Le changement de quantité de mouvement semblable à une friction découvert dans la nouvelle étude peut être modélisé par un dispositif mobile qui émet des photons dans des directions opposées. Un observateur peut mesurer les fréquences des photons, et en utilisant l'effet Doppler, calculera un changement de quantité de mouvement mais aucun changement de vitesse. Crédit :Sonnleitner et al. ©2017 Société américaine de physique
(Phys.org) - Lorsque trois physiciens ont découvert pour la première fois par leurs calculs qu'un atome en décomposition se déplaçant dans le vide subit une force semblable à la friction, ils étaient très méfiants. Les résultats semblaient aller à l'encontre des lois de la physique :le vide, par définition, est un espace complètement vide et n'exerce pas de friction sur les objets qu'il contient. Plus loin, si vrai, les résultats contrediraient le principe de relativité, car ils impliqueraient que les observateurs dans deux référentiels différents verraient l'atome se déplacer à des vitesses différentes (la plupart des observateurs verraient l'atome ralentir en raison de la friction, mais un observateur se déplaçant avec l'atome ne le ferait pas).
Écrire dans Lettres d'examen physique , les physiciens Matthias Sonnleitner, Nils Trautmann, et Stephen M. Barnett de l'Université de Glasgow savaient que quelque chose ne va pas, mais au début, ils ne savaient pas quoi.
"Nous avons passé des siècles à chercher l'erreur dans le calcul et avons passé encore plus de temps à explorer d'autres effets étranges jusqu'à ce que nous trouvions cette solution (plutôt simple), " a dit Sonnleitner Phys.org .
Les physiciens ont finalement réalisé que la pièce manquante du puzzle était une toute petite masse supplémentaire appelée « défaut de masse », une quantité si petite qu'elle n'a jamais été mesurée dans ce contexte. C'est la masse dans la célèbre équation d'Einstein E =mc 2 , qui décrit la quantité d'énergie nécessaire pour décomposer le noyau d'un atome en ses protons et neutrons. Cette énergie, appelée "énergie de liaison interne, " est régulièrement pris en compte en physique nucléaire, qui traite des énergies de liaison plus importantes, mais est généralement considéré comme négligeable dans le contexte de l'optique atomique (le champ ici) en raison des énergies beaucoup plus faibles.
Ce détail subtil mais important a permis aux chercheurs de brosser un tableau très différent de ce qui se passait. Lorsqu'un atome en décomposition se déplace dans le vide, il subit vraiment une sorte de force ressemblant à un frottement. Mais une vraie force de friction ferait ralentir l'atome, et ce n'est pas ce qui se passe.
Ce qui se passe vraiment, c'est que puisque l'atome en mouvement perd un tout petit peu de masse en se désintégrant, il perd de son élan, pas la vitesse. Pour expliquer plus en détail :Bien que le vide soit vide et n'exerce aucune force sur l'atome, il interagit toujours avec l'atome, et cette interaction provoque la désintégration de l'atome excité. Comme l'atome en mouvement se désintègre à un état d'énergie plus faible, il émet des photons, lui faisant perdre un peu d'énergie correspondant à une certaine masse. Puisque la quantité de mouvement est le produit de la masse et de la vitesse, la diminution de masse fait perdre un peu de vitesse à l'atome, tout comme prévu selon la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement en relativité restreinte. Ainsi, alors que la masse (énergie) et la quantité de mouvement de l'atome diminuent, sa vitesse reste constante.
Cette image résout les deux problèmes précédents :il n'y a aucune force agissant entre le vide et l'atome, et deux observateurs dans des référentiels différents verraient tous deux l'atome se déplacer à la même vitesse constante, même si l'atome perdrait de son élan en raison de la désintégration.
"En principe, la physique qui sous-tend nos travaux est connue depuis longtemps, notre résultat est donc d'une importance plutôt conceptuelle :nous avons montré que le modèle très réussi généralement utilisé pour décrire l'interaction entre les atomes et la lumière peut donner cet étrange changement de quantité de mouvement semblable à un frottement, " Sonnleitner a déclaré. "Ce résultat ne peut être expliqué que lorsque nous incluons l'équivalence entre la masse et l'énergie. Mais comme on ne s'attendrait pas à ce que cet aspect de la relativité restreinte (E =mc 2 ) joue en fait un rôle dans les interactions atome-lumière à ces basses énergies, cela n'a pas été inclus dans le modèle. Ce puzzle a donc montré comment un élément de la relativité restreinte entre de manière inattendue dans un modèle bien étudié et très réussi de l'optique quantique (non relativiste). »
C'est probablement la première fois que l'énergie de liaison interne d'un atome fait une différence aussi significative dans un contexte d'optique quantique. Les physiciens soulignent que l'effet ne se limite pas à l'émission spontanée d'un photon, mais qu'il se produit chaque fois qu'un atome change son énergie interne, comme lors de l'émission ou de l'absorption d'un photon. Mais dans ces cas, l'atome verra également des forces réelles dépendantes de la vitesse, ce qui masquerait l'effet discuté ici. Pour le moment, mesurer expérimentalement l'effet est peu probable, puisque l'énergie impliquée est d'environ trois ordres de grandeur plus petite que ce qui peut être détecté par les techniques de mesure les plus précises d'aujourd'hui.
À l'avenir, les chercheurs prévoient d'étudier l'impact que cet effet peut avoir sur le modèle conventionnel des interactions atome-lumière.
"Nous essaierons d'étendre le modèle réussi actuellement utilisé pour décrire les interactions atome-lumière pour inclure la possibilité d'une masse changeante, " a déclaré Sonnleitner. " Bien sûr, ce ne sera qu'une petite correction, mais cela devrait aider à compléter le tableau. Il n'est jamais faux de revisiter, repenser et, si nécessaire, modifier une théorie établie."
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