Le 20 décembre, 2016, Les scientifiques de l'Université de Chicago Jonathan Richardson et Stephan Meyer travaillent sur l'assemblage final du système de vide de l'holomètre nouvellement reconfiguré, qui est à l'intérieur d'une enceinte brute en contreplaqué, sur une plate-forme constituée d'une plaque d'acier recyclée de l'ossuaire du Fermilab. Le cube en acier à gauche contient le miroir d'extrémité de l'un des interféromètres Holometer. Crédit :Craig Hogan, Laboratoire Fermi
Les scientifiques du Laboratoire Fermi ont mené des expériences pour rechercher les fluctuations quantiques de l'espace et du temps à la plus petite échelle imaginable selon la physique connue. A cette limite, la longueur de Planck, nos notions classiques d'espace et de temps s'effondrent.
Imaginez le rapport de la taille de l'univers par rapport à un grain de poussière. C'est à peu près la taille du grain de poussière par rapport à la longueur de Planck, dix -33 centimètres. Le temps de Planck est le temps qu'il faut à la lumière pour parcourir cette distance.
La mécanique quantique nous dit que tout fluctue constamment à petite échelle, mais les fluctuations de l'espace et du temps à l'échelle de Planck sont elles-mêmes si faibles qu'elles n'ont jamais été mesurées en laboratoire. Une meilleure compréhension du mouvement à l'échelle de Planck peut aider les physiciens à répondre à une question fondamentale et importante :pourquoi les choses semblent-elles se produire à des moments et à des endroits précis ?
Cette propriété d'espace-temps, parfois appelée simplement « localité, " est en effet assez basique. Des lieux et des temps définis sont censés être ce dont l'espace-temps est fait - le tissu même de la réalité.
On a longtemps pensé que l'échelle de Planck est trop petite pour être étudiée dans n'importe quelle expérience, mais il y a environ 10 ans, nous avons décidé de l'essayer quand même. Il est possible que les incertitudes quantiques de l'espace-temps à l'échelle de Planck s'additionnent au fil du temps nécessaire à la lumière pour traverser une expérience, ainsi un effet incroyablement petit devient simplement très difficile - plutôt qu'impossible - à détecter. Donc, nous avons construit un appareil appelé Holomètre Fermilab pour rechercher de très petites fluctuations dans des endroits très éloignés les uns des autres.
Matière quantique et espace-temps :deux systèmes-mondes partageant une réalité inexpliquée
Un système quantique est tout ce qui est fait de matière et d'énergie, et rien de cela ne se produit à un endroit et à un moment précis jusqu'à ce qu'il soit mesuré. L'espace-temps semble être tout le contraire :tout se passe localement à un endroit défini, mais ses propriétés ne peuvent être mesurées que non localement, C'est, en comparant ce qui se passe à différents endroits.
En quelque sorte, ces deux systèmes-mondes différents – la matière quantique et l'espace-temps – partagent et interagissent dans le même monde physique réel. L'espace absolu local affecte directement la matière, comme tout le monde peut le voir en faisant tourner une toupie ou en éprouvant le vertige sur un manège. Parce que la matière est la source de la gravité, elle affecte évidemment l'espace et le temps. Ondes gravitationnelles, qui sont faits d'espace-temps pur, transporter de l'énergie et de l'information, même à travers l'espace "vide", et la matière peut se transformer en pur espace-temps, sous forme de trous noirs. Mais personne ne comprend exactement comment les choses quantiques se rapportent à l'espace et au temps.
La raison pour laquelle il est facile d'oublier l'espace-temps quantique dans la vie de tous les jours, et même dans la plupart des expériences du Fermilab, est que cela n'affecte rien que nous mesurons réellement. Bien qu'il doive y avoir une certaine incertitude quantique dans l'espace-temps lui-même, elle ne devient fatale à la théorie standard qu'en dessous de la longueur où les particules quantiques uniques forment des trous noirs. C'est la petite échelle que nous appelons la longueur de Planck.
Le succès de l'holomètre à ne rien mesurer
Sur un modeste, échelle de 40 mètres, l'holomètre ressemble à des détecteurs géants, tels que l'observatoire des ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser à Hanford, Washington, et Livingston, Louisiane, qui sont utilisés pour détecter les ondes gravitationnelles d'objets distants. Comme LIGO, il utilise des miroirs et de la lumière – des interféromètres laser – pour mesurer les secousses de l'espace et du temps. Dans l'holomètre, la lumière laser et les miroirs, pris ensemble comme un système, devenir un objet quantique non local de 40 mètres de long dans un sens et de 40 mètres dans un autre. Ils créent un signal de sortie qui dépend des différences quantiques dans les positions des miroirs. Nous pouvons mesurer les fluctuations à partir de changements aléatoires de position relative d'une seule longueur de Planck à chaque fois de Planck s'ils sont corrélés de manière cohérente à l'échelle de l'appareil.
Nous avons publié les résultats de notre première expérience il y a plusieurs années. Dans un sens, l'expérience a été un grand succès, puisque nous n'avons rien réussi à mesurer avec une précision sans précédent :Avec quelques sortes de jitters à l'échelle de Planck, nous aurions vu un grand effet. Mais nous n'avons trouvé aucune telle secousse. C'était calme.
Cependant, cette expérience n'excluait pas toutes sortes de mouvements fluctuants dans l'espace-temps. Par exemple, parce que les bras de ses interféromètres étaient droits, la lumière laser ne serait pas affectée si l'appareil se secouait avec un mouvement purement rotatif :les miroirs se déplaceraient latéralement par rapport au faisceau au lieu de le long de celui-ci.
À la recherche de rebondissements à l'échelle de Planck dans l'espace-temps
En relativité générale, la matière en rotation entraîne l'espace-temps avec elle. En présence d'une masse en rotation, le référentiel local non tournant, mesurée par un gyroscope, tourne par rapport à l'univers lointain, mesurée par des étoiles lointaines. Il se pourrait bien que l'espace-temps quantique ait une incertitude à l'échelle de Planck du référentiel local, ce qui conduirait à des fluctuations rotationnelles aléatoires ou à des torsions que nous n'aurions pas détectées dans notre première expérience, et beaucoup trop petit pour être détecté dans n'importe quel gyroscope normal.
Donc, nous avons fait une nouvelle expérience. Nous avons reconstruit l'appareil dans une nouvelle forme. Nous avons ajouté des miroirs supplémentaires pour orienter une partie de la lumière laser dans différentes directions, de sorte que le signal répondrait à des instabilités ou des torsions de rotation cohérentes.
Le nouvel instrument est un gyroscope incroyablement sensible pour des durées très courtes, capable de détecter de très petites torsions de rotation sur la fraction de microseconde qu'il faut à la lumière pour la traverser. Nous pouvons détecter des secousses qui changent de direction au hasard un million de fois par seconde, mais cela ne déplace les côtés opposés de l'appareil que d'un milliardième de milliardième de mètre, une vitesse beaucoup plus lente que la dérive des continents. Dans notre appareil, cela correspond à des torsions fluctuant au hasard d'environ une longueur de Planck à chaque fois de Planck.
Nous avons récemment terminé notre dernière expérience avec cet Holomètre reconfiguré. Notre résultat final est encore une fois sans trac, ce qui peut être interprété comme une absence de rebondissements à l'échelle de Planck, d'un certain genre, dans le tissu de l'espace-temps. Il semble que l'espace-temps à l'échelle de Planck soit vraiment très calme.
La raison de continuer à rechercher ces effets est que nous ne comprendrons peut-être jamais comment l'espace-temps quantique fonctionne sans quelques mesures pour guider la théorie. Le programme Holomètre est exploratoire. Notre expérience a commencé avec seulement des théories approximatives pour guider sa conception, et nous n'avons toujours pas de moyen unique d'interpréter nos résultats nuls, puisqu'il n'y a pas de théorie rigoureuse de ce que nous recherchons. Les tremblements sont-ils juste un peu plus petits que ce que nous pensions qu'ils pourraient être, ou ont-ils une symétrie qui crée un motif dans l'espace que nous n'avons pas mesuré ? Les nouvelles technologies permettront de meilleures expériences futures que les nôtres et nous donneront peut-être des indices sur la façon dont l'espace et le temps émergent d'un système quantique plus profond.
Nous avons récemment publié un article sur nos découvertes dans arXiv.
