Le concept de l'artiste Mark Rademaker pour l'entreprise IXS, un vaisseau spatial interstellaire théorique. Crédit :Mark Rademaker/flickr.com
Il y a quarante ans, Le physicien canadien Bill Unruh a fait une prédiction surprenante concernant la théorie quantique des champs. Connu sous le nom d'effet Unruh, sa théorie prédisait qu'un observateur en accélération serait baigné dans le rayonnement du corps noir, alors qu'un observateur inertiel n'en serait exposé à aucun. Quelle meilleure façon de marquer le 40e anniversaire de cette théorie que d'examiner comment elle pourrait affecter les êtres humains tentant un voyage spatial relativiste ?
Telle était l'intention derrière une nouvelle étude menée par une équipe de chercheurs de Sao Paulo, Brésil. En substance, ils examinent comment l'effet Unruh pourrait être confirmé à l'aide d'une expérience simple qui s'appuie sur la technologie existante. Non seulement cette expérience prouverait une fois pour toutes si l'effet Unruh est réel, cela pourrait également nous aider à planifier le jour où les voyages interstellaires deviendront une réalité.
Pour le dire en termes simples, La théorie de la relativité d'Einstein stipule que le temps et l'espace dépendent du cadre de référence inertiel de l'observateur. En accord avec cela est la théorie selon laquelle si un observateur se déplace à une vitesse constante dans le vide vide, ils trouveront que la température dudit vide est le zéro absolu. Mais s'ils commençaient à accélérer, la température de l'espace vide deviendrait plus élevée.
C'est ce que William Unruh - un théoricien de l'Université de la Colombie-Britannique (UBC), Vancouver – affirmé en 1976. Selon sa théorie, un observateur accélérant dans l'espace serait soumis à un "bain thermique" - c'est-à-dire des photons et autres particules - qui s'intensifierait à mesure qu'il accélèrerait. Malheureusement, personne n'a jamais pu mesurer cet effet, puisqu'il n'existe aucun vaisseau spatial capable d'atteindre le type de vitesse nécessaire.
Selon la théorie de l'effet Unruh, les particules en accélération sont soumises à un rayonnement accru. Crédit :NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
Pour le bien de leur étude – qui a été récemment publiée dans la revue Lettres d'examen physique sous le titre "Observation virtuelle de l'effet Unruh" - l'équipe de recherche a proposé une expérience simple pour tester l'effet Unruh. Dirigé par Gabriel Cozzella de l'Institut de physique théorique (IFT) de l'Université d'État de Sao Paulo, ils prétendent que cette expérience réglerait le problème en mesurant un phénomène électromagnétique déjà compris.
Essentiellement, ils soutiennent qu'il serait possible de détecter l'effet Unruh en mesurant ce que l'on appelle le rayonnement de Larmor. Il s'agit de l'énergie électromagnétique émise par les particules chargées (telles que les électrons, protons ou ions) lorsqu'ils accélèrent. Comme ils le déclarent dans leur étude :
« Une stratégie plus prometteuse consiste à rechercher les empreintes de l'effet Unruh dans le rayonnement émis par les charges accélérées. Les charges accélérées doivent réagir en retour du fait de l'émission de rayonnement, frémissant en conséquence. Un tel frémissement serait naturellement interprété par les observateurs de Rindler comme une conséquence de l'interaction de charge avec les photons du bain thermal d'Unruh."
Comme ils le décrivent dans leur article, cela consisterait à surveiller la lumière émise par les électrons dans deux référentiels distincts. En premier, connu sous le nom de "cadre accélérateur", les électrons sont tirés latéralement à travers un champ magnétique, ce qui ferait se déplacer les électrons dans un motif circulaire. Dans la seconde, le "cadre de laboratoire", un champ vertical est appliqué pour accélérer les électrons vers le haut, les obligeant à suivre un chemin semblable à un tire-bouchon.
Schéma de l'expérience pour tester l'effet Unruh, où les électrons sont injectés dans un champ magnétique et soumis à des tractions latérales et verticales. Crédit :Cozzella, Gabriel (et al.)
Dans le cadre d'accélération, Cozzella et ses collègues supposent que les électrons rencontreraient le "brouillard de photons", où ils rayonnent et les émettent à la fois. Dans le cadre du laboratoire, les électrons se réchaufferaient une fois l'accélération verticale appliquée, les faisant montrer un excès de photons de grande longueur d'onde. Cependant, cela dépendrait du "brouillard" existant dans le cadre accéléré pour commencer.
En bref, cette expérience propose un test simple qui pourrait déterminer si l'effet Unruh existe ou non, ce qui est contesté depuis qu'il a été proposé. L'une des beautés de l'expérience proposée est qu'elle pourrait être menée à l'aide d'accélérateurs de particules et d'électroaimants actuellement disponibles.
De l'autre côté du débat se trouvent ceux qui prétendent que l'effet Unruh est dû à une erreur mathématique commise par Unruh et ses collègues. Pour ces individus, cette expérience est utile car elle démystifierait efficacement cette théorie. Indépendamment, Cozzella et son équipe sont convaincus que l'expérience proposée donnera des résultats positifs.
"Nous avons proposé une expérience simple où la présence du bain thermal d'Unruh est codifiée dans le rayonnement de Larmor émis par une charge accélérée, " disent-ils. " Alors, nous avons effectué un simple calcul d'électrodynamique classique (vérifié par un calcul quantique des champs) pour le confirmer par nous-mêmes. A moins de remettre en cause l'électrodynamique classique, nos résultats doivent être virtuellement considérés comme une observation de l'effet Unruh."
Si les expériences s'avèrent concluantes, et l'effet Unruh est prouvé, cela aurait certainement des conséquences pour toutes les futures missions dans l'espace lointain qui reposent sur des systèmes de propulsion avancés. Entre le projet Starshot, et toute mission proposée qui impliquerait l'envoi d'un équipage vers un autre système stellaire, les effets ajoutés d'un "brouillard de photons" et d'un "bain thermique" devront être pris en compte.
