Deux groupes de physiciens britanniques ont donné un nouveau souffle à l’idée d’une expérience qui pourrait unir les domaines difficiles de la mécanique quantique et de la relativité générale.
Le fait que la théorie quantique ne s’accorde pas avec la gravité est une énorme pierre d’achoppement en physique, qui a longtemps échappé à certains des plus grands esprits de la science.
La mécanique quantique consiste à modéliser des particules discrètes sous forme de probabilités qui n’existent pas vraiment tant que nous n’avons pas effectué une mesure. Non pas que la physique quantique soit vague – un siècle de tests en a fait l’une des théories les plus solides de la science.
Aux côtés de la mécanique quantique se trouve la théorie générale de la relativité, qui décrit l’action de la masse sur un tissu continu et sans couture d’espace et de temps pour nous donner la gravité. La relativité générale est également l’une des théories les plus fiables de la science, car elle nous permet de prédire les mouvements des objets à grande échelle avec une précision extrême.
Mais en dépit de leur succès respectif dans la description de l’Univers, ces deux théories se détestent.
Pour compliquer les choses, la gravité est une force très difficile à étudier à l’échelle atomique.
“Un problème redoutable est l’immense faiblesse de l’interaction gravitationnelle par rapport à d’autres forces fondamentales de la nature”, a expliqué Sougato Bose, physicien de l’University of Central London (UCL), à Physics World.
“Par exemple, même la force électrostatique entre deux électrons dépasse de plusieurs ordres de grandeur la force gravitationnelle entre deux masses d’un kilogramme.”
Pour trouver un terrain d’entente, le célèbre physicien américain Richard Feynman a proposé un plan expérimental en 1957.
Il a imaginé une petite masse qui existait sous forme de probabilité – ou de superposition – entre deux endroits. Placée dans un champ gravitationnel, la masse devrait être liée aux propriétés quantiques de la gravité dans un phénomène appelé intrication.
Pour voir si le champ est réellement quantifié par nature, Feynman a suggéré de rechercher des signes d’interférence entre les deux emplacements possibles avant de mesurer sa position “réelle”.
Si ces deux positions possibles interféraient l’une avec l’autre avant de se démêler du champ, la gravité aurait une nature quantique qui pourrait être étudiée.
Du moins, c’est l’idée.
Selon les auteurs de deux nouveaux articles, le fait qu’une particule en superposition puisse encore interférer avec elle-même – même à l’intérieur d’un champ gravitationnel classique et continu – a laissé beaucoup de place au doute.
Mais ils proposent aujourd’hui une approche légèrement différente de l’expérience qui pourrait combler certaines lacunes du test, et peut-être même résoudre l’un des plus grands problèmes de la science moderne.
Un duo de physiciens de l’université d’Oxford a prouvé que deux systèmes quantiques quelconques pouvaient être intriqués par l’intermédiaire d’un troisième système, mais uniquement si celui-ci était également quantifié.
Cela ouvre la voie à une paire de masses – chacune en superposition – qui peuvent être couplées séparément en étant enchevêtrées avec une version quantique d’un champ gravitationnel. Si la gravité n’est pas quantique, alors il n’y a pas d’intrication.
Sur la base de ce principe, une deuxième équipe de l’UCL a proposé les détails d’une expérience réelle qui pourrait utiliser un hypothétique “médiateur de gravité quantique” pour enchevêtrer le spin des deux masses séparées.
Une telle expérience ne serait pas sans poser des problèmes pratiques : la poussée et la traction écrasantes des forces électromagnétiques pourraient suffire à provoquer l’intrication, annulant tout effet potentiel de la gravité quantique.
Espérons que nous n’aurons pas à attendre 60 ans de plus pour voir comment se déroule l’expérience de Feynman.
Cette recherche a été publiée dans Physical Review Letters ici et ici.