Une nouvelle théorie “détecte” la lumière dans l’obscurité d’un vide.
Les trous noirs sont des régions de l’espace-temps avec d’énormes quantités de gravité. Les scientifiques pensaient à l’origine que rien ne pouvait échapper aux limites de ces objets massifs, y compris la lumière.
La nature précise des trous noirs a été contestée depuis que la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein a donné naissance à la possibilité de leur existence. Parmi les découvertes les plus célèbres figurait la prédiction du physicien anglais Stephen Hawking selon laquelle certaines particules sont en fait émises au bord d’un trou noir.
Les physiciens ont également exploré le fonctionnement des aspirateurs. Au début des années 1970, alors que Hawking décrivait comment la lumière peut échapper à l’attraction gravitationnelle d’un trou noir, le physicien canadien William Unruh a proposé qu’un photodétecteur accéléré suffisamment rapidement puisse « voir » la lumière dans le vide.
Une nouvelle recherche de Dartmouth fait avancer ces théories en détaillant un moyen de produire et de détecter une lumière qui était auparavant considérée comme inobservable.
« Dans l’expérience proposée, illustrée ici, une membrane en diamant synthétique de la taille d’un timbre-poste contenant des détecteurs de lumière à base d’azote est suspendue dans une boîte en métal surrefroidie qui crée un vide. La membrane, qui agit comme un trampoline captif, est accélérée à des vitesses massives, produisant des photons. Crédit : Animation par LaDarius Dennison/Dartmouth College
“Au quotidien, les résultats semblent suggérer de manière surprenante la capacité de produire de la lumière à partir du vide vide”, a déclaré Miles Blencowe, professeur émérite de physique Eleanor et A. Kelvin Smith à Dartmouth et chercheur principal de l’étude. « Nous avons essentiellement produit quelque chose à partir de rien ; l’idée de cela est juste très cool.
En physique classique, le vide est considéré comme l’absence de matière, de lumière et d’énergie. En physique quantique, le vide n’est pas si vide, mais rempli de photons qui fluctuent dans et hors de l’existence. Cependant, une telle lumière est pratiquement impossible à mesurer.
Une partie de la théorie de la relativité générale d’Einstein, le «principe d’équivalence», établit un lien entre la prédiction de Hawking pour le rayonnement des trous noirs et la prédiction d’Unruh pour l’accélération des photodétecteurs voyant la lumière. L’équivalence dit que la gravité et l’accélération sont fondamentalement indiscernables : une personne dans un ascenseur sans fenêtre et en accélération ne serait pas en mesure de déterminer si elles subissent l’action de la gravité, d’une force d’inertie ou des deux.
Par conséquent, si la gravité des trous noirs peut créer des photons dans le vide, l’accélération le peut aussi.
La science démontrant déjà que l’observation de la lumière dans le vide est possible, l’équipe de Dartmouth a entrepris de trouver un moyen pratique de détecter les photons.
Miles Blencowe de Dartmouth, professeur émérite de physique Eleanor et A. Kelvin Smith, et Hui Wang, chercheur postdoctoral, ont décrit une expérience qui pourrait permettre aux chercheurs de produire et de détecter de la lumière dans le vide. Crédit : Robert Gill/Dartmouth College
La théorie de la recherche de Dartmouth, publiée dans Nature Research’s Physique des communications, prédit que les imperfections à base d’azote dans une membrane en diamant à accélération rapide peuvent effectuer la détection.
Dans l’expérience proposée, un diamant synthétique de la taille d’un timbre-poste contenant les détecteurs de lumière à base d’azote est suspendu dans une boîte en métal surrefroidie qui crée un vide. La membrane, qui agit comme un trampoline captif, est accélérée à des vitesses massives.
Le document de recherche explique que la production de photons résultante du vide de la cavité est collectivement améliorée et mesurable, la production de photons sous vide subissant une transition de phase d’une phase normale à «une phase laser inversée de type superradiant améliorée» lorsque le nombre de détecteurs dépasse un valeur critique.
“Le mouvement du diamant produit des photons”, a déclaré Hui Wang, chercheur postdoctoral qui a rédigé l’article théorique alors qu’il était étudiant diplômé à Dartmouth. “En substance, tout ce que vous avez à faire est de secouer quelque chose d’assez violemment pour produire des photons intriqués.”
L’article de Dartmouth étudie l’utilisation de plusieurs détecteurs de photons (les défauts du diamant) pour amplifier l’accélération de la membrane et augmenter la sensibilité de détection. L’oscillation du diamant permet également à l’expérience de se dérouler dans un espace contrôlable à des taux d’accélération intenses.
“Notre travail est le premier à explorer ce qui se passe lorsqu’il y a plusieurs photodétecteurs accélérateurs au lieu d’un”, a déclaré Blencowe. “Nous avons découvert un effet d’amplification amélioré quantique pour la création de lumière à partir du vide, où l’effet collectif des nombreux détecteurs accélérateurs est plus important que de les considérer individuellement.”
Pour confirmer que les photons détectés proviennent du vide plutôt que de l’environnement environnant, l’équipe démontre que la théorie observe une « lumière enchevêtrée », une caractéristique distincte de la mécanique quantique qui ne peut pas provenir d’un rayonnement extérieur.
“Les photons détectés par le diamant sont produits par paires”, a déclaré Hui. “Cette production de photons appariés et intriqués est la preuve que les photons sont produits dans le vide et non à partir d’une autre source.”
La proposition d’observer la lumière dans le vide n’a pas d’applicabilité immédiate, mais l’équipe de recherche espère qu’elle ajoute à la compréhension des forces physiques qui contribuent à la société de la même manière que d’autres recherches théoriques. En particulier, les travaux peuvent aider à faire la lumière expérimentale sur la prédiction de Hawking pour le rayonnement des trous noirs à travers la lentille du principe d’équivalence d’Einstein.
“Une partie de la responsabilité et de la joie d’être des théoriciens comme nous est de proposer des idées”, a déclaré Blencowe. “Nous essayons de montrer qu’il est possible de faire cette expérience, de tester quelque chose qui a été jusqu’à présent extraordinairement difficile.”
Une animation technique réalisée par l’équipe illustre la création de photons par l’expérience. La lumière détectée existe en fréquence micro-ondes, elle n’est donc pas visible à l’œil humain.
Référence : « Coherently amplifying photon production from vacuum with a dense cloud of accelerating photodetectors » par Hui Wang et Miles Blencowe, 10 juin 2021, Physique des communications.
DOI : 10.1038 / s42005-021-00622-3
La recherche a été soutenue par la National Science Foundation.
