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Article publié depuis Overblog

Publié le par clovis simard

 
 

CRISTAUX D'ESPACE-TEMPS, C'EST MATHÉMATIQUES(fermaton.overblog.com)

Publié le par clovis simard

CRISTAUX D'ESPACE-TEMPS, C'EST MATHÉMATIQUES(fermaton.overblog.com)
CRISTAUX D'ESPACE-TEMPS, C'EST MATHÉMATIQUES(fermaton.overblog.com)

Les cristaux d’espace-temps pourraient exister après tout

 

Une étude démontre la possibilité que les cristaux d’espace-temps pourraient exister. Un cristal d’espace-temps est un objet mathématique doté de propriétés étranges, mais les scientifiques pensaient qu’il ne pouvait pas physiquement exister. Et par propriétés étranges, on parle de quelque chose similaire au mouvement perpétuel même si ce n’en est pas un.

 

Qu’est-ce qu’un cristal d’espace-temps ?

Il nous a été difficile de trouver de bonnes références sur le sujet, mais d’après des commentaires et quelques papiers très incomplets, on peut comprendre qu’un cristal d’espace-temps est un groupe de particules qui se déplacent en étant dans un état fondamental (état avec la plus faible énergie possible). S’ils sont dans une orbite circulaire, alors ils retournent à leur point de départ. Et si vous prenez des instantanés de ce groupe de particules au fil du temps et que vous les superposez d’une certaine manière, alors les positions des particules ressembleront à une structure en cristal. C’est comme si vous mettiez une bille dans un bol et qu’elle continue de tourner encore et encore sans jamais tomber au fond du bol.

Pour simplifier grossièrement, un cristal d’espace-temps est une machine de mouvement perpétuel (physiquement impossible), mais il n’enfreint pas les lois de la physique parce qu’il ne fait aucun travail. Cela signifie que vous ne pouvez pas l’utiliser pour extraire de l’énergie, car les particules sont dans un état d’énergie très faible.

 

L’image A montre une structure possible d’un cristal d’espace-temps. Il possède des structures périodiques dans l’espace et le temps. Les particules pivotent dans une direction même dans leur état fondamental. La figure B montre des ions ultrafroids piégés dans une forme en anneau dans un champ magnétique faible.

Au fil des années, les physiciens ont proposé plusieurs arguments pour justifier de l’impossibilité de l’existence de ce cristal d’espace-temps. On ne peut rien faire d’utile avec ces cristaux. Ils ne génèrent pas de l’énergie utile, car la moindre perturbation arrête leur déplacement. Et ils ne violent pas la seconde loi de la thermodynamique. Mais s’ils existent, alors ces cristaux d’espace-temps violent une symétrie fondamentale des lois de la physique.

La violation de la symétrie de translation

Et dans un papier publié dans Physical Review Letters, des physiciens de l’université de Californie et de Microsoft Station Q (un laboratoire de recherche de Microsoft situé dans le campus de l’université de Californie) ont démontré une existence possible des cristaux d’espace-temps.

Les physiciens se sont concentrés sur l’implication la plus surprenante des cristaux d’espace-temps. Cette implication est que les cristaux d’espace-temps cassent spontanément une symétrie fondamentale appelée symétrie de translation du temps. Pour comprendre sa signification, les chercheurs expliquent le concept d’une violation spontanée de symétrie.

La principale différence concerne une violation explicite et spontanée de la symétrie selon Dominic Elkse, physicien et co-auteur de l’étude. Si une symétrie est violée de manière explicite, alors les lois de la nature n’ont plus cette symétrie. Une violation spontanée implique que les lois de la nature ont une symétrie, mais la nature choisit un état qui ne la possède pas.

Si les cristaux d’espace-temps violent spontanément la symétrie de translation du temps, alors les lois de la nature, qui gouvernent les cristaux d’espace-temps, ne changeront pas au fil du temps, mais les cristaux d’espace-temps vont changer à cause de leur déplacement en état fondamental ce qui viole spontanément la symétrie.

On n’a jamais observé une violation de la symétrie de translation du temps, mais chaque autre violation spontanée de symétrie a été observée. Le meilleur exemple est les aimants. Les lois de la nature ne choisissent pas l’aimant qui va prendre le pole nord et sud. Mais la caractéristique de n’importe quel matériau magnétique est qu’il viole spontanément cette symétrie en choisissant un côté comme le pole nord. Un autre exemple est les cristaux normaux. Même si les lois de la nature sont invariantes d’un point de vue de la rotation et du déplacement spatial, les cristaux violent spontanément ces symétries spatiales parce qu’ils ont l’air différents quand on les regarde de différents angles et quand on les déplace légèrement.

Dans leur nouvelle étude, les physiciens ont défini ce qu’il faudrait pour violer une symétrie de translation temporelle et ils ont utilisé des simulations pour prédire que cette cassure de la symétrie se produirait dans une grande catégorie de systèmes quantiques appelés Floquet-many-body-localized driven systems (impossible à traduire). Les scientifiques expliquent que le principal aspect de ces systèmes est qu’ils préservent leur équilibre thermique dans n’importe quelle condition. En gros, ils ne chauffent jamais.

Cette nouvelle définition est similaire aux autres violations de symétrie. Quand la taille d’un système (tel qu’un cristal) augmente, alors le temps augmente pour passer d’un état qui viole la symétrie à celui qui la respecte. Et dans un système infini, cet état de respect de la symétrie n’est jamais atteint. Et le résultat est que c’est la symétrie pour tout le système qui est enfreint.

Nos travaux font d’une pierre deux coups. D’une part, ils démontrent que la symétrie de translation du temps n’est pas immunisée contre une violation spontanée selon Bela Bauer, une chercheuse au Microsoft Station Q. D’autre part, il améliore notre compréhension sur le fait que les systèmes, qui n’ont pas un état d’équilibre, possèdent des états de matière intéressants qui n’existent pas dans les systèmes en équilibre.

Selon les physiciens, on pourra le tester expérimentalement en observant la violation de la symétrie de translation du temps en utilisant un grand système d’atomes piégés ou en en utilisant des Qbits supraconducteurs pour créer un cristal d’espace-temps et ensuite, on peut les mesurer au fil du temps. Les scientifiques prédisent que ces systèmes vont montrer le mouvement périodique et oscillant qui est caractéristique des cristaux temporels et afficheront la violation de la symétrie par la même occasion. Et Chetan Nayak, un autre chercheur faisant partie de l’équipe, a déclaré qu’ils envisagent de collaborer avec des expérimentateurs pour réaliser ces fameux cristaux de Floquet dans des systèmes de gaz d’atomes froids.