Découvrir les secrets de la gravité avec un fluide d’atomes

En 1972, le physicien Bill Unruh a donné une conférence sur les trous noirs qui a commencé par une histoire sur, eh bien, les poissons. Imaginez une paire de poissons aveugles dans une rivière s’approchant d’une chute d’eau, a-t-il dit. Celui plus en aval plonge dans le précipice. En plongeant, il crie pour avertir les poissons en amont. Mais la cascade est trop forte – le poisson tombe plus vite que la vitesse du son ne peut emporter ses cris. Le deuxième poisson n’entend pas les avertissements du destin qu’il va bientôt rencontrer lui aussi. Unruh a fait valoir que les cris des poissons sont piégés par le débit de la rivière de la même manière que la lumière est piégée par la gravité près d’un trou noir (1). Il a suggéré que cette analogie pourrait aider les physiciens à étudier la théorie des trous noirs. Pourtant, même lui doutait qu’un “trou noir analogique” fabriqué en laboratoire fournisse un jour des informations utiles sur les phénomènes réels dans l’espace.

Mais maintenant, 50 ans après les réflexions fluviales d’Unruh, des expériences analogiques sont utilisées pour étudier l’interaction entre la gravité et les champs quantiques tels que la lumière. Grâce à un fluide quantique d’atomes appelé condensat de Bose-Einstein (BEC), les scientifiques simulent tout, de la physique des trous noirs à l’origine de l’univers en laboratoire. “Nous avons enfin quelque chose où nous pouvons nous salir les mains et … tester nos théories”, déclare Silke Weinfurtner, physicienne à l’Université de Nottingham en Angleterre.

Des expériences utilisant des condensats de Bose-Einstein pourraient aider les physiciens à mieux comprendre les phénomènes cosmologiques, y compris ce qui est arrivé à notre univers dans les premiers instants après le Big Bang. Cette image du télescope spatial James Webb récemment publiée montre l’amas de galaxies SMACS 0723 tel qu’il est apparu il y a environ 4,6 milliards d’années. © NASA, ESA, CSA et STScI.

Analogie louche

Notre compréhension moderne de l’univers repose sur deux théories disparates : la relativité générale et la théorie quantique des champs. La relativité générale dit que l’espace-temps est un tissu déformable qui peut être étiré et comprimé. Tout objet massif déformera le tissu, un peu comme une boule de bowling placée sur une feuille de caoutchouc tendue. Placez une bille sur cette feuille déformée et elle roulera vers la boule de bowling, imitant quelque chose comme l’attraction de la gravité. La géométrie ou la courbure de l’espace-temps est en fait la gravité. La théorie quantique des champs décrit tout le reste intégré dans cet espace-temps, qui sont tous des excitations de champs différents. La lumière, par exemple, est une excitation du champ électromagnétique.

Dans les régions où la courbure de l’espace-temps, et donc la gravité, devient extrême – près d’un trou noir, par exemple – l’intersection de la relativité générale et de la théorie quantique des champs fait que des choses étranges se produisent dans ces champs. Un exemple classique : le rayonnement de Hawking. Juste à l’extérieur de la région d’un trou noir où la lumière ne peut plus s’échapper, lorsqu’une particule et son anti-particule apparaissent spontanément, parfois on tombe dans le trou noir et son partenaire s’échappe et rayonne vers l’extérieur.

Ce rayonnement est impossible à observer dans un vrai trou noir dans l’espace. Ainsi, suivant l’idée d’Unruh, les physiciens ont commencé à rechercher le rayonnement de Hawking autour d’un système beaucoup plus accessible : un trou noir artificiel.

En 2016, Jeff Steinhauer, physicien au Technion Israel Institute of Technology à Haïfa, a finalement réussi, en utilisant un BEC comme analogue de l’espace-temps (2). Un BEC est un état quantique de la matière où les atomes d’un nuage se condensent tous jusqu’à leur état d’énergie la plus basse (voir Concept de base : Comment les condensats de Bose-Einstein continuent de révéler une physique étrange). Dans cet état froid et à faible énergie, les atomes se comportent collectivement comme un seul objet quantique. En laboratoire, les physiciens utilisent des lasers pour créer un “paysage d’énergie potentielle” pour confiner le BEC. Souvent, ce paysage ressemble à un gouffre, avec le BEC au fond. Plus la lumière laser est intense, plus le trou est profond. Mais en modifiant la focalisation et l’intensité des lasers, on peut modifier arbitrairement la forme du paysage. Les atomes se déplacent alors et coulent comme une rivière serpentant à travers un terrain accidenté, trouvant toujours le point le plus bas. Et des ondes de pression ou des ondes sonores peuvent traverser ce nouveau fluide quantique.

Steinhauer a conçu le paysage confinant le fluide quantique pour avoir une chute soudaine, provoquant la chute du BEC comme une chute d’eau au-dessus d’une falaise. Juste au bord du précipice, Steinhauer a observé des paires de paquets quantiques de sons appelés phonons apparaître spontanément (un phonon et son anti-phonon partenaire) – c’était l’effet Hawking. Si un phonon traversait le précipice, il serait, tout comme les cris du poisson, déconnecté du monde extérieur.

Beaucoup ont vu l’expérience de Steinhauer comme une validation de l’idée vieille de plusieurs décennies d’Unruh. Il a revigoré les efforts pour simuler d’autres effets prédits en combinant la relativité générale et la théorie quantique des champs. Cela inclut les travaux de Markus Oberthaler, physicien à l’Université de Heidelberg en Allemagne. Oberthaler a fabriqué sa propre machine à gravité analogique, également avec un BEC (3). En incorporant la possibilité de changer facilement la forme du paysage ressenti par les atomes, Oberthaler dit qu’il peut configurer des géométries spatio-temporelles arbitraires, et pas seulement la courbure de l’espace près d’un trou noir. Essentiellement, il peut créer des mondes hypothétiques avec des géométries bizarres à la Escher ou des mondes qui évoluent dans le temps. Cela permet à Oberthaler d’expérimenter non seulement des analogues de trous noirs, mais aussi potentiellement des analogues d’aspects de notre univers.

Élargir l’analogie

De telles expériences de «cosmologie analogique» pourraient aider les physiciens à comprendre ce qui est arrivé à notre univers dans les premiers instants après le Big Bang. Selon le modèle standard de la cosmologie, lorsque notre univers n’avait que 10^-36 secondes, il a subi un processus appelé inflation (Inflation cosmique) et a augmenté d’un facteur 10²⁶ en seulement 10^-33 secondes. Le processus a étendu les “fluctuations quantiques” – de minuscules variations mécaniques quantiques de la densité d’énergie de l’univers – à travers l’immense volume de l’espace-temps. Ces fluctuations de densité d’énergie deviendraient un jour des fluctuations de densité de matière, et les régions les plus denses finiraient par fusionner pour former des étoiles et des galaxies. Comme les observations directes de l’inflation sont impossibles, les physiciens ont commencé à s’interroger sur la possibilité d’en simuler certains aspects en laboratoire.

Weinfurtner, par exemple, s’intéresse à la façon dont les minuscules fluctuations quantiques initiales se sont développées dans notre structure actuelle à grande échelle de l’univers. Mais c’est un énorme problème à résoudre. Alors, elle démarre doucement. «Avant de commencer à courir, commençons simplement à marcher», dit-elle. D’autres effets potentiellement plus simples de l’inflation sont plus facilement accessibles aux expériences analogiques. En fait, certains de ces effets ont déjà été observés. Gretchen Campbell de l’Université du Maryland à College Park a rapidement élargi son BEC pour observer comment la pression ou les ondes sonores sont étirées et l’énergie dissipée dans le nuage d’atomes (4). L’inflation de l’espace-temps aurait dû avoir un effet similaire sur les champs quantiques de notre univers primitif (5).

Et comme le rayonnement de Hawking près d’un trou noir, des particules devraient être produites spontanément lorsque l’univers se gonfle. Cette «production de paires cosmologiques» a été observée pour la première fois dans un système analogique en 2019, lorsque les chercheurs ont rapidement modifié les forces confinant une paire d’ions (6). Plus récemment, Oberthaler a observé l’effet en modifiant brusquement les interactions entre les atomes de son BEC pour simuler l’inflation (3). Cette “production de paires cosmologiques” a été observée pour la première fois dans un système analogique en 2019 en modifiant rapidement les forces confinant une paire d’ions (6) et plus récemment, Oberthaler a observé l’effet en modifiant brusquement les interactions entre les atomes de son BEC pour simuler l’inflation (3).

Une ride dans l’espace-temps

Malgré les similitudes frappantes entre la physique décrivant les champs quantiques dans l’espace-temps courbe et celles décrivant les ondes acoustiques dans les fluides quantiques, l’analogie ne va pas plus loin. “Je ne pense pas qu’un condensat de Bose-Einstein puisse expliquer ce qu’est notre réalité”, déclare Stefano Liberati, physicien à l’International School for Advanced Studies de Trieste, en Italie.

En effet, si vous zoomez sur le fluide censé représenter le tissu lisse et déformable de l’espace-temps, vous verrez que le fluide n’est en fait pas si lisse. Il est composé de morceaux discrets : les atomes du BEC. Ainsi, les expériences de gravité analogiques ne peuvent simuler fidèlement que des effets importants par rapport à leur structure microscopique. Mais ironiquement, c’est précisément cette rupture de l’analogie qui pourrait inspirer la prochaine percée de la théorie de la gravité. Certains physiciens soupçonnent que l’espace-temps, ou la gravité, est également pixélisé à de très courtes longueurs d’environ 10^-35 mètres, appelées l’échelle de Planck, ce qui nécessite une nouvelle théorie encore inconnue de la «gravité quantique» pour décrire la gravité à de telles échelles.

Ainsi, bien que les systèmes analogiques manquent incontestablement de détails importants sur la gravité quantique à de courtes échelles, ils peuvent néanmoins servir de modèles pour montrer comment le comportement macroscopique d’un système émerge de ses constituants microscopiques. Par exemple, Liberati pense que, tout comme les propriétés à grande échelle d’un BEC émergent d’un ensemble d’atomes individuels, l’espace-temps lisse, ou la gravité, pourrait également émerger d’unités discrètes d’espace-temps (quelles qu’elles soient). Bien que cette analogie ne soit pas littérale (c’est-à-dire qu’un seul atome dans le BEC ne correspond pas à un seul «morceau» d’espace-temps), il pense toujours que les BEC pourraient être un bon terrain d’essai pour certaines théories de la gravité émergente. (7)

La gravité émerge

L’une de ces théories émergentes que Liberati et Weinfurtner souhaitent simuler décrit comment la gravité, l’espace-temps et notre univers peuvent provenir d’une “fausse désintégration du vide” (8,9). La théorie repose sur le fait que tout tend vers son état d’énergie le plus bas, le véritable état de vide. Une balle, par exemple, roule sur une colline pour diminuer son énergie potentielle. Mais si la colline a une vallée près du sommet, la balle pourrait s’y coincer, malgré le fait qu’elle ne soit pas au point le plus bas. C’est un état de “faux vide” – en ce qui concerne la balle, elle a minimisé son énergie. Mais donnez à la balle un peu d’énergie pour sortir de la vallée et elle trouvera rapidement le véritable vide au fond. Comme le dit la théorie cosmologique de la fausse décroissance du vide, avant que l’univers tel que nous le connaissons n’existe, il y avait un champ dans un faux état de vide comme la vallée près du sommet d’une colline. Lorsque les fluctuations quantiques lui ont donné juste assez d’énergie pour le secouer par-dessus la bosse et trouver le vrai vide (ou, du moins un “vrai” faux vide, avec une énergie inférieure à celle qui l’a précédé), notre univers a bouillonné et a commencé à gonfler.  En modélisant mathématiquement un processus de désintégration sous vide analogue dans les BEC en 2008, Liberati et ses collègues ont découvert que le modèle nécessitait un terme qui se comporte exactement comme l’énergie noire, la substance mystérieuse que l’on pense être à l’origine de l’accélération de l’expansion de notre univers (10).

Aujourd’hui, 14 ans plus tard, des expériences analogiques sont sur le point de pouvoir simuler ce processus de désintégration du vide et de tester les prédictions de Liberati sur l’énergie noire émergeant de la désintégration du vide. Weinfurtner, avec ses collaborateurs Hiranya Peiris à l’University College de Londres, au Royaume-Uni, et Zoran Hadzibabic à l’Université de Cambridge, au Royaume-Uni, ont fait des progrès à cette fin. Ils ont trouvé un moyen de simuler ce faux état de vide en fabriquant un BEC avec deux types d’atomes différents ; tout indique que le BEC à deux composants permettra les expériences de désintégration sous vide les plus ambitieuses. L’espoir est que ces expériences analogiques aideront à révéler la nature de la gravité et de l’espace-temps lui-même. Déjà, les chercheurs ont suggéré la possibilité alléchante de comprendre des phénomènes mystérieux et lointains, tels que les trous noirs et les tout débuts de l’univers, dans les limites d’un laboratoire ordinaire. Selon Liberati, “Cela nous aide [nous pensons] d’une manière différente et prête à l’emploi”.

Références