Une équipe de physiciens a révélé une nouvelle façon surprenante d'explorer l'un des plus grands défis de la science: unir les deux théories fondamentales qui expliquent le fonctionnement de notre univers – la théorie de la gravité et de la mécanique quantique d'Einstein.
Malgré des décennies d'efforts, personne n'a pleinement expliqué comment la gravité – qui régit des objets massifs comme les planètes et les étoiles – ajustement avec la mécanique quantique, qui décrit le comportement des plus petites particules de l'univers. Mais maintenant, les scientifiques croient que la lumière peut tenir la clé.
Warner A. Miller, Ph.D., co-auteur et professeur au Département de physique de la Florida Atlantic University E. Schmidt College of Science en collaboration avec des scientifiques de l'Université de Séoul et de l'Université nationale de Séoul, en Corée du Sud, a constaté que la polarisation de Light – la direction qu'il vibre dans l'espace. Normalement, cette polarisation se déplace légèrement en raison de la déformation de l'espace par gravité, un effet bien connu.
Mais l'équipe a découvert quelque chose de plus profond: en choisissant soigneusement la façon dont la lumière est mesurée, elle pourrait déclencher un effet étrange appelé non-réciprocité. Les résultats de leur étude ont été publiés dans Rapports scientifiques.
« La non-réciprocité signifie que la lumière se comporte différemment lorsqu'elle avance par rapport au moment où elle recule », a déclaré Miller. « En d'autres termes, il n'annule pas sa torsion, même s'il retrace son chemin. Cela remet en question la croyance conventionnelle que la lumière revient toujours à son état d'origine après avoir parcouru une boucle fermée, surtout si son chemin n'est influencé que par la gravité. »
La clé de cette découverte réside dans l'axe de quantification -, essentiellement, l'angle auquel un polariseur mesure la lumière. En ajustant cet axe, les chercheurs pourraient améliorer considérablement l'effet. En fait, le décalage de l'angle de polarisation de la lumière – connu sous le nom de l'angle de rotation de Wigner (WRA) – peut devenir jusqu'à 10 fois plus grand que ce que la gravité seule provoquerait, même dans des environnements extrêmes comme près d'un trou noir.
« Nous avons trouvé un moyen d'amplifier les effets minuscules que la gravité a sur la polarisation de Light en réglant intelligemment le système », a déclaré Miller. « Cela nous donne un nouvel outil puissant pour sonder comment la gravité et la mécanique quantique pourraient être connectées. »
Pour tester leurs prédictions, l'équipe propose de construire un interféromètre astronomique – un instrument très sensible composé de satellites travaillant dans l'espace. Ces satellites seraient équipés de polariseurs spécialement orientés conçus pour détecter les décalages de polarisation amplifiés.
Ils suggèrent également deux conceptions spécifiques. On combine une configuration hong-u – mandel avec un interféromètre Mach – Zehnder, connu pour sa précision et sa capacité à filtrer le bruit. La deuxième configuration utilise une source lumineuse hautement contrôlée pour comparer les prédictions quantiques avec les attentes classiques.
Ces expériences pourraient vérifier si ce nouveau comportement non cerveux révèle vraiment comment les propriétés quantiques de la lumière – telles que le spin et la polarisation – interagissent avec des champs gravitationnels classiques. Surtout, cet effet pourrait résulter de tout type de rotation de polarisation, pas seulement ceux causés par la gravité, ouvrant la porte aux tests de la nouvelle physique, y compris les violations possibles du principe de l'équivalence d'Einstein ou des indices sur la gravité quantique.
« C'est plus qu'une nouvelle expérience – c'est une nouvelle façon de poser les questions les plus profondes en physique », a déclaré Miller.
Bien que ces expériences soient conçues pour l'espace, les scientifiques croient également que certains effets pourraient être testés dans un laboratoire, utilisant des miroirs et des polariseurs pour simuler les conditions nécessaires. S'il est prouvé, ces changements non réciproques dans la polarisation de la lumière pourraient devenir un outil puissant pour explorer l'univers, aidant les scientifiques à sonder le tissu de l'espace, la nature de la lumière et le lien encore mystérieux entre la gravité et la mécanique quantique.
