S C I E N C E V I E j u I l l E t j u I l l E t S C I E N C E V I E
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Niveau: Secondaire, Lycée
98 S C I E N C E & V I E > j u I l l E t > 2 0 10 2 0 10 > j u I l l E t > S C I E N C E & V I E 99 RepèRes Trous noirs Ils les recréent en laboratoire Par Mathieu Grousson En alliant mécanique quantique et relativité générale, le physicien Stephen Hawking est, dans les années 1970, par- venu à un résultat stupéfiant : les trous noirs, à qui rien ni per- sonne ne peut échapper, émettent néanmoins une radiation. Trop peu intense, cette “radiation Hawking” est indétectable à partir d'un trou noir astrophysique. Mais plusieurs groupes de physiciens seraient sur le point de la débusquer en laboratoire. ? Il y a dix-huit mois, l'hypothèse selon laquelle des mini-trous noirs pour- raient être engendrés par le nouvel ac- célérateur de particules géant du Cern, à la frontière franco-suisse, provoquait l'émoi. N'était-il pas irresponsable de risquer de créer un de ces astres si denses que rien ne peut échapper à leur gravité, au point que même la lumière, une fois entraînée dans leur giron, n'a plus aucune chance de s'en extraire ? Le monde ne risquait-il pas d'être englouti dans cette expérience hors norme ? A Genève, l'hypothèse fut considérée… sans déclencher la moindre panique.

  • mécanique quantique

  • condensats de bose einstein

  • communautés des théoriciens de la gravitation et des expérimentateurs de la matière condensée

  • onde inci- dente pénétrant dans le condensat dans le sens opposé

  • trou noir

  • condensat

  • fluctuations du vide

  • émission de quantas lumineux


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Langue Français

Extrait

> PhySIquEfondamental
R R En alliant mécanique quantique et relativité générale, Les physiciens Ger
main Rousseaux, Jeff le physicien Stephen Hawking est, dans les années 1970, par-
Steinhauer et Ulf Leon
hardt traquent les trous venu à un résultat stupéfiant : les trous noirs, à qui rien ni per-
noirs dans… l’eau, les
atomes et la lumière ! sonne ne peut échapper, émettent néanmoins une radiation.
Trop peu intense, cette “radiation Hawking” est indétectable à
partir d’un trou noir astrophysique. Mais plusieurs groupes de
physiciens seraient sur le point de la débusquer en laboratoire.
Trous
noirs
Ils les recréent
en laboratoire
Par Mathieu Grousson
Il y a dix-huit mois, l’hypothèse selon fracas de la Big Science expérimentée
laquelle des mini-trous noirs pour- au Cern, d’autres physiciens ont
raient être engendrés par le nouvel ac- réellement entrepris d’étudier, entre
célérateur de particules géant du Cern, les quatre murs de leur laboratoire, la
à la frontière franco-suisse, provoquait possibilité de faire surgir ces fascinants
l’émoi. N’était-il pas irresponsable de monstres astrophysiques.
risquer de créer un de ces astres si Et d’aucuns sont déjà parvenus à
denses que rien ne peut échapper à en créer ! Ces scientifiques seraient
leur gravité, au point que même la même sur le point de mettre en évi-
lumière, une fois entraînée dans leur dence l’une de leurs plus étonnantes
giron, n’a plus aucune chance de s’en propriétés : la radiation Hawking.
extraire ? Le monde ne risquait-il pas Prédit dans les années 1970 par le
d’être englouti dans cette expérience célèbre physicien britannique, ce
hors norme ? A Genève, l’hypothèse rayonnement prêté aux trous noirs est
fut considérée… sans déclencher la actuellement l’une des deux seules
moindre panique. Car aux dires des prédictions que la théorie quantique
spécialistes, elle s’avère très haute- (qui s’applique dans le monde infini-
ment improbable. Pourtant, loin du ment petit des particules) parvient →
98 SCIENCE & VIE > ju Ill Et > 2010 2010 > ju Ill Et > SCIENCE & VIE 99
o.monge/myop - g.cook - T echnion - c.kuklewicz
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es epè>fondamental PhySIquE
Dans le cosmos
Fluctuation du vide
2 photons sont horizon
engendrés du trou
noir
Photon trou
éjecté noir
Ils sont Ici, un laser
annihilés devrait permettre Photon
d’obtenir une forme 2 photons capturé
de trou noir dans sont engendrés
des atomes froids.
Fluctuation du vide
LES trou S noir S étudié S…
Sur l’horizon du trou noir
Des photons peuvent échapper dans les atomes
à l’attraction d’un trou noir
Depuis 1995, les physi- ment les propriétés de détecté l’émission tant Dans le cosmos, les photons engendrés naturellement
ciens désireux d’explo- la radiation Hawking !” espérée de quantas de par les fluctuations du vide sont annihilés. Au contraire,
lorsqu’une paire de photons émerge sur l’horizon d’un rer les phénomènes En 2009, j eff Stein- sons, nés des fluctua-
trou noir, l’un est happé par le trou noir (modélisé ci- quantiques disposent hauer et son équipe, à tions quantiques spon-
contre), l’autre est éjecté vers l’extérieur, constituant une
d’un précieux terrain l’Institut de technolo- tanées du condensat, radiation. Prédite par hawking, celle-ci reste à démontrer.
d’expérience : les gie d’Israël, ont franchi au niveau de l’horizon
condensats de Bose- une étape cruciale – autrement dit, l’équi-
Einstein. Imaginé par dans cette direction : valent de la radiation à porter dans le cadre de la relati- Tout commence en 1973. A la suite quantique dans la physique des trous mécanique quantique ; G, la constante →
Einstein soixante-dix ils ont réussi à créer un hawking dans leur sys-vité générale (où évoluent les astres). de discussions avec John Wheeler, son noirs qui, jusqu’alors, s’est contentée de la gravitation ; et k, la constante de
ans plus tôt, cet état analogue de trou noir. tème ? Pas encore. A dire vrai, on ne parle pas là de directeur de thèse, Jacob Bekenstein, du cadre classique de la relativité Boltzmann de la thermodynamique.
singulier de la matière Comment ? En “pous- Car d’après les calculs,
trous noirs gravitationnels, susceptibles alors à Princeton, met en lumière un générale. Plus précisément, il montre Hélas, ils déchantent rapidement.
est formé par une col- sant” violemment les la température, actuel-
d’avaler la Terre en un instant. Mais mystérieux phénomène. En appliquant que même en l’absence de toute onde Car d’après les observations indirectes
lection d’atomes refroi- atomes formant un lement 0,3 nanokelvin,
de ce que les scientifiques appellent les lois de la thermodynamique à l’étude lumineuse incidente, les fluctuations recueillies sur les trous noirs qui peu- dis à des températures condensat avec une y est encore dix fois
des “analogues”. Soit des systèmes des trous noirs, il arrive à la conclusion quantiques du vide peuvent faire plent notre univers, il apparaît que ces proches du zéro ab- impulsion laser. Au trop élevée pour que
solu, dans lequel les point que leur vitesse la radiation puisse être physiques a priori très différents de que ceux-ci ont une température. Or, surgir du néant une paire de photons derniers devraient émettre une radia-
atomes perdent leur dépasse la vitesse du détectée. l’objet initial à étudier, mais dont les c’est un phénomène bien connu des (des grains de lumière) à cheval sur tion Hawking d’une si faible intensité
individualité : ils ne for- son dans ledit conden- Reste donc aux expéri-l’horizon d’un trou noir, cette fron- qu’elle restera à jamais noyée dans le
ment plus qu’un seul sat. Comme le précise mentateurs à imaginer
tière au-delà de laquelle tout ce qui bruit de fond cosmique. Autrement Dans quelle expérience se manifestera
objet quantique. Et le scientifique, “cela a comment contourner
est entré dans le giron de l’astre est dit, personne ne pourra jamais la
selon Renaud Paren- entraîné la formation le problème afin que en premier la radiation de Hawking ?
irrémédiablement perdu pour le reste détecter. Et donc la valider au-delà tani, “ils offrent une d’un horizon pour se trahisse la fameuse
propriétés sont régies par les mêmes physiciens, tout corps pourvu d’une de l’Univers. Or, dans ce cas, alors que de la théorie… vraie opportunité de ondes acoustiques”. radiation. l es choses
tester expérimentale- En effet, une onde inci- pourraient bientôt équations exactement. Décevant ? Pas température émet un rayonnement l’un des photons émis en direction du
r ds a dente pénétrant dans s’accélérer, puisque si l’on considère que ces analogues électromagnétique dit thermique. Le trou noir tombera irrémédiablement L’EXp éri En CE le condensat dans le le titulaire du prix sont l’unique chance d’observer la résultat ne manque pas d’étonner, dans l’abîme, l’autre, émis vers l’exté- C’était sans compter sur ces fameux
sens opposé à son dé- Nobel 2001, Eric Cor-Cn du tu n : radiation Hawking. Alors même que, puisque les trous noirs sont censés ne rieur échappera à l’attraction de l’astre, “analogues” ! Bill Unruh, de l’uni-
placement n’a plus la nell, premier physicien par écoulement supersonique
comme l’indique Renaud Parentani du rien régurgiter de ce qu’ils avalent, pas constituant la fameuse radiation. versité de Colombie-Britannique, des atomes d’un condensat moindre chance de le à avoir produit un
Laboratoire de physique théorique, à même le moindre grain de lumière. La prédiction de Hawking fait la joie à Vancouver, remarque en effet en Q : jeff Steinhauer, à l’Institut traverser et d’en res- condensat de Bose-
de technologie d’IsraëlOrsay, “la non-existence de la radiation Quelques années plus tard, à Cam- des théoriciens. De fait, son expression 1981 que les ingrédients nécessaires à sortir. Elle est prison- Einstein avec Carl Wie-
E d E La r nière, à l’instar de tout man, à l’université du Hawking, parce qu’elle se fonde à la fois bridge, Stephen Hawking, dans un pre- mathématique emprunte aux deux l’apparition de la radiation Hawking
Hwkian g tta Endu E :
ce qu’engloutissent les Colorado, pourrait se sur la mécanique quantique, la relativité mier temps farouchement opposé aux grandes théories de la physique et, ne sont pas l’apanage de la gravitation. acoustique
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