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La théorie de la relativité d’Einstein reste forte après le défi quantique

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La théorie de la relativité d’Einstein reste forte après le défi quantique

Les chercheurs ont confirmé une hypothèse de base en physique avec une précision sans précédent – que diverses propriétés de la masse, telles que le poids, l’inertie et la gravité, sont toujours équivalentes, quelle que soit la composition spécifique de la masse impliquée. Cela renforce le principe d’équivalence, essentiel à la théorie de la relativité d’Einstein, et aborde le point de différence critique entre la physique classique et la physique quantique.

Des équipes de recherche de l’Université Leibniz de Hanovre et de l’Université de Brême confirment un autre principe d’équivalence.

Les scientifiques ont utilisé un demi-siècle de données de télémétrie laser lunaire pour confirmer avec une précision 100 fois supérieure que toutes les propriétés de masse sont égales. Cette découverte soutient grandement le principe d’équivalence d’Einstein, qui est la pierre angulaire de la théorie de la relativité.

L’une des hypothèses les plus fondamentales de la physique fondamentale est que les différentes propriétés de la masse – poids, inertie et gravité – restent toujours les mêmes les unes par rapport aux autres. Sans cette équivalence, la théorie de la relativité d’Einstein serait contradictoire et les manuels de physique existants devraient être réécrits. Bien que toutes les mesures à ce jour confirment le principe d’équivalence, la théorie quantique postule qu’il doit y avoir une violation. Cette divergence entre la théorie gravitationnelle d’Einstein et la théorie quantique moderne est la raison pour laquelle des tests plus rigoureux du principe d’équivalence sont particulièrement importants.

Une équipe du Centre de technologie spatiale appliquée et de microgravité (ZARM) de l’Université de Brême, en collaboration avec l’Institut de géodésie (IfE) de l’Université Leibniz de Hanovre, a réussi à démontrer qu’il est 100 fois plus grand.[{ » attribute= » »>accuracy that passive gravitational mass and active gravitational mass are always equivalent – regardless of the particular composition of the respective masses. The research was conducted within the framework of the Cluster of Excellence “QuantumFrontiers.” On July 13, the team published their findings as a highlights article in the scientific journal Physical Review Letters.

Binary System Earth Moon

Binary system Earth-Moon. Credit: AEOS Medialab, ESA 2002

Physical context

Inertial mass resists acceleration. For example, it causes you to be pushed backward into your seat when the car starts. Passive gravitational mass reacts on gravity and results in our weight on Earth. Active gravitational mass refers to the force of gravitation exerted by an object, or more precisely, the size of its gravitational field. The equivalence of these properties is fundamental to general relativity. Therefore, both the equivalence of inertial and passive gravitational mass and the equivalence of passive and active gravitational mass are being tested with increasing precision.

Vishwa Vijay Singh

First Author of the Publication, Vishwa Vijay Singh. Credit: Singh

What was the study about?

If we assume that passive and active gravitational mass are not equal – that their ratio depends on the material – then objects made of different materials with a different center of mass would accelerate themselves. Since the Moon consists of an aluminum shell and an iron core, with centers of mass offset against each other, the Moon should accelerate. This hypothetical change in speed could be measured with high precision, via “Lunar Laser Ranging.” This involves pointing lasers from Earth at reflectors on the Moon placed there by the Apollo missions and the Soviet Luna program. Since then, round trip travel times of laser beams are recorded. The research team analyzed “Lunar Laser Ranging” data collected over a period of 50 years, from 1970 to 2022, and investigated such mass difference effects. Since no effect was found, this means that the passive and active gravitational masses are equal to approximately 14 decimal places. This estimate is a hundred times more accurate than the best previous study, dating back to 1986.

Unique expertise

LUH’s Institute of Geodesy – one of only four centers worldwide analyzing laser distance measurements to the Moon – has unique expertise in assessing the data, particularly for testing general relativity. In the current study, the institute analyzed the Lunar Laser Ranging measurements, including error analysis and interpretation of the results.

Vishwa Vijay Singh, Jürgen Müller and Liliane Biskupek from the Institute of Geodesy at Leibniz University Hannover, as well as Eva Hackmann and Claus Lämmerzahl from the Center of Applied Space Technology and Microgravity (ZARM) at the University of Bremen published their findings in the journal Physical Review Letters, where the paper was highlighted in the category “editors’ suggestion.”

Reference: “Equivalence of Active and Passive Gravitational Mass Tested with Lunar Laser Ranging” by Vishwa Vijay Singh, Jürgen Müller, Liliane Biskupek, Eva Hackmann and Claus Lämmerzahl, 13 July 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.021401

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Une méthode de contrôle réversible des forces de Casimir à l’aide de champs magnétiques externes

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Une méthode de contrôle réversible des forces de Casimir à l’aide de champs magnétiques externes

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Adaptation du champ magnétique à la force de Casimir induite par les fluctuations quantiques. Crédit : Zhang et al.

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Adaptation du champ magnétique à la force de Casimir induite par les fluctuations quantiques. Crédit : Zhang et al.

La force dite Casimir ou effet Casimir est un phénomène de mécanique quantique résultant de fluctuations du champ électromagnétique entre deux surfaces conductrices ou isolantes séparées par une courte distance. Des études ont montré que cette force peut être attractive ou répulsive, selon les propriétés diélectriques et magnétiques des matériaux utilisés dans les expériences.

Des chercheurs de l’Université des sciences et technologies de Chine ont récemment exploré la possibilité d’ajuster sélectivement la force de Casimir, c’est-à-dire de la convertir de l’attraction en répulsion et vice versa, en utilisant des champs magnétiques externes. leurs études, En vedette dans Physique naturelleDémontre un réglage réussi du champ magnétique sur la force de Casimir résultant d’une sphère d’or et d’une plaque de silice immergée dans des ferrofluides à base d’eau.

« Mon domaine de recherche est la physique de la matière condensée, mais j’ai également un fort intérêt pour la physique fondamentale, telle que les fluctuations quantiques et leurs effets induits », a déclaré Zhangjan Zeng, auteur correspondant de l’article, à Phys.org.

« Au cours des deux dernières décennies, j’ai suivi de près l’évolution dans le domaine des forces Casimir et j’ai été particulièrement impressionné. Un article de Munday et al. dans nature. Les forces de Casimir sont généralement attractives, ce qui pose des défis pour les applications, par exemple dans les systèmes microélectromécaniques (MEMS). « Dans leur article, les auteurs créent une expérience remarquable pour obtenir des forces répulsives de Casimir en choisissant soigneusement la permittivité diélectrique des matériaux en question. »

Inspiré par cet article publié en 2009, Zeng a entrepris de poursuivre ses recherches visant à contrôler de manière réversible les forces de Casimir en appliquant des champs magnétiques. Son espoir était de concevoir une approche fiable pour modifier l’effet Casimir, ce qui pourrait ouvrir de nouveaux horizons à la fois pour la recherche et le développement technologique.

« Au départ, nous pensions contrôler la force de Casimir en appliquant un champ électrique, inspiré du concept des dispositifs FET », a expliqué Zeng. « Bien que l’on sache que la force de Casimir dépend de la permittivité diélectrique des matériaux impliqués, cette permittivité n’est généralement pas sensible aux champs extérieurs. En revanche, selon la théorie de Lifshitz, la force de Casimir dépend également de la perméabilité magnétique du matériaux impliqués. »

La perméabilité magnétique de nombreux matériaux magnétiques, notamment les ferrofluides, peut être modifiée par application de champs magnétiques externes. Zeng et ses étudiants ont donc décidé d’utiliser des ferrofluides à base d’eau pour permettre le réglage de la force de Casimir entre une sphère d’or et une plaque de silice.

« J’ai proposé ce projet à des étudiants diplômés, mais aucun d’entre eux n’était prêt à le faire », a déclaré Zeng. « En fin de compte, j’ai réussi à convaincre des étudiants talentueux de réaliser le projet, et nous avons réussi. »

Zeng et ses étudiants ont d’abord effectué une série de calculs théoriques. Ces calculs indiquent que la force de Casimir pourrait être convertie d’attraction en répulsion simplement en ajustant le champ magnétique externe, la distance entre les deux échantillons de matière et le volume de ferrofluide qu’ils ont utilisé.

Les chercheurs ont ensuite mené une expérience destinée à tester leurs prédictions. À l’aide d’un cantilever capable de collecter des mesures à l’intérieur des ferrofluides, ils ont observé comment les changements mis en œuvre affectaient l’effet Casimir.

Les résultats de cette étude récente pourraient bientôt ouvrir la voie à de nouveaux efforts visant à régler efficacement l’effet Casimir à l’aide de champs externes. Collectivement, ces travaux pourraient permettre le développement de nouveaux dispositifs micromécaniques transformables tirant parti des forces de Casimir.

« Nous avons obtenu un accordage réversible de la force Casimir de l’attraction à la répulsion à l’aide d’un champ magnétique, ouvrant la voie au développement de dispositifs micromécaniques commutables basés sur l’effet Casimir accordable », a ajouté Zeng. « Dans nos prochaines études, nous prévoyons de contrôler la force de Casimir en utilisant la lumière. Par exemple, les plasmons présents dans des tôles peuvent être excités par la lumière, ce qui devrait effectivement modifier la force de Casimir. »

Plus d’information:
Yichi Zhang et al., Adaptation du champ magnétique à la force de Casimir, Physique naturelle (2024). est ce que je: 10.1038/s41567-024-02521-0

Informations sur les magazines :
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La NASA regarde la planète rouge s’illuminer lors d’une tempête solaire épique

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La NASA regarde la planète rouge s’illuminer lors d’une tempête solaire épique

Une récente tempête solaire intense a fourni des informations précieuses sur l’exposition aux radiations sur Mars, ce qui est essentiel pour les futures missions des astronautes. Les particules à haute énergie ont provoqué des perturbations visuelles sur les rovers et orbiteurs martiens, tandis que le rover MAVEN de la NASA a capturé les aurores résultantes. Source de l’image : NASA/Université du Colorado/LASP

En plus de produire une aurore époustouflante, une récente tempête intense a fourni plus de détails sur la quantité de rayonnement que les futurs astronautes pourraient rencontrer sur la planète rouge.

NASALes rovers et orbiteurs X12 ont observé des éruptions solaires et de grandes éjections de masse coronale Éruption solaire Frappé Mars Le 20 mai. Cet événement a démontré des doses potentielles de rayonnement aux astronautes et provoqué des perturbations visuelles dans les équipements martiens. Les données de ces observations aideront à planifier la radioprotection et les futures missions, y compris la prochaine mission ESCAPADE.

De violentes tempêtes sur Mars

Depuis que le Soleil est entré plus tôt cette année dans une période d’activité maximale appelée maximum solaire, les scientifiques de Mars s’attendent à des tempêtes solaires épiques. Au cours du mois dernier, les rovers et orbiteurs martiens de la NASA ont fourni aux chercheurs des sièges aux premières loges pour une série d’éruptions solaires et d’éjections de masse coronale qui ont atteint Mars et, dans certains cas, ont provoqué des aurores martiennes.

Cette richesse scientifique a fourni une opportunité sans précédent d’étudier comment de tels événements se produisent dans l’espace lointain, ainsi que l’exposition aux radiations à laquelle les premiers astronautes auraient été exposés sur Mars.

La plus grande s’est produite le 20 mai avec une éruption solaire estimée plus tard à X12 – les éruptions solaires de classe X sont les plus puissantes de plusieurs types – sur la base des données du vaisseau spatial Solar Orbiter, une mission conjointe de l’Agence spatiale européenne (ESA).Agence spatiale européenne) et la NASA. L’éruption a envoyé des rayons X et des rayons gamma vers la planète rouge, tandis qu’une éjection de masse coronale ultérieure a libéré des particules chargées. Les rayons X et gamma émis par l’éruption se déplacent en premier à la vitesse de la lumière, tandis que les particules chargées sont légèrement en retard, atteignant Mars en quelques dizaines de minutes seulement.

Une tempête solaire frappe le rover Curiosity de la NASA sur Mars

Les taches dans cette scène ont été causées par des particules chargées provenant d’une tempête solaire frappant une caméra à bord du vaisseau spatial Curiosity Mars de la NASA. Curiosity utilise ses caméras de navigation pour tenter de capturer des images de poussière et de rafales de vent, comme celles présentées ici. Source de l’image : NASA/JPL-Caltech

Exposition aux radiations sur Mars

L’évolution de la météo spatiale a été suivie de près par les analystes du bureau d’analyse météorologique spatiale de la Lune à Mars du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, qui ont indiqué la possibilité d’arrivée de particules chargées après une éjection de masse coronale.

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Si les astronautes s’étaient tenus à côté du rover Curiosity Mars de la NASA à ce moment-là, ils auraient reçu une dose de rayonnement de 8 100 micrograys, soit l’équivalent de 30 radiographies pulmonaires. Même si elle n’a pas été fatale, il s’agit de la plus forte augmentation jamais mesurée par le détecteur d’évaluation des radiations de Curiosity, ou RadDepuis l’atterrissage du vaisseau spatial il y a 12 ans.

Tempête solaire NASA Curiosity Mars Rover

Le rover Curiosity Mars de la NASA a capturé des lignes et des points en noir et blanc à l’aide de l’une de ses caméras de navigation au moment même où les particules d’une tempête solaire atteignaient la surface de Mars. Ces artefacts optiques sont produits par des biomolécules entrant en collision avec le détecteur d’image de la caméra. Source de l’image : NASA/JPL-Caltech

Planification des futures missions

Les données RAD aideront les scientifiques à planifier le niveau le plus élevé d’exposition aux radiations que les astronautes pourraient rencontrer, qu’ils pourront utiliser dans le paysage martien à des fins de protection.

« Les pentes ou les tubes de lave offriraient une protection supplémentaire à l’astronaute contre un tel événement. En orbite autour de Mars ou dans l’espace lointain, le taux de dose est beaucoup plus important. » Je ne serais pas surpris si cette région active du Soleil continue d’exploser. , ce qui signifie davantage de tempêtes solaires sur Terre et sur Mars au cours des prochaines semaines.

Effets sur les rovers et orbiteurs martiens

Lors de l’événement du 20 mai, tellement d’énergie de la tempête a frappé la surface que les images en noir et blanc prises par les caméras de navigation de Curiosity dansaient avec de la « neige » – des traînées et des taches blanches causées par des particules chargées entrant en collision avec les caméras.

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De même, la caméra stellaire utilisée par l’orbiteur Mars Odyssey de la NASA en 2001 pour le guidage a été submergée par l’énergie des particules solaires et temporairement éteinte. (Odyssey a d’autres moyens de s’orienter et a récupéré la caméra en une heure.) Même après un bref passage dans la caméra, l’orbiteur a collecté des données vitales sur les rayons X, les rayons gamma et les particules chargées à l’aide de neutrons de haute énergie. Le détecteur.

Ce n’était pas la première expérience d’Odyssey avec une éruption solaire : en 2003, il a finalement été estimé que les particules solaires provenant d’une éruption solaire étaient le détecteur de rayonnement X45 frit d’Odyssey, conçu pour mesurer de tels événements.


La couleur violette dans cette animation montre les aurores sur la face nocturne de Mars, telles que détectées par l’instrument d’imagerie spectroscopique ultraviolette à bord de l’orbiteur MAVEN (Martian Atmosphere and Volatile Evolution) de la NASA. Plus le violet est brillant, plus il y a d’aurores. Lors de la capture d’ondes de particules énergétiques provenant d’une tempête solaire atteignant Mars, la séquence finit par s’arrêter lorsque la vague de particules plus énergétiques arrive et inonde l’instrument de bruit. MAVEN a pris ces images entre le 14 et le 20 mai 2024, alors que le vaisseau spatial était en orbite sous Mars, regardant la face nocturne de la planète (le pôle sud de Mars est visible à droite, en plein soleil). Source de l’image : NASA/Université du Colorado/LASP

Aurores boréales au-dessus de Mars

Bien au-dessus de Curiosity, NASA L’orbiteur MAVEN (Martian Atmosphere and Volatile Evolution). Un autre effet de l’activité solaire récente a été capturé : les aurores boréales rougeoyantes au-dessus de la planète. La manière dont ces aurores se produisent est différente de celles que nous observons sur Terre.

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Notre planète natale est protégée des particules chargées par un champ magnétique puissant, qui limite généralement les aurores dans les régions proches des pôles. (Le maximum solaire est la raison des récentes aurores observées aussi loin au sud que l’Alabama.) Mars a perdu son champ magnétique généré en interne dans un passé ancien, il n’y a donc aucune protection contre le barrage de particules énergétiques. Lorsque des particules chargées entrent en collision avec l’atmosphère martienne, elles créent des aurores qui engloutissent la planète entière.

Lors d’événements solaires, le Soleil libère une large gamme de particules énergétiques. Seules les personnes les plus actives peuvent atteindre la surface à mesurer par RAD. Les particules légèrement moins énergétiques, celles qui provoquent les aurores, sont détectées par l’instrument de particules énergétiques solaires de MAVEN.

Les scientifiques peuvent utiliser les données de cet instrument pour reconstituer une chronologie minute par minute de l’endroit où les particules solaires hurlent, détaillant précisément comment l’événement s’est déroulé.

« Il s’agit du plus grand événement de particules solaires jamais vu par MAVEN », a déclaré Christina Lee, responsable de la météorologie spatiale de MAVEN, de l’Institut MAVEN. Université de Californie, BerkeleyLaboratoire de sciences spatiales. « Il y a eu plusieurs événements solaires au cours des dernières semaines, nous avons donc vu des vagues après vagues de particules frapper Mars. »

Un nouveau vaisseau spatial vers Mars

Les données du vaisseau spatial de la NASA ne seront pas seulement utiles aux futures missions interplanétaires vers la planète rouge. Il contribue à une multitude d’informations collectées par les autres missions héliophysiques de l’agence, notamment Voyager, Parker Solar Probe et la prochaine sonde. aventure Mission (Évasion, Accélération Plasma, Explorateurs Dynamiques).

Prévus pour un lancement fin 2024, les deux petits satellites d’ESCAPADE orbiteront autour de Mars et surveilleront la météo spatiale dans une double perspective unique et plus détaillée que celle que MAVEN peut actuellement mesurer seul.

En savoir plus sur les missions

Curiosity a été construit par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA (Laboratoire de propulsion à réaction), géré par le California Institute of Technology de Pasadena, en Californie. Le JPL dirige la mission au nom de la Direction des missions scientifiques de la NASA à Washington.

Le chercheur principal de MAVEN travaille au Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale (LASP) de l’Université du Colorado à Boulder. LASP est également responsable de la gestion des opérations scientifiques, de la sensibilisation du public et des communications. Le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, gère la mission MAVEN. Lockheed Martin Space a construit le vaisseau spatial et est responsable des opérations de la mission. Le Jet Propulsion Laboratory (JPL), situé dans le sud de la Californie, fournit un support pour la navigation et les réseaux dans l’espace lointain. L’équipe MAVEN se prépare à célébrer le 10e anniversaire de l’arrivée du vaisseau spatial sur Mars en septembre 2024.

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La planète Phoenix, semblable à Neptune, déroute les astronomes avec son atmosphère

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La planète Phoenix, semblable à Neptune, déroute les astronomes avec son atmosphère

Cette découverte remet en question les théories traditionnelles sur la façon dont les planètes vieillissent dans des environnements extrêmes et radioactifs.

Les astronomes ont découvert une planète en dehors de notre système solaire qui est si chaude par rapport à son étoile hôte que son atmosphère extrêmement gonflée aurait dû être réduite à une roche nue il y a des milliards d’années. Cependant, l’air épais de la planète a toléré le rayonnement massif de son étoile pendant des milliards d’années, remettant en question les théories traditionnelles sur la façon dont les planètes vieillissent dans des environnements extrêmes et remplis de radiations.

Le « Neptune chaud » récemment découvert fait un peu plus de six fois la taille de la Terre et orbite suffisamment près de son étoile pour qu’une année ne dure qu’environ quatre jours. Les planètes gonflées de la taille de Neptune avec des orbites étroites sont rares à découvrir, car les modèles prédisent que le rayonnement des étoiles prive les planètes de leur atmosphère, exposant souvent des surfaces rocheuses nues. Cependant, la planète vieille de 6 milliards d’années, qui orbite autour de son étoile six fois plus près que Mercure ne tourne autour de notre soleil, possède une atmosphère sensiblement gonflée, riche en hydrogène et en hélium.

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Bien qu’officiellement désigné TIC365102760 b, l’équipe de découverte l’a surnommé le Phénix pour sa persistance à survivre au rayonnement massif de l’étoile.

« Cette planète n’évolue pas comme nous le pensions », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Samuel Grunblatt, de l’Université Johns Hopkins, dans un article. déclaration. « Nous ne savons pas pourquoi il a encore une atmosphère alors que d’autres Neptunes chauds, plus petits et plus denses, semblent perdre leur atmosphère dans des environnements beaucoup moins extrêmes. »

Phoenix a été repéré par TESS

Phoenix a été découvert par la NASA Transit du satellite d’étude des exoplanètes (TESS) lorsque le télescope enregistrait des creux visibles dans la lumière des étoiles chaque fois que Phoenix traversait la face de son étoile. Les opérations de suivi avec l’observatoire Keck sur le volcan Mauna Kea à Hawaï ont permis de confirmer cette découverte.

L’étoile hôte sera probablement beaucoup moins active que ne le prédisent les modèles, ce qui pourrait retarder la vitesse à laquelle l’atmosphère de Phoenix s’échappe dans l’espace, selon un article publié la semaine dernière dans la revue Phoenix. Revue astronomique Signalez la découverte.

Au lieu de cela, les chercheurs suggèrent que Phoenix aurait pu se trouver sur une orbite plus grande et plus éloignée de l’étoile il y a quelques milliards d’années, lorsque l’étoile brillait plus fréquemment qu’aujourd’hui. La planète aurait pu conserver son atmosphère en évitant la phase la plus active de l’étoile et en migrant vers son orbite actuelle de quatre jours. Cependant, on ne sait pas ce qui aurait poussé Phoenix à avoir ce motif ; Les chercheurs affirment qu’il n’y a aucune autre planète connue dans le système et que l’orbite de Phoenix n’est pas très elliptique, comme on pourrait s’y attendre d’une planète en migration.

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Observations d’autres planètes renflées de la taille de Neptune Suggérer Les étoiles en rotation lente ne parviennent pas à évaporer l’atmosphère de leurs planètes. Par exemple, à la fin de l’année dernière, une autre équipe d’astronomes étudiant LTT 9779 b, une planète renflée similaire qui orbite autour de son étoile hôte pendant moins d’une journée, a découvert que l’étoile tournait à une vitesse d’un kilomètre par seconde – la vitesse d’un escargot. par rapport à 100 kilomètres par seconde. -seconde rotation (ou environ 62 miles par seconde) pour la plupart des étoiles chaudes. On sait que les étoiles à rotation rapide s’enflamment plus souvent, entraînant une perte rapide d’atmosphère au profit des planètes proches.

Dans 100 millions d’années, Phénix se rapprochera progressivement de son étoile avant d’être finalement englouti par celle-ci – un destin qui attend de nombreux mondes, dont la Terre. Il reste environ 4,5 milliards d’années à notre planète avant que notre Soleil ne manque d’hydrogène et ne se dirige vers une géante rouge, engloutissant toutes les planètes jusqu’à Mars (qui restera probablement attachée au Soleil après sa mort).

La nouvelle étude révèle qu’il n’y a aucun signe que Phoenix ait déjà commencé à glisser vers son étoile. Seules deux autres planètes ont été découvertes sur le chemin de l’anéantissement, dont un monde appelé Kepler-1658b, sur lequel les astronomes orbitent. appréciation Il se contracte à un rythme minime de 131 millisecondes par an.

« Nous ne comprenons pas très bien le stade avancé de l’évolution des systèmes planétaires », a déclaré Gronblatt. « Cela nous indique que l’atmosphère terrestre ne se développera probablement pas exactement comme nous le pensions. »

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