Un nouvel instrument est si sensible qu'il peut discerner une variation de 1,5 centimètre du niveau de la mer. "Il détecterait la nourriture dans notre estomac", dit un physicien.
La gravité et ses effets
De toutes ces quatre forces fondamentales, la gravité est la plus familière, la plus immuable, la plus omniprésente et peut-être même la plus ennuyeuse. Nous rencontrons d'abord la gravité en lâchant nos premiers jouets, et plus tard, nous apprenons à la connaître grâce aux frissons des montagnes russes et aux croûtes à genoux. Au fil des ans, elle nous garde les pieds sur terre.
Mais la gravité est beaucoup plus dynamique que ne le suggèrent de modestes interactions quotidiennes. Sur la planète, son attraction varie entre 32,09 et 32,25 pieds par seconde au carré. Dans ces infimes fluctuations, les scientifiques ont trouvé une mine d'informations sur la structure de notre planète, tant qu'ils peuvent mesurer les signaux. Et maintenant, ils développent les capteurs de gravité les plus précis jamais fabriqués, en maniant les règles de la mécanique quantique.
Les atomes pour détecter la gravité
Le physicien Babak Saif, qui travaille au Goddard Space Flight Center de la NASA, au Maryland, a construit un instrument qui utilise des atomes pour détecter la gravité. Comme l'attraction gravitationnelle d'un objet est directement liée à sa masse, ce dispositif pèse essentiellement les matériaux voisins. L'instrument est si sensible que pendant qu'ils le testaient, il a donné des mesures de gravité différentes avant et après que les scientifiques soient partis pour le déjeuner, dit Saif. "C'était de détecter la nourriture dans notre estomac", dit-il.
Le capteur quantique, que la NASA a mis au point avec la société AOSense, basée à Bay Area, repose sur quelque 100 millions d'atomes de césium.
Le dispositif lance les atomes à l'intérieur d'une colonne cylindrique et chronomètre à quelle vitesse ils tombent. Comme le dicte la mécanique quantique, les atomes se comportent à la fois comme des particules et des ondes. Imaginez qu'elles se déplacent dans la colonne comme des vagues d'eau ; lorsqu'une onde atomique remonte la colonne et redescend, elle se superpose à elle-même pour créer un motif d'interférences de crêtes et de creux. Ce schéma varie en fonction de la vitesse à laquelle les atomes montent et descendent et peut révéler de minuscules fluctuations de la gravité.
Les chercheurs veulent lancer une version de cette machine dans l'espace pour cartographier le champ gravitationnel de la Terre, selon Scott Luthcke, géophysicien à la NASA. En particulier, vous pouvez utiliser la gravité pour surveiller les masses glaciaires, détecter les changements dans les niveaux des aquifères et même observer comment l'eau et l'air se déplacent dans un tsunami.
Ce capteur de gravité remplacerait une paire de satellites actuellement en orbite autour de la Terre connue sous le nom de GRACE-FO. Au cours d'un mois de mesures, le capteur quantique peut détecter une variation de 1,5 centimètre du niveau de la mer sur une zone de la taille de la Grande île d'Hawaii, dit Luthcke. Comparé à la paire de satellites actuelle, il peut cartographier la gravité de la Terre 10 fois plus précisément à une résolution spatiale quatre fois plus élevée. Sa haute précision découle d'une conception qui isole les atomes de toutes les forces, à l'exception de la pesanteur, en partie en maintenant les particules dans le vide près du zéro absolu.
L'interférométrie atomique, pour planifier des projets d'infrastructure
D'autres chercheurs veulent utiliser des capteurs similaires pour des projets plus proches de la surface de la Terre. À l'Université de Birmingham, au Royaume-Uni, des chercheurs ont construit un prototype de capteur de gravité, également basé sur l'interférométrie atomique, pour planifier des projets d'infrastructure. Avant de commencer la construction, les ingénieurs civils doivent s'assurer que leurs plans n'interfèrent pas avec les tuyaux d'égout enterrés, les sous-sols des bâtiments ou les puits de mine cachés, par exemple. Les capteurs de gravité peuvent détecter des structures souterraines de 10 à 50 pieds de profondeur sans avoir à forer des forages coûteux, explique Nicole Metje, ingénieur civil à l'Université de Birmingham. Bien qu'il existe déjà des capteurs de pesanteur commerciaux, les ingénieurs civils ne les utilisent pas beaucoup parce que les mesures prennent beaucoup de temps et que les instruments doivent souvent être réétalonnés. Le capteur quantique ne devrait pas avoir ces problèmes, dit Metje.
Etudes et projets d'infrastructures urbaines
Metje et ses collègues pensent que le capteur quantique pourrait aider à la construction d'un projet de train à grande vitesse au Royaume-Uni connu sous le nom de HS2. Une partie du chemin de fer HS2, qui relie les villes de Birmingham et de Manchester, serpente à travers le pays noir, une région connue pour ses mines de charbon de l'époque de la révolution industrielle. "Il y a probablement des centaines ou des milliers de puits de mine ", dit le physicien Kai Bongs de l'Université de Birmingham, qui collabore avec Metje. Les registres des puits de mine, dont beaucoup datent de plus d'un siècle, n'ont pas été bien documentés, de sorte que le capteur pourrait les aider à évaluer à peu de frais où ils se trouvent.
Jusqu'à présent, ils ont démontré que l'appareil peut détecter la présence de quelque 400 livres de plomb placées à environ un pied et demi de distance dans un laboratoire. Bien que la précision de cet outil au sol ne soit guère comparable à celle de l'instrument de la NASA, il n'est pas nécessaire de mesurer la masse d'un satellite à plusieurs centaines de kilomètres au dessus de sa tête. La sensibilité actuelle est suffisante pour détecter un tunnel souterrain, dit Bongs. Ils testent maintenant l'appareil à l'extérieur dans des conditions saisonnières différentes.
Des capteurs quantiques pour étudier la gravité
Certains scientifiques veulent utiliser des capteurs quantiques pour étudier la gravité elle-même. Le physicien Sergei Kopeikin de l'Université du Missouri développe des expériences qui peuvent tester la relativité générale, la théorie incomplète de la gravité d'Einstein.
L'une des approches de Kopeikin consiste à mesurer très précisément les orbites des différents corps astronomiques dans le système solaire. Si vous pouvez suivre attentivement les positions des planètes et des lunes, vous pouvez ensuite comparer leurs trajectoires aux prédictions de la relativité générale pour rechercher les divergences. Mais pour ce faire, il faut une carte précise des fluctuations de la gravité sur la Lune et sur la Terre, dit Kopeikin.
"Imaginez que vous avez une règle en bois ou en fer", dit-il. "Si vous augmentez la température, la taille de la règle augmentera." Mais les atomes, composés d'un nombre fixe de protons, de neutrons et d'électrons, sont identiques en vertu de la nature. Les capteurs quantiques exploitent des propriétés atomiques qui ne changent pas selon les caprices de l'environnement.
Et parce que la gravité est partout, ces capteurs peuvent être adaptés à une variété d'applications. Vous pouvez utiliser les mesures gravimétriques pour suivre les mouvements de la surface de la Terre après un tremblement de terre ou pour découvrir des poches de pétrole sous terre, par exemple. "La gravité est la force la plus omniprésente que les humains connaissent, dit Luthcke.
Puisque tu ne peux pas t'en cacher, autant travailler avec lui.
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