Les
particules virtuelles
En plus des
constituants de la matière, les fermions, et des particules qui
transmettent les forces, les bosons, il nous faut encore faire
connaissance avec un autre type de particule pour comprendre les phénomènes qui
se sont produit pendant le Big Bang : les particules virtuelles.
Le principe
d’incertitude appliqué à l’énergie
Les particules
virtuelles sont une conséquence du principe d’incertitude de la mécanique
quantique (pour plus de détails sur ce principe, voir la page d’introduction
sur les naines blanches).
Dans sa forme première,
le principe d’incertitude, énonce que la position et la vitesse d’une particule
ne peuvent pas être mesurées simultanément avec une précision arbitraire. Plus
on essaye de déterminer précisément la position de particule, plus
l’incertitude sur sa vitesse sera grande et vice versa.
Un principe
similaire s’applique à l’énergie et au temps : pour qu’une particule puisse
rester à un niveau d’énergie bien précis, il faut qu’elle reste dans cet état
pendant un temps assez long (à l’échelle microscopique). Si l’on réduit le
temps passé par la particule dans cet état, l’incertitude sur l’énergie de la
particule augmente automatiquement. Comme dans le cas de la position et de la
vitesse, il ne s’agit pas d’un problème technologique de mesure, mais d’une
propriété intime de la matière.
Ce principe a de
grandes conséquences sur toute la physique microscopique. Si l’énergie est
soumise à une incertitude, cela signifie qu’elle n’est pas fixée de manière rigoureuse,
contrairement à ce que la physique classique énonce. Plus important encore, de
l’énergie peut apparaître ou disparaître à partir de rien à condition toutefois
que le phénomène se produise pendant un temps bien limité déterminé par le
principe d’incertitude.
Les particules
virtuelles
Cette possibilité
de création d’énergie devient particulièrement intéressante car, d’après la relativité restreinte d’Albert Einstein,
l’énergie est équivalente à la masse. La mécanique quantique nous apprend donc
que de la masse peut apparaître à partir de rien, exister pendant une durée
très brève, puis disparaître. On peut par exemple calculer qu’un électron peut
surgir du néant, vivre pendant environ 10-21 seconde, avant de
disparaitre.
Notons que si
l’énergie peut souffrir d’incertitude, ce n’est pas le cas de la charge
électrique. Ainsi, lorsqu’un électron apparaît temporairement à partir de rien,
il doit nécessairement être accompagné d’un antiélectron pour que la charge
totale de l’ensemble reste constante et nulle.
Les particules
qui apparaissent et disparaissent ainsi ont une durée de vie très brève. Elles
ne sont pas observables directement et on les qualifie donc de particules
virtuelles. Leur présence peut néanmoins être détectée par des effets indirects
qu’elles induisent sur les particules ordinaires.
Ainsi, par
exemple, un électron n’est jamais isolé dans l’espace. Il est en réalité entouré
d’un nuage de particules et d’antiparticules virtuelles qui vont légèrement
affecter certaines de ses propriétés. Ce phénomène a été vérifié puisque
quelques caractéristiques de l’électron ne se comprennent que si l’on fait
appel à l’influence de ce nuage.
Un vide qui n’est
pas vide
Cette possibilité
de création et de disparition de matière change profondément notre vision du
monde microscopique. La notion de vide en est tout particulièrement affectée.
En effet, le principe d’incertitude implique que même le vide le plus absolu
est en fait peuplé d’une myriade de particules et d’antiparticules virtuelles.
Le vide, au sens où on l’entend d’habitude, c’est-à-dire l’absence de toute
matière, n’existe pas.
Même dans les
premières phases du Big Bang, lorsque la matière ordinaire n’existait pas
encore, l’Univers était agité d’une succession frénétique de créations et de
disparitions de particules de tous les types et c’est d’ailleurs grâce à cette
agitation que la matière ordinaire put faire son apparition.
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