Des scientifiques de l’Université de technologie de Chalmers, en Suède, ont réussi à créer de la lumière à partir du vide – observant un effet prédit pour la première fois il y a plus de 40 ans. Dans une expérience innovante, les scientifiques ont réussi à capturer certains des photons qui apparaissent et disparaissent constamment dans le vide.
Expérience des scientifiques de Chalmers (Philip Krantz / Chalmers)
L’expérience est basée sur l’un des principes les plus contre-intuitifs, mais aussi l’un des plus importants de la mécanique quantique : le vide n’est en aucun cas un néant vide. En fait, le vide est rempli de diverses particules qui fluctuent continuellement entre l’existence et la disparition. Elles apparaissent, existent pendant un bref instant, puis disparaissent à nouveau. Comme leur existence est si fugace, on les appelle généralement des particules virtuelles.
Le chercheur de Chalmers, Christopher Wilson, et ses collègues ont réussi à faire sortir les photons de leur état virtuel pour les transformer en photons réels, c’est-à-dire en lumière mesurable. Le physicien Moore avait déjà prédit en 1970 que cela se produirait si les photons virtuels pouvaient rebondir sur un miroir se déplaçant à une vitesse presque aussi élevée que celle de la lumière. Ce phénomène, connu sous le nom d’effet Casimir dynamique, a été observé pour la première fois lors d’une brillante expérience menée par les scientifiques de Chalmers.
“Comme il n’est pas possible de faire bouger un miroir suffisamment vite, nous avons développé une autre méthode pour obtenir le même effet”, explique Per Delsing, professeur de physique expérimentale à Chalmers. “Au lieu de faire varier la distance physique avec un miroir, nous avons fait varier la distance électrique avec un court-circuit électrique qui agit comme un miroir pour les micro-ondes.”
Le “miroir” consiste en un composant électronique quantique appelé SQUID (Superconducting quantum interference device), qui est extrêmement sensible aux champs magnétiques. En changeant la direction du champ magnétique plusieurs milliards de fois par seconde, les scientifiques ont réussi à faire vibrer le “miroir” à une vitesse pouvant atteindre 25 % de la vitesse de la lumière.
“Le résultat a été que des photons sont apparus par paires depuis le vide, ce que nous avons pu mesurer sous forme de rayonnement micro-ondes”, explique Per Delsing. “Nous avons également pu établir que ce rayonnement avait précisément les mêmes propriétés que celles que la théorie quantique prévoit qu’il devrait avoir lorsque les photons apparaissent par paires de cette manière.”
Ce qui se passe pendant l’expérience, c’est que le “miroir” transfère une partie de son énergie cinétique à des photons virtuels, ce qui les aide à se matérialiser. Selon la mécanique quantique, il existe de nombreux types de particules virtuelles dans le vide, comme nous l’avons déjà mentionné. Göran Johansson, professeur associé de physique théorique, explique que la raison pour laquelle les photons apparaissent dans l’expérience est qu’ils n’ont pas de masse.
“Une énergie relativement faible est donc nécessaire pour les exciter hors de leur état virtuel. En principe, on pourrait aussi créer d’autres particules à partir du vide, comme des électrons ou des protons, mais cela nécessiterait beaucoup plus d’énergie.”
Les scientifiques estiment que les photons qui apparaissent par paires dans l’expérience sont intéressants à étudier de plus près. Ils peuvent peut-être être utiles dans le domaine de recherche de l’information quantique, qui comprend le développement d’ordinateurs quantiques.
Cependant, la principale valeur de l’expérience est qu’elle accroît notre compréhension des concepts physiques de base, tels que les fluctuations du vide – l’apparition et la disparition constantes de particules virtuelles dans le vide. On pense que les fluctuations du vide pourraient avoir un lien avec l'”énergie sombre” qui est à l’origine de l’expansion accélérée de l’Univers.
