Des scientifiques produisent des ondes sonores à partir d’un vide quantique au laboratoire Black Hole –

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  • Les chercheurs ont développé une nouvelle théorie pour l’observation d’un vide quantique qui pourrait conduire à de nouvelles connaissances sur le comportement des trous noirs.

    L’effet Unruh combine la physique quantique et la théorie de la relativité. Jusqu’à présent, il n’a pas été possible de le mesurer ou de l’observer, mais maintenant de nouvelles recherches d’une équipe dirigée par l’Université de Nottingham ont mis en lumière comment cela pourrait être réalisé en utilisant des particules sonores. Les recherches de l’équipe ont été publiées aujourd’hui dans la revue Lettres d’examen physique.

    L’effet Unruh suggère que si vous volez à travers un vide quantique avec une accélération extrême, le vide ne ressemble plus à un vide: il ressemble plutôt à un bain chaud rempli de particules. Ce phénomène est étroitement lié au rayonnement Hawking des trous noirs.

    Une équipe de recherche du Black Hole Laboratory de l’Université de Nottingham en collaboration avec l’Université de la Colombie-Britannique et l’Université de technologie de Vienne a montré qu’au lieu d’étudier l’espace vide dans lequel les particules deviennent soudainement visibles lors de l’accélération, vous pouvez créer un nuage bidimensionnel de des atomes ultra-froids (condensat de Bose-Einstein) dans lesquels les particules sonores, les phonons, deviennent audibles par un observateur accéléré dans le vide silencieux des phonons. Le son n’est pas créé par le détecteur, il entend plutôt ce qu’il y a juste à cause de l’accélération (un détecteur non accéléré n’entendrait toujours rien).

    Le vide est plein de particules

    L’une des idées de base de la théorie de la relativité d’Albert Einstein est la suivante: les résultats des mesures peuvent dépendre de l’état de mouvement de l’observateur. À quelle vitesse une horloge tourne-t-elle? Combien de temps dure un objet? Quelle est la longueur d’onde d’un rayon de lumière? Il n’y a pas de réponse universelle à cela, le résultat est relatif – cela dépend de la vitesse à laquelle l’observateur se déplace. Mais qu’en est-il de la question de savoir si une certaine zone d’espace est vide ou non? Est-ce que deux observateurs ne devraient pas au moins être d’accord là-dessus?

    Non, car ce qui ressemble à un vide parfait pour un observateur peut être un essaim turbulent de particules et de rayonnement pour l’autre. L’effet Unruh, découvert en 1976 par William Unruh, dit que pour un observateur fortement accéléré, le vide a une température. Cela est dû à ce que l’on appelle les particules virtuelles, qui sont également responsables d’autres effets importants, tels que le rayonnement de Hawking, qui provoque l’évaporation des trous noirs.

    «Observer directement l’effet Unruh, comme William Unruh l’a décrit, est complètement impossible pour nous aujourd’hui», explique le Dr Sebastian Erne qui est venu de l’Université de Nottingham à l’Institut atomique de l’Université de technologie de Vienne en tant que boursier ESQ. il y a des mois. “Vous auriez besoin d’un appareil de mesure accéléré à presque la vitesse de la lumière en une microseconde pour voir même un petit effet Unruh – nous ne pouvons pas faire cela.” Cependant, il existe une autre façon d’en apprendre davantage sur cet effet étrange: l’utilisation de soi-disant simulateurs quantiques.

    Simulateurs quantiques

    “De nombreuses lois de la physique quantique sont universelles. On peut montrer qu’elles se produisent dans des systèmes très différents. On peut utiliser les mêmes formules pour expliquer des systèmes quantiques complètement différents”, explique Jörg Schmiedmayer de l’Université de technologie de Vienne. “Cela signifie que vous pouvez souvent apprendre quelque chose d’important sur un système quantique particulier en étudiant un système quantique différent.”

    «Simuler un système avec un autre a été particulièrement utile pour comprendre les trous noirs, car les vrais trous noirs sont effectivement inaccessibles», souligne le Dr Cisco Gooding du laboratoire Black Hole. “En revanche, les trous noirs analogiques peuvent être facilement produits ici, dans le laboratoire.”

    Ceci est également vrai pour l’effet Unruh: si la version originale ne peut pas être démontrée pour des raisons pratiques, alors un autre système quantique peut être créé et examiné afin d’y voir l’effet.

    Nuages ​​atomiques et faisceaux laser

    Tout comme une particule est une «perturbation» dans un espace vide, il y a des perturbations dans le condensat froid de Bose-Einstein – de petites irrégularités (ondes sonores) qui se propagent en vagues. Comme on l’a maintenant montré, de telles irrégularités devraient être détectables avec des faisceaux laser spéciaux. Grâce à des astuces spéciales, le condensat de Bose-Einstein est peu perturbé par la mesure, malgré l’interaction avec la lumière laser.

    Jörg Schmiedmayer explique: «Si vous déplacez le faisceau laser, de sorte que le point d’éclairage se déplace au-dessus du condensat de Bose-Einstein, cela correspond au déplacement de l’observateur dans l’espace vide. Si vous guidez le faisceau laser en mouvement accéléré sur le nuage atomique , alors vous devriez être capable de détecter des perturbations qui ne sont pas vues dans le cas stationnaire – tout comme un observateur accéléré dans le vide percevrait un bain de chaleur qui n’est pas là pour l’observateur stationnaire. “

    «Jusqu’à présent, l’effet Unruh était une idée abstraite», déclare le professeur Silke Weinfurtner qui dirige le laboratoire Black Hole de l’Université de Nottingham, «Beaucoup avaient abandonné tout espoir de vérification expérimentale. La possibilité d’incorporer un détecteur de particules dans une simulation quantique nous donnera de nouvelles perspectives sur des modèles théoriques qui ne seraient pas autrement accessibles expérimentalement. “

    La planification préliminaire est déjà en cours pour réaliser une version de l’expérience utilisant de l’hélium superfluide à l’Université de Nottingham. «C’est possible, mais cela prend beaucoup de temps et nous devons surmonter des obstacles techniques», explique Jörg Schmiedmayer. “Mais ce serait une merveilleuse façon d’en savoir plus sur un effet important qui était auparavant considéré comme pratiquement inobservable.”

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