Pour les fans de « Star Wars », les étoiles filantes vues depuis le cockpit du Millennium Falcon alors qu’il saute dans l’hyperespace sont une image canonique. Mais que verrait réellement un pilote s’il pouvait accélérer dans le vide de l’espace en un instant ? Selon une prédiction connue sous le nom d’effet Unruh, elle serait plus susceptible de voir une lueur chaleureuse.
Depuis les années 1970, lorsqu’il a été proposé pour la première fois, l’effet Unruh a échappé à la détection, principalement parce que la probabilité de voir l’effet est extrêmement faible et nécessite soit d’énormes accélérations, soit d’énormes quantités de temps d’observation. Mais des chercheurs du MIT et de l’Université de Waterloo pensent avoir trouvé un moyen d’augmenter considérablement les chances de voir l’effet Unruh, qu’ils détaillent dans une étude dans laquelle ils apparaissent Lettres de vérification physique.
Plutôt que d’observer l’effet spontanément, comme d’autres l’ont essayé dans le passé, l’équipe propose de stimuler le phénomène d’une manière très spécifique qui renforce l’effet Unruh tout en supprimant d’autres effets concurrents. Les chercheurs comparent leur idée à jeter une cape d’invisibilité sur d’autres phénomènes conventionnels, ce qui devrait alors révéler l’effet Unruh beaucoup moins évident.
Si elle peut être réalisée dans une expérience pratique, cette nouvelle approche stimulée avec une couche supplémentaire d’invisibilité (ou « transparence induite par l’accélération », comme décrit dans l’article) pourrait augmenter considérablement la probabilité d’observer l’effet Unruh. Plutôt que d’attendre plus longtemps que l’âge de l’univers pour qu’une particule accélérée produise une lueur chaude, comme le prédit l’effet Unruh, l’approche de l’équipe raccourcirait cette attente à quelques heures.
« Maintenant, au moins, nous savons qu’il y a une chance dans notre vie de voir réellement cet effet », déclare Vivishek Sudhir, co-auteur de l’étude, professeur adjoint de génie mécanique au MIT, qui conçoit une expérience pour tester l’effet basé sur la théorie des groupes de capture. « C’est une expérience difficile et il n’y a aucune garantie que nous réussirions, mais cette idée est notre meilleur espoir. »
Les co-auteurs de l’étude incluent également Barbara Šoda et Achim Kempf de l’Université de Waterloo.
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L’effet Unruh est également connu sous le nom d’effet Fulling-Davies Unruh, du nom des trois physiciens qui l’ont initialement proposé. La prédiction stipule qu’un corps accélérant dans le vide ne devrait en fait ressentir la présence d’un rayonnement chaud que sous l’effet de l’accélération du corps. Cet effet est lié aux interactions quantiques entre la matière accélérée et les fluctuations quantiques dans le vide de l’espace vide.
Afin de produire une lueur mesurable par des détecteurs, un corps comme un atome devrait être accéléré à la vitesse de la lumière en moins d’un millionième de seconde. Une telle accélération correspondrait à une force G d’un quadrillion de mètres par seconde carrée (un pilote de chasse subit généralement une force G de 10 mètres par seconde carrée).
« Pour voir cet effet dans un court laps de temps, il faudrait avoir une accélération incroyable », explique Sudhir. « Si vous aviez une accélération raisonnable à la place, vous devriez attendre un temps gargantuesque – plus long que l’âge de l’univers – pour voir un effet mesurable. »
Alors à quoi ça servirait ? D’une part, il dit que l’observation de l’effet Unruh serait la confirmation des interactions quantiques fondamentales entre la matière et la lumière. Et deuxièmement, la preuve pourrait représenter un miroir de l’effet Hawking – une suggestion du physicien Stephen Hawking, qui prédit une lueur thermique similaire, ou « rayonnement Hawking », à partir d’interactions lumière et matière dans un champ gravitationnel extrême, comme autour d’un trou noir.
« Il existe un lien étroit entre l’effet Hawking et l’effet Unruh – ils sont exactement les effets complémentaires l’un de l’autre », explique Sudhir, qui ajoute que si vous aviez observé l’effet Unruh, « vous auriez observé un mécanisme qui est commun aux deux effets.
Une toile transparente
L’effet Unruh devrait se produire spontanément dans le vide. Selon la théorie quantique des champs, un vide n’est pas simplement un espace vide, mais un champ de fluctuations quantiques instables, chaque bande de fréquence mesurant environ la moitié d’un photon. Unruh a prédit qu’un corps accéléré dans le vide devrait amplifier ces fluctuations de manière à produire une lueur thermique chaude des particules.
Dans leur étude, les chercheurs ont introduit une nouvelle approche pour augmenter la probabilité de l’effet Unruh en ajoutant de la lumière à l’ensemble du scénario – une approche connue sous le nom de stimulation.
« Si vous ajoutez des photons au champ, vous ajoutez n fois plus de ces fluctuations que ce demi-photon qui se trouve dans le vide », explique Sudhir. « Donc, si vous accélérez à travers ce nouvel état du champ, vous vous attendez à voir des effets qui redimensionnent également N fois ce que vous verriez du seul vide. »
Cependant, en plus de l’effet quantique Unruh, les photons supplémentaires amplifieraient également d’autres effets dans le vide – un inconvénient majeur qui a dissuadé d’autres chasseurs d’effets Unruh d’adopter l’approche de stimulation.
Cependant, Šoda, Sudhir et Kempf ont trouvé une solution de contournement grâce à la « transparence induite par l’accélération », un concept qu’ils présentent dans l’article. Ils ont montré théoriquement que si un corps comme un atome pouvait être amené à accélérer le long d’une trajectoire très spécifique à travers un champ de photons, l’atome interagirait avec le champ de telle manière que les photons d’une fréquence spécifique étaient essentiellement invisibles à la lumière. Atome.
« Lorsque nous stimulons l’effet Unruh, nous stimulons également simultanément les effets conventionnels ou résonnants, mais nous montrons que nous pouvons essentiellement désactiver ces effets en manipulant la trajectoire de la particule », explique Šoda.
En rendant tous les autres effets transparents, les chercheurs auraient alors plus de chances de mesurer les photons, ou le rayonnement thermique qui ne provient que de l’effet Unruh, comme l’avaient prédit les physiciens.
Les chercheurs ont déjà quelques idées sur la façon de concevoir une expérience basée sur leur hypothèse. Ils prévoient de construire un accélérateur de particules à l’échelle du laboratoire capable d’accélérer un électron à une vitesse proche de la lumière, qu’ils exciteraient ensuite avec un faisceau laser à des longueurs d’onde micro-ondes. Ils cherchent des moyens de manipuler le chemin de l’électron pour supprimer les effets classiques tout en améliorant l’effet Unruh insaisissable.
« Maintenant, nous avons ce mécanisme qui semble amplifier statistiquement cet effet avec la stimulation », explique Sudhir. « Compte tenu des 40 ans d’histoire de ce problème, nous avons maintenant théoriquement résolu le plus gros goulot d’étranglement. »
Cette recherche a été financée en partie par le Conseil national de recherches en sciences et en génie du Canada, l’Australian Research Council et un Google Faculty Research Award.
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