Vide - Définition

Introduction

Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.

Une des difficultés des missions spatiales est d'offrir aux astronautes des combinaisons réellement protectrices et étanches. Dégradation et trou dans les gants de l'astronaute Rick Mastracchio, suite à son intervention hors de la navette spatiale (Mission STS-118).

Au quotidien

Dans le sens commun, lorsque l'on dit qu'un contenant est vide, il est en fait rempli d'air. Un verre vide, une bouteille vide, un carton vide… contiennent en fait environ 2·10¹⁵ molécules par millimètre cube. Un vide très poussé, un milliardième de l'atmosphère par exemple, laisse encore plusieurs millions de molécules par millimètre cube.

En physique

Définition

En physique, le vide est un concept qui recèle des propriétés tout à fait surprenantes et néanmoins fondamentales.

Ce n'est pas le rien (l'absence de tout). La physique moderne nous indique d'ailleurs qu'il est tout à fait pertinent de discuter de l'énergie du vide. Ce n'est pas non plus un éther, un fluide particulier, suivant les époques, mouvant ou fixe et indépendant de tout référentiel, imaginé, par exemple, comme support des ondes électromagnétiques. Il a été prouvé que ce dernier n'était pas observable dans la réalité physique (par Michelson et Morley), on en a donc abandonné l'idée.

On peut dans une première approche dire que le vide est un espace dans lequel les molécules sont fortement raréfiées. Ainsi, pour « faire le vide », on prend une enceinte étanche et on pompe l'air avec une pompe à vide ; on définit la qualité du vide par la pression d'air résiduelle, exprimée en pascals (Pa, unité du système international), ou plus souvent dans le milieu industriel en millibars (mbar) ou torrs (mm de mercure). On ne peut atteindre ainsi qu'un vide partiel, quelle que soit la température.

Un vide considéré comme très poussé, « ultravide », correspond à une pression de l'ordre de 10^-8 Pa ; on y dénombre encore 2 millions de molécules par centimètre cube. Par comparaison, la densité au sein des gaz interstellaires est de l'ordre de 1 atome par centimètre cube.

Mais qui dit absence de matière ne dit pas absence d'événement. Ainsi, les ondes électromagnétiques traversent le vide, et c'est le milieu qui s'oppose le moins à leur avancement (la vitesse de la lumière dont on parle usuellement, limite à toute transmission d'information, est celle dans le vide) ; il y a dans le vide des variations du champ électrique et du champ magnétique, mais ces champs ne nécessitent aucun support matériel. Le vide total nécessite donc l'absence à la fois de matière mais aussi de rayonnement.

Le vide absolu défini ci-dessus est donc un milieu statistiquement sans particules élémentaires. La physique quantique, qui définit le vide comme l'état d'énergie minimale de la théorie, montre qu'il reste néanmoins le siège de matérialisations spontanées et fugaces de particules et de leur antiparticules associées, on parle de particules virtuelles, qui s'annihilent presque immédiatement après leur création. Ces fluctuations quantiques sont une conséquence directe du principe d'incertitude qui affirme qu'il n'est jamais possible de connaître avec une certitude absolue la valeur précise de l'énergie. On appelle ce phénomène les fluctuations quantiques du vide.

Einstein consacre l'annexe 5 de son livre Relativité - Théories spéciale et générale (Relativity - The Special and the General Theory, traduction de Robert Lawson, 1961) à la relativité et [au] problème de l'espace. Il y cite Descartes et Kant et donne raison au premier contre le second, en niant l'existence du vide, c'est-à-dire, précise-t-il, l'existence d'un espace vide de champ. Il note dans sa préface à la 9^e édition du livre : « les objets physiques ne sont pas dans l'espace, mais ces objets ont une étendue spatiale. De la sorte, le concept d' « espace vide » perd son sens. »

Qualité du vide

Le vide « parfait » n'existe pas, il s'agit en fait d'une très faible pression ; un vide considéré comme excellent (10^-8 Pa) contient encore 2,4 millions de molécules par centimètre cube à 294 K.

Il existe différents types de pompes à vide, pour atteindre différentes gammes de pression. Pour décrire la qualité du vide, on distingue 4 domaines qui caractérisent la quantité de matière restante par rapport à un volume. À chacun de ces domaines correspond une gamme d'appareils.

Le vide est mesuré en pascals (Pa, unité du système international) ou plus couramment dans l'industrie en millibars (mbar ; 1 mbar = 100 Pa), ou en torrs.

La pression du vide

Une des propriétés les plus curieuses du vide quantique est mise en évidence par l'effet Casimir : lorsque le vide est réalisé entre deux plaques conductrices, et en l'absence de toute contrainte mécanique externe, une pression est exercée sur les plaques dont la valeur dépend de la géométrie particulière du système. Cet effet est expliqué dans le cadre de la théorie quantique des champs qui affirme que la notion de vide dépend de la géométrie. Ainsi le vide enfermé entre les deux plaques conductrices possède une densité d'énergie différente du vide extérieur à l'enceinte. Cette différence de densité d'énergie a pour conséquence directe l'apparition d'une force mécanique exercée sur l'interface séparant les deux milieux.