Des scientifiques observent la gravité d’Einstein dans le monde quantique pour la première fois
Une équipe internationale comprenant le physicien lauréat du prix Nobel, le professeur Sir Roger Penrose, a directement observé un effet gravitationnel longtemps prédit dans un objet quantique en chute libre. Cette découverte montre qu’un principe central de la théorie de la gravité d’Einstein continue de s’accorder avec le comportement quantique dans les conditions testées. La recherche, dirigée par l’Université Ben-Gurion du Néguev, l’Université d’Ulm et l’Université d’Oxford, a été publiée le 2 septembre dans Science Advances.
La physique moderne repose sur deux cadres remarquablement réussis. La mécanique quantique décrit le comportement inhabituel des atomes et d’autres objets extrêmement petits, tandis que la théorie de la gravité d’Einstein explique les corps en chute et la structure à grande échelle de l’Univers. Malgré leur succès individuel, les physiciens n’ont toujours pas de théorie complète qui les unisse.
Le nouvel expérience explore une région où ces deux descriptions se chevauchent. Les chercheurs ont mesuré un changement spécifique dans les propriétés quantiques des atomes sous l’influence de la gravité. L’effet observé correspond à la prédiction qui se dégage lorsque le principe d’équivalence d’Einstein, l’un des fondements de sa théorie de la gravité, est étendu à un objet quantique.
Tester le principe d’équivalence d’Einstein
Le principe d’équivalence stipule que la gravité devrait effectivement disparaître localement pour un observateur en chute libre. Par exemple, une personne tombant librement dans un ascenseur éprouverait l’apesanteur. Ce principe a été confirmé avec une précision extraordinaire en utilisant de la matière ordinaire, mais le tester directement avec des objets quantiques a été beaucoup plus difficile en raison de leur comportement ondulatoire.
Pour rendre ce test possible, l’équipe a construit un instrument appelé l’Interféromètre Galileo quantique. Cet appareil a permis aux chercheurs de diviser l’onde quantique associée à un atome en deux chemins distincts. Une partie pouvait rester fixe tandis que l’autre était autorisée à tomber librement. Les deux parties étaient ensuite réunies pour déterminer comment la gravité avait affecté l’onde en chute.
L’expérience a été réalisée à l’Université Ben-Gurion en utilisant des nuages d’atomes de rubidium refroidis à des températures juste au-dessus du zéro absolu. Les atomes ont été manipulés près de la surface d’une puce atomique spécialement conçue.
Une signature quantique mesurable laissée par la gravité
La phase quantique mesurée par les chercheurs correspondait à la phase prédite lorsque le principe d’Einstein est appliqué à ce type d’onde quantique. L’expérience établit donc un lien direct en laboratoire entre la physique quantique et la description de la gravité par Einstein.
Les particules quantiques ont été utilisées dans des expériences antérieures pour mer la gravité, mais les chercheurs affirment qu’il s’agit de la première me directe de la phase quantique prédite produite par un objet en chute libre.
Le professeur Ron Folman, auteur principal de l’étude, a déclaré : « Ce document est unique, car il combine une expérience rigoureuse avec une interprétation théorique profonde, sur l’une des questions fondamentales de la physique : comment unifier la gravité et la théorie quantique dans une compréhension unique de l’univers ? »
Les résultats ne fournissent pas de théorie unifiée de la mécanique quantique et de la gravité, et ne démontrent pas que la gravité elle-même est quantique. Ils montrent plutôt que le principe d’équivalence d’Einstein reste compatible avec la mécanique quantique dans la plage explorée par l’expérience.
L’équipe de recherche internationale comprenait des scientifiques de l’Université Ben-Gurion du Néguev, de l’Université d’Oxford, de l’Université de Southampton, du Centre aérospatial allemand, de l’Institut des technologies quantiques, de l’Université d’Ulm et de l’Université Texas A&M.
Source : Science Advances
