positivement. L'effet est inverse.

Le vide a le même état de base partout dans l'univers (c'est équivalent de dire que les lois de la Physique sont les même partout, dans cet univers ci).

Par contre l'univers est bosselé de champs de gravité à toutes les échelles. Cela est détectable sur le redshift des rayonnements qui traversent ces puits de gravité, à l'échelle des grandes structures : effet Sachs-Wolfe et Sachs-Wolfe intégré.

[Garion]

un tel processus peut créer des paires dans le champ électrique d'un noyau mais l'effet est un peut différent car l'énergie apportée par un photon gamma. Il s'agit plutôt d'un effet inverse de l'annihilation.

Salut,

Par noyau, tu veux parler du noyau d'un atome ?
Que se passe t'il si une particule/anti-particule rencontre un noyau ?
Merci d'avance pour la réponse.

[Deedee81]

Salut,

Par noyau, tu veux parler du noyau d'un atome ?

Oui.

Que se passe t'il si une particule/anti-particule rencontre un noyau ?

Soit une diffusion, soit une interaction nucléaire. Par exemple on utilise couramment des électrons très haute énergie pour sonder l'intérieur des noyaux, la diffusion dépendant de la répartition de charge électrique dans le noyau. A énergie encore plus élevée on peut bien sûr avoir une collision qui crée pleins de particules. Mais à plus basse énergie on peut avoir divers résultats qui dépendent du noyau, certains noyaux pouvant se transformer par réaction bêta ou bêta inverse ou par capture électronique, un électron ou un positron à faible énergie peut être du pain béni pour le noyau qui n'attend que ça Mais pour la plupart des noyau (après avoir enlevé les électrons périphériques qui font obstacles) on aura une simple diffusion de l'électron ou du positron à basse énergie voire éventuellement une capture de l'électron qui va émettre quelques photons et se placer sur l'orbite de base 1S.

Est-ce que l'énergie du vide serait proportionnelle à la courbure de l'espace ? (donc plus élevée près d'un trou noir ?)

En dehors des explications de Gilgamesh, j'aimerais donner une réponse dans le cadre de la théorie quantique des champs en espace-temps courbe (la théorie du rayonnement de Hawking tout ça). Le vide est quelque chose de mal défini dans ce contexte (voir ce qu'en dit Gilgamesh) mais on peut calculer le tenseur énergie-impulsion de l'état du vide une fois un observateur bien défini. Toutefois, cela donne une grandeur nécessitant renormalisation. Le résultat est équivalent à la théorie quantique des champs avec graviton à une boucle. Et il faut deux paramètres (totalement inconnus) pour avoir la valeur qui est donc a priori quelconque.

Ce calcul est dans le livre Quantum Field theory in curved spacetime de Birel et Davies.

Donc à vrai dire pour répondre à cette question il faudra certainement aller plus loin, du côté de la gravité quantique. On n'est donc pas sorti de l'auberge Espagnole. Et en tout cas la réponse est loin d'être aussi simple qu'une proportionnalité à la courbure.... laquelle d'ailleurs ? (le tenseur de courbure de Riemann à quatre dimensions a 20 paramètres indépendants !!!!)

[Garion]

Mais à plus basse énergie on peut avoir divers résultats qui dépendent du noyau, certains noyaux pouvant se transformer par réaction bêta ou bêta inverse ou par capture électronique, un électron ou un positron à faible énergie peut être du pain béni pour le noyau qui n'attend que ça

Merci pour la réponse.
Cela veut dire que la radioactivité pourrait être provoquée par la collision d'un noyau avec un élément d'une paire ?
Cela peut être généralisé à toute la radioactivité ?

[Deedee81]

Salut,

Cela veut dire que la radioactivité pourrait être provoquée par la collision d'un noyau avec un élément d'une paire ?
Cela peut être généralisé à toute la radioactivité ?

Les réactions possibles sont extrêmement complexes mais oui ça pourrait arriver. Un exemple : un électron percute un noyau avec énormément d'énergie : ça peut mettre les protons/neutrons en état excité. Puis quand ils vont retomber dans leur état de base, hop, rayonnement gamma. En excitant les nucléons cela pourrait provoquer aussi un rayonnement alpha qui n'aurait autrement pas pu se produire ou qui aurait pris beaucoup plus de temps. Par contre je vois mal comment cela pourrait provoquer plus rapidement une émission gamma qui doit se produire. Et attention, faut pas rêver, ça ne permettrait pas de rendre la matière moins radioactive car à ce niveau d'énergie il va y avoir toutes sortes d'interactions violentes avec le noyau et apparition de radioactivité induite. Ca me rappelle un truc que j'ai souvent pensé : en mécanique quantique, si ça peut se produire (respect des lois de conservation), alors cela se produit (mais avec des probabilités variables souvent très difficiles à calculer).
https://fr.wikipedia.org/wiki/Radioa...%C3%A9_induite
(dans les environnement nucléaires celle-ci est plutôt due à des neutrons lent, dit thermiques, qui, étant neutres, s'approchent et fusionnent facilement avec les noyaux, donnant des isotopes radioactifs).

EDIT il me semble avoir lu l'étude de procédé du style pour "cuire" (avec des neutrons, des ions, etc...) les isotopes et arriver au final à des isotopes plus léger qui ont la bonté d'être radioactif beaucoup moins longtemps que certains isotopes lourds. Mais là faudrait déplacer en physique (plutôt qu'en astrophysique) pour choper des participants spécialistes en physique nucléaire (il y en a quelques uns), moi j'ai plutôt des connaissances générales.

[Garion]

Merci pour la réponse

[Garion]

En fait, j'ai dit merci, mais je ne suis pas totalement satisfait par la réponse.
Si j'ai bien compris ce que tu dis, cela voudrait dire qu'une petite partie de la désintégration des atomes pourrait venir de ce phénomène de collision.
Du coup, je me pose la question sur la fameuse demi-vie des atomes. Pourquoi serait-ce si régulier malgré ce phénomène ?
Est-ce que des chercheurs ont imaginé que la désintégration spontanée des atomes pourraient venir uniquement de ce phénomène ?
Il y a des hypothèses crédibles là-dessus ?
Merci d'avance.

[Deedee81]

Salut,

Si j'ai bien compris ce que tu dis, cela voudrait dire qu'une petite partie de la désintégration des atomes pourrait venir de ce phénomène de collision.

Oui mais il faut des collisions de très haute énergie. Ca n'arrive donc jamais sur Terre, sauf de manière artificielle (neutrons venant de la fission ou de la fusion, grands accélérateurs de particules). Par contre dans l'espace c'est courant là où il y des phénomènes différents ou des vents de particules stellaires.
Voir cet exemple : https://fr.wikipedia.org/wiki/Spallation (qui est indispensable quand on étudie l'abondance des éléments dans la nature)

Du coup, je me pose la question sur la fameuse demi-vie des atomes. Pourquoi serait-ce si régulier malgré ce phénomène ?

C'est évidemment régulier en l'absence d'une telle collision !

Est-ce que des chercheurs ont imaginé que la désintégration spontanée des atomes pourraient venir uniquement de ce phénomène ?
Il y a des hypothèses crédibles là-dessus ?

Pas à ma connaissance. Mais ça me semble effectivement très peu plausible car :
- Comme dit plus haut dans des conditions naturelles sur terre, il n'y a pas beaucoup de particules capable de provoquer ça : très peu de neutrons (même à basse énergie ils foutent le bordel, c'est comme ça que marche une réaction en chaine d'ailleurs) heureusement pour nous (c'est certainement le rayonnement le plus nocif de tous) et peu de particules de haute énergie. L'exception est donné par les rayons cosmiques mais peu nombreux au niveau du sol (à nouveau heureusement) mais dont on doit éventuellement tenir compte dans des expériences sensibles (pour éviter de confondre le processus nucléaire étudié avec un impact d'une telle particule). Soit en tenant compte de ces cas dans les calculs statistiques soit en enterrant les installation (comme pour les neutrinos dont les interactions sont trop rares, il faut isoler sinon les résultats seraient noyés dans le "bruit" cosmique).
Quelques chiffres ici : https://fr.wikipedia.org/wiki/Rayonnement_cosmique
- Ensuite comme tu l'as dit c'est extraordinairement régulier. C'est un processus poissonien typique (pour une désintégration élémentaire, ça se complique un chouillat dans les chaînes de désintégration ou quand il y a plusieurs modes de désintégration de demi-vie pas trop différents mais bon ça reste des calculs stat assez classiques). Or des impacts avec des particules n'auraient rien de régulier, dépendraient des conditions environnementales et donneraient plutôt un processus gaussien ou proche.
- Enfin, on sait calculer ces processus et ça colle assez bien. Même si on sait que les calculs sont extrêmement difficiles (l'interaction nucléaire est une sale bestiole et il faut tenir compte des interactions faibles et électromagnétiques). Les modèles nucléaires sont malgré tout maintenant fort sophistiqués et d'une très bonne précision surtout pour les noyaux pas trop excités. Et le "sondage" des noyaux par toutes sortes de moyens donnent des chiffres très précis pour alimenter ces modèles. Il y a des bases de données énormes sur le sujet.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Structure_nucl%C3%A9aire
https://fr.wikipedia.org/wiki/Mod%C3%A8le_en_couches
Je ne vais jamais dans les BD mais certaines très complètes sont en accès libres. On a des spécialistes du nucléaire sur Futura mais je ne sais pas s'ils passent dans ce forum.

Typiquement le processus consiste en un puits de potentiel, la particule émise (alpha, bêta) n'ayant pas assez d'énergie pour quitter le puits et le traverse par effet tunnel. Cela explique même la disparité des demi-vies allant de milliardièmes de seconde à des milliards d'années (la probabilité dépend exponentiellement de l'épaisseur de la barrière de potentiel). L'émission gamma elle est analogue à l'émission de lumière par les électrons sauf qu'ici ce sont les nucléons qui sont dans des états excités bien sûr.

Avec une telle variété de phénomènes physiques impliqués, ce serait absolument incroyable si des particules extérieures arrivant de manières erratiques donnaient les mêmes résultats que les processus connus (et il faudrait expliquer pourquoi les processus connus ne donnent rien).

Une exception, ce n'est pas une collision mais il y a le processus de désintégration par capture électronique.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Capture_%C3%A9lectronique
(exemple le potassium 40)
Des ions sans électrons ne risquent pas de se désintégrer par ce processus Mais dans la matière ordinaire ça ne manque pas. Les électrons 1S (proches du noyau) en font les frais.

Notons qu'il reste des trucs mal compris. Un exemple : la désintégration bêta est la désintégration du neutron. Lorsqu'il est libre (donc sans le puits de potentiel évoqué) sa demi-vie est de 880 s. Or il y a une anomalie : selon qu'on utilise la méthode de la bouteille (on enferme les neutrons dans une cavité) ou la méthode du transit (on les fait passer dans un tube) on a des résultats différents. Les mesures étant très délicates (les neutrons sont des salles bêtes car ils sont... neutres.... ils ont tendance à traverser n'importe quoi et sont difficiles à détecter) on n'a pas encore pu trouver la cause (erreur systématique mal comprise ? Effet physique inconnu ?)
https://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A...r_temps_de_vol

Mais les différences entre ces deux résultats est malgré tout très faible. Ca cache quelque chose (forcément) mais pas n'importe quoi évidemment. C'est pas comme si on obtenait 800 et 900 s (ici l'écart est d'environ six secondes).

Moi je dis tant mieux la recherche continue. Si on savait tout, qu'est que ce serait casse bonbon.

[Garion]

Merci pour la réponse.