Comment le nouveau capteur quantique de l’ISS va révolutionner la physique

À bord de l’ISS, la NASA vient d’inaugurer une nouvelle catégorie d’instrument qui pourrait jouer un rôle décisif dans l’avenir de la science spatiale ; en utilisant un capteur quantique de nouvelle génération, l’équipe de Laboratoire d’atomes froids Ils ont mesuré pour la première fois les microvibrations de la station afin de détecter des changements subtils dans l’environnement.

L’instrument en question est ce qu’on appelle un interféromètre atomiqueIl s’agit d’un dispositif très sensible dont le fonctionnement repose entièrement sur la notion de dualité onde-corpuscule. Ce terme fait référence à un principe majeur de la physique quantique qui stipule que toutes les particules peuvent présenter des propriétés ondulatoiresOn y fait le plus souvent référence lorsqu’on parle des photons qui composent la lumière, mais ce principe s’applique à tous les objets physiques. Dans le cas présent, dans cet interféromètre atomique, ce principe est appliqué à des ensembles d’atomes à très basse température placés dans un état de la matière très particulier.

Comment fonctionne un interféromètre atomique ?

Imaginez un milieu dans lequel les particules se déplacent de manière aléatoire les unes par rapport aux autres, poussées par leur énergie interne. En le refroidissant (ce qui revient à retirer de l’énergie au système), les atomes sont forcés de s’agglutiner. En s’approchant du zéro absolu, ils atteignent un état où ils n’ont presque plus d’énergie : ils sont presque entièrement figés dans un état ultra-condensé, séparés par une distance si infime que la physique newtonienne traditionnelle ne peut plus l’expliquer. Ils deviennent presque indiscernables ; au niveau quantique, les atomes forment un système unique, une sorte de superparticule où chaque constituant partage exactement la même identité quantique. C’est ce qu’on appelle un condensat de Bose-Einstein.

Ces objets ne suivent pas les règles de la physique traditionnelle et présentent des propriétés très particulières qui n’existent pas dans les gaz, les liquides, les solides ou le plasma. Pour cette raison, ils sont considérés comme des représentants de la «  cinquième état de la matière  » L’une de ces propriétés est qu’elles sont précisément soumises à cette fameuse dualité onde-corpuscule évoquée plus haut ; Ils se comportent parfois comme des particules solides, et parfois comme des ondes.

Toute la question de Laboratoire d’atomes froidsconsiste à refroidir les atomes pour les forcer à former un condensat de Bose-Einstein afin qu’ils se comportent comme une onde cohérente. On peut alors séparer cette onde en deux, de sorte que des forces telles que le magnétisme puissent les affecter indépendamment l’une de l’autre, puis réunir les deux flux. Cette recombinaison donne naissance à interférences qui, une fois analysées, peuvent révéler des différences très subtiles dans le comportement des deux groupes d’atomes. En comparant les deux, des mesures extrêmement précises d’un champ de force gravitationnel, magnétique ou autre peuvent alors être obtenues.

C’est un peu comme si on séparait un groupe de personnes en deux, puis que l’on envoyait chaque sous-groupe dans une pièce différente. Si la première est chauffée à 50°C, le groupe en question en sortira tout rouge et tout en sueur, contrairement à l’autre groupe qui sera froid comme un sou neuf : c’est notre interférence, et nous pouvons utiliser ce résultat pour montrer qu’il y a une différence de température entre ces deux régions de l’espace.

Un instrument qui fonctionne mieux que prévu dans l’espace

Sur Terre, cette technologie est déjà utilisée pour étudier la nature fondamentale de la gravité et pour faire progresser les systèmes de navigation avancés, avec des résultats très prometteurs. Les chercheurs étaient donc impatients de l’appliquer à l’étude de l’espace, car son potentiel est encore plus grand dans ce domaine.

Jusqu’à présent, ces grands projets étaient toutefois restés en suspens. En effet, les chercheurs considéraient traditionnellement que ces instruments étaient trop fragiles pour fonctionner correctement dans l’espace. La NASA a néanmoins tenté sa chance avec son Cold Atom Lab. Et tant mieux, car il s’avère que l’espace est en réalité un excellent environnement pour mener ce genre d’expérience.

Les chercheurs ont découvert que les condensats de Bose-Einstein ont tendance à être plus stables en microgravité, ce qui permet de les observer pendant des périodes plus longues pour améliorer le rendement des mesures.

Démontrer pour la première fois la viabilité d’un interféromètre atomique dans l’espace est une avancée majeure qui pourrait véritablement transformer la science spatiale. En plus d’aider de nombreux engins spatiaux à naviguer avec une précision encore plus grande, de tels instruments pourraient ouvrir la voie à des découvertes révolutionnaires dans certains des domaines les plus fascinants de l’astrophysique.

Un outil précieux dans la chasse à la matière noire

Par exemple, ils pourraient révéler la composition des planètes et des lunes de notre système solaire, car les différents matériaux ont des densités différentes qui créent de subtiles variations de gravité. Ces variations sont notoirement difficiles à mesurer avec une grande précision, mais en théorie, un interféromètre atomique n’aurait aucune difficulté à le faire.

Mais surtout, ils pourraient nous permettre de repousser les limites de la physique actuelle en s’attaquant à des mystères cosmologiques qui donnent bien du fil à retordre aux spécialistes.

La NASA donne l’exemple de la matière noireCette mystérieuse entité théoriquement abondante et que personne n’a jamais réussi à observer. Si ce concept nébuleux tient la route, c’est uniquement parce qu’il permet de combler une lacune scientifique ; sans lui, il serait impossible d’expliquer les curieux comportements observés chez certains corps célestes. C’est donc une pièce fondamentale du grand puzzle de l’astrophysique, mais sa véritable nature reste inconnue ; si un interféromètre atomique pouvait nous apporter des réponses tangibles, ce serait déjà un immense pas en avant.

Ouvrez la porte d’un «nouvelle physique«

En outre, ces instruments pourraient également permettre de tester la robustesse du modèle standard de la physique des particules et de la relativité d’Einstein.

Ces deux cadres théoriques sont extrêmement efficaces et expliquent parfaitement le monde qui nous entoure. Ils sont à la base d’une grande partie de la science moderne. Le problème est qu’ils sont totalement inconciliables à certains niveaux. La gravité, par exemple, est un point de friction majeur. Elle est très bien décrite par la relativité générale, mais rien dans le modèle standard ne permet de l’expliquer. Et ce n’est là qu’un exemple isolé.

Donc, il doit y avoir quelque chose qui ne va pas dans notre description actuelle de l’univers. Mais pour l’instant, Personne n’a encore réussi à localiser la panneDe nombreuses expériences incroyablement exigeantes et rigoureuses, parfois menées sur plus d’une décennie, n’ont fait que confirmer l’immense robustesse de la relativité et du modèle standard.

Peut-être s’agit-il d’une erreur conceptuelle, nous n’avons peut-être jamais cherché au bon endroit. D’un autre côté, il se peut que tout ce travail ait tout simplement manqué d’instruments suffisamment précis pour mettre en évidence des écarts infiniment subtils par rapport à la théorie. Ce qui est sûr, c’est queLes pièces manquantes du grand puzzle de l’Univers se cachent dans ces points de rupture encore obscurs..

C’est là que l’émergence des interféromètres atomiques basés dans l’espace devient particulièrement passionnante. En nous permettant de tester les limites de la physique actuelle avec une précision sans précédent, ils pourraient nous permettre d’identifier la faille que les physiciens traquent depuis des décennies, celle que les physiciens peuvent exploiter pour révolutionner notre compréhension théorique de l’univers.

Si tel est le cas, il est même possible que ces outils nous rapprochent du but ultime d’Einstein : la fameuse Théorie du Tout, ce modèle unifié et global qui permettrait de combler le fossé béant entre les deux grands pôles de la physique moderne. Il faudra donc suivre de très près les retombées de ces travaux une fois que les interféromètres atomiques spatiaux auront commencé à se généraliser.

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