Le vide

Qu’est-ce que le vide ? L’absence de matière ? Le rien ? Le néant ? La vacuité ? Selon le philosophe, l’ingénieur ou le physicien, la réponse peut varier. Ce billet va donc essayer de faire la lumière sur le vide…

Le vide: question de densité

Quand on veut évaluer la quantité de matière dans un espace défini, on utilise la densité (qui se mesure en kilogramme par mètre cube). Si on considère le vide comme l’absence de matière « pesante », faire le vide parfait consiste donc à avoir une densité de zéro kilogramme par mètre cube. Mais attention, ce n’est pas parce qu’il n’y a pas de matière « pesante » qu’il n’y a rien du tout comme on pourrait le croire de la lumière par exemple, puisque cette dernière n’a pas de masse. La définition devient alors plus ardue… On en reparle à la fin du billet…

 Le vide: question de pression

Cependant, pour évaluer le « vide », on utilise plus volontiers la pression qui est en fait directement liée à la densité: pour un gaz parfait, la pression est proportionnelle à la température multipliée par la densité (). En revanche, si la température diminue, la pression diminue également donc lorsque l’on veut une très basse pression (et donc un vide poussé), il faut d’une part diminuer la densité, et d’autre part la température.

Je vous rappelle que la pression se mesure en pascal. Un pascal est équivalent à une force de 1 newton appliquée à 1 m², comme si on posait une masse de 100 grammes sur un mètre carré (sur Terre). La pression atmosphérique (environ 1 bar) est égale à 100 000 pascals, ce qui correspond à une masse de 10 tonnes par mètre carré sur Terre! Quand vous êtes allongé, il s’exerce donc une masse d’environ 10 tonnes d’air sur vous mais comme à l’intérieur de votre corps il règne une pression équivalente, les forces exercées se compensent et c’est pour cette raison que nous ne ressentons pas vraiment ces 10 tonnes d’air…

En revanche, dans un pneu de voiture gonflé à 2 bars, la pression différentielle entre la pression dans le pneu et la pression à l’extérieure est de 1 bar et il s’applique alors effectivement une force équivalente de 10 tonnes par mètres carré. De même, si vous faites le vide dans une enceinte (le vide parfait correspondrait à une pression égale à zéro), il s’exerce une force d’environ 10 tonnes par mètre carré.

Conclusion: lorsque vous voulez faire le vide dans une enceinte, cette dernière doit être suffisamment résistante mécaniquement pour supporter la différence de pression entre les 2 côtés des parois.

 Des molécules qui s’agitent

La pression est en fait due aux chocs des molécules contre les parois d’une enceinte. A 1 bar et à 20°C, les molécules d’air se déplacent en moyenne à 1700 kilomètres/heure et parcourent en moyenne 70 nanomètres (70 milliardième de mètre) entre 2 chocs, autant vous dire que notre air qui nous paraît si anodin est le théâtre d’un flipper géant à grande vitesse. Si la température et si la pression baisse, la vitesse des molécules va diminuer naturellement et la distance entre 2 chocs également. Par exemple, pour 0.1 pascal, les molécules parcourent 5cm entre 2 chocs et à 0.0000001 pascal, nos petites molécules parcourent 500 km avant de se rencontrer !

 Distribution des vitesses pour des molécules de diazote à différentes températures. © V. Baglin, Vacuum in Accelerators.

 Le vide de l’ingénieur

Pour l’ingénieur, la définition du vide est simplement l’absence de matière mais dans une moindre mesure. On parle de différentes qualités de vide selon la pression qui est directement liée à la densité ou au nombre de molécules par centimètre cube. N’oublions pas que dans l’air que nous respirons à 1 bar, il y a environ 10 milliards de milliards de molécules par centimètre cube !

• Le vide primaire est défini par une pression de l’ordre de 100 pascals (soit mille fois moindre que la pression atmosphérique). Dans ce cas, un cm³ contient tout de même encore 10 millions de milliards de molécules !!!
• Le vide moyen est entre 0.1 et 100 pascals.
• Le vide secondaire a une pression comprise de 0.1 à 0.00001 pascal (soit encore un milliard de molécules par cm³).
•  L’ultra-vide se situe entre 1 milliard et 10 000 molécules par cm³ (entre 10^-5 et 10^-10 pascal).
• L’ultra ultra-vide est à moins de 10 000 molécules par cm³. Le trajet moyen d’une molécule avant d’en rencontrer une autre est alors d’environ 100 000 kilomètres et la pression est inférieure à 10^-10 pascals (0.0000000001 pascal).

A titre de comparaison, la pression sur la Lune est de 10^-7 pascal, c’est donc un ultra-vide (on sait d’ailleurs reproduire un tel vide sur Terre). En revanche, dans le vide interstellaire (entre les étoiles, loin de tout objet céleste) la pression est d’environ 1 atome par cm³, chose que l’homme n’a jamais réussi à atteindre sur Terre.

Comment faire le vide ?

Eh bien c’est très facile, il faut faire comme les Shadoks : Pomper, Pomper, Pomper ! Il existe différents types de pompe, chacune ayant ses particularités pour différentes qualités de vide. Les pompes sont utilisées en différents étages et pour différentes utilisations. Elles peuvent être utilisées seulement pendant la phase de pompage ou uniquement pour maintenir le vide. En effet, il ne suffit pas de faire le vide une fois et de mettre un bouchon pour maintenir le vide car tous les matériaux « dégazent », c’est-à-dire qu’ils libèrent naturellement des molécules. Ce phénomène diminue lorsque la température diminue mais reste néanmoins toujours présent. Je ne vais pas entrer dans les détails des différentes pompes mais simplement vous en présenter une que j’aime bien.

La pompe turbomoléculaire est une pompe permettant de faire un vide secondaire, voir un ultra-vide jusqu’à 1 milliardième de pascal. Elle est généralement utilisée pendant la phase de pompage pour « faire » le vide, pas pour le maintenir. Le principe de cette pompe consiste à frapper les molécules qui passent dans la pompe avec des roues à ailettes qui tournent à très haute vitesse pour les envoyer dans une direction bien précise. Les ailettes ont des tailles différentes permettant de « percuter » des molécules de tailles différentes (hélium, argon, diazote, dihydrogène, etc.). Pour vous donner un ordre d’idée, une pompe turbo tourne à environ 36000 tours par minute, soit 600 tours par secondes, ce qui correspond à une vitesse à l’extrémité des ailettes de plus de 720 km/h (2/3 de la vitesse du son). Les ailettes peuvent être montées sur roulement à billes pour tourner mais désormais, un système magnétique permet de faire tourner les ailettes sans frottement en les faisant léviter dans un champ magnétique.

Les applications du vide

Une question importante: à quoi sert le vide ? Eh bien, à de très nombreuses applications en matière d’ingénierie ou de recherche. En voici quelques exemples :

• Toutes les techniques de dépôts de couches minces se réalisent sous vide comme la réalisation de couches minces pour les verres antireflets des lunettes ou pour les revêtements de matériaux très techniques dans les voiliers ou les formules 1.
• La fabrication de circuits intégrés et de composants électroniques se fait également sous vide pour éviter la pollution des circuits avec des impuretés.
• Les accélérateurs de particules nécessitent un ultra-vide pour permettre la circulation de faisceaux de particules sur plusieurs kilomètres sans provoquer de chocs avec des molécules résiduelles. A titre d’exemple, le vide pour les faisceaux du LHC est de 10^-9 pascal sur 27 kilomètres !
• De nombreuses expériences de physique utilisent des vides secondaires voire des ultra-vides pour différentes expériences à très basse température et pour limiter les interactions avec d’autres molécules, particulièrement en physique quantique.
• La cryogénie nécessite un vide secondaire pour l’isolation thermique et réduire les pertes thermiques par convection.
• Le Microscope Electronique à Balayage (voir ce billet pour plus de détails)
• Le Microscope à Force Atomique pour manipuler les atomes un à un.

 Physique Quantique

En physique quantique le vide est défini comme « un état dans lequel tous les champs ont une énergie minimale ». Le vide est donc plein d’énergie, c’est ce que l’on appelle le vide quantique. Cela signifie qu’en physique quantique le « rien » n’existe pas. Une absence de matière peut donc être envisagée théoriquement (quant à la pratique, c’est impensable) mais une absence d’énergie est totalement exclue dans les théories modernes de la physique. Le simple fait d’avoir un champ électromagnétique (de la lumière) montre bien que même un espace dépourvu de matière n’est pas vide.

 La force de Casimir

Désolé, rien à voir avec l’île aux enfants et la grosse peluche jaune. Cette force du vide tire son nom du physicien néerlandais Hendrik Casimir (1909-2000) qui l’avait prédite en 1948 et qui fut observée 10 ans plus tard en laboratoire alors que les technologies avaient suffisamment évolué.

 

La prédiction de Casimir (le physicien) était la suivante : « Si on place parallèlement 2 plaques conductrices non chargées dans vide à une faible distance l’une de l’autre, une force tend à rapprocher les 2 plaques ». Cet effet est directement lié aux énergies du vide quantique et a été observé un grand nombre de fois en laboratoire. Comme quoi le vide n’est jamais vide !

Bref, vous l’aurez compris, la maxime : « la nature a horreur du vide » est une réalité car la nature tend à remplir le vide de manière à équilibrer les pressions et le vide n’est jamais vraiment vide… Einstein a notamment écrit que « 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».