Une nouvelle théorie prétend unir la gravité d'Einstein à la mécanique quantique

Une théorie radicale qui unifie systématiquement la gravité et la mécanique quantique tout en préservant le concept classique d'espace-temps d'Einstein a été annoncée dans deux articles publiés simultanément par des physiciens de l'UCL (University College London).

La physique moderne repose sur deux piliers : d'une part la théorie quantique, qui régit les plus petites particules de l'univers, et d'autre part la théorie de la relativité générale d'Einstein, qui explique la gravité par la courbure de l'espace-temps. Mais ces deux théories sont en contradiction l’une avec l’autre et une réconciliation reste insaisissable depuis plus d’un siècle.

L’hypothèse dominante est que la théorie de la gravité d’Einstein doit être modifiée, ou « quantifiée », afin de s’adapter à la théorie quantique. C’est l’approche de deux principaux candidats à une théorie quantique de la gravité, la théorie des cordes et la gravité quantique à boucles.

Mais une nouvelle théorie, développée par le professeur Jonathan Oppenheim (UCL Physics & Astronomy) et exposée dans un article paru dans Examen physique X, remet en question ce consensus et adopte une approche alternative en suggérant que l’espace-temps pourrait être classique, c’est-à-dire qu’il n’est pas du tout régi par la théorie quantique.

Au lieu de modifier l’espace-temps, la théorie – surnommée « théorie postquantique de la gravité classique » – modifie la théorie quantique et prédit une rupture intrinsèque de la prévisibilité médiée par l’espace-temps lui-même. Cela entraîne des fluctuations aléatoires et violentes de l'espace-temps qui sont plus importantes que ce que la théorie quantique envisageait, rendant le poids apparent des objets imprévisible s'il est mesuré avec suffisamment de précision.

Un deuxième article, publié simultanément dans Communications naturelles et dirigé par l'ancien doctorant du professeur Oppenheim. étudiants, examine quelques-unes des conséquences de la théorie et propose une expérience pour la tester : mesurer une masse très précisément pour voir si son poids semble fluctuer dans le temps.

Par exemple, le Bureau international des poids et mesures en France pèse régulièrement une masse de 1 kg, ce qui était autrefois la norme de 1 kg. Si les fluctuations des mesures de cette masse de 1 kg sont inférieures à celles requises pour la cohérence mathématique, la théorie peut être exclue.

Le résultat de l'expérience, ou d'autres preuves émergentes qui confirmeraient la nature quantique par rapport à la nature classique de l'espace-temps, fait l'objet d'un pari de 5 000 : 1 entre le professeur Oppenheim, le professeur Carlo Rovelli et le Dr Geoff Penington, principaux partisans de la boucle quantique. la gravité et la théorie des cordes respectivement.

Au cours des cinq dernières années, le groupe de recherche de l’UCL a testé la théorie et exploré ses conséquences.

Le professeur Oppenheim a déclaré : « La théorie quantique et la théorie de la relativité générale d'Einstein sont mathématiquement incompatibles l'une avec l'autre, il est donc important de comprendre comment cette contradiction est résolue. L'espace-temps devrait-il être quantifié, ou devrions-nous modifier la théorie quantique, ou s'agit-il de tout autre chose ? Maintenant que nous disposons d’une théorie fondamentale cohérente dans laquelle l’espace-temps n’est pas quantifié, personne ne peut le deviner. »

Co-auteur Zach Weller-Davies, qui, en tant que doctorat. Un étudiant de l'UCL a aidé à développer la proposition expérimentale et a apporté des contributions clés à la théorie elle-même, a déclaré : « Cette découverte remet en question notre compréhension de la nature fondamentale de la gravité, mais offre également des pistes pour sonder sa nature quantique potentielle.

“Nous avons montré que si l'espace-temps n'a pas de nature quantique, alors il doit y avoir des fluctuations aléatoires dans la courbure de l'espace-temps qui ont une signature particulière qui peut être vérifiée expérimentalement.

“Dans la gravité quantique comme dans la gravité classique, l'espace-temps doit subir des fluctuations violentes et aléatoires tout autour de nous, mais à une échelle que nous n'avons pas encore pu détecter. Mais si l'espace-temps est classique, les fluctuations doivent être plus grandes qu'une certaine échelle, et cette échelle peut être déterminée par une autre expérience où nous testons combien de temps nous pouvons mettre un atome lourd en superposition en se trouvant à deux endroits différents.

Les co-auteurs, le Dr Carlo Sparaciari et le Dr Barbara Šoda, dont les calculs analytiques et numériques ont aidé à guider le projet, ont exprimé l'espoir que ces expériences pourraient déterminer si la poursuite d'une théorie quantique de la gravité est la bonne approche.

Le Dr Šoda (anciennement UCL Physics & Astronomy, maintenant à l'Institut Périmètre de physique théorique, Canada) a déclaré : « Parce que la gravité se manifeste par la courbure de l'espace et du temps, nous pouvons réfléchir à la question de savoir si le taux à quel temps s'écoule a une nature quantique, ou une nature classique.

“Et tester cela est presque aussi simple que tester si le poids d'une masse est constant ou semble fluctuer d'une manière particulière.”

Le Dr Sparaciari (UCL Physics & Astronomy) a déclaré : « Bien que le concept expérimental soit simple, la pesée de l'objet doit être effectuée avec une extrême précision.

“Mais ce que je trouve passionnant, c'est qu'en partant d'hypothèses très générales, nous pouvons prouver une relation claire entre deux quantités mesurables : l'ampleur des fluctuations de l'espace-temps et la durée pendant laquelle des objets comme des atomes ou des pommes peuvent être placés en superposition quantique de deux emplacements différents. Nous pouvons alors déterminer expérimentalement ces deux quantités.”

Weller-Davies a ajouté : « Une interaction délicate doit exister si les particules quantiques telles que les atomes sont capables de plier l'espace-temps classique. Il doit y avoir un compromis fondamental entre la nature ondulatoire des atomes et l'ampleur des fluctuations aléatoires de l'espace-temps. “.

La proposition visant à tester si l'espace-temps est classique en recherchant des fluctuations aléatoires de masse est complémentaire d'une autre proposition expérimentale qui vise à vérifier la nature quantique de l'espace-temps en recherchant ce qu'on appelle « l'intrication médiée par la gravité ».

Le professeur Sougato Bose (UCL Physics & Astronomy), qui n'a pas participé à l'annonce d'aujourd'hui, mais qui a été parmi ceux qui ont été les premiers à proposer l'expérience d'intrication, a déclaré : « Les expériences visant à tester la nature de l'espace-temps nécessiteront un effort à grande échelle, mais elles ” sont d'une importance capitale du point de vue de la compréhension des lois fondamentales de la nature. Je pense que ces expériences sont à portée de main : ces choses sont difficiles à prédire, mais peut-être connaîtrons-nous la réponse dans les 20 prochaines années. ”

La théorie postquantique a des implications au-delà de la gravité. Le fameux et problématique « postulat de mesure » de la théorie quantique n’est pas nécessaire, puisque les superpositions quantiques se localisent nécessairement par leur interaction avec l’espace-temps classique.

Cette théorie a été motivée par la tentative du professeur Oppenheim de résoudre le problème de l'information sur les trous noirs. Selon la théorie quantique standard, un objet entrant dans un trou noir devrait être rayonné d'une manière ou d'une autre, car les informations ne peuvent pas être détruites, mais cela viole la relativité générale, qui dit que vous ne pouvez jamais connaître les objets qui traversent l'horizon des événements du trou noir. La nouvelle théorie permet la destruction de l’information, en raison d’une rupture fondamentale de la prévisibilité.