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Un effet Casimir thermique classique existe bien dans le vide

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L'effet Casimir est présenté comme un phénomène quantique mais il en existe des équivalents classiques, comme l'a montré pendant les années 1950 le grand physicien théoricien russe Evgeny Lifshitz. On vient d'observer aujourd'hui pour la première fois l'effet Casimir thermique classique dans le vide.

Hendrik Casimir (1909-2000) a réalisé que lorsque deux miroirs sont l'un en face de l'autre dans le vide, les fluctuations du vide vont exercer sur eux une pression de radiation. En moyenne, la pression externe est supérieure à la pression interne. Les deux miroirs sont donc attirés mutuellement l'un vers l'autre par ce que l'on appelle la force de Casimir. © Ewok, Wikipédia

L'idée que le vide bouillonne d'une énergie utilisable pour faire fonctionner des machines fait rêver. Elle ne provient pas de la science-fiction mais bel et bien de la physique théorique. On trouve ainsi cette notion d'énergie quantique du vide aussi bien lorsque l'on s'intéresse à l'énergie noire ou aux trous de ver traversables. On parle aussi d'énergie du vide dans l'effet Casimir. Pour le comprendre, il faut d'abord examiner ce qu'on entend par un champ électromagnétique.

Si l'on considère une particule chargée plongée dans un champ électromagnétique, les mouvements de cette particule sous l'effet des forces électromagnétiques sont précisément le moyen de définir en tout point de l'espace la présence et l'état d'un champ électromagnétique. Or, si l'on tient compte des lois de la mécanique quantique, plus précisément des fameuses inégalités de Heisenberg, une telle particule ne peut posséder simultanément une position et une vitesse bien définies.

En fait, tout se passe un peu comme si, lorsque l'on cherche à immobiliser une particule, sa vitesse pouvait prendre des valeurs arbitrairement grandes. Inversement, si la vitesse est bien déterminée, alors la position de la particule est arbitraire. À strictement parler, vitesse et position d'une particule n'existent pas réellement simultanément pour une particule quantique. Mais si l'on veut continuer à décrire les actions présentes avec des images classiques, alors positions et vitesses n'ont de sens que dans un cadre décrit pas les inégalités de Heisenberg.

Les fluctuations du champ électromagnétique

Toujours est-il que le résultat net est que le champ électromagnétique n'est jamais complètement au repos et il doit affecter le mouvement des particules chargées formant un gaz. On ne peut donc pas refroidir au zéro absolu un tel gaz car il restera toujours des mouvements chaotiques transférés à ces particules, du fait des fluctuations quantiques intrinsèques du champ électromagnétique. Rappelons que la température d'un gaz est directement reliée à l'énergie cinétique moyenne des mouvements désordonnés des particules de ce gaz. 

Inversement, les mouvements désordonnés d'un gaz chaud de particules chargées agitent le champ électromagnétique. On peut donc définir une température du rayonnement associé à un champ électromagnétique même en physique classique. On sait bien d'ailleurs que la lumière du Soleil peut chauffer un corps. Il existe donc des fluctuations thermiques associées aux mouvements d'un champ électromagnétique.

L'effet Casimir

Dès 1955, le grand physicien théoricien russe Evgeny Lifshitz, bien connu comme étant le coauteur d'un cours de physique théorique avec Lev Landau, avait réalisé que ces fluctuations thermiques classiques devaient conduire à un analogue de l'effet prédit théoriquement dans le domaine quantique par Hendrik Casimir en 1948.

Le physicien Evgeny Lifshitz. © The MacTutor History of Mathematics archive

Casimir cherchait à calculer les forces induites par les fluctuations de charges électriques des couches électroniques entre deux atomes neutres polarisables. Pour simplifier le problème, il le ramena d'abord à celui d'un seul atome proche d'une plaque métallique conductrice. Cela le conduisit finalement à examiner les fluctuations quantiques du champ électromagnétique entre deux plaques conductrices. Il découvrit que les deux plaques modifiaient la forme des fluctuations quantiques du vide dans l'espace qu'elles encadrent, y changeant sa densité d'énergie qui devient localement plus faible.

Une densité d'énergie pouvant se voir comme une pression, il en résultait que la pression de l'énergie dans le vide environnant, plus forte, devait pousser les plaques l'une vers l'autre (le phénomène est illustré par le schéma en fin de cet article).

Ce qui compte pour que se manifeste cette force entre les plaques, c'est la présence de fluctuations du champ. Elle doit donc apparaître, que ces fluctuations soient quantiques ou classiques. Il se trouve simplement que les lois de décroissance de ces forces en fonction de la distance séparant les plaques ne sont pas identiques. Tous calculs faits, l'effet Casimir thermique domine l'effet Casimir quantique au-delà d'une certaine valeur de la distance séparant les plaques.

Les mesures de Steve Lamoreaux

En 1997, Steve Lamoreaux effectua les premières mesures suffisamment précises pour convaincre tout le monde que la théorie de Casimir était exacte. Il s'est récemment penché sur la version classique et il vient de publier avec des collègues physiciens dans Nature un article annonçant bel et bien l'existence de l'effet Casimir thermique dans le vide prédit par Evgeny Lifshitz.

Pour le démontrer, les chercheurs ont monté une plaque recouverte d'or sur une barre suspendue par un fil. Une sphère elle aussi recouverte d'or pouvait être approchée ou éloignée à volonté de la plaque dans l'expérience réalisée sous vide. La plaque et la barre se comportant comme un pendule de torsion, il devenait possible de mesurer la force s'exerçant entre la surface de la sphère et celle de la plaque. Comme prévu, la force résultant de l'effet Casimir thermique était bien là et dominante lorsque la distance entre les deux surfaces était supérieure à 3 µm.

Un effet Casimir thermique classique avait déjà été mesuré, mais dans un fluide.

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