L'un des défis fondamentaux de la physique est la réconciliation de la théorie de la relativité d'Einstein et de la mécanique quantique. La nécessité de remettre en question de manière critique ces deux piliers de la physique moderne se pose, par exemple, d'événements de très haute énergie dans le cosmos, qui jusqu'à présent ne peut jamais être expliqué par une théorie à la fois, mais pas les deux théories en harmonie. Les chercheurs du monde entier recherchent donc des écarts par rapport aux lois de la mécanique quantique et de la relativité qui pourraient ouvrir des perspectives dans un nouveau domaine de la physique.

Pour une publication récente, des scientifiques de l'Université Leibniz de Hanovre et de l'Université d'Ulm se sont penchés sur le paradoxe des jumeaux connu de la théorie de la relativité restreinte d'Einstein. Cette expérience de pensée tourne autour d'une paire de jumeaux :alors qu'un frère voyage dans l'espace, l'autre reste sur Terre. Par conséquent, pendant un certain temps, les jumeaux se déplacent sur des orbites différentes dans l'espace. Le résultat lorsque le couple se retrouve est assez étonnant :le jumeau qui a voyagé dans l'espace a beaucoup moins vieilli que son frère resté à la maison. Ce phénomène s'explique par la description d'Einstein de la dilatation du temps :Selon la vitesse et l'endroit où dans le champ gravitationnel, deux horloges se déplacent l'une par rapport à l'autre, ils tic-tac à des vitesses différentes.

Pour la parution en Avancées scientifiques , les auteurs ont supposé une variante quantique du paradoxe des jumeaux avec un seul jumeau. Grâce au principe de superposition de la mécanique quantique, ce jumeau peut se déplacer le long de deux chemins en même temps. Dans l'expérience de pensée des chercheurs, le jumeau est représenté par une horloge atomique. "De telles horloges utilisent les propriétés quantiques des atomes pour mesurer le temps avec une grande précision. L'horloge atomique elle-même est donc un objet de mécanique quantique et peut se déplacer simultanément dans l'espace-temps sur deux chemins grâce au principe de superposition. En collaboration avec des collègues de Hanovre, nous avons étudié comment cette situation peut être réalisée dans une expérience, " explique le Dr Enno Giese, assistant de recherche à l'Institut de physique quantique d'Ulm. À cette fin, les chercheurs ont développé un dispositif expérimental pour ce scénario sur la base d'un modèle de physique quantique.

Une fontaine atomique de 10 mètres de haut, qui est actuellement en construction à l'Université Leibniz de Hanovre, joue un rôle essentiel dans cette entreprise. Dans cet interféromètre atomique et avec l'utilisation d'objets quantiques comme l'horloge atomique, les chercheurs peuvent tester les effets relativistes, y compris la dilatation du temps décrite dans le paradoxe des jumeaux. « Dans une expérience, nous enverrions une horloge atomique dans l'interféromètre. La question cruciale est alors :dans quelles conditions une différence de temps peut-elle être mesurée après l'expérience, pendant laquelle l'horloge est finalement sur deux orbites simultanément, " explique Sina Loriani de l'Institut d'optique quantique de l'Université Leibniz de Hanovre.

Les travaux théoriques préliminaires des physiciens d'Ulm et de Hanovre sont très prometteurs :ils ont développé un modèle de physique quantique pour l'interféromètre atomique, qui prend en compte l'interaction entre les lasers et les atomes ainsi que le mouvement des atomes - tout en prenant également en compte les corrections relativistes. "Avec l'aide de ce modèle, nous pouvons décrire une horloge atomique « à retardement » qui se déplace simultanément le long de deux chemins dans une superposition spatiale. De plus, nous démontrons qu'un interféromètre atomique, comme celui en construction à Hanovre, peut mesurer l'effet de la dilatation du temps relativiste spéciale sur une horloge atomique, " rappelle Alexandre Friedrich, doctorant à l'Institut de physique quantique d'Ulm. Sur la base de leurs considérations théoriques, les chercheurs peuvent déjà faire l'hypothèse qu'une seule horloge atomique se comporte comme prévu dans le paradoxe des jumeaux :théorie de la relativité et mécanique quantique sont donc bien conciliables dans ce scénario. L'influence de la gravité telle qu'assumée par d'autres groupes, cependant, ne semble pas vérifiable dans une proposition expérimentale de ce genre.

L'expérience théoriquement décrite devrait être mise à l'épreuve dans le nouvel interféromètre atomique à Hanovre dans quelques années. En pratique, les découvertes des scientifiques pourraient aider à améliorer les applications basées sur les interféromètres atomiques telles que la navigation, ou des mesures d'accélération et de rotation.