En 1935, alors que la mécanique quantique et la théorie de la relativité générale d'Einstein étaient très jeunes, le physicien soviétique pas si célèbre Matvei Bronstein, à l'âge de 28 ans, a fait la première étude détaillée sur la réconciliation de ces deux théories dans la théorie quantique de la gravité. Ceci, "peut-être la théorie du monde entier", comme l'écrivait Bronstein, pourrait supplanter la description classique d'Einstein de la gravité, dans laquelle elle est vue comme des courbes dans le continuum espace-temps, et la réécrire en langage quantique, comme toute autre physique.
Bronstein a compris comment décrire la gravité en termes de particules quantifiées, maintenant appelées gravitons, mais seulement lorsque la force de gravité est faible - c'est-à-dire (en relativité générale) lorsque l'espace-temps est si faiblement courbé qu'il est pratiquement plat. Lorsque la gravité est forte, "la situation est complètement différente", a écrit le scientifique. "Sans une révision en profondeur des concepts classiques, il semble presque impossible de présenter une théorie quantique de la gravité dans ce domaine."
Ses paroles étaient prophétiques. Quatre-vingt-trois ans plus tard, les physiciens tentent toujours de comprendre comment la courbure de l'espace-temps se manifeste à une échelle macroscopique, issue de l'image plus fondamentale et supposée quantique de la gravité; peut-être la question la plus profonde de la physique. Peut-être, s'il y avait une chance, la tête brillante de Bronstein accélérerait le processus de cette recherche. En plus de la gravitation quantique, il a également contribué à l'astrophysique et à la cosmologie, à la théorie des semi-conducteurs, à l'électrodynamique quantique et a écrit plusieurs livres pour enfants. En 1938, il tomba sous la répression stalinienne et fut exécuté à l'âge de 31 ans.
La recherche d'une théorie complète de la gravité quantique est compliquée par le fait que les propriétés quantiques de la gravité ne se manifestent jamais dans l'expérience réelle. Les physiciens ne voient pas comment la description d'Einstein d'un continuum espace-temps lisse est violée, ou l'approximation quantique de Bronstein de celui-ci dans un état légèrement incurvé.
Le problème réside dans l'extrême faiblesse de la force gravitationnelle. Alors que les particules quantifiées transmettant des forces fortes, faibles et électromagnétiques sont si fortes qu'elles lient étroitement la matière en atomes et peuvent être examinées littéralement à la loupe, les gravitons individuellement sont si faibles que les laboratoires n'ont aucune chance de les détecter. Pour attraper un graviton avec un degré de probabilité élevé, le détecteur de particules doit être si grand et massif qu'il s'effondre dans un trou noir. Cette faiblesse explique pourquoi des accumulations de masse astronomique sont nécessaires pour influencer d'autres corps massifs par gravité, et pourquoi nous voyons des effets gravitationnels à d'énormes échelles.
Ce n'est pas tout. L'univers semble subir une sorte de censure cosmique: des zones de forte gravité - où les courbes spatio-temporelles sont si nettes que les équations d'Einstein échouent et où la nature quantique de la gravité et de l'espace-temps doit être révélée - se cachent toujours derrière les horizons des trous noirs.
«Il y a encore quelques années, il y avait un consensus général sur le fait qu'il était très probablement impossible de mesurer la quantification du champ gravitationnel de quelque manière que ce soit», explique Igor Pikovsky, physicien théoricien à l'Université Harvard.
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Et voici quelques articles récents publiés dans Physical Review Letters qui ont changé la donne. Ces articles affirment qu'il est possible d'arriver à la gravité quantique - même sans rien savoir à ce sujet. Les articles, écrits par Sugato Bose de l'University College London et Chiara Marletto et Vlatko Vedral de l'Université d'Oxford, proposent une expérience techniquement difficile mais faisable qui pourrait confirmer que la gravité est une force quantique comme tout le monde sans nécessiter la détection du graviton. Miles Blencoe, physicien quantique au Dartmouth College qui n'était pas impliqué dans le travail, dit qu'une telle expérience pourrait révéler une trace claire de gravité quantique invisible - le «sourire du chat du Cheshire».
L'expérience proposée déterminera si deux objets - le groupe Bose prévoit d'utiliser une paire de microdiamants - s'entremêlent mécaniquement quantique dans le processus d'attraction gravitationnelle mutuelle. L'enchevêtrement est un phénomène quantique dans lequel les particules deviennent inséparablement entrelacées, partageant une seule description physique qui définit leurs états combinés possibles. (La coexistence de différents états possibles est appelée "superposition" et définit un système quantique). Par exemple, une paire de particules intriquées peut exister dans une superposition, dans laquelle la particule A tournera de bas en haut avec une probabilité de 50%, et B - de haut en bas, et vice versa avec une probabilité de 50%. Personne ne sait à l'avance quel résultat vous obtiendrez en mesurant la direction du spin des particules, mais vous pouvez être sûr quequ'ils auront la même chose.
Les auteurs soutiennent que deux objets dans l'expérience proposée ne peuvent s'emmêler de cette manière que si la force agissant entre eux - dans ce cas la gravité - est une interaction quantique médiée par des gravitons qui peuvent supporter des superpositions quantiques. «Si une expérience est menée et que l'intrication est obtenue, selon l'article, on peut conclure que la gravité est quantifiée», a expliqué Blenkow.
Enchevêtrer le diamant
La gravité quantique est si subtile que certains scientifiques ont remis en question son existence. Le célèbre mathématicien et physicien Freeman Dyson, âgé de 94 ans, soutient depuis 2001 que l'univers peut supporter une sorte de description «dualiste», dans laquelle «le champ gravitationnel décrit par la théorie de la relativité générale d'Einstein sera un champ purement classique sans aucun comportement quantique». et toute la matière de ce continuum espace-temps lisse sera quantifiée par des particules qui obéissent aux règles de probabilité.
Dyson, qui a contribué au développement de l'électrodynamique quantique (la théorie des interactions entre la matière et la lumière) et est professeur émérite à l'Institute for Advanced Study de Princeton, New Jersey, ne pense pas que la gravité quantique soit nécessaire pour décrire les profondeurs inaccessibles des trous noirs. Et il pense également que la détection d'un hypothétique graviton peut être impossible en principe. Dans ce cas, dit-il, la gravité quantique sera métaphysique et non physique.
Il n'est pas le seul sceptique. Le célèbre physicien anglais Sir Roger Penrose et le scientifique hongrois Lajos Diosi ont indépendamment supposé que l'espace-temps ne pouvait pas supporter la superposition. Ils croient que sa nature lisse, solide et fondamentalement classique l'empêche de se plier dans deux chemins possibles en même temps - et c'est cette rigidité qui conduit à l'effondrement des superpositions de systèmes quantiques comme les électrons et les photons. La «décohérence gravitationnelle», selon eux, permet à une seule réalité classique et solide de se produire, qui peut être ressentie à une échelle macroscopique.
Trouver un «sourire» de gravité quantique semble réfuter l'argument de Dyson. Il tue également la théorie de la décohérence gravitationnelle en montrant que la gravité et l'espace-temps supportent les superpositions quantiques.
Les propositions de Bose et Marletto sont apparues simultanément et complètement par accident, bien que les experts notent qu'elles reflètent l'esprit du temps. Les laboratoires expérimentaux de physique quantique du monde entier placent des objets microscopiques toujours plus grands dans des superpositions quantiques et optimisent les protocoles de test pour l'intrication de deux systèmes quantiques. L'expérience proposée devrait combiner ces procédures, tout en exigeant de nouvelles améliorations d'échelle et de sensibilité; cela pourrait prendre dix ans. «Mais il n'y a pas d'impasse physique», dit Pikovsky, qui explore également comment des expériences de laboratoire pourraient sonder les phénomènes gravitationnels. "Je pense que c'est difficile, mais pas impossible."
Ce plan est décrit plus en détail dans les travaux de Bose et al. Ocean's onze experts pour les différentes phases de la proposition. Par exemple, dans son laboratoire de l'Université de Warwick, le co-auteur Gavin Morley travaille sur la première étape, essayant de mettre un microdiamant dans une superposition quantique à deux endroits. Pour ce faire, il enfermera un atome d'azote dans un micro-diamant, à côté d'une lacune dans la structure du diamant (le soi-disant centre NV, ou une lacune substituée à l'azote dans un diamant), et le chargera avec une impulsion micro-ondes. Un électron tournant autour du centre NV absorbe simultanément la lumière et non, et le système entre dans une superposition quantique de deux directions de spin - haut et bas - comme un sommet qui tourne dans le sens horaire avec une certaine probabilité et dans le sens antihoraire avec une certaine probabilité. Un micro-diamant chargé de ce spin de superposition est exposé à un champ magnétique,ce qui fait bouger la rotation supérieure vers la gauche et la rotation inférieure vers la droite. Le diamant lui-même est divisé en une superposition de deux trajectoires.
Dans une expérience complète, les scientifiques doivent faire tout cela avec deux diamants - rouge et bleu, disons - placés côte à côte dans un vide ultra-froid. Lorsque le piège qui les retient s'éteint, deux micro-diamants, chacun dans une superposition de deux positions, tomberont verticalement dans le vide. Au fur et à mesure que les diamants tomberont, ils ressentiront la gravité de chacun d'eux. Quelle sera la force de leur attraction gravitationnelle?
Si la gravité est une interaction quantique, la réponse est: en fonction de quoi. Chaque composant de la superposition d'un diamant bleu subira une attraction plus ou moins forte vers le diamant rouge, selon que ce dernier se trouve dans la branche de superposition la plus proche ou la plus éloignée. Et la gravité que ressentira chaque composant de la superposition d'un diamant rouge dépend de la même manière de l'état du diamant bleu.
Dans chaque cas, différents degrés d'attraction gravitationnelle affectent les composants évolutifs des superpositions de diamants. Deux diamants deviennent interdépendants parce que leurs états ne peuvent être déterminés qu'en combinaison - si cela signifie que - donc, en fin de compte, les directions des spins des deux systèmes de centres NV seront corrélées.
Après que les microdiamants soient tombés côte à côte pendant trois secondes - assez pour s'emmêler dans la gravité - ils passeront à travers un autre champ magnétique, qui alignera à nouveau les branches de chaque superposition. La dernière étape de l'expérience est le protocole de témoin d'intrication, développé par la physicienne danoise Barbara Teral et d'autres: les diamants bleus et rouges entrent dans différents dispositifs qui mesurent les directions de rotation des systèmes centraux NV. (La mesure conduit à l'effondrement des superpositions dans certains états). Ensuite, les deux résultats sont comparés. En exécutant l'expérience à plusieurs reprises et en comparant plusieurs paires de mesures de spin, les scientifiques peuvent déterminer si les spins de deux systèmes quantiques étaient en réalité corrélés plus souvent que de définir une limite supérieure pour les objets qui ne sont pas enchevêtrés mécaniquement quantiques. Si c'est le cas,la gravité enchevêtrent les diamants et peut maintenir la superposition.
«Ce qui est intéressant à propos de cette expérience, c'est que vous n'avez pas besoin de savoir ce qu'est la théorie quantique», dit Blenkow. "Tout ce qui est nécessaire est d'affirmer qu'il existe un aspect quantique dans ce domaine, qui est médiatisé par la force entre les deux particules."
Il y a beaucoup de difficultés techniques. Le plus gros objet qui a été superposé à deux endroits auparavant est une molécule de 800 atomes. Chaque micro-diamant contient plus de 100 milliards d'atomes de carbone - suffisamment pour créer une force gravitationnelle tangible. Le déballage de sa nature mécanique quantique nécessitera de basses températures, un vide profond et un contrôle précis. «Il y a beaucoup de travail impliqué dans la mise en place de la superposition et du déclenchement initiaux», explique Peter Barker, membre d'une équipe expérimentale qui améliore les techniques de refroidissement laser et de capture de micro-diamants. Si cela pouvait être fait avec un diamant, ajoute Bose, "le second ne sera pas un problème".
Qu'est-ce qui rend la gravité unique?
Les chercheurs en gravitation quantique n'ont aucun doute sur le fait que la gravité est une interaction quantique qui peut provoquer un enchevêtrement. Bien sûr, la gravité est quelque peu unique et il reste encore beaucoup à apprendre sur les origines de l'espace et du temps, mais la mécanique quantique devrait certainement être impliquée, disent les scientifiques. "Eh bien, vraiment, quel est l'intérêt d'une théorie dans laquelle une grande partie de la physique est quantique et la gravité est classique", déclare Daniel Harlow, chercheur en gravitation quantique au MIT. Les arguments théoriques contre les modèles mixtes quantiques-classiques sont très solides (bien que non concluants).
D'un autre côté, les théoriciens se sont déjà trompés. «Si vous pouvez vérifier, pourquoi pas? Si cela fait taire ces personnes qui remettent en question le quantum de la gravité, ce serait formidable », a déclaré Harlow.
Après avoir lu les articles, Dyson a écrit: "L'expérience proposée est sans aucun doute d'un grand intérêt et nécessite d'être réalisée dans les conditions d'un système quantique réel." Cependant, il note que l'orientation de la pensée des auteurs sur les champs quantiques est différente de la sienne. «Il n'est pas clair pour moi si cette expérience pourra résoudre la question de l'existence de la gravité quantique. La question que j'ai posée - si nous observons un graviton séparé - est une autre question, et elle peut avoir une réponse différente."
La ligne de pensée de Bose, Marletto et de leurs collègues sur la gravité quantifiée découle des travaux de Bronstein dès 1935. (Dyson a qualifié le travail de Bronstein de "beau travail" qu'il n'avait jamais vu auparavant). En particulier, Bronstein a montré qu'une faible gravité générée par une faible masse peut être approchée par la loi de gravitation de Newton. (C'est la force qui agit entre les superpositions de microdiamants). Selon Blencoe, les calculs de gravité quantifiée faible n'ont pas été particulièrement réalisés, bien qu'ils soient certainement plus pertinents que la physique des trous noirs ou du Big Bang. Il espère que la nouvelle proposition expérimentale encouragera les théoriciens à rechercher des raffinements subtils de l'approximation newtonienne, que de futures expériences sur table pourraient essayer de tester.
Leonard Susskind, un théoricien renommé de la gravité quantique et des cordes à l'Université de Stanford, a vu la valeur de l'expérience proposée car «elle fournit des observations de la gravité dans une nouvelle gamme de masses et de distances». Mais lui et d'autres chercheurs ont souligné que les microdiamants ne peuvent rien révéler sur une théorie complète de la gravité quantique ou de l'espace-temps. Lui et ses collègues aimeraient comprendre ce qui se passe au centre d'un trou noir et au moment du Big Bang.
Peut-être que l'un des indices expliquant pourquoi la gravité est tellement plus difficile à quantifier que toute autre chose est que d'autres forces de la nature ont une soi-disant «localité»: les particules quantiques dans une région du champ (les photons dans un champ électromagnétique, par exemple) sont «indépendantes de d'autres entités physiques dans une autre région de l'espace », explique Mark van Raamsdonk, théoricien de la gravité quantique à l'Université de la Colombie-Britannique. "Mais il existe de nombreuses preuves théoriques que la gravité ne fonctionne pas de cette façon."
Dans les meilleurs modèles de sable de gravité quantique (avec des géométries spatio-temporelles simplifiées), il est impossible de supposer que le tissu espace-temps de la bande est divisé en pièces tridimensionnelles indépendantes, explique van Raamsdonk. Au lieu de cela, la théorie moderne suggère que les constituants fondamentaux sous-jacents de l'espace sont «plutôt organisés en deux dimensions». Le tissu de l'espace-temps peut être comme un hologramme ou un jeu vidéo. "Bien que l'image soit en trois dimensions, les informations sont stockées sur une puce informatique en deux dimensions." Dans ce cas, le monde tridimensionnel sera une illusion en ce sens que ses différentes parties ne sont pas si indépendantes. Semblable à un jeu vidéo, quelques bits sur une puce bidimensionnelle peuvent encoder les fonctions globales de tout l'univers du jeu.
Et cette différence est importante lorsque vous essayez de créer une théorie quantique de la gravité. L'approche habituelle pour quantifier quelque chose consiste à définir ses parties indépendantes - les particules, par exemple - puis à leur appliquer la mécanique quantique. Mais si vous n'identifiez pas les bons constituants, vous vous retrouvez avec les mauvaises équations. La quantification directe de l'espace tridimensionnel que Bronstein voulait faire fonctionne dans une certaine mesure avec une faible gravité, mais s'avère inutile lorsque l'espace-temps est très courbe.
Certains experts disent qu'être témoin du «sourire» de la gravité quantique peut motiver ce type de raisonnement abstrait. Après tout, même les arguments théoriques les plus forts sur l'existence de la gravité quantique ne sont pas étayés par des preuves expérimentales. Lorsque van Raamsdonk explique ses recherches dans un colloque de scientifiques, dit-il, cela commence généralement par expliquer comment la gravité doit être repensée avec la mécanique quantique, car la description classique de l'espace-temps se décompose au niveau des trous noirs et du Big Bang.
«Mais si vous faites cette expérience simple et montrez que le champ gravitationnel était en superposition, l'échec de la description classique devient évident. Parce qu'il y aura une expérience qui implique que la gravité est quantique."
Basé sur des matériaux de Quanta Magazine
Ilya Khel
