Dans un article précédent, le Dr. Ines Urdaneta, physicienne à l’ISF, a parlé d’une proposition d’étude pour sonder l’effet Unruh avec l’optique quantique [1]. Compte tenu de l’importance des expériences permettant de sonder les effets quantiques dans les champs gravitationnels et d’élucider la nature du vide quantique, nous allons nous pencher à nouveau sur cette proposition d’expérience et expliquer certaines des principales conclusions de l’étude.
Comme l’a expliqué Dr Urdaneta dans l’article précédent, l’importance de sonder l’effet Unruh est liée à sa relation avec les effets gravitationnels quantiques via le principe d’équivalence décrit pour la première fois par Albert Einstein. Einstein est bien connu pour ses travaux fondamentaux sur la théorie de la relativité, qui concerne le comportement des horloges et des règles de mesure dans des cadres de référence avec ou sans accélération, et la relativité de la simultanéité qui résulte de l’invariance de la vitesse de la lumière par rapport à n’importe quel cadre de référence. Cependant, le domaine dans lequel il a été le plus prestigieusement honoré par la communauté scientifique est celui de l’étude de l’interaction lumière-matière, qui lui a valu le prix Nobel de physique en 1921 pour sa découverte de la loi de l’effet photoélectrique. Il serait peut-être heureux de constater qu’une union de ses deux contributions les plus importantes à la physique est proposée pour étudier empiriquement les interactions lumière-matière des systèmes à des vitesses relativistes et, par équivalence, les effets quantiques (comme l’effet photoélectrique) dans les champs gravitationnels.
L’effet photoélectrique est un processus résonant dans lequel le champ électromagnétique est en résonance avec la transition atomique d’un atome, ce qui entraîne trois comportements paradigmatiques : l’émission spontanée, l’émission stimulée et l’absorption. L’étude des interactions lumière-matière, comme l’effet photoélectrique, a permis plus d’une avancée technologique importante, comme l’amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement, ou LASER.
Dans la plupart des interactions lumière-matière étudiées jusqu’à présent, comme les lasers, l’interaction résonante du champ de rayonnement avec les atomes domine le comportement du système et la plupart des projets d’ingénierie se sont concentrés sur le renforcement de l’interaction individuelle des photons avec des systèmes individuels semblables à des atomes. Toutefois, une question théorique se pose : qu’adviendrait-il de l’interaction lumière-matière dans de tels systèmes en cas d’accélération, c’est-à-dire de mouvement non inertiel ? Une prédiction théorique surprenante pour une telle condition est que les atomes en accélération subiront un champ thermique même si le champ est perçu comme étant dans l’état de vide (et donc n’émettant pas de photons) par les observateurs dans des cadres de référence non accélérés.
C’est ce qu’on appelle l’effet Unruh, dans lequel le champ quantique du vide révèle une valeur énergétique non nulle par l’émission spontanée de photons pour les observateurs qui accélèrent. En vertu du principe d’équivalence, il s’agit d’un seul et même effet que le rayonnement de Hawking, dans lequel le vide quantique autour d’objets fortement gravitationnels, comme les trous noirs, se thermalise. Les deux effets ne font qu’un et sont le résultat de la génération d’un horizon des événements (voir l’image ci-dessous) :
Dans les deux cas, l’effet Unruh-Hawking devrait être subtil : pour les trous noirs de très grande taille et pour les accélérations proches de la vitesse de la lumière, la thermalisation accrue du champ quantique est d’environ 1 kelvin, ce qui est juste suffisant pour voir une lueur dans le vide. En tant que tel, l’effet reste théorique, car les conditions expérimentales nécessaires pour le tester ont été jugées bien au-delà des capacités technologiques des laboratoires terrestres : les technologies de contrôle gravitationnel n’existent pas, de sorte qu’il n’est pas possible de générer une singularité, et les accélérateurs de particules ne sont pas construits pour étudier des particules uniques soumises à des accélérations relativistes (ils sont construits pour accélérer de nombreux hadrons et les pulvériser les uns contre les autres). L’étude expérimentale du postulat gravitationnel quantique reste donc hors de portée.
Certains systèmes analogues de trous noirs ont observé un « rayonnement de Hawking » ; voir par exemple Tunable Quantum Entanglement in Stimulated Hawking Radiation in an Analog White-Black Hole Pair (« Intrication quantique accordable dans un rayonnement de Hawking stimulé dans une paire de trous noirs/blancs analogue ») [2]. Cependant, une nouvelle étude a proposé un moyen d’observer directement les effets théoriques en plaçant les atomes dans certaines trajectoires d’accélération qui entraînent l’émission d’un rayonnement Unruh stimulé sans qu’il soit nécessaire de recourir à un couplage ultra-fort, ce qui signifie que l’état peut être induit dans des conditions de laboratoire normales. Les détails de cette conclusion remarquable selon laquelle il serait possible de stimuler l’effet Unruh sont décrits dans une publication récente dans Physical Review Letters, fruit d’un effort conjoint de chercheurs de l’Institut Perimeter pour la physique théorique et du MIT [3].
Dans la publication, l’équipe de recherche décrit comment des trajectoires d’accélération particulières d’atomes permettent de réduire, voire de supprimer complètement, les interactions résonantes conventionnelles entre la lumière et la matière et de faire dominer les effets non résonants, ce qui conduit, par exemple, à une « transparence induite par accélération », dans laquelle un système atomique n’absorbe plus ou ne réfléchit plus la lumière (ce qui nécessite des interactions résonantes) et peut devenir totalement transparent. L’équipe de recherche propose donc deux découvertes sur la matière accélérée.
La transparence induite par l’accélération signifie qu’un seul atome peut servir de « détecteur d’effet Unruh », de sorte que sous certaines accélérations, l’atome devient « transparent » aux transitions atomiques résonantes normales qui sont observées dans les interactions lumière-matière non accélérées (inertielles), de sorte que lorsqu’elle est stimulée par un laser, l’émission Unruh peut être isolée et identifiée, puisque toutes les autres émissions sont mises en sourdine. La probabilité d’observer l’effet Unruh augmente avec le nombre de photons interagissant avec l’atome accéléré, de sorte qu’en utilisant un laser suffisamment puissant, l’effet devrait être mesurable.
Einstein nous a également enseigné le principe d’équivalence, selon lequel les effets de l’accélération sont exactement équivalents à ceux de la gravitation, de sorte que, par extension, il devrait également y avoir une « transparence induite par la gravité ». Les deux propriétés du champ quantique décrites dans l’étude pourraient donc également être utilisées pour stimuler le rayonnement de Hawking, qui, comme le rayonnement d’Unruh, n’a pas été observé empiriquement (et donc soutenu par l’expérimentation directe). L’atome accéléré passera du statut de « détecteur d’effet Unruh » à celui de « détecteur d’effet Hawking ». L’atome accéléré deviendra ainsi l’équivalent d’un trou noir microscopique – ce qui, si vous étudiez les travaux du physicien Nassim Haramein, est une équivalence pertinente puisque les protons sont des trous noirs microscopiques – la thermalisation ou l’incandescence autour de l’atome étant une émission de Hawking stimulée.
Il est certain que si l’expérience est réalisée et que les données sont publiées, nous partagerons les résultats ici à l’International Space Federation, ainsi que ses implications pour la physique unifiée, alors restez à l’écoute !
Référence
[1] Ines Urdaneta, Probing The Unruh Effect with Quantum Optics, Resonance Science Foundation, May 2022.
[2] William Brown, Tunable Quantum Entanglement in Stimulated Hawking Radiation in an Analog White-Black Hole Pair, Resonance Science Foundation, May 2022.
[3] Barbara Šoda, Vivishek Sudhir, and Achim Kempf, Acceleration-Induced Effects in Stimulated Light-Matter Interactions. Phys. Rev. Lett. 128, 163603 – Published 21 April 2022. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.163603
