Un nouvel essai de la nature quantique de la gravité

Nos modèles physiques décrivent bien le monde - trop bien en fait. Car une chose est sûre : les théories actuelles ne sont pas correctes. Pour obtenir une formule mondiale décrivant à la fois les phénomènes de l'infiniment petit et de l'infiniment grand, il faudrait unifier les quatre forces fondamentales connues. Jusqu'à présent, cela a été possible pour trois d'entre elles : la force électromagnétique, la force nucléaire faible et la force nucléaire forte ont obtenu, grâce aux théories quantiques des champs, un cadre unifié qui décrit parfaitement le monde subatomique. Mais la gravité a jusqu'à présent échappé à ce formalisme. L'une des questions les plus pressantes de la physique fondamentale est donc de savoir si la gravitation, comme les autres forces fondamentales, possède un noyau de physique quantique - ou si elle est fondamentalement différente de toutes les autres forces.

Depuis plusieurs années, des physiciens peaufinent des expériences pour répondre à cette question. L'idée la plus courante pour une telle expérience consiste à relier deux objets massifs par un effet de mécanique quantique : créer ce que l'on appelle une "intrication" entre les masses. Mais cela s'avère être une tâche colossale. De tels états corrélés sont très sensibles ; de plus, la gravité est la plus faible des quatre forces fondamentales, ce qui nécessite une grande précision pour une telle expérience. Jusqu'à présent, la mise en œuvre semblait hors de portée. Aujourd'hui, une équipe dirigée par le physicien Ludovico Lami de l'Université d'Amsterdam a présenté une idée d'essai qui pourrait tester la nature quantique de la gravité d'une façon totalement nouvelle.

Comme l'expliquent les chercheurs dans leur article publié en mai 2024 dans la revue "Physical Review X", une telle expérience ne nécessiterait pas d'intrication entre deux masses. Au lieu de cela, ils décrivent un montage avec deux objets en forme d'haltères pesant moins d'un gramme. Les deux haltères sont suspendus parallèlement l'un à l'autre, de sorte qu'ils puissent chacun osciller librement. La distance entre eux est telle qu'ils ressentent leur attraction gravitationnelle mutuelle, mais que la force de Casimir ne s'exerce pas. Un blindage entre les deux objets doit en outre empêcher que des forces électromagnétiques ou autres n'influencent l'expérience.

Un pendule avec deux haltères

L'équipe de Lami a étudié la manière dont les objets en forme d'haltères oscillent si la gravité possède réellement une nature quantique. Les chercheurs ont découvert que le mouvement des haltères pouvait être arrêté par une force minimale. Il suffirait donc d'observer les oscillations des masses minuscules : Si les objets s'immobilisent après l'application de la force, la gravitation a un noyau quantique. Cependant, une telle mesure est extrêmement difficile à mettre en œuvre : Les moindres secousses de l'environnement fausseraient l'expérience.

C'est pourquoi les chercheurs proposent de répéter l'expérience extrêmement souvent et de détecter même les plus petits déplacements grâce à des lasers dirigés vers les objets en forme d'haltère. Si la fréquence à laquelle on trouve les objets immobiles à la fin de la procédure dépasse un certain seuil, on peut supposer que la gravité est quantifiée, écrivent les spécialistes. Pour calculer ce seuil, ils ont dû "introduire et affiner des techniques mathématiques complexes de la théorie de l'information quantique", a déclaré Lami à l'American Physical Society.

L'expérience décrite n'est pour l'instant qu'une construction théorique. Bien que les technologies nécessaires soient déjà disponibles, des problèmes pratiques inattendus pourraient survenir lors de la mise en œuvre de l'expérience. C'est dans un laboratoire, et non sur une feuille de papier, que se décidera finalement le dispositif expérimental qui permettra de découvrir la véritable nature de la gravité.

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