Vide spatial

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

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 philosophie

La notion de vide est intimement liée à la notion d'être. Le vide est l'absence de matière, l'absence d'être. Mais peut-on parler du vide comme d'une entité en soi, ou uniquement comme une absence ? Parménide disait « l'être est, le non-être n'est pas » ; le vide était pour lui un non-être, et ne pouvait donc exister.

Leucippe et Démocrite, contre Parménide, admirent l'existence du vide et en firent avec l'atome le principe de toute chose ; le vide, lieu dépourvu de matière, a donc reçu une certaine forme d'être et devint le doublet indispensable et inséparable de l'être.

Aristote, dans sa Physique, au livre IV, nie l'existence du vide et affirme son incompatibilité avec le mouvement. C'est une conception de l'univers comme d'un « espace clos », organisé, ordonné et harmonique.

Descartes niait l'existence de l'atome comme celle du vide, concepts auxquels il opposait les théories géométriques, réduisant l'espace à une pure et simple étendue, la matière n'étant qu'une modification de la forme. Gassendi l'a lourdement contredit sur ce point (5e objection des Méditations métaphysiques). En effet, le vide et l'atome composent bel et bien la matière, et ces caractéristiques lui confèrent une nature intrinsèquement différente de l'étendue.

La découverte, ou plutôt l'admission du vide dans la nature est une étape décisive de l'histoire des sciences, la polémique agita fortement les milieux savants durant la révolution scientifique du XVII^e siècle. La découverte de la pression atmosphérique vient balayer l'idée que si l'eau monte lorsqu'elle est pompée, c'est que « la nature a horreur du vide »^[1].

Ainsi, lorsque quelqu'un voit un verre, il voit d'abord la matière, sa forme ; un taoïste y verrait d'abord le vide qui le rend utile (qui permet d'être rempli).

Le vide taoïste est conçu comme un potentiel, quelque chose qui attend d'être rempli, et par extension d'être réalisé : c'est l'esprit vide de pensée dans lequel peuvent naître les idées, c'est le blanc de la feuille qui attend d'être dessiné (voir Taoïsme : Plénitude du vide et autres paradoxes).

Dans le bouddhisme, le vide désigne l'absence de nature propre de toute chose, la vacuité.

En physique

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

Ce n'est pas le néant (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 milieu matériel, 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'existe pas (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 pascal (Pa, unité du système international), ou plus souvent dans le milieu industriel en millibar (mbar) ou torr (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^[2]. 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^[3].

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. »^[4]

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.

Propriétés physiques du vide

Perméabilité magnétique du vide μ₀

                    ≡ 4π×10-7 kg·m/A²s² (ou H/m) 

Conductance du vide

                    = 1/119,916 983 2·π S
                    ≈ 2,654 418 729 438 07×10-3 A²s³/kg·m²
                    ≡ 1/μ0c 

permittivité du vide ε₀

                    = 1/35 950 207 149·π F/m
                    ≈ 8,854 187 817 620 39×10-12 A²s⁴/kg·m³
                    ≡ 1/μ0c² 

Impédance caractéristique du vide Z₀

                    = 119,916 983 2·π Ω
                    ≈ 376,730 313 461 770 68 kg·m²/A²s³
                    ≡ μ0c

En mathématiques

Petite histoire du vide

• Platon affirmait que le vide n'existait qu'à l'extérieur de l'Être, l'Être serait plein.
• Épicure (-342 à -270) affirmait l'existence du vide qui serait nécessaire au déplacement des atomes
• 1644 : Découverte de la notion physique du vide par Torricelli
• 1646 : Pascal confirme et affine cette théorie
• 1654 : Otto von Guericke fabrique la première pompe à vide
• 1855 : Geissler fabrique la première pompe à vide à déplacement de mercure. Le vide obtenu est proche de 1/10 de Torr (= 0,1 mm Hg ou 0,133 mbar)
• 1865 : Sprengel invente la trompe à mercure
• 1905 : Gaede crée la pompe à vide rotative à mercure
• 1910 : Gaede invente la pompe à palettes (principe inchangé à nos jours !)
• 1913 : Gaede invente la pompe turbomoléculaire, puis, dans la foulée, la pompe à diffusion, qui sera perfectionnée par la suite par Langmuir.

Voir aussi

• Rien
• Zéro
• Hémisphères de Magdebourg
• Vide quantique
• Pompe à vide
• Technologie du vide

Bibliographie

• Edgard Gunzig & Simon Diner (eds.) ; Le vide : univers du tout et du rien, Revue de l'université de Bruxelles, Éditions Complexe (1998), ISBN 2-87027-736-9.

Notes et références

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