Le confinement et la rotation d'atomes ou de molécules extrêmement froids dans des « grandes roues » atomiques fabriquées à partir de lumière laser pourraient tester les prédictions de la relativité à l'échelle quantique.
La rotation d'atomes ultrafroids pourrait nous aider à révéler les limites de la relativité
De minuscules « grandes roues » fabriquées à partir de particules légères et extrêmement froides pourraient permettre aux chercheurs de tester une facette de la théorie de la relativité d'Albert Einstein à des échelles d'une taille sans précédent.
Les théories de la relativité restreinte et générale, formulées par Einstein au début des années 1900, ont remodelé notre compréhension du temps en révélant que les horloges en mouvement peuvent tourner plus lentement que celles qui restent immobiles. Si vous vous déplacez suffisamment vite ou si vous accélérez suffisamment, le temps que vous mesurez se dilatera ; la même chose peut se produire si vous vous retrouvez à tourner en rond. Ces phénomènes ont été observés pour des objets relativement grands, mais Vassilis Lembessis de l'Université King Saud en Arabie Saoudite et ses collègues ont désormais trouvé un moyen de les tester également à très petite échelle.
Pour étudier les rotations et le temps des plus petits objets que nous pouvons contrôler – les atomes et les molécules – ils se sont tournés vers le domaine ultrafroid, quelques millionièmes de degré seulement au-dessus de la température la plus froide possible. Ici, les propriétés quantiques ainsi que le mouvement des atomes et des molécules peuvent être manipulés de manière extrêmement précise à l’aide de faisceaux laser et de champs électromagnétiques. En fait, en 2007, Lembessis et plusieurs autres collègues ont développé une méthode pour régler les faisceaux laser afin de maintenir les atomes confinés et en rotation sous la forme d'un cylindre. Ils l'ont appelé une « grande roue optique », et Lembessis affirme que les nouveaux calculs de son équipe montrent qu'elle pourrait être utilisée pour observer la dilatation relativiste du temps telle que mesurée par les particules ultra-froides.
Leurs calculs montrent que les molécules d’azote seraient de bons candidats pour tester la dilatation du temps de rotation dans le monde quantique. En considérant le mouvement des électrons en leur sein comme les tics d’une horloge interne, les chercheurs ont pu détecter un changement de fréquence de tic-tac aussi petit qu’une partie sur 10 quadrillions.
Dans le même temps, Lembessis affirme que les expériences avec les grandes roues optiques ont été jusqu'à présent relativement rares. Pour cette raison, la nouvelle proposition ouvre la porte au test de la relativité dans un cadre inexploré où des effets nouveaux ou inattendus peuvent survenir. Par exemple, la nature quantique des particules ultra-froides peut remettre en question « l’hypothèse de l’horloge », qui dicte à quel point l’accélération d’une horloge modifie ses tics.
« Il est important de vérifier et de confirmer notre compréhension des phénomènes physiques dans la nature. C'est lorsque nous avons une surprise, quelque chose d'inattendu, que nous devons réviser notre compréhension et acquérir une compréhension plus profonde de l'univers. Ce travail suggère une manière alternative de vérifier les systèmes relativistes avec des avantages évidents par rapport aux configurations mécaniques », explique Patrik Öhberg de l'Université Heriot-Watt au Royaume-Uni.
Par exemple, alors que les effets relativistes comme la dilatation du temps nécessitent généralement un mouvement très rapide, l'utilisation de la grande roue optique les rendrait accessibles sans avoir besoin de vitesses trop élevées, explique Aidan Arnold de l'Université de Strathclyde au Royaume-Uni. « Avec l'incroyable précision des horloges atomiques… le changement d'heure « ressenti » par les atomes de la grande roue devrait être perceptible. De plus, comme les atomes accélérés ne voyagent pas très loin, il y aurait tout le temps nécessaire pour mesurer ce changement », dit-il.
Changer la focalisation des faisceaux laser pourrait également contrôler la taille de la grande roue qui confinerait les particules, testant ainsi l'effet de dilatation du temps pour différentes rotations, explique Lembessis. Mais il y aurait également des défis techniques, comme s’assurer que les atomes ou les molécules ne se réchauffent pas et ne deviennent pas incontrôlables lors de leur rotation.
