Dans un interféromètre atomique, la fonction d'onde de l'atome est divisée en bras gauche et droit. Les bras gauche et droit sont alors recombinés, produire un motif d'interférence. Crédit :S. Kelley/NIST
Quand il s'agit d'un mariage avec la théorie quantique, la gravité est la seule résistance parmi les quatre forces fondamentales de la nature. Les trois autres, la force électromagnétique, la force faible, responsable de la décroissance radioactive, et la force puissante, qui lie les neutrons et les protons ensemble au sein du noyau atomique - ont tous fusionné avec la théorie quantique pour décrire avec succès l'univers à la plus petite des échelles, où les lois de la mécanique quantique doivent jouer un rôle prépondérant.
Bien que la théorie de la relativité générale d'Einstein, qui décrit la gravité comme une courbure de l'espace-temps, explique une multitude de phénomènes gravitationnels, il échoue dans le plus petit des volumes - le centre d'un trou noir ou l'univers à sa naissance explosive, quand sa taille était inférieure à un diamètre atomique. C'est là que la mécanique quantique devrait dominer.
Pourtant, au cours des huit dernières décennies, expert après expert, dont Einstein, ont été incapables d'unir la théorie quantique à la gravité. Donc, la gravité est-elle vraiment une force quantique ?
Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et leurs collègues ont maintenant proposé une expérience qui pourrait aider à régler la question.
L'expérience tire parti de deux des propriétés les plus étranges de la théorie quantique. L'un est le principe de superposition, qui soutient qu'une particule atomique non perturbée peut être décrite comme une onde, avec une certaine probabilité d'être à deux endroits à la fois. Par exemple, un atome non perturbé traversant une région à deux fentes, ne traverse pas l'une ou l'autre des fentes mais les deux.
Et parce que l'atome est décrit par une onde, la partie qui passe par une fente interfère avec la partie qui passe par l'autre, produisant un motif bien connu de franges claires et sombres. Les franges lumineuses correspondent aux régions où les collines et les vallées des deux vagues s'alignent de sorte qu'elles s'additionnent, créant des interférences constructives et les régions sombres correspondent à des régions où les collines et les vallées des ondes s'annulent, créant des interférences destructrices.
Lorsque l'expérience commence, la fonction d'onde de l'atome n'est pas affectée par le pendule. Cela signifie que les deux bras de l'atome unique interfèrent complètement l'un avec l'autre. Crédit :S. Kelley/NIST
La deuxième propriété quantique étrange est connue sous le nom d'intrication, un phénomène dans lequel deux particules peuvent être si fortement corrélées qu'elles se comportent comme une seule entité. Mesurer une propriété de l'une des particules force automatiquement l'autre à avoir une propriété complémentaire, même si les deux particules résident dans des galaxies séparées.
Dans une théorie quantique de la gravité, l'attraction gravitationnelle entre deux objets massifs serait communiquée par une hypothétique particule subatomique, le graviton, de la même manière que l'interaction électromagnétique entre deux particules chargées est communiquée par un photon (la particule fondamentale de la lumière). Donc, si un graviton existe vraiment, il doit pouvoir se connecter, ou s'emmêler, les propriétés de deux corps massifs, tout comme un photon peut enchevêtrer les propriétés de deux particules chargées
L'expérience proposée par Jake Taylor du Joint Quantum Institute du NIST à l'Université du Maryland, avec Daniel Carney, maintenant au Lawrence Berkeley National Laboratory, et Holger Müller de l'Université de Californie, Berkeley, fournit un moyen astucieux de tester si deux corps massifs peuvent effectivement s'emmêler par gravité. Ils ont décrit leur travail dans un article publié en ligne dans Physical Review X Quantum le 18 août. 2021.
L'expérience utiliserait un nuage froid d'atomes, piégé dans un interféromètre atomique. L'interféromètre a deux bras :un bras gauche et un droit. Selon le principe de superposition, si chaque atome dans le nuage est dans un pur, état quantique non perturbé, elle peut être décrite comme une vague occupant les deux bras simultanément. Lorsque les deux portions de l'onde, un de chaque bras, recombiner, ils produiront un motif d'interférence qui révèle tout changement de leur trajectoire dû à des forces telles que la gravité.
Un petit, une masse initialement stationnaire suspendue comme un pendule est introduite juste à l'extérieur de l'interféromètre. La masse en suspension et l'atome sont attirés gravitationnellement. Si ce remorqueur gravitationnel produit également un enchevêtrement, à quoi cela ressemblerait-il ?
Si l'attraction gravitationnelle provoque en effet un enchevêtrement entre le pendule et l'atome, le pendule va mesurer en partie la position de l'atome, en le concentrant dans un bras ou dans l'autre. Crédit :S. Kelley/NIST
La masse en suspension deviendra corrélée avec un emplacement spécifique pour l'atome, soit le bras droit de l'interféromètre, soit le bras gauche. Par conséquent, la masse commencera à se balancer vers la gauche ou la droite. Si l'atome est situé à gauche, le pendule commencera à se balancer vers la gauche; si l'atome est situé à droite, le pendule commencera à se balancer vers la droite. La gravité a enchevêtré la position de l'atome dans l'interféromètre avec la direction dans laquelle le pendule commence à osciller.
L'intrication de position signifie que le pendule a effectivement mesuré l'emplacement de l'atome, le pointant sur un site particulier dans l'interféromètre. Parce que l'atome n'est plus dans une superposition d'être dans les deux bras en même temps, le motif d'interférence disparaît ou diminue.
Une demi-période plus tard, lorsque la masse oscillante revient à son point de départ, il perd toute « mémoire » de l'enchevêtrement gravitationnel qu'il avait créé. C'est parce que, quel que soit le chemin emprunté par le pendule - se balançant initialement vers la droite, qui choisit un emplacement pour l'atome dans le bras droit de l'interféromètre, ou oscillant initialement vers la gauche, qui choisit un emplacement pour l'atome dans le bras gauche - il revient à la même position de départ, un peu comme un enfant sur une balançoire.
Et quand il revient à la position de départ, il est également probable que le pendule sélectionne un emplacement pour l'atome dans le bras gauche ou droit. À ce moment là, l'intrication entre la masse et l'atome a été effacée et la figure d'interférence atomique réapparaît.
Une demi-période après cela, comme le pendule oscille d'un côté ou de l'autre, l'enchevêtrement est rétabli et la figure d'interférence diminue à nouveau. Au fur et à mesure que le pendule oscille, le motif se répète :interférence, interférence diminuée, ingérence. Cet effondrement et cette reprise des interférences, disent les scientifiques, serait une "arme fumante" pour l'enchevêtrement.
"Il est difficile pour tout autre phénomène que l'intrication gravitationnelle de produire un tel cycle, " dit Carney.
Après chaque demi-période d'oscillation, le pendule reviendra à son point de départ, perdant tout souvenir de l'enchevêtrement gravitationnel qu'il avait créé et rétablissant la pleine interférence. Crédit :S. Kelley/NIST
Bien que l'expérience idéale puisse être à une décennie ou plus de sa construction, une version préliminaire pourrait être prête dans quelques années seulement. Une variété de raccourcis pourraient être exploités pour rendre les choses plus faciles à observer, dit Taylor. Le plus grand raccourci est d'embrasser l'hypothèse, similaire à la théorie de la relativité générale d'Einstein, cela n'a pas d'importance quand vous commencez l'expérience, vous devriez toujours obtenir le même résultat.
Taylor a noté que les sources non gravitationnelles d'intrication quantique doivent être prises en compte, ce qui nécessitera une conception et des mesures minutieuses pour éviter.
