Aujourd’hui deux grands cadres théoriques inspirent les études du cosmos. L’un est du à Einstein, sous le nom de théorie de la gravitation, l’autre relève de la physique quantique qui décrit le comportement des objets physiques au niveau le plus petit dit nanoscopique. Elle intéresse notamment les atomes, les électrons et les photons.
Ces théories s’ignorent ou pire, dans certains cas, elles semblent se contredire. C’est pourquoi les théoriciens sont à la recherche d’une synthèse qui s’appellerait la gravitation quantique ou quantum gravity. Les travaux en ce sens ont récemment progressé, mais sont loin d’avait encore abouti. C’est ce que montre un article du 28 octobre 2023 intitulé In Search of Quantum Gravity de Lyndia Chiou dont nous ferons-ci dessous une adaptation rapide.
L’article vient d’être publié en anglais par le NewScientist sous le titre de
In search of quantum gravity 28 october 2023 p.30
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Pour Einstein, la fabrication de l’espace-temps n’existe pas en propre. L’espace-temps découle des relations entre la masse et l’énergie, donnant naissance à la gravité. De plus les équations d’Einstein étant continues, la fabrication de l’espace-temps doit être homogène .
Aujourd’hui, la majorité des physiciens considère que l’espace-temps doit obéir aux lois de la physique quantique qui gouvernent les particules et les champs. Ceci veut dire que si on l’analysait suffisamment dans le détail, on verrait qu’il est constitué non pas de rien, mais de quelque chose d’autre, de petits éléments homogènes analogues aux briques en architecture.
Malheureusement il n’existe pas aujourd’hui assez de preuves montrant que l’espace-temps est « quantisé » ;. Les éléments que l’on imaginerait être les pixels de l’espace temps, ou ses représentations les plus élémentaires, devraient être si petits que leur observation directe serait impossible.
Ne peut-on dans ce cas faire appel à des observations indirectes ?
Aujourd’hui les physiciens ont imaginé diverses expériences pouvant faire apparaître une bfois pour toutes de quoi est fait l’espace-temps, si du moins il est fait de quelque chose. Le physicien Giovanni Amelino-Camelia de l’Université de Naples vient de publier en juin 2023 un article (non disponible à ce jour) détaillant les mesures de particules fondamentales dites neutrinos qui ont une masse mais interagissent difficilement avec la matière. Dans l’espace-temps classique, ils devraient voyager à des vitesses proches de celle de la lumière. Mais certaines théories relatives à l’espace-temps quantique leur attribue une pesanteur suffisante pour les ralentir en fonction de leur énergie.
Observant des neutrinos dans l’observatoire antarctique dit IceCub Neutrino Observatory, Amelino-Camélia et son équipe constatèrent de tels ralentissements. Ils y virent là l’évidence d’un espace-temps quantifié constitué d’une jungle de fluctuations que l’on ne distingue plus en l’observant à trop grande distance.
Ces fluctuations, dites écume quantique seraient le résultat de particules quantiques dites gravitons émergeant en permanence puis disparaissant après s’être heurtées. La physicienne américaine Kathryn Zurek s’est spécialisée dans l’étude des gravitons. Elle estime que nous pourrions les observer si nous vivions dans un univers holographique. Le principe holographique affirme que même si tout ce que nous percevons dans l’univers est en 3 dimensions (3D) , il pourrait être considéré comme émergeant d’un univers en 2D, plat comme une feuille de papier. Dans ce cas les fluctuations quantiques pourraient être agrandies jusqu’à être observables .
Sur cette base, elle a proposé une expérience dans laquelle un interféromètre pourrait faire apparaître des « gravitons » (voir https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269321006031).
Ceux- ci pourraient être considérés comme des « pixels de l’espace temps » se déplaçant en nuage de façon fluctuante mais cohérente. Elle a nommé ce nuage géant un pixellon et considère qu’il pourrait modifier la trajectoire de la lumière autour de lui de façon à être visible dans l’interféromètre.
Elle admet qu’une telle expérience ne sera pas pour demain. Elle collabore donc avec les spécialistes de l’interférométrie pour définir un appareil plus sensible que l’actuel observatoire LIGO .
Pour Zahid Mehdi, de l’université de Canberra (Australie), il ne faut plus considérer que les photons sont sans masse, si bien que la gravité ne les affecte pas . Au contraire Einstein a montré que l’énergie et la masse sont équivalentes, si bien que des photons très énergétiques peuvent produise un léger champ gravitationnel. Celui-ci pourrait être suffisant pour modifier l’espace-temps d’une façon mesurable.
En juin 2023, Mehdi et ses collaborateurs ont prévu qu’en dotant des photons d’une très haute énergie, ils interagiraient de façon différente sous l’effet d’une force de gravité classique ou d’une « gravité quantifiée ».
Ils ont proposé une expérience dans laquelle un rayon de lumière serait coupé en deux dans le sens longitudinal avant que les deux moitiés soient rapprochées afin que le rayon puisse redevenir normal. Dans ce cas, leurs schémas d’interférence seraient différents selon qu’ils seraient soumis à une gravité classique ou une gravité quantifiée. Une telle expérience nécessiterait de puissants lasers et des miroirs réfléchissants spéciaux. Elle n’est donc pas pour demain.
Des masses intriquées
Par ailleurs, si la gravité était une force quantique, elle devrait se comporter de façon quantique. Une façon de le tester serait de vérifier si deux objets pourvus de masse peuvent être l’objet d’intrications quantiques (entanglement) L’intrication quantique, ou enchevêtrement quantique, est un phénomène dans lequel deux particules forment un système lié et présentent des états quantiques dépendant l’un de l’autre quelle que soit la distance qui les sépare.
Une telle expérience a été longtemps impossible, parce que l’observation détruit l’état quantique d’un objet. Mais en 2017, Sougato Bose de l’University College London a proposé une expérience de laboratoire qui pourrait être intéressante. Pour cela, il faudrait mettre une petite masse d’un diamètre de quelques millièmes de millimètre en état de superposition quantique. Ceci signifie qu’elle serait dotée d’un certain nombre d’états quantiques superposés, jusqu’à ce qu’elle soit observée et « collapse » dans un état non quantique unique . Ensuite une seconde masse, se trouvant dans un état équivalent, sera rapprochée de la première.
Si la gravité était quantique, on pourrait espérer voir les gravitons se matérialiser temporairement pour intriquer les deux masses. Dans ce cas la gravité serait quantique par nature. C’est ainsi que l’on pourrat vérifier la nature quantique de la gravité. Si ce n’avais pas été le cas, les deux masses ne se seraient pas superposées gravitationnellement et aucun graviton ne serait apparu pour les intriquer.
La gravité post quantique
Si la question leur était posée, la plupart des physiciens parieraient en faveur de la thèse selon laquelle la force de gravité serait quantique. Les trois autres forces de la nature l’étant, pourquoi pas elle ? Cependant le physicien britannique Johnathan Oppeihem n’est pas convaincu. En un siècle d’efforts, dit-il, nous n’avons pas été capable de quantiser la gravité.
Il explore une voie différente selon laquelle la gravité serait « presque quantique » ? Il la nomme « post-quantum classical gravity ». Il estime que l’espace-temps et la gravité peuvent être classiques tout en restant compatibles avec tout le reste qui est quantique. Pour cela l’interaction entre les particules quantiques et la force de gravité classique ne doit pas donner de résultats prévisibles .
S’il apparaît que dans certains cas la gravité semble quantique, cela peur être du à l’incertitude des observations relatives à la position des particules dans le champ gravitationnel.
Oppenheim a proposé deux expériences différentes permettant de préciser les concepts de gravité post-quantique. Il est trop tôt pour en discuter ici
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