Deux groupes de physiciens au Royaume-Uni ont donné une nouvelle vie à une idée d’expérience qui pourrait finalement permettre d’unir les domaines de la mécanique quantique et de la relativité générale.

La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour objet d’étudier et de décrire les phénomènes fondamentaux à l’œuvre dans les systèmes physiques, plus particulièrement à l’échelle atomique et subatomique. Elle est la modélisation des particules discrètes basée sur les probabilités, qui n’ont pas de valeur définie tant que nous n’avons pas fixé une mesure.

Non que la physique quantique soit vague : plus d’un siècle d’essais en a fait l’une des théories scientifiques les plus solides qui existent. Puis, à côté de la mécanique quantique, il y a la théorie de la relativité générale, qui décrit la gravité agissant sur un « tissu » continu et homogène, l’espace-temps. La relativité générale est également l’une des théories les plus fiables que nous ayons en science, nous permettant de prédire les mouvements d’objets à grande échelle avec une précision maximale.

Mais, malgré leurs succès respectifs à décrire l’Univers, ces deux théories ne fonctionnent pas ensemble. Un élément qui rend les choses encore plus difficiles dans ce domaine, est le fait que la gravité est une force très délicate à étudier à l’échelle atomique. « Un problème redoutable est l’immense faiblesse de l’interaction gravitationnelle par rapport aux autres forces fondamentales dans la nature », explique Sougato Bose, physicien à l’UCL (University of Central London). « Par exemple, la force électrostatique entre deux électrons dépasse de plusieurs ordres de magnitude, la force gravitationnelle entre des masses de deux kilogrammes », ajoute-t-il.

En 1957, le célèbre physicien américain Richard Feynman a inventé un modèle expérimental : il a imaginé une petite masse qui existe bel et bien à un endroit précis si mesure il y a, mais qui n’existe autrement en aucun endroit précis, ou qui existe dans un état superposé. Placée dans un champ gravitationnel, la masse devrait être liée aux propriétés quantiques de la gravité, par le biais d’un phénomène appelé intrication.

Afin de voir si le champ était réellement quantifié dans la nature, Feynman a suggéré de chercher 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 séparer du champ, alors la gravité aurait une nature quantique qui pourrait être étudiée. Du moins, voilà l’idée de base.

Selon les auteurs des deux nouveaux articles, le fait qu’une particule dans une superposition puisse encore interférer avec elle-même – même à l’intérieur d’un champ gravitationnel classique et continu – laisse beaucoup de place au doute.

Mais à présent, les chercheurs proposent une approche légèrement différente, qui pourrait aplanir certaines lacunes du test initial, et peut-être même résoudre l’un des plus gros problèmes de la science moderne. Un duo de physiciens de l’Université d’Oxford a démontré que n’importe quelle paire de systèmes quantiques pouvaient être enchevêtrés dans un troisième système, mais uniquement si ce dernier est également quantifié. Ceci laisse supposer qu’il est possible qu’une paire de masses (chacune en superposition), soit couplée séparément en étant enchevêtrée 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 des détails d’une expérience réelle, qui pourrait utiliser un hypothétique « médiateur de la gravité quantique » pour enchevêtrer le spin de deux masses séparées. Mais bien entendu, une telle expérience ne va pas sans ses propres défis pratiques : la poussée écrasante et l’attraction des forces électromagnétiques pourraient être suffisantes pour modérer l’enchevêtrement, éliminant tous les effets potentiels de la gravité quantique.

Pourtant, au vu des potentiels résultats, cette expérience en vaut largement la peine. Espérons donc ne pas devoir attendre 60 années supplémentaires avant d’en connaître les conclusions.

Sources : Physical Review Letters (1 & 2), Physics World

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