Les scientifiques ont proposé un nouvel appareil de table pour détecter la manière subtile dont la rotation quotidienne de la Terre sur son axe tord l’espace-temps autour d’elle – un effet prédit par la relativité générale d’Einstein.
S’il est construit, le capteur pourrait mesurer l’effet quantique connu sous le nom de frame draging avec la même précision que les meilleures expériences sur satellite, mais en quelques minutes au lieu de quelques années, ont proposé les chercheurs dans une nouvelle étude.
La recherche, publiée le 17 septembre dans la revue Lettres d’examen physiquevisait à remédier à une inadéquation classique dans physique. Imaginez un anneau d’horloges boulonnées à un manège en rotation. Vous synchronisez chaque horloge avec sa voisine autour du ring. Ensuite, vous comparez la dernière horloge avec la première. Ils ne correspondent pas.
« Il est impossible de synchroniser cet ensemble d’horloges lorsque vous êtes dans un cadre en rotation », Kai-Isaak Ellersétudiant diplômé en physique à l’Université de Californie à Berkeley (UC Berkeley) et premier auteur de l’étude, a déclaré à Live Science.
La gravité est un frein
La théorie générale d’Einstein relativité prédit qu’un objet massif en rotation entraîne avec lui le tissu de l’espace-temps, tout comme une cuillère virevoltant dans le miel. L’effet est clairement visible autour des objets supermassifs, comme le trou noir central de la Voie Lactée. Mais autour de la Terre, l’effet est très faible.
Jusqu’à présent, les scientifiques ont mesuré le déplacement de la Terre uniquement depuis son orbite. Ils ont suivi la façon dont la torsion de l’espace-temps modifie lentement les gyroscopes en rotation ou les trajectoires des satellites. En 2011, le satellite Gravity Probe B de la NASA, qui transportait quatre gyroscopes, a confirmé la prédiction d’Einstein avec une marge d’erreur d’environ 18%. Les satellites suivis au laser ont depuis fait encore mieux. En juillet, des chercheurs ont rapporté dans la revue Nature que le Le satellite LARES-2 avait réduit cette marge d’erreur à seulement 0,2 %.
Cependant, cela a pris environ trois ans de suivi laser. Les chercheurs ont également dû tenir compte du fait que la Terre est bombée au niveau de l’équateur et que sa masse est inégalement répartie, ce qui donne à la gravité de la planète de petites irrégularités qui tirent sur les satellites bien plus fortement que le glissement du cadre. Pour soustraire ces remorqueurs, l’équipe s’est appuyée sur des cartes détaillées de la gravité terrestre réalisées par d’autres satellites.
Mesurer plus précisément le déplacement du cadre est un moyen de tester la relativité générale sous contrainte. Plusieurs théories alternatives de la gravité prédisent un degré de torsion légèrement différent, et une mesure en laboratoire serait également exempte des hypothèses de modélisation dont dépendent les expériences par satellite, a déclaré Ellers.
Une boucle quantique
Le nouveau dispositif est une boucle d’hélium-4 superfluide – de l’hélium refroidi jusqu’à ce qu’il s’écoule sans friction et se comporte comme un objet quantique géant unique. La boucle est interrompue par une fine barrière criblée de minuscules trous, appelée jonction Josephson. L’hélium superfluide peut glisser à travers les trous, mais pas l’hélium liquide ordinaire.
« C’est de là que vient le comportement quantique », a déclaré K. Birgitta Whaleyphysicien quantique à l’UC Berkeley et co-auteur de l’étude.
Lorsque la Terre tourne et entraîne l’espace-temps, elle modifie l’état quantique de l’hélium circulant à travers la jonction. Ce coup de pouce modifie la fréquence à laquelle l’hélium oscille dans la boucle, ce que les chercheurs ont pu détecter.
Les dispositifs superfluides, dont beaucoup sont construits à l’UC Berkeley, ont détecté la rotation de la Terre depuis la fin des années 1990. Mais les versions hélium-4 construites autour d’une jonction Josephson, comme le nouveau modèle, ont travaillé dans environ un centième de degré de 2,17 K (moins 455,76 Fahrenheit ou moins 270,98 Celsius), température à laquelle l’hélium-4 devient un superfluide. À cette température, une fraction persistante d’hélium « normal » mélangée au superfluide ajoute du bruit.
Au lieu de cela, l’équipe a calculé comment l’appareil se comporterait à quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu. En dessous de 0,7 K, le bruit a changé de caractère et l’équipe a constaté qu’il diminuait fortement à mesure que l’hélium se refroidissait. L’une des découvertes clés du nouvel article est le résultat de l’analyse du bruit thermique réalisée par l’équipe, qui a montré à quel point ces appareils pouvaient être sensibles à des températures millikelvins, a déclaré Elles.
Le piège est la barrière. Les premiers appareils à hélium-4 utilisaient des trous d’environ 90 nanomètres de large. Travailler à ces températures glaciales nécessite des trous beaucoup plus petits, d’environ 1 nanomètre de diamètre, soit à peu près la taille d’un atome d’hélium. Keith Schwabphysicien à Caltech et co-auteur de l’étude, et ses collaborateurs développent de tels matériaux, mais ils n’ont pas encore été intégrés dans un capteur fonctionnel.
Si tel est le cas, les chercheurs calculent que l’appareil pourrait mesurer le glissement d’image avec une précision de 0,2 % en 35 minutes environ. Si sa membrane vibrante était constituée de cristaux à faible perte, comme le quartz ou le saphir, celle-ci pourrait chuter à environ une seconde, ont-ils déclaré.
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« Cela semble être une découverte très fortuite qu’avec Millikelvin, nous puissions obtenir cette sensibilité élevée », a déclaré Whaley à Live Science.
Le signal correspond à un décalage horaire d’environ 10-35 secondes entre l’hélium circulant dans un sens et dans l’autre de la boucle – le même décalage que les horloges du manège métaphorique.
« Ce qui est intéressant, c’est à quel point il est petit », a déclaré Whaley. « Ce n’est pas si loin de l’heure de Planck », vers 10-44 secondes, la tranche de temps la plus courte avant que les lois connues de la physique ne s’effondrent. Cette expérience est encore un milliard de fois trop grande pour atteindre cette limite, a déclaré Whaley. Mais les futures expériences sur l’hélium pourraient aider à déterminer si le temps s’écoule de manière fluide, comme une rampe, ou s’il avance par petits sauts indivisibles, comme les images d’un film.
