L'effet Unruh

Je veux m'attarder sur un phénomène imaginé dans les années 1970, mais pas encore vérifié expérimentalement aujourd'hui. L'effet Unruh, parfois aussi appelé radiation de Fulling-Davies-Unruh, prédit qu'un appareil en mouvement uniformément accéléré dans le vide détectera un rayonnement thermique, là où un autre, dans un référentiel inertiel, n'enregistrera aucune particule ni aucun rayonnement. Ce rayonnement proviendrait du vide quantique constitué de particules dites virtuelles. Des particules virtuelles qui peuvent devenir réelles dans certains phénomènes. C'est le cas du fameux rayonnement de Hawking qui nous conduit à imaginer que les trous noirs devraient avoir une température et rayonner de l'énergie. Les deux phénomènes sont d'ailleurs liés par le principe d'équivalence, ce principe de la relativité générale, selon lequel l'effet ressenti lors d'une accélération linéaire est identique à celui d'un champ gravitationnel uniforme. 

Un effet Unruh rotatif?

Et ce principe d'équivalence s'applique aussi dans le cas d'une force centrifuge perçue dans un mouvement de rotation qui conduit à instaurer ce qu'on peut appeler une gravité artificielle. En vertu de ce même principe d'équivalence, il semble que nous puissions considérer qu'un appareil dans un habitacle mis en rotation détecterait ce même type de particules. Dans ces deux types d'effets, cette «soupe thermique» qui doit être produite serait à une température extrêmement basse et requiert des accélérations beaucoup plus grandes encore que celles qu'on arrive à produire en laboratoire. L'équation qui relie la température à l'accélération pour ce phénomène est mathématiquement équivalente à celle établie pour la température de Hawking. Une équation avec des paramètres physiques peut, bien souvent, s'écrire de différentes façons. Dans mon article précédent, figure l'une de ces façons d'écrire cette équation de Hawking. En voici une autre pour nous faire voir son équivalence avec celle de la température de Unruh (parfois appelée aussi température de Davies-Unruh).

T _H  étant la température de Hawking 

et g étant l'accélération de la gravité de surface de l'horizon du trou noir

T  étant la température de Unruh et a, l'accélération du mobile 

Ces liens établissant un pont entre ces deux phénomènes nous incitent à y regarder d'un peu plus près pour voir s'il n'y a pas lieu d'approfondir davantage ce rapprochement.  

Effet Hawking et trous noirs de Kerr

Pour aller plus loin, il nous faut tenir compte du fait que les trous noirs, du moins ceux de quelques masses solaires, sont en rotation. On les appelle des trous noirs de Kerr. L'une des caractéristiques de ce type de trou noir tient au fait que leur horizon des événements, d'où est émis le rayonnement de Hawking, adopte une forme ellipsoïdale ou aplatie. Le diamètre équatorial d'un tel trou noir est plus grand que celui qui relie ses pôles. Ce qui s'explique par la force centrifuge. Il s'ensuit que cet horizon est plus éloigné du centre du trou noir à l'équateur qu’elle ne l'est de ses pôles. La gravité y étant légèrement moindre dans cette zone équatoriale, il en résulte que la température à sa surface doit être légèrement plus basse qu'à celle de l'horizon aux pôles. 

Qu'arrive-t-il si on tente de transposer l'équivalent de ce phénomène à l'effet Unruh? La rotation d'un habitacle ne peut pas à la fois augmenter et diminuer la température à un même endroit. Est-ce à dire qu'il n'y a aucune équivalence possible entre les deux types de phénomènes dans ce cas-ci? Pas si on remarque que le rayonnement de la température de Hawking est émis à l'extérieur du trou noir alors que dans l'effet Unruh rotatif, il doit être émis à l'intérieur de l'habitacle. Dans ce cas, la rotation de cet espace mobile devrait augmenter cette température à l'intérieur, mais pourrait la diminuer à l'extérieur juste au-delà des parois du vaisseau en rotation. Cette température extérieure, on l'imagine provenir de l'accélération linéaire du système d'appareillage, ou, si l'on veut, l'effet Unruh linéaire. Comment, dès lors, interpréter ce double phénomène d'une possible augmentation de la température intérieure couplée à une diminution de la température extérieure à partir du vide quantique? Une solution qui peut être proposée ici serait de concevoir un effet tunnel pour rendre compte de la diminution de ces particules extérieures et de l'augmentation de celles-ci à l'intérieur compte tenu du fait que, dans ces référentiels, ces particules sont réelles et non pas virtuelles.

L’effet tunnel désigne en physique quantique la capacité d'une particule à franchir une barrière d'énergie alors même que son énergie est insuffisante pour le faire, la particule se comporte comme une onde et traverse cette barrière avec une probabilité non nulle. Bien que cet effet existe pour divers phénomènes, le concevoir pour faire traverser des particules à travers les parois d'un vaisseau est une tout autre affaire. Pour être honnête, cette explication ne peut pas être scientifiquement acceptée dans ce cas-ci si on tient compte des règles de la mécanique quantique. On voit mal comment la fonction d'onde des particules pourrait leur permettre de traverser, par effet tunnel, l'épaisse paroi d'un engin spatial. Est-ce à dire que je nous ai conduits, avec cet article, dans une réflexion sans issue? J'espère que non, mais, pour trouver cette issue, il faudra sans doute introduire plusieurs nouvelles idées.