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Aux plus petites échelles, la réalité physique défie l’intuition quotidienne. La mécanique quantique est notre cadre le plus fiable pour expliquer le comportement des atomes et des particules subatomiques. Associée à la théorie des champs, elle dresse un tableau dans lequel de vastes champs toujours présents – tout comme les champs électriques et magnétiques – donnent naissance aux particules qui constituent la matière. Dans cette image, le modèle standard décrit 12 champs de matière et quatre champs de force, ces derniers représentant les interactions électromagnétiques, faibles, fortes et gravitationnelles. Bien que les trois premières forces soient intégrées dans le modèle, la gravité reste une valeur aberrante.
La percée d’Einstein s’est produite avec la relativité générale, qui a identifié la gravité non pas comme une force mais comme la courbure de l’espace-temps lui-même. Concilier cette vision géométrique avec la nature probabiliste de la théorie quantique constitue un défi de longue date. Pour l'instant, une théorie quantique complète de la gravité reste insaisissable, mais les progrès expérimentaux s'accélèrent.
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La relativité générale s'effondre à proximité de concentrations de masse extrêmes, telles que les trous noirs, ce qui suggère qu'une théorie plus profonde est nécessaire, une théorie qui unifie la mécanique quantique et la gravité. Les chercheurs du MIT sont pionniers dans les tests expérimentaux qui pourraient sonder les aspects quantiques de la gravité, et les lasers jouent un rôle central dans leur approche.
Le premier article de l’équipe, « Active laser Cooling of a centimeter-scale torsional oscillator », a été publié dans Optica. Il rapporte le refroidissement laser réussi d'un oscillateur de torsion d'un centimètre de long, un dispositif traditionnellement utilisé dans les mesures gravimétriques de précision, depuis la température ambiante jusqu'à 10 mK (un millième de kelvin). Ce refroidissement rend l'oscillateur compatible avec le quantique tout en préservant sa taille macroscopique, ce qui en fait un banc d'essai idéal pour étudier l'interaction de la gravité avec les systèmes quantiques.
Ce qui distingue ce travail est la fusion de deux méthodes laser distinctes. Le refroidissement laser des gaz atomiques est établi depuis longtemps, mais appliquer le même principe à un oscillateur mécanique de cette taille est sans précédent. Cette avancée ouvre la porte à des expériences qui pourraient observer directement la signature quantique de la gravité.
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Dans l’expérience, les chercheurs ont utilisé un levier optique en miroir. Les techniques conventionnelles de levier optique éclairent un miroir avec un laser et détectent des changements angulaires infimes via le faisceau réfléchi. Cependant, les perturbations environnementales (courants d'air, vibrations mécaniques ou imperfections optiques) sont souvent déguisées en faux mouvements.
En utilisant un niveau optique miroir – essentiellement un faisceau à propagation inverse qui reflète l'original – le bruit provenant de ces perturbations est efficacement annulé. Lorsque les deux faisceaux convergent vers le détecteur, la gigue due aux facteurs externes est supprimée, laissant un signal propre provenant de l'oscillateur lui-même. Cette configuration à double faisceau réduit le bruit d'un facteur mille, permettant la détection de mouvement avec une précision sans précédent.
À ce stade, l’équipe peut mesurer les oscillations avec une sensibilité dix fois plus fine que les fluctuations quantiques du point zéro de l’appareil. Bien qu’il s’agisse d’une réalisation remarquable, des améliorations supplémentaires sont nécessaires pour tester directement la nature quantique de la gravité. La prochaine étape consiste à améliorer l'interaction optique afin que deux oscillateurs de torsion puissent interagir exclusivement par leur attraction gravitationnelle mutuelle, une configuration qui pourrait enfin révéler si la gravité se comporte de manière quantique.
À mesure que la recherche progresse, les scientifiques du MIT sont sur le point de repousser les limites de la mesure de précision, fournissant potentiellement la première preuve expérimentale que la gravité est bien une force quantique.