L’effet Casimir

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Mots clés : effet casimir, mécanique quantique, physique, non conservation énergie, plaque, énergie du vide, énergie au point zero.

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L’effet Casimir se manifeste sous la forme d’une force attractive très faible entre deux plaques métalliques parallèles plongées dans une cavité résonnante (boîte métallique hermétiquement fermée) en absence de champ électromagnétique.

Selon la théorie classique de l’électromagnétisme et la mécanique classique, les deux plaques devraient rester immobiles puisqu’il règne dans la cavité un vide absolu de tout champ. Pour pouvoir se mouvoir, les plaques métalliques ont besoin d’énergie qu’elles ne peuvent puiser nulle part.

L’effet Casimir est un pur résultat de la théorie quantique des champs. Il a été imaginé et calculé par le physicien hollandais Hendrick Casimir en 1948.

Selon la théorie quantique des champs, le champ électromagnétique (et ceci est d’ailleurs applicable à tous les champs quantiques) possède des états d’énergie différents. L’état de plus basse énergie – l’état fondamental – correspond à l’absence de quanta d’énergie (les photons dans le cas du champ électromagnétique) ou en d’autres termes, le vide. Le premier état « excité » est l’état à un quantum d’énergie ou à un photon. Le second état excité est l’état à deux photons, et ainsi de suite.

Cependant, la représentation que donne la théorie quantique des champs du vide est pour le moins paradoxale. Ce vide est en fait bourré d’énergie qui n’est pas « matérialisée » sous forme de particules. Toutefois, sur de courtes durées, cette énergie peut se matérialiser en particules ou quanta dont la durée de vie est très brève. On les appelle des particules virtuelles. Quoiqu’étant qualifiées de virtuelles, les effets de ces quanta (des photons dans notre cas) sont bel et bien réels.

Dans la cavité, des quanta virtuels (des photons virtuels) vont donc spontanément « émerger » du vide. Le spectre des longueurs d’onde de ces photons est continu mais du fait que la cavité est fermée, la plupart des fréquences vont être destructives et finalement seules quelques fréquences particulières (appelés modes de résonance) vont subsister dans la cavité. C’est là le phénomène classique de résonance dans une cavité résonante. Les modes de résonance sont caractérisés par le fait que la longueur d’onde du mode est un sous-multiple entier de la distance qui sépare les faces de la cavité. Le nombre de modes autorisés est donc proportionnel à la distance qui sépare les faces de la cavité.

Dans la configuration qui nous intéresse, il s’établit des résonances entre les faces de la cavité et les plaques et entre les plaques elles-mêmes. Si la distance entre les plaques est inférieure à leur distance avec les faces de la cavité, alors il existera davantage de modes de résonance entre les faces de la cavité et les plaques, qu’entre les plaques elles-mêmes. La pression de radiation qui s’exerce sur les faces « internes » des plaques est donc inférieure à celle qui s’applique sur leurs faces « externes ». Il en résulte une force très faible qui rapproche les plaques l’une vers l’autre.

Bien que prédit depuis 1948, cet effet n’a été observé expérimentalement pour la première fois qu’en 1997.

Pour être rigoureux, il faudrait faire intervenir les quanta de tous les champs quantiques existants. Mais ces champs requièrent beaucoup d’énergie pour se matérialiser à partir du vide ce qui se traduit par une faible probabilité de matérialisation des quanta associés comparativement au champ électromagnétique. Par conséquent, leur contribution à l’effet Casimir est très largement négligeable.

L’effet Casimir montre qu’avec du vide, il est possible de générer du mouvement. En cela il constitue une violation majeure du principe classique de conservation de l’énergie et permet de mesurer combien la physique quantique peut être déroutante !

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