Une équipe internationale incluant le professeur Sir Roger Penrose, physicien lauréat du prix Nobel, a observé pour la première fois un effet de la gravité prédit depuis longtemps sur un objet quantique en chute libre. Ce résultat montre qu’un principe fondamental au cœur de la théorie de la gravité d’Einstein reste cohérent avec le comportement de la matière dans le monde quantique. L’étude, menée par l’Université Ben-Gourion du Néguev, l’Université d’Ulm et l’Université d’Oxford, a été publiée aujourd’hui (2 septembre) dans Science Advances.
Depuis plus d’un siècle, les physiciens s’appuient sur deux descriptions de la nature remarquablement efficaces. La mécanique quantique explique le comportement étrange des atomes et des autres objets minuscules. La théorie de la gravité d’Einstein explique comment les objets tombent et comment la gravité façonne l’Univers. Pourtant, les physiciens ne comprennent toujours pas pleinement comment ces deux théories s’articulent.
Désormais, une équipe internationale a réalisé une expérience qui sonde le point où elles se rejoignent. Dans cette étude, les chercheurs ont observé un changement distinctif des propriétés quantiques d’atomes tombant sous l’effet de la gravité. Point crucial : l’effet mesuré est le même que celui prédit lorsque le principe d’équivalence d’Einstein, pierre angulaire de sa théorie de la gravité, est appliqué à un objet quantique.
Le principe d’équivalence énonce que, pour un observateur en chute libre, la gravité doit disparaître localement. Une personne tombant librement dans un ascenseur, par exemple, éprouverait une sensation d’apesanteur. Bien que cette théorie ait survécu à des tests d’une précision extraordinaire impliquant de la matière ordinaire, on ne savait pas comment la vérifier expérimentalement avec des objets quantiques, capables de se comporter comme des ondes et de suivre effectivement plus d’une trajectoire à la fois.
Au cœur de l’expérience se trouve un nouvel appareil que les chercheurs ont baptisé interféromètre quantique de Galilée (Quantum Galileo Interferometer). Il leur a permis de réaliser quelque chose d’inhabituel : scinder efficacement l’onde quantique associée à un atome en deux trajets, maintenir l’un en place tandis que l’autre tombe librement, puis les réunir pour observer comment la gravité a modifié l’onde en chute.
Un principe d’Einstein soumis à un test quantique
L’expérience a été menée à l’Université Ben-Gourion à l’aide de nuages d’atomes de rubidium refroidis juste au-dessus du zéro absolu et manipulés à proximité de la surface d’une puce atomique spécialement conçue.
L’équipe expérimentale, qui comprend le doctorant Or Dobkowski, a d’abord utilisé des impulsions micro-ondes pour placer les atomes ultrafroids en superposition quantique, permettant ainsi à chaque atome de suivre simultanément deux trajets différents. Les chercheurs ont ensuite utilisé de minuscules fils électriques sur la puce pour générer des champs magnétiques contrôlés avec précision. Une partie de l’onde atomique a répondu à ce champ magnétique, permettant aux chercheurs d’appliquer une force ascendante qui contrebalançait exactement l’attraction descendante de la gravité. En pratique, cette partie est restée stationnaire par rapport au laboratoire et à la Terre.
L’autre partie a été propulsée vers le haut par une impulsion magnétique contrôlée avec précision, puis basculée dans un état presque insensible au champ magnétique, de sorte qu’elle pouvait tomber librement sous l’effet de la gravité – suivant une trajectoire balistique, semblable à celle d’une balle lancée en l’air.
À la fin de la chute, les chercheurs ont utilisé une autre impulsion magnétique contrôlée avec précision pour réunir à nouveau les deux parties. Lorsque les deux ondes ont été réunies, elles ont interféré entre elles. Cette interférence a permis aux chercheurs de mesurer la minuscule différence de phase quantique accumulée pendant que l’une tombait et que l’autre restait immobile.
La phase mesurée dans cette nouvelle expérience est identique à celle prédite lorsque le principe d’Einstein est appliqué à une telle onde quantique. Ce résultat établit donc un lien expérimental entre la physique quantique et la théorie de la gravité d’Einstein.
Bien que des expériences antérieures aient utilisé des particules quantiques pour mesurer la gravité, les chercheurs affirment qu’il s’agit de la première mesure directe de la phase quantique prédite d’un objet en chute libre.
Le premier auteur, le professeur Ron Folman (Université Ben-Gourion du Néguev), a déclaré : « Il s’agit d’un article unique, en ce sens qu’il combine une expérience éprouvante à une interprétation théorique aux vastes implications, autour de l’une des questions les plus fondamentales de la physique : comment la gravité (décrite par la théorie de la relativité d’Einstein) et la théorie quantique peuvent-elles être unifiées en une seule compréhension de l’univers ? Ces deux piliers de la physique moderne ont jusqu’ici résisté à toutes les tentatives d’élaboration d’un cadre théorique unifié, mais cette expérience complexe apporte de nouveaux indices sur la manière dont une telle unification pourrait être réalisée. »
Le coauteur de l’étude, le professeur Vlatko Vedral (département de physique, Université d’Oxford), a ajouté : « Nous ne disposons d’aucune théorie cohérente expliquant pourquoi la physique quantique devrait faillir. Cette expérience pousse la mécanique quantique vers l’une de ses frontières les plus fascinantes, la gravité, et montre qu’une fois encore, ses prédictions se vérifient. »
Ce résultat n’unifie pas la mécanique quantique et la gravité, et ne montre pas non plus que la gravité elle-même soit quantique. Il démontre plutôt que le principe d’équivalence d’Einstein reste cohérent avec la mécanique quantique dans le régime testé.
Par ailleurs, l’étude ne réfute pas l’argument avancé par le coauteur de l’étude, le professeur Sir Roger Penrose (Université d’Oxford), selon lequel la mécanique quantique pourrait s’effondrer pour des objets suffisamment massifs maintenus en superposition quantique pendant des durées suffisamment longues. Bien que l’expérience actuelle n’ait pas atteint les masses ni les échelles de temps nécessaires pour tester cette idée, l’équipe de recherche espère que cette technique constituera un pas vers des expériences impliquant des objets bien plus lourds, notamment des nanodiamants, qui pourraient explorer cette possibilité. Une telle expérience est actuellement en cours au sein du même groupe à l’Université Ben-Gourion du Néguev.
Cette étude internationale a réuni des chercheurs de l’Université Ben-Gourion du Néguev, de l’Université d’Oxford, de l’Université de Southampton, du Centre allemand pour l’aéronautique et l’aérospatiale (DLR), Institut des technologies quantiques, Ulm, de l’Université d’Ulm et de l’Université Texas A&M.
Article : Observation of the quantum phase of free fall and the consistency with the equivalence principle – Journal : Science Advances – DOI : Lien vers l’étude
Source : Oxford U
