Des électrons à la vitesse de la lumière pourraient révéler un effet quantique prédit il y a 45 ans

Des atomes se déplaçant à la vitesse de la lumière sur un trajet de photons spécifique pourraient prouver l'existence d'une propriété de mécanique quantique prédite dans les années 1970 appelée effet Unruh. Pour observer cet effet, les scientifiques devraient attendre des milliards d’années, mais une nouvelle étude a démontré une technique qui peut donner des résultats en quelques heures.

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Qu'est-ce que l'effet Unruh ?

L'effet Unruh peut se produire lorsqu'un corps est accéléré jusqu'à la vitesse de la lumière.

L'effet Unruh est un phénomène qui peut aider les physiciens à trouver une théorie capable d'unifier la mécanique quantique et la relativité générale. Le problème est que la probabilité de voir l’effet est infinitésimale, car cela nécessite une accélération proche de la vitesse de la lumière.

En bref, l'effet Unruh est le rayonnement thermique (chaleur) qu'un corps émet lorsqu'il accélère dans le vide. Cela ne doit pas être confondu avec tout autre effet d’interaction de particules : il se produit par des interactions entre la matière accélérée et les fluctuations quantiques dans le vide.

Ces « fluctuations quantiques » font partie de la théorie quantique des champs et se produisent chaque fois qu’il y a un changement soudain dans la quantité d’énergie en un point situé dans l’espace « vide » (ou ce que nous appelons le vide).

Eh bien, les fluctuations des champs quantiques se produisent tout le temps, même dans le vide, à une fréquence qui mesure à peu près la taille d'un demi-photon. Selon la prédiction du physicien canadien Bill Unruh en 1976, un corps accélérant dans le vide devrait amplifier ces fluctuations, produisant ainsi une lueur thermique chaude.

Si la prédiction est correcte, l’effet Unruh devrait se produire spontanément dans l’univers, mais personne n’a réussi à l’observer jusqu’à présent. Dans leur nouvelle étude, des chercheurs du MIT et de l'Université de Waterloo trouvent un moyen d'augmenter considérablement l'effet observé.

Comment observer l'effet Unruh

Un astronaute voyageant dans un vaisseau spatial à la vitesse de la lumière a pu observer l'effet Unruh

L'idée des auteurs est de stimuler le phénomène en accélérant des électrons dans un accélérateur de particules. En d’autres termes, la proposition consiste à ajouter suffisamment d’énergie pour que la particule atteigne des vitesses proches de celle de la lumière presque instantanément, en moins d’un millionième de seconde.

Cette accélération massive équivaudrait à une force G d’un quadrillion de mètres par seconde carrée. "S'il y avait une accélération raisonnable, il faudrait attendre un temps énorme – plus long que l'âge de l'univers – pour constater un effet mesurable", a déclaré Vivishek Sudhir, co-auteur de l'article.

Mais cela ne suffit pas pour observer l’effet. A cela, ils comptent ajouter un faisceau micro-ondes. « Lorsque vous ajoutez des photons dans le champ, vous ajoutez « n » fois ces fluctuations dans ce champ. [champ qui mesure] un demi-photon dans le vide », explique Sudhir.

Mais il y a un petit problème : en plus de l’effet quantique Unruh, les photons supplémentaires amplifieraient également d’autres effets dans le vide. C’est précisément la raison pour laquelle d’autres scientifiques n’ont pas réussi à utiliser l’approche de stimulation lumineuse. Pour résoudre ce problème, les auteurs ont introduit le concept de « transparence induite par l’accélération ».

Ils ont montré que si un corps comme un électron accélérait avec une trajectoire très spécifique à travers un champ de photons, la particule interagirait avec le champ, tandis que les photons d'une certaine fréquence deviendraient essentiellement invisibles pour l'électron. C'est comme si ces effets supplémentaires étaient annulés.

Valider les idées révolutionnaires

Le diagramme explique la mécanique derrière le rayonnement de Hawking

En plus de valider d’importantes prédictions de la théorie quantique des champs, l’observation de l’effet Unruh contribuerait également à faire progresser les recherches sur le rayonnement de Hawking, prédit par Stephen Hawking également dans les années 1970.

Selon le célèbre physicien, ce rayonnement est un effet thermique résultant de l'interaction entre la lumière et la matière dans un champ gravitationnel extrême, comme l'environnement d'un trou noir. Comme l’effet Unruh, le rayonnement Hawking se produit spontanément, avec l’émergence de particules virtuelles.

"Il existe un lien étroit entre l'effet Hawking et l'effet Unruh – ils sont exactement complémentaires l'un de l'autre", a déclaré Sudhir. C'est pourquoi les équations de température de l'effet Unruh utilisent la même formule pour le rayonnement Hawking. On les appelle températures de Hawking-Unruh.