Des chercheurs de la Ben-Gurion University of the Negev, de l'Université d'Ulm en Allemagne et de l'University of Oxford ont observé directement un effet gravitationnel prédit depuis longtemps sur un objet quantique en chute libre. L'expérience ne résout pas le conflit séculaire entre la mécanique quantique et la gravité, mais elle constitue un pont expérimental remarquable entre les deux théories.

La physique moderne repose sur deux fondements extraordinairement performants. La théorie de la relativité générale d'Einstein décrit la gravité, les planètes, les étoiles, les trous noirs et l'évolution de l'Univers. La mécanique quantique explique les atomes, les électrons et le monde microscopique.

Les deux théories fonctionnent avec une précision extraordinaire. Le problème est que les physiciens ne possèdent toujours pas de théorie totalement cohérente décrivant des situations où la gravité et le comportement quantique doivent opérer simultanément.

C'est précisément cette frontière que la nouvelle expérience tente d'explorer.

L'objet tombant de Galilée — mais en version quantique

Au centre de l'expérience se trouve un appareil que les chercheurs appellent l'Interféromètre Quantique de Galilée (Quantum Galileo Interferometer), une référence aux célèbres recherches de Galilée sur les objets en chute libre.

Cependant, au lieu de lâcher des boulets de canon du haut d'une tour, l'équipe a utilisé des nuages d'atomes de rubidium refroidis à des températures situées juste au-dessus du zéro absolu.

À de telles températures, les atomes peuvent manifester leur nature quantique de manière extrêmement claire. En utilisant des impulsions micro-ondes, les chercheurs ont placé les atomes dans un état dit de superposition quantique — permettant ainsi à l'onde quantique associée à un atome de suivre deux chemins différents simultanément.

Une partie de l'onde atomique a été maintenue immobile à l'aide de champs magnétiques soigneusement contrôlés. L'autre a été poussée vers le haut puis relâchée, lui permettant de tomber librement sous l'effet de la gravité terrestre, à l'instar d'une balle lancée en l'air.

Les deux parties ont ensuite été réunies.

Parce que les ondes quantiques interfèrent les unes avec les autres, les chercheurs ont pu détecter une infime différence dans leur phase quantique causée par la période de chute libre. Ce changement mesuré concorde avec la prédiction obtenue en appliquant le principe d'équivalence d'Einstein au système quantique. (

Il s'agit, selon les chercheurs, de la première mesure directe de cette phase quantique prédite produite par la chute libre.

Einstein entre dans le monde quantique

Le principe d'équivalence d'Einstein est au cœur de la relativité générale.

Dans sa forme la plus simple, il stipule que toute personne tombant librement sous l'effet de la gravité devrait localement faire l'expérience de l'apesanteur. Imaginez que vous vous trouviez dans un ascenseur dont le câble disparaîtrait soudainement : vous et l'ascenseur accéléreriez ensemble vers le bas, vous donnant temporairement l'impression que la gravité s'est évanouie.

Ce principe a été testé avec une précision extraordinaire en utilisant de la matière ordinaire.

Les objets quantiques sont différents. Une particule quantique peut se comporter comme une onde, exister en superposition et emprunter effectivement plus d'un chemin à la fois. La question devient alors beaucoup plus étrange : que signifie la chute libre d'Einstein lorsqu'un objet suit simultanément différentes histoires quantiques ?

La nouvelle expérience indique que, du moins dans les conditions testées, le principe d'Einstein et la mécanique quantique restent compatibles.

Le professeur Ron Folman de la Ben-Gurion University, auteur principal de l'étude, décrit cette importance comme la réunion d'une expérience difficile avec l'une des questions théoriques les plus fondamentales de la physique : comment la gravité et la théorie quantique pourraient éventuellement être intégrées dans une compréhension unique de la nature.

Ce que l'expérience n'a pas prouvé

Le résultat nécessite une nuance importante.

Il ne prouve pas que la gravité elle-même est quantique.

L'équipe n'a pas non plus produit la théorie tant recherchée de la gravité quantique qui pourrait réconcilier la relativité générale avec la mécanique quantique.

Ce qu'elle démontre est plus restreint mais néanmoins crucial : le comportement prédit lorsque le principe d'équivalence d'Einstein est appliqué à une onde quantique a été observé expérimentalement.

Cette distinction est importante car certains des plus grands mystères de la physique se trouvent précisément là où les deux théories entrent en collision.

La relativité générale prédit des phénomènes tels que les trous noirs, où d'énormes concentrations de matière courbent l'espace et le temps. La mécanique quantique domine aux échelles extrêmement petites. Près du centre d'un trou noir — et peut-être durant les premiers instants après le Big Bang — les deux devraient avoir de l'importance simultanément, pourtant nos théories actuelles ne peuvent pas décrire sereinement ce qui se passe.

Penrose et la prochaine expérience

L'un des co-auteurs de l'étude est le mathématicien et physicien d'Oxford Sir Roger Penrose, lauréat du prix Nobel de physique 2020.

Penrose soutient depuis longtemps que des objets suffisamment massifs placés dans des superpositions quantiques pourraient finir par révéler une rupture de la mécanique quantique conventionnelle — potentiellement parce que la gravité elle-même provoque l'effondrement de la superposition.

Les atomes de rubidium de la présente expérience étaient bien trop légers, et leurs états quantiques ont duré trop peu de temps, pour tester cette idée.

Mais ce n'est peut-être qu'un début.

Les chercheurs affirment que leurs méthodes pourraient éventuellement être étendues à des objets beaucoup plus lourds. Des expériences impliquant des nanodiamants sont déjà en cours à la Ben-Gurion University pour explorer précisément cette frontière. (Oxford University)

C'est là que l'histoire devient particulièrement intrigante.

La physique vit depuis plus de 100 ans avec deux descriptions différentes de la réalité : l'espace-temps lisse et courbé d'Einstein et le monde incertain et probabiliste de la mécanique quantique.

L'expérience Quantum Galileo ne les a pas unies.

Mais pour un minuscule atome tombant vers la Terre, Einstein et la physique quantique ont désormais été placés dans la même expérience — et, pour le moment du moins, ils sont d'accord.