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LE VIDE DE L'ESPACE

LE VIDE DE L’ESPACE

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.

capture06-2-4.jpgLe vide de l'Univers

L’espace contient si peu de matière qu’il peut être considéré comme vide. C’est une notion difficile à concevoir pour nous, car sur Terre la matière est partout, sous ses 3 états : liquide, solide, gazeux. "La nature a horreur du vide", avait conclu Aristote.

Ainsi dans l’espace, le jour et la nuit n’existent pas : sur Terre, l’atmosphère gazeuse diffuse les rayonnements provenant du Soleil et donne la couleur bleue au ciel. L’espace, faute d’atmosphère dense, reste éternellement noir.
De même, les vibrations sonores ont besoin d’un support matériel pour se propager. Dans le vide, pas de support, pas de son !

Néanmoins, vide n’est pas rien… L’espace a même d’étonnantes propriétés.
Par exemple, des échanges d’énergie ont bien lieu, mais uniquement par rayonnement. Ainsi, la lumière des étoiles nous parvient, ce qui prouve son aptitude à se propager dans le vide. Il en est de même pour les ondes radio, utilisées pour les communications entre les satellites et la Terre.

capture23-4.jpgAu 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.

capture31-1.jpgReprésentation par Joseph Wright of Derby d'une expérience sur le vide inspirée des travaux de Robert Boyle, 1768.

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 XVIIe siècle. Les expériences sur le vide sont rendues difficiles par l'absence de tubes en verre de dimension suffisante pour voir si un vivant peut y vivre. Mersenne par ailleurs a tenté l'expérience sur des petits animaux, souris et mouches dont la survie était compromise par l'utilisation de classiques tubes en verre remplis de mercure. En 1660, Robert Boyle est l'un des premiers à pouvoir réaliser une expérience de ce type. Torricelli met en évidence la pression atmosphérique en faisant une expérience hydraulique, travaux que Pascal complète. 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 ». 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

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 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.

capture26-1.jpgUn vide d'air 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.

Le vide absolu 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 leurs antiparticules associées : on parle dans ce cas 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 9e 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. 1000 hecto Pa est égale a 1 bar soit la pression atmosphérique sur terre au niveau de la surface des océans

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.

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) reprenant les idées de Démocrite, 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 : Heinrich Geissler fabrique la première pompe à vide à déplacement de mercure. Le vide obtenu est proche de 0,1 Torr (= 0,1 mmHg 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.

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