(a) illustre comment le rayonnement Unruh devrait émerger dans un cadre d'accélération. (b) montre l'image de notre expérience qui simule le rayonnement Unruh. Crédit :Hu et a.
Des chercheurs de l'Université de Chicago (UChicago) ont récemment rapporté une observation expérimentale d'un champ de matière avec des fluctuations thermiques qui est conforme aux prédictions de rayonnement d'Unruh. Leur papier, Publié dans Physique de la nature , pourrait ouvrir de nouvelles possibilités de recherche explorant la dynamique des systèmes quantiques dans un espace-temps courbe.
"Notre équipe à UChicago a enquêté sur un nouveau phénomène quantique appelé feu d'artifice de Bose que nous avons découvert il y a deux ans, "Cheng Chin, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Notre article rapporte sa connexion cachée à un phénomène gravitationnel appelé rayonnement Unruh."
L'effet Unruh, ou rayonnement Unruh, est étroitement lié au rayonnement de Hawking. En 1974, le physicien théoricien Stephen Hawking a prédit que la forte force gravitationnelle à proximité des trous noirs conduit à l'émission d'un rayonnement thermique de particules, qui ressemble à la vague de chaleur émise par un four. Ce phénomène reste spéculatif sans confirmation expérimentale directe.
Quelques années plus tard, en 1976, Le physicien William Unruh a émis l'hypothèse qu'une personne pourrait observer le même rayonnement lorsqu'elle se déplace avec une forte accélération. L'équivalence entre les rayonnements de Hawking et d'Unruh est basée sur le principe d'équivalence d'Einstein, ce qui est maintenant confirmé par de nombreuses expériences.
Malgré les prédictions d'Unruh, personne n'a encore observé le rayonnement Unruh, ce qui n'est pas surprenant, car ce phénomène est particulièrement difficile à appréhender. En réalité, une personne aurait besoin de supporter une force G de 25 milliards de milliards (25*10 18 ) pour voir un faible rayonnement de 1 Kelvin. C'est un nombre étonnant quand on considère que, par exemple, la force G ressentie par un pilote d'avion de chasse n'est pas supérieure à 10.
« Dans notre laboratoire, nous simulons la physique d'Unruh en modulant précisément un condensat de Bose-Einstein avec le champ magnétique, " Dit Chin. " Même à travers notre échantillon ne bouge pas, la modulation a le même effet que l'amplification de l'échantillon jusqu'à un cadre de référence accélérant. On observe un rayonnement à 2 micro-Kelvin, et la mesure concorde parfaitement avec la prédiction de l'Unruh et confirme la nature quantique du champ de rayonnement."
Dans leur expérience, Chin et ses collègues ont préparé 60, 000 atomes de césium et les a refroidis à environ 10 nano-Kelvin, puis a commencé la modulation du champ magnétique. Quelques millisecondes après la modulation, ils ont observé une émission thermique d'atomes dans toutes les directions. Pour confirmer la distribution thermique des atomes, les chercheurs ont collecté un plus grand nombre d'échantillons et ont montré que le nombre d'atomes fluctue précisément en fonction de la distribution thermique de Boltzmann.
"Les températures que nous avons extraites des images concordent parfaitement avec la prédiction d'Unruh, " dit Chin. " En plus de la distribution thermique, on observe également la cohérence spatiale et temporelle de l'émission des ondes de matière. La cohérence est la marque de fabrique de la mécanique quantique et révèle que le rayonnement Unruh provient de la mécanique quantique. Cela contraste fortement avec les sources de rayonnement thermique classiques, comme un four ou la lumière du soleil, qui proviennent de l'équilibre thermique."
Essentiellement, Chin et ses collègues ont observé un champ d'ondes de matière en utilisant un cadre pour des simulations de physique quantique dans des cadres non inertiels. Ils ont observé que les fluctuations de cette onde de matière, ainsi que la cohérence de phase à longue portée et sa cohérence temporelle sont alignées sur les prédictions d'Unruh.
L'étude menée par l'équipe d'UCicago a été financée par la National Science Foundation, Bureau de recherche de l'armée et Chicago MRSEC. À l'avenir, leurs observations pourraient avoir des implications importantes pour l'étude des phénomènes quantiques dans un espace-temps courbe.
"Notre méthode s'applique à des états quantiques génériques dans des référentiels non inertiels. Dans nos futurs travaux, nous souhaitons identifier de nouveaux phénomènes quantiques dans des espaces-temps courbes, " dit Chin. " Il y a eu beaucoup de discussions pour savoir si la relativité générale d'Einstein est compatible avec la mécanique quantique. Il y a des propositions, spéculations et même paradoxe, et nous souhaitons mener des expériences qui peuvent aider à mieux comprendre comment fonctionne la mécanique quantique dans des espaces-temps courbes. »
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