Une nouvelle théorie remet en question les fondements de la physique moderne en suggérant que l’espace-temps est classique et non quantique. Cette théorie prédit des fluctuations spatio-temporelles plus importantes, ayant un impact sur le poids des objets. Les expériences proposées, comme mesurer une masse de 1 kg pour les fluctuations de poids, visent à tester ce concept révolutionnaire, révolutionnant potentiellement notre compréhension de la gravité et de l’espace-temps.
Une théorie radicale qui unifie systématiquement la gravité et la mécanique quantique tout en préservant le concept classique d’espace-temps d’Einstein est annoncée aujourd’hui dans deux articles publiés simultanément par des physiciens de l’UCL (University College London).
La physique moderne repose sur deux piliers : d’une part la théorie quantique, qui régit les plus petites particules de l’univers, et d’autre part la théorie de la relativité générale d’Einstein, qui explique la gravité par la courbure de l’espace-temps. Mais ces deux théories sont en contradiction l’une avec l’autre et une réconciliation reste insaisissable depuis plus d’un siècle.
Remettre en question le statu quo : une nouvelle approche théorique
L’hypothèse dominante est que la théorie de la gravité d’Einstein doit être modifiée, ou « quantifiée », afin de s’adapter à la théorie quantique. C’est l’approche de deux principaux candidats à une théorie quantique de la gravité, la théorie des cordes et la gravité quantique à boucles.
Mais une nouvelle théorie, développée par le professeur Jonathan Oppenheim (UCL Physics & Astronomy) et exposée dans un nouvel article dans Examen physique X (PRX), remet en question ce consensus et adopte une approche alternative en suggérant que l’espace-temps pourrait être classique, c’est-à-dire qu’il n’est pas du tout régi par la théorie quantique.
L’image représente une expérience dans laquelle des particules lourdes (représentées par la lune) provoquent un motif d’interférence (un effet quantique), tout en courbant également l’espace-temps. Les pendules suspendues représentent la mesure de l’espace-temps. L’expérience proprement dite est généralement réalisée en utilisant du carbone 60, l’une des plus grosses molécules connues. Le calcul de l’UCL indique que l’expérience devrait également être réalisée en utilisant des atomes de plus haute densité tels que l’or. Les deux autres images représentent les deux expériences proposées par le groupe UCL, qui contraignent toutes deux toute théorie où l’espace-temps est traité de manière classique. L’une est la pesée d’une masse, l’autre est une expérience d’interférence. Crédit : Isaac Young
Au lieu de modifier l’espace-temps, la théorie – surnommée « théorie postquantique de la gravité classique » – modifie la théorie quantique et prédit une rupture intrinsèque de la prévisibilité médiée par l’espace-temps lui-même. Cela entraîne des fluctuations aléatoires et violentes de l’espace-temps qui sont plus importantes que ce que la théorie quantique envisageait, rendant le poids apparent des objets imprévisible s’il est mesuré avec suffisamment de précision.
Tests expérimentaux et implications théoriques
Un deuxième article, publié simultanément dans Communications naturelles et dirigé par les anciens doctorants du professeur Oppenheim, se penche sur certaines conséquences de la théorie et propose une expérience pour la tester : mesurer une masse très précisément pour voir si son poids semble fluctuer dans le temps.
Par exemple, le Bureau international des poids et mesures en France pèse régulièrement une masse de 1 kg, ce qui était autrefois la norme de 1 kg. Si les fluctuations des mesures de cette masse de 1 kg sont inférieures à celles requises pour la cohérence mathématique, la théorie peut être exclue.
La pesée d’une masse — une expérience proposée par le groupe UCL qui contraint toute théorie où l’espace-temps est traité de manière classique. Crédit : Isaac Young
Le résultat de l’expérience, ou d’autres preuves émergentes qui confirmeraient la nature quantique par rapport à la nature classique de l’espace-temps, fait l’objet d’un pari de 5 000 : 1 entre le professeur Oppenheim, le professeur Carlo Rovelli et le Dr Geoff Penington – principaux partisans de la gravité à boucle quantique. et la théorie des cordes respectivement.
Étude quinquennale du groupe de recherche de l’UCL
Au cours des cinq dernières années, le groupe de recherche de l’UCL a testé la théorie et exploré ses conséquences.
Le professeur Oppenheim a déclaré : « La théorie quantique et la théorie de la relativité générale d’Einstein sont mathématiquement incompatibles l’une avec l’autre, il est donc important de comprendre comment cette contradiction est résolue. L’espace-temps devrait-il être quantifié, ou devrions-nous modifier la théorie quantique, ou s’agit-il de tout autre chose ? Maintenant que nous disposons d’une théorie fondamentale cohérente dans laquelle l’espace-temps n’est pas quantifié, personne ne peut le deviner.
Le co-auteur Zach Weller-Davies, qui en tant qu’étudiant au doctorat à l’UCL a contribué à développer la proposition expérimentale et a apporté des contributions clés à la théorie elle-même, a déclaré : « Cette découverte remet en question notre compréhension de la nature fondamentale de la gravité, mais offre également des pistes pour sonder sa nature quantique potentielle.
« Nous avons montré que si l’espace-temps n’a pas de nature quantique, alors il doit y avoir des fluctuations aléatoires dans la courbure de l’espace-temps qui ont une signature particulière qui peut être vérifiée expérimentalement.
« Tant dans la gravité quantique que 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 plus grandes qu’une certaine échelle, et cette échelle peut être déterminée par une autre expérience où nous testons combien de temps nous pouvons mettre un lourd atome en superposition* d’être dans deux endroits différents.
Contributions et idées des co-auteurs
Les co-auteurs, le Dr Carlo Sparaciari et le Dr Barbara Šoda, dont les calculs analytiques et numériques ont aidé à guider le projet, ont exprimé l’espoir que ces expériences pourraient déterminer si la poursuite d’une théorie quantique de la gravité est la bonne approche.
Le Dr Šoda (anciennement UCL Physics & Astronomy, maintenant à l’Institut Périmètre de physique théorique, Canada) a déclaré : « Parce que la gravité se manifeste par la courbure de l’espace et du temps, nous pouvons réfléchir à la question de savoir si le taux à quel temps s’écoule a une nature quantique, ou une nature classique.
« Et tester cela est presque aussi simple que tester si le poids d’une masse est constant ou semble fluctuer d’une manière particulière. »
Le Dr Sparaciari (UCL Physics & Astronomy) a déclaré : « Bien que le concept expérimental soit simple, la pesée de l’objet doit être effectuée avec une extrême précision.
« Mais ce que je trouve passionnant, c’est qu’en partant d’hypothèses très générales, nous pouvons prouver une relation claire entre deux quantités mesurables : l’ampleur des fluctuations de l’espace-temps et la durée pendant laquelle des objets comme des atomes ou des pommes peuvent être placés en superposition quantique de deux emplacements différents. . Nous pouvons alors déterminer expérimentalement ces deux quantités.
Weller-Davies a ajouté : « Une interaction délicate doit exister si les particules quantiques telles que les atomes sont capables de plier l’espace-temps classique. Il doit y avoir un compromis fondamental entre la nature ondulatoire des atomes et l’ampleur des fluctuations aléatoires dans l’espace-temps.
Implications plus larges et expériences futures
La proposition visant à tester si l’espace-temps est classique en recherchant des fluctuations aléatoires de masse est complémentaire d’une autre proposition expérimentale qui vise à vérifier la nature quantique de l’espace-temps en recherchant ce qu’on appelle « l’intrication médiée par la gravité ».
Le professeur Sougato Bose (UCL Physics & Astronomy), qui n’a pas participé à l’annonce aujourd’hui, mais qui a été parmi ceux qui ont été les premiers à proposer l’expérience d’intrication, a déclaré : « Les expériences visant à tester la nature de l’espace-temps nécessiteront un effort à grande échelle, mais elles sont d’une importance capitale du point de vue de la compréhension des lois fondamentales de la nature. Je crois que ces expériences sont à notre portée – ces choses sont difficiles à prédire, mais peut-être connaîtrons-nous la réponse dans les 20 prochaines années.
La théorie postquantique a des implications au-delà de la gravité. Le fameux et problématique « postulat de mesure » de la théorie quantique n’est pas nécessaire, puisque les superpositions quantiques se localisent nécessairement par leur interaction avec l’espace-temps classique.
La théorie était motivée par la tentative du professeur Oppenheim de résoudre le problème trou noir problème d’information. Selon la théorie quantique standard, un objet entrant dans un trou noir devrait être rayonné d’une manière ou d’une autre, car les informations ne peuvent pas être détruites, mais cela viole la relativité générale, qui dit que vous ne pouvez jamais connaître les objets qui traversent l’horizon des événements du trou noir. La nouvelle théorie permet la destruction de l’information, en raison d’une rupture fondamentale de la prévisibilité.
Informations d’arrière-plan
Mécanique quantique
Toute la matière de l’univers obéit aux lois de la théorie quantique, mais on n’observe réellement le comportement quantique qu’à l’échelle des atomes et des molécules. La théorie quantique nous dit que les particules obéissent au principe d’incertitude de Heisenberg et que nous ne pouvons jamais connaître leur position ou leur vitesse en même temps. En fait, ils n’ont même pas de position ou de vitesse définie jusqu’à ce que nous les mesurions. Les particules comme les électrons peuvent se comporter davantage comme des ondes et agir presque comme si elles pouvaient se trouver à plusieurs endroits à la fois (plus précisément, les physiciens décrivent les particules comme étant dans une « superposition » de différents endroits).
La théorie quantique régit tout, depuis semi-conducteurs qui sont omniprésents dans les puces informatiques, dans les lasers, dans la supraconductivité et dans la désintégration radioactive. En revanche, nous disons qu’un système se comporte de manière classique s’il possède des propriétés sous-jacentes définies. Un chat semble se comporter de manière classique : il est soit mort, soit vivant, pas les deux, ni dans une superposition d’être mort et vivant. Pourquoi les chats se comportent-ils de manière classique et les petites particules de manière quantique ? Nous ne le savons pas, mais la théorie postquantique n’exige pas le postulat de mesure, car la classicité de l’espace-temps infecte les systèmes quantiques et les amène à se localiser.
La gravité
La théorie de la gravité de Newton a cédé la place à la théorie de la relativité générale (GR) d’Einstein, selon laquelle la gravité n’est pas une force au sens habituel du terme. Au lieu de cela, des objets lourds tels que le soleil plient le tissu de l’espace-temps de telle manière que la Terre tourne autour de lui. L’espace-temps n’est qu’un objet mathématique constitué des trois dimensions de l’espace et du temps considéré comme une quatrième dimension. La relativité générale prédisait la formation des trous noirs et le big bang. Il soutient que le temps s’écoule à des rythmes différents en différents points de l’espace, et que le GPS dans votre smartphone doit en tenir compte afin de déterminer correctement votre emplacement.
Contexte historique
Le cadre présenté par Oppenheim dans PRX et dans un article complémentaire avec Sparaciari, Šoda et Weller-Davies dérive de la forme cohérente la plus générale de dynamique dans laquelle un système quantique interagit avec un système classique. Il applique ensuite ce cadre au cas de la relativité générale couplée à la théorie quantique des champs. Il s’appuie sur des travaux antérieurs et sur une communauté de physiciens. Une expérience visant à tester la nature quantique de la gravité via l’intrication gravitationnelle a été proposée par Bose et. Al. et par C. Marletto et V. Vadral. Deux exemples de dynamique quantique classique cohérente ont été découverts dans les années 90 par Ph. Blanchard et A. Jadzyk, ainsi que par Lajos Diosi, et encore par David Poulin vers 2017. Dans une perspective différente, en 2014, un modèle de gravité newtonienne couplé à la dynamique quantique systèmes via une approche « mesure et rétroaction », a été présentée par Diosi et Antoinne Tilloy en 2016, et par D Kafri, J. Taylor et G. Milburn, en 2014. L’idée selon laquelle la gravité pourrait être liée d’une manière ou d’une autre à l’effondrement de la fonction d’onde, remonte à F. Karolyhazy (1966), L. Diosi (1987) et R. Penrose (1996). D’autres chercheurs, notamment M. Hall et M. Reginatto, Diosi et Tilloy, ainsi que David Poulin, ont suggéré que les couplages quantiques classiques pourraient expliquer la localisation de la fonction d’onde. L’idée selon laquelle l’espace-temps pourrait être classique remonte à I. Sato (1950) et C. Moller (1962), mais aucune théorie cohérente n’a été trouvée jusqu’à présent.
« Une théorie postquantique de la gravité classique » par Jonathan Oppenheim, 4 décembre 2023, Examen physique X.
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