La gravité fait partie de notre vie quotidienne. Pourtant, la force gravitationnelle reste mystérieuse : à ce jour, nous ne comprenons pas si sa nature ultime est géométrique, comme l’envisageait Einstein, ou si elle est régie par les lois de la mécanique quantique.
Jusqu’à présent, toutes les propositions expérimentales visant à répondre à cette question reposaient sur la création du phénomène quantique d’intrication entre des masses lourdes et macroscopiques. Mais plus un objet est lourd, plus il a tendance à perdre ses caractéristiques quantiques et à devenir « classique », ce qui rend incroyablement difficile de faire en sorte qu’une masse lourde se comporte comme une particule quantique.
Dans une étude publié dans Examen physique X cette semaine, des chercheurs d’Amsterdam et d’Ulm proposent une expérience qui contourne ces problèmes.
Classique ou quantique ?
Réussir à combiner la mécanique quantique et la physique gravitationnelle constitue l’un des principaux défis de la science moderne. D’une manière générale, les progrès dans ce domaine sont entravés par le fait que nous ne pouvons pas encore réaliser d’expériences dans des régimes dans lesquels les effets quantiques et gravitationnels sont pertinents.
À un niveau plus fondamental, comme l’a dit un jour Roger Penrose, lauréat du prix Nobel, nous ne savons même pas si une théorie combinée de la gravité et de la mécanique quantique nécessitera une « quantification de la gravité » ou une « gravitation de la mécanique quantique ».
En d’autres termes : la gravité est-elle fondamentalement une force quantique, ses propriétés étant déterminées aux échelles les plus petites possibles, ou est-ce une force « classique » pour laquelle une description géométrique à grande échelle suffit ? Ou est-ce encore quelque chose de différent ?
Il a toujours semblé que pour répondre à ces questions, le phénomène typiquement quantique de l’intrication jouerait un rôle central. Ludovico Lami, physicien mathématicien à l’Université d’Amsterdam et QuSoft, déclare : « La question centrale, initialement posée par Richard Feynman en 1957, est de comprendre si le champ gravitationnel d’un objet massif peut entrer dans une superposition dite quantique, où il serait dans plusieurs États en même temps.
« Avant nos travaux, l’idée principale pour résoudre cette question expérimentalement était de rechercher l’intrication induite par la gravitation, une manière par laquelle des masses distantes mais liées pourraient partager des informations quantiques. L’existence d’une telle intrication fausserait l’hypothèse selon laquelle le champ gravitationnel est purement local et classique. »
Un angle différent
Le principal problème des propositions précédentes est que des objets massifs distants mais liés – appelés États délocalisés – sont très difficiles à créer. L’objet le plus lourd pour lequel une délocalisation quantique a été observée à ce jour est une grosse molécule, bien plus légère que la plus petite masse source dont le champ gravitationnel a été détecté, qui est juste en dessous de 100 mg, soit plus d’un milliard de milliards de fois plus lourde. Cela a repoussé tout espoir de réalisation expérimentale pendant des décennies.
Dans leur nouvel ouvrage, Lami et ses collègues d’Amsterdam et d’Ulm – lieu de naissance d’Einstein – présentent une issue possible pour sortir de cette impasse. Ils proposent une expérience qui révélerait le caractère quantique de la gravité sans générer aucun intrication.
Lami explique : « Nous concevons et étudions une classe d’expériences impliquant un système d’oscillateurs harmoniques massifs, par exemple des pendules de torsion, essentiellement comme celui que Cavendish a utilisé dans sa célèbre expérience de 1797 pour mesurer la force de la force gravitationnelle. établir des limites mathématiquement rigoureuses sur certains signaux expérimentaux pour le quantum qu’une gravité classique locale ne devrait pas être capable de surmonter.
« Nous avons soigneusement analysé les exigences expérimentales nécessaires pour mettre en œuvre notre proposition dans une expérience réelle et avons constaté que même si un certain degré de progrès technologique est encore nécessaire, de telles expériences pourraient bientôt être à notre portée. »
Une ombre d’enchevêtrement
Étonnamment, pour analyser l’expérience, les chercheurs ont encore besoin de la machinerie mathématique de la théorie de l’intrication dans la science de l’information quantique. Comment est-ce possible? Selon Lami, « la raison en est que même si l’intrication n’est pas physiquement là, elle est toujours là dans l’esprit, dans un sens mathématique précis. Il suffit que l’intrication ait pu être générée. »
Les chercheurs espèrent que leur article n’est qu’un début et que leur proposition aidera à concevoir des expériences susceptibles de répondre à la question fondamentale sur le caractère quantique de la gravité beaucoup plus tôt que prévu.
Plus d’information:
Ludovico Lami et al, Test du caractère quantique de la gravité sans intrication, Examen physique X (2024). DOI : 10.1103/PhysRevX.14.021022