Par David Harris
Ne m’arrêtez pas maintenant
(Image: Ellinor Hall / Johner / Corbis)
Une BALLE qui tourne dans le vide ne doit jamais ralentir, car aucune force extérieure n’agit dessus. C’est du moins ce qu’aurait dit Newton. Mais que se passe-t-il si le vide lui-même crée un type de frottement qui freine les objets en rotation? L’effet, qui pourrait bientôt être détectable, pourrait agir sur les grains de poussière interstellaire.
En mécanique quantique, le principe d’incertitude dit que nous ne pouvons jamais être sûrs qu’un vide apparent est vraiment vide. Au lieu de cela, l’espace pétille de photons qui surgissent constamment dans et hors de l’existence avant de pouvoir être mesurés directement. Même s’ils n’apparaissent que de manière fugace, ces photons « virtuels » exercent sur les objets qu’ils rencontrent les mêmes forces électromagnétiques que les photons normaux.
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Maintenant, Alejandro Manjavacas et F. Javier García de Abajo, de l’Institut d’optique du Conseil National de la Recherche espagnol à Madrid, affirme que ces forces devraient ralentir la rotation des objets. Tout comme une collision frontale a un plus gros coup de poing qu’un claquement entre deux voitures l’une derrière l’autre, un photon virtuel frappant un objet dans la direction opposée à son spin entre en collision avec une force plus grande que s’il frappe dans la même direction.
Ainsi, au fil du temps, un objet en rotation ralentira progressivement, même si un nombre égal de photons virtuels le bombardent de tous les côtés. L’énergie de rotation qu’il perd est alors émise sous forme de photons réels détectables (Physical Review A, DOI & colon; 10.1103/PhysRevA.82.063827).
La force de l’effet dépend de la composition et de la taille de l’objet. Les objets dont les propriétés électroniques les empêchent d’absorber facilement les ondes électromagnétiques, telles que l’or, peuvent ralentir peu ou pas du tout. Mais les petites particules de faible densité, qui ont moins de mouvement de rotation, ralentissent considérablement.
Le taux de décélération dépend également de la température, car plus il fait chaud, plus les photons virtuels entrent et sortent de l’existence, produisant le frottement. À température ambiante, un grain de graphite de 100 nanomètres de large, celui qui est abondant dans la poussière interstellaire, prendrait environ 10 ans pour ralentir à environ un tiers de sa vitesse initiale. À 700 ° C, une température moyenne pour les zones chaudes de l’univers, cette même diminution de vitesse ne prendrait que 90 jours. Dans le froid de l’espace interstellaire, cela prendrait 2,7 millions d’années.
Cet effet pourrait-il être testé en laboratoire? Manjavacas affirme que l’expérience nécessiterait un vide ultra-poussé et des lasers de haute précision pour piéger les nanoparticules, des conditions « exigeantes mais accessibles dans un avenir prévisible ».
John Pendry, de l’Imperial College de Londres, qualifie l’analyse de « beau travail » et dit qu’elle pourrait fournir des informations sur la destruction éventuelle d’informations quantiques, par exemple lorsqu’elles tombent dans un trou noir. Il dit que les photons réels émis pendant le processus de décélération devraient contenir des informations sur l’état quantique de la particule en rotation, tout comme les photons censés s’échapper des trous noirs comme le rayonnement de Hawking sont censés coder des informations sur les trous.
« C’est l’un des rares processus élémentaires qui convertit ce qui semble être une énergie mécanique purement classique en un état quantique fortement corrélé », explique Pendry.
Comment flotter au-dessus d’un vide
Houdini serait fier. Il semble qu’il existe un moyen de faire léviter un objet dans le vide simplement en canalisant les fluctuations quantiques.
L’astuce implique l’effet Casimir, dans lequel des objets très proches les uns des autres sont rapprochés grâce aux fluctuations quantiques du vide entre eux et autour d’eux. Lorsque deux plaques sont rapprochées de plus en plus, par exemple, moins de fluctuations peuvent se produire dans l’écart entre elles. Les fluctuations sur leurs côtés extérieurs, cependant, continuent normalement. Cette différence de pression de part et d’autre des plaques les oblige à coller ensemble.
Ces dernières années, les physiciens ont essayé de développer des moyens d’inverser l’effet Casimir et de repousser les objets voisins, les faisant léviter. Des suggestions précédentes ont inclus l’insertion de divers matériaux entre les objets à repousser – tels que des métamatériaux exotiques, qui plient les ondes électromagnétiques de la manière opposée à celle attendue, inversant l’effet Casimir.
Maintenant, Stanislav Maslovski et Mário Silveirinha de l’Université de Coimbra au Portugal décrivent un moyen de repousser les objets sans matériau de remplissage. Leur configuration, décrite dans un article à paraître dans Physical Review A, utilise des tiges d’argent de 40 nanomètres de large collées dans un substrat comme des bougies sur un gâteau.
Les « bougies » métalliques canaliseraient les fluctuations entre elles, repoussant tout ce qui y était placé. Ainsi, si une barre métallique perforée était abaissée au-dessus des bougies, avec une bougie pénétrant dans chaque trou, la barre devrait flotter, repoussée dans toutes les directions par les bougies entre et autour de chaque trou.
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