Des chercheurs de l’University College London (UCL) ont proposé une nouvelle théorie unifiant la gravité et la mécanique quantique, tout en préservant la vision classique de l’espace-temps d’Einstein. Cette théorie, si elle s’avère exacte, pourrait modifier notre compréhension de l’Univers.
La physique moderne repose sur deux principes: la théorie quantique, qui régit les particules y compris les plus petites, et la théorie de la relativité générale d’Einstein, expliquant la gravité par la courbure de l’espace-temps. Malheureusement, ces deux théories se contredisent. Pendant longtemps, on a pensé que pour résoudre ce conflit, il fallait modifier la théorie de la gravité d’Einstein pour l’adapter à la théorie quantique.
Le professeur Jonathan Oppenheim de l’UCL propose une approche différente. Sa théorie, présentée dans Physical Review X, suggère que l’espace-temps pourrait rester classique, c’est-à-dire non influencé par la théorie quantique. Cette « théorie post-quantique de la gravité classique » modifie la théorie quantique elle-même et prédit des fluctuations aléatoires et intenses dans l’espace-temps, rendant imprévisible le poids des objets si mesuré avec une extrême précision.
Cf ci-dessous 1
Un autre article, publié dans Nature Communications, explore les implications de cette théorie et propose une expérience pour la tester. Il s’agit de mesurer avec une grande précision le poids d’une masse pour voir si ce dernier fluctue dans le temps. Si les fluctuations observées sont inférieures à celles prédites, la théorie pourrait être remise en question.
Le professeur Oppenheim et ses collègues ont mis au défi les conceptions actuelles sur la gravité et la mécanique quantique. Leur théorie indique que si l’espace-temps est classique, il doit y avoir des fluctuations aléatoires spécifiques dans sa courbure, détectables expérimentalement.
Les implications de cette théorie vont au-delà de la simple compréhension de la gravité. Elle remet en question le besoin du « postulat de mesure » en théorie quantique, affirmant que les superpositions quantiques se localisent naturellement en interagissant avec l’espace-temps classique.
Cette approche innovante pourrait également apporter des éclaircissements sur le problème de l’information des trous noirs en physique quantique et en relativité générale. Cette théorie, si elle est validée par des expériences futures, pourrait donc redéfinir notre vision de l’Univers et de ses lois fondamentales.
Cf ci-dessous 1 puis 2
1. A Postquantum Theory of Classical Gravity?
- December 2023
- Physical Review X 13(4)
DOI:10.1103/PhysRevX.13.041040
Authors:
Jonathan Oppenheim
Abstract
The effort to discover a quantum theory of gravity is motivated by the need to reconcile the incompatibility between quantum theory and general relativity. Here, we present an alternative approach by constructing a consistent theory of classical gravity coupled to quantum field theory. The dynamics is linear in the density matrix, completely positive, and trace preserving, and reduces to Einstein’s theory of general relativity in the classical limit. Consequently, the dynamics does not suffer from the pathologies of the semiclassical theory based on expectation values. The assumption that general relativity is classical necessarily modifies the dynamical laws of quantum mechanics; the theory must be fundamentally stochastic in both the metric degrees of freedom and in the quantum matter fields. This breakdown in predictability allows it to evade several no-go theorems purporting to forbid classical quantum interactions. The measurement postulate of quantum mechanics is not needed; the interaction of the quantum degrees of freedom with classical space-time necessarily causes decoherence in the quantum system. We first derive the general form of classical quantum dynamics and consider realizations which have as its limit deterministic classical Hamiltonian evolution. The formalism is then applied to quantum field theory interacting with the classical space-time metric. One can view the classical quantum theory as fundamental or as an effective theory useful for computing the backreaction of quantum fields on geometry. We discuss a number of open questions from the perspective of both viewpoints.
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2 Gravitationally induced decoherence vs space-time diffusion: testing the quantum nature of gravity
Nature Communications
volume14, Article number: 7910 (2023)
Abstract
We consider two interacting systems when one is treated classically while the other system remains quantum. Consistent dynamics of this coupling has been shown to exist, and explored in the context of treating space-time classically. Here, we prove that any such hybrid dynamics necessarily results in decoherence of the quantum system, and a breakdown in predictability in the classical phase space. We further prove that a trade-off between the rate of this decoherence and the degree of diffusion induced in the classical system is a general feature of all classical quantum dynamics; long coherence times require strong diffusion in phase-space relative to the strength of the coupling. Applying the trade-off relation to gravity, we find a relationship between the strength of gravitationally-induced decoherence versus diffusion of the metric and its conjugate momenta. This provides an experimental signature of theories in which gravity is fundamentally classical. Bounds on decoherence rates arising from current interferometry experiments, combined with precision measurements of mass, place significant restrictions on theories where Einstein’s classical theory of gravity interacts with quantum matter. We find that part of the parameter space of such theories are already squeezed out, and provide figures of merit which can be used in future mass measurements and interference experiments.
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