😔 👫 🍓 Demandez à Ethan: les ondes gravitationnelles manifestent-elles une dualité onde-particule? 🦈 🚞 🤶🏽

Maintenant que LIGO a découvert le signal des ondes gravitationnelles, une partie de la théorie d'Einstein a été confirmée, prédisant que le tissu même de l'espace devrait être recouvert d'ondulations et d'ondes. Et cela soulève de nombreuses questions intéressantes, notamment les suivantes:

Les ondes gravitationnelles devraient-elles montrer la dualité onde-particule, et si oui, les physiciens avec LIGO ont-ils déjà trouvé des moyens de tester cela, comme une sorte d'expérience avec deux fentes?

La dualité onde-particule est l'une des conséquences les plus étranges de la mécanique quantique que nous connaissions.

Tout commence tout simplement: la matière est constituée de particules, d'atomes et de leurs composants, et de rayonnement - d'ondes. La particule est visible, car elle présente des propriétés telles que les collisions ou les rebonds, colle avec d'autres particules, échange de l'énergie, se lie, etc. Et l'onde peut être déterminée par diffraction et interférence avec elle-même. Newton croyait à tort que la lumière est composée de particules, mais d'autres, par exemple, Huygens (son contemporain) et les chercheurs du début du XIXe siècle, Young et Fresnel, ont montré avec certitude que la lumière présente des propriétés qui ne peuvent être expliquées que si vous la considérez comme la vague. Le plus évident d'entre eux est le passage de la lumière à travers une double fente: l'image sur l'écran de fond montre que la lumière interfère à la fois de manière constructive (des points clairs apparaissent) et destructrice (des points sombres apparaissent).

L'interférence est une propriété d'onde, donc l'expérience a "prouvé" que la lumière est une onde. Mais au début du XXe siècle, tout était un peu confus lorsque l'on découvrit l'effet photoélectrique. Si vous brillez sur un matériau spécifique, la lumière éteindra périodiquement les électrons. Si vous rendez la lumière plus rouge (abaissez l'énergie) - même en augmentant son intensité - les électrons cesseront de battre. Mais si vous le rendez bleu (augmentez l'énergie), même si vous serrez fortement l'efficacité, la lumière frappera toujours les électrons. Peu de temps après, il s'est avéré que la lumière est quantifiée en photons et que les photons individuels peuvent se comporter comme des particules, projetant des électrons à la bonne énergie.

En dessous d'une certaine limite, l'énergie d'ionisation ne se produit pas.

Au cours du 20ème siècle, des résultats encore plus étranges sont apparus:

• Des photons séparés, passant à travers deux fentes une à la fois, vont interférer avec eux-mêmes et donner une image correspondant à l'onde.
• Les électrons, étant des particules, présentent également des interférences et de la diffraction.
• Si vous mesurez à travers quelle fente spécifique le photon ou l'électron passe, le motif d'interférence ne fonctionne pas - et si vous ne mesurez pas, il s'avère.

Il semble que chaque particule que nous observons puisse être décrite à la fois comme une onde et comme une particule. De plus, la physique quantique dit qu'il est nécessaire de le décrire ainsi et qu'en même temps, sinon nous n'obtiendrons pas de résultats cohérents avec les expériences.

Nous passons aux ondes gravitationnelles. Ils sont tout à fait uniques, car jusqu'à présent, nous n'avons observé que leurs manifestations ondulatoires, mais nous n'avons pas observé qu'ils se comportent comme des particules. Cependant, tout comme les vagues d'eau sont constituées de particules, les ondes gravitationnelles doivent être constituées de particules. Ces particules devraient être des gravitons, transmettant la force de gravité, et elles devraient apparaître comme une conséquence du fait que la gravité est par nature une interaction quantique.

Puisqu'il s'agit d'une vague, à en juger par les observations, se comportant exactement comme prévu par la théorie générale de la relativité, nous pouvons en toute sécurité conclure qu'elle continuera à se comporter comme toutes les entités ondulatoires prédites par GR. Dans le détail, ils sont légèrement différents des autres ondes qui nous sont familières: ce ne sont pas des ondes scalaires, comme des vagues sur l'eau, et pas des ondes vectorielles, comme la lumière, dans lesquelles les champs électriques et magnétiques oscillent en phase. Ce sont des ondes tensorielles qui provoquent la contraction et l'expansion de l'espace dans la direction perpendiculaire à mesure que l'onde se propage.

À bien des égards, ces ondes se comportent de la même manière que toutes les autres, y compris en se propageant dans un milieu à une certaine vitesse (avec la vitesse de la lumière le long du tissu même de l'espace), en interférant avec d'autres ondes dans l'espace à la fois structurellement et destructivement, en se déplaçant déjà le long de la surface. la courbure existante de l'espace-temps, et si ces ondes pouvaient subir une diffraction - peut-être en passant autour d'une source de gravité aussi forte qu'un trou noir - elles le feraient. De plus, il est connu qu'avec l'expansion de l'Univers, ces ondes se comporteront de la même manière que tout le monde: s'étirer et se dilater avec l'espace de fond de l'Univers.

La question est donc de savoir comment vérifier leur partie quantique? Comment rechercher la nature corpusculaire de l'onde gravitationnelle? En théorie, une onde gravitationnelle est similaire à l'animation ci-dessus, montrant comment la visibilité d'une onde provient d'une multitude de particules se déplaçant en cercles - ces particules seront des gravitons, et l'onde résultante a été enregistrée par LIGO. Il y a tout lieu de croire que nous avons des gravitons qui:

• ont un spin 2,
• n'ont pas de masse,
• se déplacent à la vitesse de la lumière,
• n'interagissent que par gravité.

Les restrictions obtenues de LIGO sur la masse gravitationnelle sont très bonnes: s'il a une masse, alors il ne dépasse pas 1,6 * 10 ^-22 eV / c ² , c'est-à-dire qu'il est à 10 ²⁸fois plus léger qu'un électron. Mais tant que nous n'aurons pas trouvé un moyen de tester la gravité quantique avec des ondes gravitationnelles, nous ne saurons pas si les gravitons présentent une dualité onde-particule.

Il y a quelques chances pour cela, même si LIGO a peu de chances de réussir. Vous voyez, les effets de la gravité quantique sont les plus prononcés lorsque des champs gravitationnels très puissants interagissent à de très courtes distances. Existe-t-il une meilleure façon de vérifier cela que d'observer la fusion des trous noirs? Lorsque deux singularités fusionnent, ces effets quantiques - dont le point de départ doit être le GRT - apparaissent au moment de la fusion, peu de temps avant et immédiatement après. Nous devons suivre les phénomènes sur des périodes de temps mesurées en picosecondes, pas les micro ou millisecondes auxquelles LIGO est sensible - mais cela peut ne pas être possible. En principe, nous avons développé des impulsions laser fonctionnant à l'échelle femtoseconde ou même attoseconde ( ^10-15 s - ^10-18c), de sorte que nous pouvons potentiellement organiser une sensibilité qui suit les petites déviations de la relativité si nous démarrons en même temps beaucoup de ces interféromètres. Cela nécessitera un énorme saut technologique, une réduction significative du bruit et une augmentation de la sensibilité. Mais techniquement, ce n'est pas impossible - c'est juste très difficile!

Si vous avez besoin de plus d'informations, je viens d'enregistrer une vidéo avec une histoire sur les ondes gravitationnelles, LIGO et ce que nous avons appris à leur sujet.

Notre sujet est particulièrement concerné par la dernière question, qui dit comment nous pouvons tester la nature corpusculaire des gravitons, ce qui compléterait l'image de la dualité onde-particule de l'Univers. Nous pensons que cela se révélera vrai, même si nous ne le savons certainement pas. J'espère que notre curiosité nous fera investir dans ces études, la nature jouera avec nous, et nous le saurons!

Demandez à Ethan: les ondes gravitationnelles manifestent-elles une dualité onde-particule?

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