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Les miroirs qui détectent les ondulations dans l’espace-temps ont été gelés à près du zéro absolu

by Nouvelles

Les techniciens de LIGO examinent l'un des miroirs de l'observatoire.

Les techniciens de LIGO examinent l’un des miroirs de l’observatoire.
Image: Laboratoire Caltech/MIT/LIGO

Une équipe de physiciens dit qu’ils ont réussi à presque geler le mouvement des atomes à travers quatre miroirs suspendus. C’est un exploit hallucinant qui met à rude épreuve les définitions mêmes de mots apparemment simples comme « objet » et « température ». Alors attachez-vous.

Le cadre de cette expérience était LIGO, le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, où les physiciens recherchent les ondulations dans l’espace-temps créées par les collisions d’objets massifs comme les trous noirs. L’observatoire s’appuie sur quatre miroirs et faisceaux laser soigneusement suspendus pour détecter les ondes gravitationnelles qui passent, qui déplacent très légèrement les miroirs, provoquant une brève oscillation des faisceaux laser. Les chercheurs à l’origine de l’expérience actuelle ont profité d’une pause au LIGO en septembre dernier pour tenter quelque chose qui n’avait jamais été fait auparavant.: refroidir tellement un objet à l’échelle humaine que des observations quantiques pourraient être faites dessus. Leur résultats sont publiés aujourd’hui dans la revue Science.

Vous pouvez refroidir un objet en le mettant dans un congélateur, mais quand vous êtes physicien, vous pouvez aussi refroidir un objet en réduisant son mouvement. Parfois, cela signifie appliquer une force de neutralisation – dans ce cas, des faisceaux laser – à l’objet, afin ralentir son mouvement aléatoireent à l’échelle atomique. Heureusement, LIGO est déjà équipé de lasers, donc l’équipe n’a pas eu à s’inquiéter de gâcher la configuration expérimentale incroyablement coûteuse.

« Nous pourrions en fait utiliser la même capacité de LIGO pour faire cette autre chose, qui consiste à utiliser LIGO pour mesurer le mouvement de tremblement aléatoire de ces miroirs – utiliser les informations dont nous disposons sur le mouvement – ​​et appliquer une force de compensation, de sorte que vous savez que vous empêcheriez les atomes de bouger », a déclaré Vivishek Sudhir, physicien quantique au Massachusetts Institute of Technology et co-auteur de l’article, lors d’un appel vidéo.

C’est là que ça devient bizarre. L’équipe n’a pas laser-frais n’importe quel miroir ; au lieu de cela, ils ca réduit le mouvement collectif des quatre miroirs à 77 nanokelvins, ou 77 milliardièmes de kelvin, juste au-dessus du zéro absolu. Ce mouvement collectif est ce que les physiciens appellent leur « objet », même si cela ne correspond pas tout à fait à votre définition quotidienne du mot. C’est maintenant le plus gros objet jamais refroidi à presque l’état fondamental de mouvement quantique, en d’autres termes, un repos complet au niveau atomique.

Alors pourquoi entreprendraient-ils un tel effort ? Ils cherchent à mieux comprendre comment le monde classique, c’est-à-dire les choses que vous et moi connaissons, comme les chaises et les chats, interagit avec le régime quantique. Pour ce faire, il serait utile d’avoir un grand système facile à observer (comme les miroirs) qui se comporte comme un système à l’échelle quantique. En règle générale, les objets à l’échelle humaine sont beaucoup trop influencés par des choses comme le rumbles de les trains qui passent, le vent, les ondes sonores de quelqu’un qui parle à proximité, etc. pour obtenir des mesures délicates de forces très faibles. Souterrain et suspendu, LIGO est principalement protégé contre déjà ces facteurs. Mais pour se comporter comme un système quantique, l’équipe devait également supprimer le bruit causé par la chaleur. La température ambiante signifie que l’air bourdonne d’énergie. Mais plus les choses se refroidissent, moins il y a de mouvement.

“Il s’agit d’une amélioration impressionnante par rapport à leurs résultats précédents sur le refroidissement de ce mode mécanique massif de leur système de miroirs”, a déclaré Markus Aspelmeyer, physicien quantique à l’Université de Vienne qui n’est pas affilié au récent article, dans un e-mail. “Je suis d’accord avec leur affirmation selon laquelle il s’agit d’un système fantastique pour étudier les effets de décohérence sur des objets super-massifs dans le régime quantique.” Par décohérence, Aspelmeyer désigne la façon dont les objets perdent leurs propriétés quantiques.

Sudhir a déclaré que la prochaine étape pour l’équipe serait de tester l’effet de la gravité sur le sytige. La gravité n’a pas été observée directement dans le domaine quantique ; jeIl se pourrait que la gravité soit une force qui n’agit que sur le monde classique. Mais si c’est le cas exister à des échelles quantiques, un système refroidi dans LIGO—déjà un instrument extrêmement sensibleest un endroit fantastique à regarder. La gravité agit plus intensément sur les objets massifs, donc avoir un si grand objet travailler avec est un grand pas vers l’exploration de la façon dont la force peut ou non s’engager avec le monde quantique.

Pour Sudhir, une partie de ce qui est si excitant est de dévoiler les limites de ces lois de la physique. « Pourquoi est-ce que … toute loi physique que nous avons tous découverte en tant qu’êtres humains sur Terre s’applique également très très loin, quelque part dans un autre coin de l’univers ? dit Sudhir. « Cela n’a pas besoin d’être le cas. Et pourtant c’est le cas.”

Plus: Physiciens laser-antimatière à près du zéro absolu

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