Une nouvelle théorie cherche à unir la gravité et la mécanique quantique
La théorie du tout est le Saint-Graal de la physique, mais la gravité refuse de jouer le jeu. Aujourd’hui, une nouvelle théorie tente d’unifier la théorie de la gravité d’Einstein avec la mécanique quantique et, surtout, propose un moyen de la tester expérimentalement.
Image d’entête* : description en fin d’article, car elle ne serait peut-être pas compréhensible à cette place. (Isaac Young/ University College de Londres)
Au cours du siècle dernier, la physique quantique a parfaitement réussi à décrire le monde microscopique des particules et des atomes. Elle englobe trois des quatre forces fondamentales de l’univers : l’électromagnétisme et les forces nucléaires forte et faible. Mais malgré les efforts déployés par certains des plus brillants esprits de tous les temps, les scientifiques ne parviennent pas à intégrer le quatrième pilier : la gravité.
Jusqu’à présent, le modèle le plus précis décrivant la gravité reste la théorie de la relativité générale d’Einstein. Selon cette théorie, la gravité telle que nous la ressentons et l’observons est une sorte d’effet secondaire du tissu de l’espace-temps et des masses qui s’y appuient. Imaginez un tapis de trampoline sur lequel est posée une boule de bowling : le poids de la boule crée un creux dans le tapis. Dans l’univers, le « tapis » est l’espace-temps et la « boule de bowling » est un objet massif comme une étoile. Si vous placez une plus petite boule sur le tapis, elle roulera le long de la pente vers la plus grosse, de la même manière que nous faisons l’expérience de la gravité. Ou bien, si vous faites rouler une balle de tennis avec suffisamment de vitesse, elle tournera autour de ce creux d’une manière similaire à celle de la Terre en orbite autour du Soleil.
Représentation de la déformation de l’espace-temps par la gravité du Soleil. (NASA)
Cette théorie de la gravité a survécu à pratiquement tous les tests que les scientifiques lui ont fait subir au cours des 100 dernières années. En fait, de nouvelles découvertes ne cessent de confirmer ses prédictions, comme la détection des ondes gravitationnelles en 2015.
Le problème, c’est que cette théorie n’est pas compatible avec les trois autres forces fondamentales. Chacune d’entre elles peut être décrite de manière assez claire à l’aide de la mécanique quantique, les interactions étant médiées par des particules porteuses de forces spécifiques. Par exemple, les photons sont les particules porteuses de la force électromagnétique. À ce titre, les scientifiques ont élaboré des théories sur la « gravité quantique » et recherché son hypothétique particule porteuse, surnommée le « graviton« , mais aucune expérience n’a abouti jusqu’à présent.
L’espace-temps lui-même devrait également être « quantifié », c’est-à-dire décomposé en éléments constitutifs. C’est ce que tente de faire la fameuse théorie des cordes, tout comme la gravitation quantique à boucles, actuellement considérée comme l’une des plus prometteuses. Mais là encore, aucune de ces notions ne semble s’accorder aussi bien que la théorie d’Einstein.
Le professeur Jonathan Oppenheim, de l’University College de Londres (UCL), propose que l’espace-temps soit finalement conforme à la physique classique et que ce soit la théorie quantique qui doive être modifiée. Il parle d’une « théorie postquantique de la gravité classique ».
Oppenheim combine essentiellement des systèmes classiques et quantiques en préservant chacun d’entre eux. Ainsi par exemple, le système classique empêche toujours la transmission de signaux plus rapides que la lumière, tandis que le principe d’incertitude n’est pas violé dans le système quantique. Einstein souhaitait que tout soit déterministe, c’est-à-dire que si l’on disposait de suffisamment d’informations sur un système, on pouvait prendre son état actuel et déterminer n’importe quel état spécifique dans son passé ou son avenir. La théorie hybride d’Oppenheim ne fonctionne pas de la sorte : on peut seulement calculer la probabilité qu’un état spécifique se produise à l’avenir.
La théorie prédit certaines choses intrigantes qui pourraient susciter l’inquiétude de nombreux physiciens. Elle prévoit, par exemple, que les trous noirs peuvent détruire l’information quantique, ce qui est considéré comme impossible selon la théorie quantique et pourrait suffire à certains pour rejeter purement et simplement cette théorie.
Mais surtout, il existe des moyens de tester cette théorie “postquantique” de la gravité classique. Si l’espace-temps est classique, il devrait subir des fluctuations aléatoires, qui pourraient à leur tour modifier la masse des objets dans des proportions infimes au fil du temps. L’une des expériences proposées par l’équipe consiste à mesurer très précisément un objet, comme le prototype international du kilogramme, afin de déterminer si l’espace-temps est classique ou quantique.
Selon Zach Weller-Davies, de l’University College de Londres et coauteur de l’étude :
Dans la gravité quantique comme dans la gravité classique, l’espace-temps doit subir des fluctuations violentes et aléatoires tout autour de nous, mais à une échelle que nous n’avons pas encore pu détecter. Mais si l’espace-temps est classique, les fluctuations doivent être supérieures à une certaine échelle, et cette échelle peut être déterminée par une autre expérience dans laquelle nous testons la durée pendant laquelle nous pouvons placer un atome lourd dans une superposition de deux endroits différents.
*Description de l’image d’entête : représentation artistique illustrant une expérience dans laquelle des particules lourdes (illustrées par la lune) provoquent une figure d’interférence (un effet quantique), tout en courbant l’espace-temps. Les pendules suspendus représentent la mesure de l’espace-temps. L’expérience proprement dite est généralement réalisée avec du carbone 60, l’une des plus grosses molécules connues. Les calculs de l’UCL indiquent que l’expérience devrait également être réalisée avec des atomes de densité plus élevée, tels que l’or. (Isaac Young/ University College de Londres)
Il est probable que cette nouvelle théorie ne sera pas largement acceptée dans l’immédiat, voire jamais, mais elle offre au moins une nouvelle façon de concevoir la gravité et l’espace-temps. Ces expériences pourraient rapidement l’écarter et l’envoyer rejoindre le gigantesque cimetière d’idées scientifiques bizarres qui jonchent l’histoire, ou bien elle pourrait se révéler aussi fondamentale que les théories d’Einstein.
Les deux études publiées dans Physical Review X : A Postquantum Theory of Classical Gravity? et dans Nature Communications : Gravitationally induced decoherence vs space-time diffusion: testing the quantum nature of gravity et présentée sur le site l’University College de Londres : New theory seeks to unite Einstein’s gravity with quantum mechanics et de l’American Physical Society : Might There Be No Quantum Gravity After All?