Une nouvelle compréhension de la façon dont un observateur peut changer le trouble ou l'entropie d'un objet quantique pourrait nous aider à sonder comment la gravité interagit avec le domaine quantique
Dans un espace-temps incurvé comme celui dans lequel nous sommes, l'entropie d'un objet quantique dépend de la façon dont vous voyagez lorsque vous le mesurez
Nos deux meilleures théories de la physique de l'univers – mécanique quantique et relativité générale – ne sont souvent pas d'accord. Les physiciens essaient de les unir depuis plus d'un siècle, et maintenant, les chercheurs ont trouvé un endroit où ils ne semblent pas s'affronter. L'entraînement de cet exemple peut ouvrir les portes pour construire une théorie plus générale à l'échelle de l'univers.
Tout a commencé par une intuition que Lucas Céleri à l'Université fédérale de Goiás au Brésil avait sur la façon dont un objet quantique accumule le trouble, ou comment son entropie change. Il a deviné que l'observateur mesurant l'entropie d'un objet et comment ils se déplacent dans l'espace et le temps devraient être importants.
Cela est déjà vrai dans la physique quantique et la théorie générale de la relativité, qui est la théorie de la gravité d'Einstein. Pour les objets quantiques, il est impossible de décrire leur état avec une certitude absolue jusqu'à ce qu'un observateur interagit avec eux. Dans la relativité générale, différents observateurs voient des moments différents sur leurs horloges respectives, selon l'endroit dans l'espace-temps, car l'espace-temps est incurvé et cela affecte le temps. Céleri et ses collègues ont maintenant ajouté l'entropie dans le mélange et ont constaté qu'il peut également être dépendant de l'observateur.
Les chercheurs ont examiné mathématiquement un oscillateur quantique – la version quantique d'un pendule ou d'un printemps – voyageant dans l'espace-temps quatre dimensions et interagissant avec un observateur qui fait de même. Les chemins de l'observateur et l'oscillateur quantique, appelées leurs lignes mondiales, étaient différents: ils se déplaçaient à travers différentes parties de l'espace-temps incurvé.
Si l'observateur a mesuré l'entropie de l'oscillateur deux fois et a ensuite calculé le changement entre ces deux nombres, le résultat était lié à la mesure où la ligne mondiale de l'expérimentateur différait de celle de l'oscillateur. L'ajout d'un autre observateur qui s'est déplacé dans l'espace-temps différemment au premier produirait un nouveau nombre pour le changement d'entropie, car le deuxième observateur aurait également une ligne mondiale distincte.
«Supposons que nous soyons dans votre bureau avec le système et que nous faisons tous les deux des mesures (d'entropie), puis vous restez là, mais je prends un avion et je vole à travers le monde, puis je reviens à votre bureau. Ensuite, nous faisons à nouveau des mesures. Nous verrons des choses différentes parce que ma ligne mondiale sera différente de la vôtre », explique Céleri.
Gerard Milburn à l'Université du Queensland en Australie dit que ce résultat combine la relativité générale et l'expression de la deuxième loi de la thermodynamique – qui dit que l'entropie devrait toujours augmenter – d'une manière nouvelle et intéressante.
L'idée n'est pas aussi surprenante que cela puisse paraître, mais ajoute à notre compréhension de toutes les façons dont l'entropie d'un objet peut changer, explique Erickson Tjoa au Max Planck Institute of Quantum Optics en Allemagne. C'est également un exemple de théorie quantique et de relativité générale qui ne s'affronte pas – même si les deux théories sont incompatibles à des points plus extrêmes dans l'espace-temps, comme les trous noirs, dit-il.
Le nouveau résultat fait également partie d'une image plus grande de la façon dont les objets quantiques existent dans l'espace-temps incurvé, explique Ivette Fuentes Guridi à l'Université de Southampton au Royaume-Uni. De telles questions sont incroyablement intéressantes, mais ils peuvent avoir des réponses plus rigoureuses et de grande envergure lorsqu'ils sont appliqués aux champs quantiques, au lieu d'un oscillateur, dit-elle. En effet, les champs s'étendent partout dans l'espace, donc toute déclaration sur la façon dont ils changent en raison de la courbure de l'espace-temps ajouteraient à notre compréhension à l'échelle de l'univers du moment où la gravité et la physique quantique peuvent – ou ne peuvent pas – être unies. Les chercheurs travaillent déjà à étendre leurs arguments dans cette direction, mais un tel travail est probablement beaucoup plus difficile mathématiquement.
Djordje Minic à Virginia Tech dit que le nouveau travail pourrait conduire à de grandes implications, surtout si elle conduit à de nouveaux tests expérimentaux en béton de physique quantique. La dépendance de l'observateur à sonder empirique des propriétés d'un objet quantique pourrait être un moyen de trouver une nouvelle théorie capable de décrire tous les objets dans l'espace-temps incurvé. Et cela pourrait être la «pointe de l'iceberg» d'une autre théorie encore plus fondamentale que la théorie quantique, dit-il.
