Des physiciens partent à la recherche d’une lueur quantique tant attendue

Pour les fans de Star Wars, les étoiles scintillantes vues depuis le cockpit du Millennium Falcon sautant dans l’hyperespace sont une image essentielle. Mais que verrait réellement un pilote s’il pouvait accélérer en un instant dans le vide de l’espace ? Selon une prédiction connue sous le nom d’effet Unruh, vous êtes plus susceptible de voir une lueur chaude.

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 très faible, nécessitant soit des accélérations massives, soit des quantités massives de temps d’observation. Mais des chercheurs du MIT et de l’Université de Waterloo pensent avoir trouvé un moyen d’augmenter considérablement la probabilité d’observer l’effet Unruh, qu’ils détaillent dans une étude parue dans Lettres d’examen physique.

Plutôt que de remarquer automatiquement l’effet comme d’autres l’ont tenté dans le passé, l’équipe propose de stimuler le phénomène, d’une manière très spéciale qui renforce l’effet Unruh tout en supprimant d’autres effets concurrents. Les chercheurs ont comparé leur idée au lancer Cape d’invisibilité sur d’autres phénomènes traditionnels, qui devraient alors révéler l’influence moins évidente de l’Unruh.

Si cela peut être réalisé dans une expérience pratique, cette nouvelle approche catalytique, avec une couche supplémentaire de latence (ou « transparence induite par l’accélération », comme décrit dans l’article) pourrait augmenter considérablement la probabilité d’observer l’effet Unruh. Au lieu d’attendre plus longtemps que l’âge de l’univers pour que la particule en accélération produise une lueur chaude comme le prédit l’effet Unruh, l’approche de l’équipe réduit le temps d’attente à quelques heures.

Le co-auteur de l’étude Viveshik Sudhir, professeur adjoint de génie mécanique au MIT, qui conçoit une expérience pour en savoir plus sur l’effet basé sur la théorie des groupes, dit. « C’est une expérience difficile, et il n’y a aucune garantie que nous serons capables de le faire, mais cette idée est notre espoir le plus proche. »

Les co-auteurs de l’étude incluent Barbara Chuda et Achim Kempf de l’Université de Waterloo.

de justesse

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 indique qu’un objet accélérant dans le vide devrait en fait ressentir la présence d’un rayonnement chaud simplement un effet de l’accélération de l’objet. Cet effet est lié aux interactions quantiques entre l’accélération de la matière et les fluctuations quantiques dans l’espace vide de l’espace.

Pour produire une lueur suffisamment chaude pour que les détecteurs puissent la mesurer, un objet comme un atome devrait accélérer pour la vitesse de la lumière En moins d’un millionième de seconde. Une telle accélération équivaudrait à une force g d’un quadrillion de mètres par seconde au carré (un pilote de chasse subit généralement une force g de 10 mètres par seconde au carré).

« Pour voir cet effet dans un court laps de temps, vous devez avoir une accélération incroyable », explique Sudhir. « Si vous aviez à la place une accélération raisonnable, vous devriez attendre énormément de temps – plus longtemps que l’âge de l’univers – pour voir un effet mesurable. »

Quel est le but alors ? Par exemple, dit-il, l’observation de l’effet Unruh servirait de preuve des interactions quantiques fondamentales entre la matière et la lumière. D’autre part, la découverte pourrait refléter l’effet Hawking – une proposition du physicien Stephen Hawking qui prédit une lueur thermique similaire, ou « rayonnement Hawking » à partir des interactions de la lumière et de la matière dans un champ gravitationnel intense, comme autour d’un trou noir.

« Il existe un lien étroit entre l’effet Hawking et l’effet Unruh – ils sont exactement l’effet complémentaire l’un de l’autre », dit Sudhir, ajoutant que si l’on avait observé l’effet Unruh, « on aurait observé un mécanisme commun pour les deux effets ». .”

chemin transparent

L’effet Unruh devrait se produire spontanément dans le vide. En ce qui concerne théorie quantique des champsLe vide n’est pas seulement un espace vide, c’est un champ turbulent Fluctuations quantiquesAvec tout Gamme de fréquences Il mesure environ la taille d’un demi-photon. Unruh a prédit qu’un objet accélérant dans le vide devrait amplifier ces fluctuations, d’une manière qui produit une lueur thermique chaude des particules.

Dans leur étude, les chercheurs ont présenté 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 stimulus.

« Lorsque vous ajoutez des photons au champ, vous ajoutez plus de ces fluctuations que la moitié du photon est dans le vide », explique Sudhir. « Donc, si vous accélérez dans ce nouvel état du terrain, vous vous attendez à voir des effets qui mesurent également combien de fois ce que vous pourriez voir du vide seul. »

Cependant, en plus de l’effet Unruh quantique, les photons supplémentaires vont également amplifier les autres effets dans aspirateurUn défaut majeur a empêché d’autres chasseurs de l’effet Unruh d’adopter l’approche de relance.

Cependant, Oude, Sudhir et Kempf ont trouvé une solution, grâce à la « transparence induite par l’accélération », un concept qu’ils ont introduit dans l’article. Ils ont théoriquement montré que si un objet comme un atome pouvait être amené à accélérer avec un chemin très spécifique à travers le champ de photons, l’atome interagirait avec le champ de telle manière que les photons d’une fréquence particulière apparaîtraient essentiellement invisibles pour l’atome. .

« Lorsque nous stimulons l’effet Unruh, nous stimulons en même temps les effets conventionnels ou résonnants, mais nous montrons qu’en concevant la trajectoire de la particule, nous pouvons essentiellement désactiver ces effets », explique Aude.

En rendant tous les autres effets transparents, les chercheurs peuvent avoir une meilleure chance de mesurer Photonsou seulement le rayonnement thermique de l’effet Unruh, comme prédit par 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 de la taille d’un laboratoire capable d’accélérer un électron à une vitesse proche de la lumière, qu’ils stimuleront ensuite à l’aide d’un faisceau laser à des longueurs d’onde micro-ondes. Ils cherchent des moyens de concevoir la voie des électrons pour supprimer les effets classiques, tout en amplifiant l’effet Unruh insaisissable.

« Nous avons maintenant ce mécanisme qui semble amplifier statistiquement cet effet par stimulation », explique Sudhir. « Compte tenu des 40 ans d’histoire de ce problème, nous avons maintenant en théorie résolu le plus gros goulot d’étranglement. »