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  1. L'énergie du vide et ses applications - L'effet Casimir Résumé Certaines personnes affirment que l'on peut utiliser l'énergie du vide L'énergie du vide ? Qu'est-ce que c'est ? Ce serait une sorte d'énergie omniprésente à chaque endroit de l'univers, pour laquelle il suffirait de maîtriser un petit peu plus la mécanique quantique pour pouvoir l'extraire. Une énergie presque infinie, propre, accessible partout. Mythe ou réalité ? (Spoiler : Mythe) Alors forcément la source de tout cela a une part de vérité. D'autant plus que ça s'appuie sur des théories bien scientifiques, de la physique des particules et de la mécanique quantique, alors qu'en est-il ? Un peu d'histoire Pour comprendre il faut faire un retour de quelque dizaines d'années en arrière, dans les années 30-40-50. À l'époque on commence à bien comprendre la structure des atomes grâce aux principes théoriques de Schrödinger (le type et son chat) et Dirac. Dirac notamment qui prédit mathématiquement l'existence de l'antimatière qu'on découvrira expérimentalement quelques années après. Donc en gros on commence à toucher du doigt ce qu'il se passe dans l'infiniment petit, du moins à le théoriser assez bien. Là-dessus naît la Théorie Quantique des Champs. Appuyée sur le peu d'expériences sur les particules que l'on a à disposition à cette époque, cette théorie explique très bien les expériences déjà connues et surtout prédit l'existence de nouveaux mécanismes. Cette théorie fait notamment un bon en avant à la fin des années 40, quand le célèbre Richard Feynman élabore son système de diagrammes. Ces diagrammes rendent compte de tous les mécanismes qui seraient théoriquement possibles, et qui rendraient compte des interactions fondamentales. Le principe Cette théorie explique entre autre que des particules au niveau subatomique sont en permanence créées puis annihilées aussitôt, ce qui rend possible les interactions et les forces. Sauf que si des particules (avec des masses) sont créées comme ça, 'pouf', alors de la masse, et donc de l'énergie est apparue de nulle part. Ce qui contredit formellement le principe universel de conservation de l'énergie. Mais c'est bien cela qui se passe, alors pourquoi c'est juste ? L'énergie créée de nulle part doit pouvoir exister pendant un temps suffisamment court. Ceci se retrouve dans une formulation du Principe d’indétermination d'Heisenberg. Ce principe explique que de l'énergie a le droit d'apparaître de nulle part, à condition qu'elle soit disparue suffisamment peu de temps après. Plus l'énergie qui apparaît est importante, plus elle va disparaître aussi vite qu'elle est venue. Donc en permanence dans tout l'espace de l'énergie apparaît puis disparaît aussitôt (au bout de quelques dix millièmes de milliardième de milliardième de seconde), et ceci ne viole pas le principe de conservation car si l'énergie qui apparaît disparaît peu de temps après, alors en moyenne l'énergie créée est nulle. C'est comme un mec très bourré qui marche aléatoirement : un coup à gauche, un coup à droite, et bien en moyenne il n'a pas bougé... Alors évidemment c'est tout petit, c'est extrêmement court, et c'est la plupart du temps absolument négligeable comme phénomène, mais il est bien là. Observations Si ce phénomène existe réellement, on ne peut pas le mesurer directement, c'est bien trop court. Mais il y a plusieurs choses que l'on peut voir, des conséquences de ce phénomène. D'une on devrait pouvoir détecter toutes les nouvelles particules que la théorie a prédit en s'appuyant sur ce phénomène de fluctuation (ce qu'on fera à partir des années 70 avec les collisionneurs de particules et qui sera un succès). Et de deux, on devrait tout de même pouvoir, dans des conditions absolument drastiques, sans température, dans un vide ultra-ultra-poussé, sans lumière sans rien rien rien du tout... on devrait pouvoir ressentir ces fluctuations avec deux plaques métalliques. Un peu comme le vent : prenez deux petites plaques suspendez-les à une corde, dans un endroit vide elles ne bougent pas, mettez-les dehors le vent va les faire claquer, ici c'est un peu la même chose. On chercherait à supprimer n'importe quelle source de mouvement (d'où le vide poussé etc...) pour ne garder que l'effet des fluctuations. En 1948 quand cette expérience avec les plaques métalliques est proposée par le physicien Hendrik Casimir ce n'est qu'une expérience de pensée, absolument impossible à mettre en œuvre pour l'époque. Sauf qu'avec le temps et les progrès technologiques, on a pu tout de même réussir à mettre en place les conditions drastiques que l'expérience nécessite. Plusieurs réalisations de cette expérience ont été faites en 1958, en 1978 et dans la fin des années 90, de plus en plus précises avec le temps. Et là, les expériences sont un succès, les deux plaques se mettent à bouger un tout petit peu, et on a la preuve expérimentale que des choses, des particules fluctuent quantiquement, autrement dit "elles apparaissent et disparaissent comme par magie". Et forcément ça a mis le feu aux poudres. Avec une mauvaise vulgarisation, il n'y a qu'un pas pour que le grand public croie qu'on peut faire apparaître de l'énergie par magie. Pourquoi ce n'est pas possible Alors attention, ces fluctuations sont une réalité, ici je vais expliquer pourquoi extraire cette énergie n'est pas possible. Car en effet, si les plaques bougent c'est qu'il y a du mouvement alors si à la place des plaques on a un piston, paf on a un moteur ! Ce serait bien, mais voyons d'abord combien d'énergie on pourrait avoir : Si l'on a des plaques d'un mètre carré, ces plaques se mettent en mouvement donc reçoivent une certaine énergie. La théorie de l'effet Casimir prévoit que les plaques reçoivent une énergie de l'ordre du microjoule. Pour se rendre compte de ce que cette énergie représente, prenez un pointeur laser que l'on utilise pour faire des présentations au bureau, et allumez-le pendant 0,2 millisecondes (0,0002 secondes). C'est le temps que met un avion supersonique pour parcourir une dizaine de centimètres ! Eh bien l'énergie que votre pointeur laser a libérée pendant cette courte période c'est l'énergie que reçoivent en théorie les plaques de l'effet Casimir. Évidemment aucune chance de faire avancer une voiture avec ceci. Maintenant rappelez-vous les conditions drastiques que nécessite la mise en place de cette expérience. Imaginez la machinerie qu'il faut pour réaliser ces conditions, les pompes pour réaliser un vide aussi poussé, les matériaux nécessaires pour isoler de manière quasi-parfaite de la chaleur et de la lumière. Et tout ce qui est en jeu pour fabriquer tout cela... Pour avoir au final une énergie encore plus faible que celle prédite par la théorie. Dans une centrale électrique on dépense forcément de l'énergie, mais pour gagner encore plus d'énergie, et évidemment on fait en sorte que l'énergie reçue soit supérieure à l'énergie dépensée. Un générateur basé sur l'effet Casimir aurait le pire rendement de l'histoire de la science. Branchez une multiprise sur elle-même et ce sera plus productif. Évidemment, l'effet Casimir et toutes ses applications restent dans le domaine de la recherche en physique de pointe, on ne pourra rien en tirer si ce n'est que de la connaissance sur les fondements de l'univers. Alors on garde l'énergie du vide pour la science-fiction !
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