Nous avons toutes les raisons de croire que la gravité est intrinsèquement une théorie quantique. Mais comment le prouver une fois pour toutes? Dr Sabina Nossenfelder, physicienne théorique, experte en gravitation quantique et physique des hautes énergies, en parle. Plus loin de la première personne.
Si vous avez une bonne vue, les plus petits objets que vous pouvez voir mesurent environ un dixième de millimètre: environ la largeur d'un cheveu humain. Ajoutez la technologie, et la plus petite structure que nous ayons pu mesurer jusqu'à présent était d'environ 10 à 19 mètres, ce qui correspond à la longueur d'onde des protons entrant en collision au LHC. Il nous a fallu 400 ans pour passer du microscope le plus primitif à la construction du LHC - une amélioration de 15 ordres de grandeur en quatre siècles.
On estime que les effets quantiques de la gravité deviennent pertinents à des échelles de distance d'environ 10 à 35 mètres, connues sous le nom de longueur de Planck. Il s'agit d'un autre trajet de 16 ordres de grandeur ou d'un autre facteur de 1016 en termes d'énergie de collision. Cela vous amène à vous demander si cela est possible du tout, ou si tous les efforts pour essayer de trouver une théorie quantique de la gravité resteront à jamais une fiction vaine.
Je suis optimiste. L'histoire de la science regorge de gens qui pensaient que beaucoup était impossible, mais en fait, cela s'est avéré être l'inverse: mesurer la déviation de la lumière dans le champ gravitationnel du Soleil, des machines plus lourdes que l'air, détecter les ondes gravitationnelles. Par conséquent, je ne considère pas qu'il soit impossible de tester expérimentalement la gravité quantique. Cela peut prendre des dizaines ou des centaines d'années - mais si nous continuons à avancer, nous pourrions un jour être en mesure de mesurer les effets de la gravité quantique. Pas nécessairement en atteignant directement les 16 ordres de grandeur suivants, mais plutôt par détection indirecte à des énergies plus faibles.
Mais de rien, rien ne naît. Si nous ne pensons pas à la façon dont les effets de la gravité quantique pourraient se manifester et à l'endroit où ils pourraient apparaître, nous ne les trouverons certainement jamais. Mon optimisme est alimenté par un intérêt croissant pour la phénoménologie de la gravitation quantique, un domaine de recherche consacré à l'étude de la meilleure façon de rechercher les manifestations des effets de la gravité quantique.
Puisqu'aucune théorie cohérente n'a été inventée pour la gravitation quantique, les efforts actuels pour trouver des phénomènes observables se concentrent sur la recherche de moyens de tester les caractéristiques générales de la théorie, en recherchant des propriétés qui ont été trouvées dans certaines approches différentes de la gravité quantique. Par exemple, les fluctuations quantiques de l'espace-temps, ou la présence d'une «longueur minimale» qui marquera la limite fondamentale de résolution. Ces effets pourraient être déterminés à l'aide de modèles mathématiques, puis la force de ces effets possibles pourrait être estimée et comprendre quelles expériences pourraient donner les meilleurs résultats.
Tester la gravitation quantique a longtemps été considéré comme hors de portée des expériences, à en juger par des estimations, nous avons besoin d'un collisionneur de la taille de la Voie lactée pour accélérer suffisamment les protons pour produire une quantité mesurable de gravitons (quanta du champ gravitationnel), ou nous avons besoin d'un détecteur de la taille de Jupiter pour mesurer les gravitons qui naissent partout. Pas impossible, mais certainement pas quelque chose auquel on devrait s'attendre dans un proche avenir.
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De tels arguments, cependant, ne concernent que la détection directe des gravitons, et ce n'est pas la seule manifestation des effets de la gravité quantique. La gravitation quantique peut avoir de nombreuses autres conséquences observables, dont certaines que nous avons déjà recherchées et d'autres que nous prévoyons de rechercher. Jusqu'à présent, nos résultats sont purement négatifs. Mais même les négatifs sont précieux, car ils nous indiquent quelles propriétés la théorie dont nous avons besoin peut ne pas avoir.
Une conséquence testable de la gravité quantique, par exemple, peut être la rupture de symétrie, fondamentale à la relativité restreinte et générale, connue sous le nom d'invariance de Lorentz. Fait intéressant, les violations de l'invariance de Lorentz ne sont pas nécessairement faibles, même si elles sont créées à des distances trop petites pour être observées. La rupture de symétrie, par contre, s'infiltrera à travers les réactions de nombreuses particules aux énergies disponibles avec une précision incroyable. Aucune preuve de violation de l'invariance de Lorentz n'a encore été trouvée. Cela peut sembler rare, mais sachant que cette symétrie doit être observée avec le plus haut degré de précision en gravité quantique, vous pouvez l'utiliser pour développer une théorie.
D'autres conséquences testables pourraient être dans le champ faible de la gravité quantique. Dans l'Univers primitif, les fluctuations quantiques de l'espace-temps auraient dû entraîner des fluctuations de température dans la matière. Ces fluctuations de température sont observées aujourd'hui, étant imprimées dans le rayonnement de fond (CMB). L'empreinte des "ondes gravitationnelles primaires" sur le fond cosmique des micro-ondes n'a pas encore été mesurée (LIGO n'est pas assez sensible pour cela), mais on s'attend à ce qu'elle se situe dans un à deux ordres de grandeur de la précision de mesure actuelle. De nombreuses collaborations expérimentales travaillent à la recherche de ce signal, notamment le BICEP, POLARBEAR et l'Observatoire de Planck.
Une autre façon de tester la limite du champ faible de la gravité quantique est d'essayer d'introduire de gros objets dans une superposition quantique: des objets beaucoup plus lourds que les particules élémentaires. Cela rendra le champ gravitationnel plus fort et testera potentiellement son comportement quantique. Les objets les plus lourds que nous ayons réussi à lier jusqu'à présent dans une superposition pèsent environ un nanogramme, soit plusieurs ordres de grandeur de moins qu'il n'en faut pour mesurer le champ gravitationnel. Mais récemment, un groupe de scientifiques à Vienne a proposé un schéma expérimental qui nous permettrait de mesurer le champ gravitationnel beaucoup plus précisément qu'auparavant. Nous approchons lentement de la plage de gravité quantique.
(Gardez à l'esprit que ce terme diffère en astrophysique, où «forte gravité» est parfois utilisée pour désigner autre chose, comme de grands écarts par rapport à la gravité newtonienne qui peuvent être trouvés près des horizons d'événements de trous noirs.)
Les effets forts de la gravitation quantique pourraient également laisser une empreinte (autre que des effets de champ faible) dans le CMB (rayonnement relique), notamment dans le type de corrélations que l'on peut trouver entre les fluctuations. Il existe différents modèles de cosmologie des cordes et de cosmologie à boucle quantique qui étudient les conséquences observées, et des expériences proposées comme EUCLID, PRISM, puis WFIRST peuvent trouver les premiers indices.
Il existe une autre idée intéressante, basée sur une découverte théorique récente, selon laquelle l'effondrement gravitationnel de la matière peut ne pas toujours former un trou noir - l'ensemble du système évitera la formation de l'horizon. Si c'est le cas, l'objet restant nous donnera une vue de la région avec des effets gravitationnels quantiques. On ne sait pas, cependant, quels signaux nous devrions rechercher pour trouver un tel objet, mais c'est une direction de recherche prometteuse.
Il y a beaucoup d'idées. Une grande classe de modèles traite de la possibilité que les effets gravitationnels quantiques dotent l'espace-temps des propriétés d'un milieu. Cela peut entraîner une dispersion de la lumière, une biréfringence, une décohérence ou une opacité de l'espace vide. Vous ne pouvez pas tout dire à la fois. Mais, sans aucun doute, il reste encore beaucoup à faire. La recherche de preuves que la gravité est effectivement une force quantique a déjà commencé.
ILYA KHEL