L'effet Unruh relie la théorie quantique et la relativité. Jusqu'à maintenant, il n'a pas pu être mesuré. Une nouvelle idée pourrait changer cela.

Le vide de l'espace est-il vraiment vide ? Pas nécessairement. C'est l'un des résultats étranges obtenus en reliant la théorie quantique et la théorie de la relativité :L'effet Unruh suggère que si vous volez dans un vide quantique avec une accélération extrême, le vide ne ressemble plus à un vide :plutôt, cela ressemble à un bain chaud plein de particules. Ce phénomène est étroitement lié au rayonnement de Hawking des trous noirs.

Une équipe de recherche de la TU Wien, le Erwin Schrödinger Center for Quantum Science and Technology (ESQ) et le Black Hole Laboratory de l'Université de Nottingham en collaboration avec l'Université de la Colombie-Britannique ont 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 d'atomes ultra-froids (condensat Bose-Einstein) dans lequel des particules sonores, phonons, deviennent audibles pour un observateur accéléré dans le vide silencieux des phonons. Le son n'est pas créé par le détecteur, c'est plutôt entendre ce qui est là 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 ? Quelle est la longueur d'un objet ? Quelle est la longueur d'onde d'un rayon lumineux ? 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 de l'espace est vide ou non ? Deux observateurs au moins ne devraient-ils pas s'entendre 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 aux particules dites virtuelles, qui sont également responsables d'autres effets importants, tels que le rayonnement de Hawking, ce qui provoque l'évaporation des trous noirs.

"Pour observer directement l'effet Unruh, comme William Unruh l'a décrit, est totalement 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 quelques 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 ça." Cependant, il existe une autre façon de découvrir cet effet étrange :en utilisant des simulateurs dits 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, puisque 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 même en 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'en voir l'effet.

Nuages ​​atomiques et faisceaux laser

De même qu'une particule est une "perturbation" dans l'espace vide, il y a des perturbations dans le condensat froid de Bose-Einstein, de petites irrégularités (ondes sonores) qui se propagent par vagues. Comme on l'a maintenant montré, de telles irrégularités doivent être détectables avec des faisceaux laser spéciaux. En utilisant 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'illumination se déplace sur le condensat de Bose-Einstein, qui 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 visibles 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 maintenant, l'effet Unruh était une idée abstraite, " dit le professeur Silke Weinfurtner qui dirige le laboratoire Black Hole à 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 autrement pas accessibles expérimentalement."

Une 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 très chronophage et il y a des obstacles techniques à surmonter, " explique Jörg Schmiedmayer. " Mais ce serait une merveilleuse façon d'en apprendre davantage sur un effet important qui était auparavant considéré comme pratiquement inobservable. "