Les particules Virtuelles

Pour comprendre les phénomènes qui se sont produits durant le Big Bang, il nous faut encore faire connaissance avec un autre aspect étrange de la mécanique quantique. Nous avons déjà vu que la position et la vitesse d'une particule sont affectées par le principe d'incertitude, qui énonce que ces deux grandeurs ne peuvent être déterminées simultanément avec une précision arbitraire. En fait, le même principe s'applique à l'énergie et au temps. Il n'est pas possible de connaître exactement l'énergie mise en jeu dans un processus quantique et la durée de celui-ci. Là encore, il ne s'agit pas d'un problème technologique, mais d'une propriété intime de la matière. 

Or, d'après la relativité, l'énergie est équivalente à la masse. La mécanique quantique nous apprend donc que de la masse peut apparaître à partir de rien, exister pendant une durée très brève, puis disparaître. On peut par exemple calculer qu'un électron peut surgir du néant, vivre pendant environ 10^-22 seconde, avant d'y retourner.

Notons toutefois que si l'énergie peut souffrir d'incertitude, ce n'est pas le cas de la charge électrique. Ainsi, lorsqu'un électron apparaît à partir du vide, il doit nécessairement être accompagné d'un antiélectron pour que la charge totale de l'ensemble reste constante et nulle.

Un nouveau vide

Les particules qui apparaissent et disparaissent ainsi ont une durée de vie très brève. Elles ne sont donc pas observables et on les qualifie de virtuelles. Leur présence peut néanmoins être détectée par les effets indirects qu'elles induisent sur les particules ordinaires. Ainsi par exemple la possibilité d'avoir un électron isolé dans l'espace n'existe pas. Tout électron est en réalité entouré d'un nuage de particules et d'antiparticules virtuelles qui vont légèrement affecter certaines de ses propriétés. Ce phénomène a été vérifié puisque quelques caractéristiques de l'électron ne se comprennent que si l'on fait appel à l'influence de ce nuage.

Cette possibilité de création et de disparition de matière change profondément notre vision du monde microscopique. La notion de vide en est tout particulièrement affectée. En effet, le principe d'incertitude implique que même le vide le plus absolu est en fait peuplé d'une myriade de particules et d'antiparticules virtuelles. Le vide, au sens où on l'entend d'habitude, c'est-à-dire l'absence de toute matière, n'existe donc pas. Même lors de la naissance de l'univers, lorsque la matière n'existait pas encore, l'univers était agité d'une succession frénétique de créations et de disparitions de particules de tous les types. C'est d'ailleurs grâce à cela que la matière ordinaire pourra faire son apparition.