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Introduction
L’univers que nous contemplons chaque jour est un endroit vaste et mystérieux. Au cœur de cette complexité se trouve une notion fondamentale qui a fasciné les esprits curieux depuis des siècles : l’espace-temps. Albert Einstein a révolutionné notre compréhension de l’univers en intégrant l’espace-temps dans sa théorie de la relativité générale. Cependant, une question persiste : l’espace-temps est-il classique ou quantique par nature ? Dans cet article, nous allons explorer cette question intrigante et découvrir six façons innovantes de percer le mystère de la nature de l’espace-temps.
L’espace-temps : Un tissu cosmique
Lorsque nous évoquons l’espace-temps, il est souvent comparé à un tissu cosmique, une toile invisible qui enveloppe l’univers. Cependant, comme le souligne Jonathan Oppenheim, physicien à l’University College London, le terme “tissu de l’espace-temps” est un concept de science-fiction et son interprétation suscite des débats.
La Théorie Classique d’Einstein
Dans la physique classique, telle que décrite par la relativité générale d’Albert Einstein, l’espace-temps n’existe pas en tant qu’entité indépendante. Il est étroitement lié à la masse et à l’énergie, donnant naissance à la gravité. Dans cette vision classique, les équations d’Einstein sont continues, ce qui signifie que, en théorie, l’espace-temps doit être lisse et sans structure.
Cependant, la physique contemporaine penche vers une approche quantique de l’espace-temps. Selon cette perspective, l’espace-temps pourrait être constitué de “paquets discrets” ou quantifiés. Cela impliquerait que, bien que l’espace-temps apparaisse comme un fond lisse sur lequel tout dans l’univers se déroule, il pourrait en réalité être composé de particules fondamentales, tout comme la matière elle-même.
Les Preuves Indirectes
La principale difficulté réside dans le fait qu’il est extrêmement difficile d’obtenir des preuves directes de la quantification de l’espace-temps. Les “pixels” de l’espace-temps, s’ils existent, seraient si infiniment petits que leur observation directe serait impossible. Nous devons donc nous tourner vers des preuves indirectes.
Les Neutrinos Lents
Une première piste a été ouverte par Giovanni Amelino-Camelia et ses collègues, qui ont publié des résultats préliminaires suggérant la quantification de l’espace-temps en étudiant les neutrinos. Les neutrinos sont des particules fondamentales avec une masse extrêmement faible, et ils voyagent généralement à des vitesses proches de celle de la lumière dans un espace-temps classique.
Cependant, certaines théories quantiques de l’espace-temps prédisent un effet minuscule de freinage sur les neutrinos, dépendant de leur énergie. Pour détecter cet effet subtil, les chercheurs ont examiné les neutrinos détectés par l’Observatoire de Neutrinos IceCube en Antarctique. En analysant les directions de ces particules, ils ont découvert des différences subtiles dans leurs temps de trajet, suggérant que l’espace-temps pourrait être quantifié.
L’Écume Quantique
Une autre avenue fascinante est explorée par Kathryn Zurek, physicienne au California Institute of Technology. Elle s’intéresse aux fluctuations hypothétiques de l’espace-temps, résultant de l’apparition et de la disparition de particules gravitationnelles appelées gravitons. Ces fluctuations sont désignées sous le nom d’écume quantique, et Zurek se demande si elles pourraient être observables dans certaines conditions.
Selon la théorie holographique, qui suggère que notre univers peut émerger d’une surface bidimensionnelle, les fluctuations de l’écume quantique pourraient être amplifiées, devenant potentiellement détectables. Zurek propose une expérience utilisant un interféromètre, un dispositif utilisant la lumière laser divisée en deux trajets, puis réunie pour révéler des motifs d’interférence. Dans cette configuration, la lumière pourrait influencer les gravitons, les poussant à se comporter comme un nuage fluctuant et cohérent.
Peser les Protons
Nous ne pensons généralement pas que les photons, des particules de lumière sans masse, sont affectés par la gravité. Cependant, Zain Mehdi de l’Université nationale australienne à Canberra nous invite à reconsidérer cette idée. En vertu de la célèbre équivalence entre l’énergie et la masse établie par Einstein, les photons énergétiques émettent également un champ gravitationnel faible. À des niveaux d’énergie suffisamment élevés, cela pourrait courber l’espace-temps de manière mesurable.
En juin, Mehdi et ses collaborateurs ont prédit que, en augmentant considérablement l’énergie des photons, on pourrait observer des interactions différentes avec la gravité quantique par rapport à la gravité classique. Ils ont imaginé des expériences où un faisceau de lumière serait divisé en deux parties et autorisé à interagir avec lui-même. Lorsque les deux faisceaux sont réunis, leurs motifs d’interférence révéleraient des signatures distinctes de la gravité quantique ou classique.
Les Masses Enchevêtrées
Si la gravité est une force quantique, elle devrait se comporter de manière quantique. Une façon de tester cette idée est d’explorer l’entrelacement des objets massifs, un phénomène quantique dans lequel les propriétés de particules sont corrélées, même si elles sont séparées par de vastes distances.
Pendant longtemps, il semblait impossible de réaliser un tel test en raison de l’effondrement inévitable de l’état quantique lors de la mesure. Cependant, en 2017, Sougato Bose et ses collègues de l’University College London ont proposé une expérience de laboratoire qui pourrait résoudre ce dilemme.
L’idée est de placer une masse relativement grande dans un état de superposition quantique, où elle existe dans plusieurs états simultanément jusqu’à ce qu’elle soit mesurée. En
suite, une seconde masse, également en superposition, est introduite, et les deux masses tombent librement.
La Gravité Post-Quantique
Si l’on devait parier, la plupart des physiciens miseraient sur l’espace-temps ayant une nature quantique. Après tout, les trois autres forces fondamentales de la nature sont quantiques, alors pourquoi pas la gravité ? Cependant, Jonathan Oppenheim explore une idée intrigante : la possibilité que la gravité ne soit pas entièrement quantique, mais plutôt une forme hybride qu’il appelle “gravité classique post-quantique”. Selon cette hypothèse, l’espace-temps et la gravité peuvent être classiques tout en étant compatibles avec la quantification de tout le reste.
Il propose deux expériences basées sur l’expérience classique de Henry Cavendish qui mesurait la faible force gravitationnelle entre deux sphères. Dans ces expériences, il faudrait une précision bien plus grande pour détecter d’éventuelles différences dues à la gravité post-quantique. Bien que ces expériences soient complexes, elles pourraient révéler des indices sur la nature de la gravité.
Effets Non Locaux
En 1959, les physiciens Yakir Aharonov et David Bohm ont suggéré que les équations électromagnétiques classiques ne donnaient pas une image complète de la réalité, et que des effets quantiques supplémentaires devaient être pris en compte. Cette idée a été vérifiée expérimentalement en montrant que des particules chargées électriquement subissent un “secousse” même en l’absence d’un champ électromagnétique. Cette explication est généralement attribuée à un effet quantique non local.
Mais qu’en est-il des particules dans un champ gravitationnel ? En janvier 2022, Chris Overstreet et ses collègues ont publié des résultats basés sur cette idée, qui sont peut-être la preuve la plus solide à ce jour en faveur de la gravité quantique. Leur expérience d’interférométrie atomique a révélé que des atomes ultra-froids pouvaient détecter la présence d’une masse gravitationnelle même lorsque la force nette était nulle.
Conclusion
L’univers est un endroit complexe et mystérieux, et la nature de l’espace-temps est l’une des questions les plus fascinantes de la physique contemporaine. Les expériences que nous avons explorées ici sont autant de tentatives audacieuses de percer ce mystère. Alors que nous nous efforçons de comprendre si l’espace-temps est classique ou quantique, ces expériences continueront de repousser les limites de notre compréhension de l’univers.
Restez à l’écoute, car les prochaines années pourraient nous apporter des réponses fascinantes à cette question fondamentale. L’univers, avec son espace-temps en toile de fond, ne cesse de nous émerveiller et de nous défier, nous rappelant que notre quête de compréhension est infinie.
