Une contradiction au cœur de la physique

Sans la mécanique quantique, de nombreuses technologies que nous tenons pour acquises seraient inconcevables, notamment les lasers, les microscopes électroniques et les horloges atomiques, ainsi que l'imagerie médicale, l'électronique et les semi-conducteurs. Il est difficile de penser à une autre théorie scientifique qui ait été confirmée aussi fréquemment et de manière aussi cohérente depuis qu'elle a été élaborée pour la première fois il y a 100 ans. Sur les quatre forces fondamentales de la physique qui maintiennent la cohésion du monde au niveau atomique et subatomique, trois sont basées sur des concepts dérivés de la physique quantique : l'électromagnétisme, qui est responsable de phénomènes quotidiens tels que la lumière, l'électricité et le magnétisme ; la force nucléaire forte, qui lie les atomes entre eux ; et la force nucléaire faible, qui provoque la désintégration des noyaux atomiques.

Pourtant, la quatrième force fondamentale de la physique, la gravitation, qui maintient notre univers ensemble et explique le comportement des planètes, est notoirement difficile à concilier avec la mécanique quantique. En effet, la mécanique quantique est exceptionnellement douée pour expliquer l'interaction des particules au niveau atomique et subatomique, mais elle rencontre rapidement des problèmes lorsqu'elle s'attaque à des objets plus grands, qui sont soumis à la gravité. «Malgré de nombreuses tentatives de la part de personnalités telles qu'Albert Einstein, Richard Feynman et Stephen Hawking, personne n'a encore réussi à expliquer la gravitation en termes de physique quantique», explique Renato Renner, professeur de physique théorique à l'ETH de Zurich. Dans le monde macroscopique, la théorie générale de la relativité d'Albert Einstein continue de s'imposer, une théorie qui, comme la mécanique quantique, a été confirmée par de nombreuses expériences au cours des 100 dernières années. Sans elle, ni les GPS ni les montres ne fonctionneraient avec précision.

On pourrait croire que tout cela s'inscrit parfaitement dans le monde de la physique, mais, malheureusement, rien n'est plus faux. Le problème est que cette description du monde atomique et subatomique ne correspond pas à l'image que nous nous faisons du cosmos. Comme l'explique Renato Renner: «La relativité générale est incompatible avec les principes de la mécanique quantique.» Depuis des années, les physiciennes et physiciens rêvent de combiner les deux théories pour obtenir une image unifiée du monde physique.

La courbure de l'espace-temps

En 1915, Albert Einstein a publié sa théorie générale de la relativité, qui a bouleversé la vision établie du monde physique: il s'est écarté de l'explication reçue de la gravité comme une force dépendant de la masse et de la distance entre deux planètes, telle qu'elle avait été formulée par Isaac Newton près de 200 ans plus tôt. Au lieu de cela, il a introduit un nouveau concept : l'espace-temps. «Albert Einstein prend le concept familier d'espace tridimensionnel et le fusionne avec le temps pour créer une construction mathématique à quatre dimensions. Il explique ensuite la gravité de manière géométrique en termes de courbure de l'espace-temps», explique Renato Renner.

Selon ce schéma, les objets massifs tels que les planètes créent un creux dans l'espace-temps. À son tour, la géométrie de cette bosse détermine la façon dont les objets se déplacent dans le continuum espace-temps. En termes simples, l'espace-temps est comme un trampoline sur lequel une balle lourde crée une dépression. Si une balle de tennis est placée au bord de cette dépression, elle roulera vers la balle lourde. Le concept d'espace-temps permet d'expliquer pourquoi, par exemple, les horloges tournent plus vite dans un avion que sur Terre. La théorie d'Albert Einstein a même permis d'expliquer pourquoi l'orbite de Mercure autour du Soleil est si excentrique.

Flou quantique

À la même époque qu'Albert Einstein, des physiciens tels que Werner Heisenberg, Nils Bohr et Erwin Schrödinger faisaient de leur mieux pour bouleverser notre vision du monde atomique et subatomique. Selon eux, le domaine où les électrons, les protons et d'autres particules élémentaires sont en mouvement constant, s'attirant et se repoussant les uns les autres, est soumis à des lois différentes. Mais alors que les formules d'Albert Einstein permettent de calculer l'orbite des planètes aussi précisément que si elles étaient sur des rails, les objets du monde quantique ne peuvent être décrits avec la même précision. Dans le microcosme des atomes et des particules, il n'y a pas d'orbite fixe. Le déterminisme de la physique classique y cède la place à des énoncés probabilistes. «Un électron ou un proton peut se trouver à plusieurs endroits en même temps», explique la professeure Anna Soter, qui mène des recherches expérimentales à l'Institut de physique des particules et d'astrophysique de l'ETH Zurich. «Ce n'est qu'en les mesurant qu'ils acquièrent une position déterminée. Auparavant, le mieux que l'on puisse faire est d'établir une distribution de probabilités».

La théorie générale de la relativité ne tient pas compte de ce flou. Si une particule se trouvait à plusieurs endroits en même temps, il ne serait plus possible de calculer l'endroit précis où elle fait une entaille dans l'espace-temps. Néanmoins, il est universellement admis que même les plus petits objets courbent l'espace-temps et influencent ainsi la gravité. En effet, ils sont eux aussi dotés d'une masse, tout comme les objets plus grands. Et comme la terre est composée de particules, de nombreux physiciens et physiciennes pensent qu'il doit être possible d'intégrer la relativité générale dans la mécanique quantique. Pourtant, à ce jour, on ne sait toujours pas comment la force gravitationnelle naît de ces particules et de leurs mouvements irréguliers.

La gravité en tant qu'information

Plusieurs théories ont été proposées pour expliquer la gravitation sur la base de la physique quantique. Il s'agit notamment de la théorie des cordes et de la gravité quantique à boucles. Une approche plus récente, également poursuivie à la chaire de Renato Renner, est connue sous le nom de «It from Qubit». Cette théorie part du principe que les propriétés de l'espace-temps peuvent être décrites en termes de qubits intriqués, l'unité d'information de base de l'informatique quantique. Contrairement à la théorie de la relativité d'Albert Einstein, cette nouvelle approche n'est plus purement géométrique. Elle est basée sur la somme des enchevêtrements de qubits.

«Contrairement aux théories existantes, la nôtre ne s'intéresse pas à la composition des qubits», explique Renato Renner. «Ce qui nous intéresse, c'est la façon dont ils sont intriqués les uns avec les autres. Ces qubits intriqués correspondent à un espace-temps courbé dans le monde macroscopique». Pour Renato Renner, la recherche de la gravité quantique consiste principalement à découvrir les bons modèles d'intrication entre les qubits. Pour illustrer cela, nous pourrions considérer l'espace-temps comme le tissu tendu d'un trampoline, chaque fibre représentant une relation entre les qubits. Une indication du sérieux de cette approche est qu'elle donne les mêmes résultats que d'autres théories lorsqu'il s'agit d'expliquer des quantités théoriques telles que l'entropie du rayonnement d'un trou noir.

Nouvelles expériences

Comme l'explique Anna Soter, le problème aujourd'hui n'est pas une pénurie de grandes théories, mais plutôt un manque d'expériences qui pourraient permettre de comprendre comment la gravité affecte les particules élémentaires. À l'heure actuelle, il n'existe aucun moyen de tester directement It from Qubit ou toute autre théorie dans ce domaine.
Les recherches de la chercheuse ont donc pris une autre tournure. Lorsque les physiciennes et physiciens affirment que les particules ont une masse et qu'elles devraient donc provoquer une courbure de l'espace-temps, ils et elles supposent que la masse inertielle de ces particules correspond à leur masse gravitationnelle. La masse inertielle est une mesure de la résistance d'un objet à un changement de mouvement ; la masse gravitationnelle est une mesure de la force que la gravité exerce sur un objet. L'hypothèse selon laquelle il n'y a pas de différence entre les deux est un élément clé de la relativité générale et est connue sous le nom de principe d'équivalence.

Pour Anna Soter, cependant, ce principe n'est nullement prouvé dans le monde quantique. «Nous pouvons certes mesurer la masse inertielle des atomes, mais personne n'a jamais observé de particule tombante composée uniquement de leptons et donc non affectée par l'interaction forte», explique-t-elle. Elle espère changer cette situation grâce à une expérience visant à observer si un faisceau horizontal d'atomes de muonium est soumis à l'attraction gravitationnelle et tombe donc vers le bas comme un jet d'eau provenant d'un tuyau d'arrosage.

Si c'est le cas, ce sera une nouvelle preuve de la nécessité d'unifier la mécanique quantique et la relativité générale. «Mais si nous découvrons une anomalie et que les atomes de muonium ne tombent pas comme prévu, nous aurons un gros problème», explique-t-elle. Cela créerait une petite sensation dans le monde de la physique des particules. Pourtant, ce ne serait pas la première fois qu'une expérience nous amènerait à repenser notre image du monde physique.