La recherche de signatures de la gravité quantique se poursuit.
Vues de loin, les dunes de sable semblent lisses et non ridées, comme des feuilles de soie étalées dans le désert. Mais une inspection plus approfondie révèle bien plus. En vous approchant des dunes, vous pouvez remarquer des ondulations dans le sable. Touchez la surface et vous trouverez des grains individuels. Il en va de même pour les images numériques : zoomez suffisamment sur un portrait apparemment parfait et vous découvrirez les pixels distincts qui composent l’image.
L’univers lui-même pourrait être pixellisé de la même manière. Des scientifiques tels que Rana Adhikari, professeur de physique à Caltech, pensent que l’espace dans lequel nous vivons n’est peut-être pas parfaitement lisse mais plutôt constitué d’unités discrètes incroyablement petites. “Un pixel d’espace-temps est si petit que si l’on agrandissait les choses pour qu’il ait la taille d’un grain de sable, les atomes seraient aussi grands que les galaxies”, explique-t-il.
“La gravité est un hologramme.” – Monica Jinwoo Kang
Adhikari et les scientifiques du monde entier sont à la recherche de cette pixellisation car elle est une prédiction de la gravité quantique, l’un des plus profonds mystères de la physique de notre époque. La gravité quantique fait référence à un ensemble de théories, dont la théorie des cordes, qui cherche à unifier le monde macroscopique de la gravité, régi par la relativité générale, avec le monde microscopique de la physique quantique. Au cœur du mystère se trouve la question de savoir si la gravité, et l’espace-temps qu’elle habite, peuvent être “quantifiés”, ou décomposés en composants individuels, une caractéristique du monde quantique.
“Il y a parfois une mauvaise interprétation dans la communication scientifique qui implique que la mécanique quantique et la gravité sont irréconciliables”, dit Cliff Cheung, professeur de physique théorique à Caltech. “Mais nous savons, grâce à des expériences, que nous pouvons faire de la mécanique quantique sur cette planète, qui a une gravité, donc il est clair qu’elles sont cohérentes. Les problèmes surgissent lorsque l’on pose des questions subtiles sur les trous noirs ou que l’on essaie de fusionner les théories à des échelles de distance très courtes.”
En raison des échelles incroyablement petites en question, certains scientifiques ont estimé que trouver des preuves de la gravité quantique dans un avenir prévisible était une tâche impossible. Bien que les chercheurs aient eu des idées sur la façon dont ils pourraient trouver des indices de son existence – autour des trous noirs, dans l’univers primitif, ou même en utilisant les technologies de l’information et de la communication. LIGOles observatoires financés par la National Science Foundation, qui détectent les ondes électromagnétiques. les ondes gravitationnelles-personne n’a encore trouvé d’indices de gravité quantique dans la nature.
Kathryn Zurek, professeur de physique théorique, aimerait changer cela. Elle a récemment formé une nouvelle collaboration multi-institutionnelle, financée par la Fondation Heising-Simons, pour réfléchir à la manière d’observer les signatures de la gravité quantique. Le projet, appelé Quantum gRavity and Its Observational Signatures (QuRIOS), réunit des théoriciens des cordes, qui connaissent bien les outils formels de la gravité quantique mais ont peu de pratique de la conception d’expériences, avec des théoriciens des particules et des créateurs de modèles qui ont l’expérience des expériences mais ne travaillent pas sur la gravité quantique.
“L’idée que l’on puisse rechercher des caractéristiques observables de la gravité quantique est très éloignée du courant dominant”, dit-elle. “Mais nous serons perdus dans le désert si nous ne commençons pas à nous concentrer sur les moyens de relier la gravité quantique au monde naturel dans lequel nous vivons. Le fait d’avoir des signatures observationnelles sur lesquelles réfléchir nous lie, nous théoriciens, et nous aide à progresser sur de nouveaux types de questions.”
Rana Adhikari, à gauche, et Kathryn Zurek, à droite. Crédit : Lance Hayashida/Caltech
Dans le cadre de sa collaboration, Kathryn Zurek travaillera avec Adhikari, un expérimentateur, pour développer une nouvelle expérience utilisant des instruments de table. L’expérience proposée, appelée Gravity from Quantum Entanglement of Space-Time (GQuEST), permettra de détecter non pas les pixels individuels de l’espace-temps, mais plutôt les connexions entre les pixels qui donnent lieu à des signatures observables. Adhikari compare cette recherche au réglage de vieux téléviseurs.
“Lorsque j’étais enfant, nous ne pouvions pas capter NBC, et nous essayions de faire des réglages pour l’obtenir. Mais la plupart du temps, nous voyions de la neige pixellisée. Nous savons qu’une partie de cette neige provient du fond diffus cosmologique, ou de la naissance de l’univers, mais si vous syntonisez juste à côté du sommet, vous pouvez trouver de la neige provenant de tempêtes solaires et d’autres signaux. C’est ce que nous essayons de faire : se mettre soigneusement à l’écoute de la neige, ou des fluctuations de l’espace-temps. Nous chercherons à voir si les fluctuations de la neige s’alignent sur nos modèles de gravité quantique. Notre idée pourrait être bidon, mais nous devons essayer.”
Une nouvellele plan de l’univers
Résoudre le problème de la gravité quantique serait l’une des plus grandes réussites de la physique, au même titre que les deux théories que les chercheurs veulent fusionner. La théorie générale de la relativité d’Albert Einstein a remodelé la vision de l’univers, en montrant que l’espace et le temps peuvent être considérés comme une unité continue, l’espace-temps, qui se courbe en réponse à la matière. La gravité, explique la théorie, n’est rien d’autre que la courbure de l’espace-temps.
La deuxième théorie, la mécanique quantiquedécrit les trois autres forces connues dans l’univers en dehors de la gravité : l’électromagnétisme, la force nucléaire faible et la force nucléaire forte. L’une des caractéristiques de la mécanique quantique est que ces forces peuvent être quantifiées en paquets discrets, ou particules. Par exemple, la quantification de la force électromagnétique donne naissance à une particule appelée photon, qui constitue la lumière. Le photon travaille en coulisses, à l’échelle microscopique, pour transmettre la force électromagnétique. Bien que le champ électromagnétique semble continu aux grandes échelles auxquelles nous sommes habitués, il devient “bosselé” par les photons lorsque l’on zoome. La question centrale de la gravité quantique est donc la suivante : l’espace-temps devient-il également une mer écumeuse de particules aux plus petites échelles, ou reste-t-il lisse comme la surface d’un lac ininterrompu ? Les scientifiques pensent généralement que la gravité devrait être bosselée aux plus petites échelles ; les bosses sont des particules hypothétiques appelées gravitons. Mais lorsque les physiciens utilisent des outils mathématiques pour décrire comment la gravité pourrait naître des gravitons à des échelles très petites, les choses se dégradent.
“Les mathématiques deviennent impossibles et produisent des réponses absurdes comme l’infini là où nous devrions obtenir des nombres finis comme réponses. Cela implique que quelque chose ne va pas”, explique Hirosi Ooguri, professeur de physique théorique et de mathématiques Fred Kavli et directeur du Walter Burke Institute for Theoretical Physics. “On ne se rend pas bien compte à quel point il est difficile de construire un cadre théorique cohérent, d’unifier la relativité générale et la mécanique quantique. “Cela semblerait impossible, mais nous avons alors la théorie des cordes”.
Les cordes au fond
De nombreux scientifiques s’accordent à dire que la théorie des cordes est la théorie la plus complète et la plus probable de la gravité quantique à ce jour. Elle décrit un univers à dix dimensions, dont six sont cachées et invisibles, tandis que les quatre autres constituent l’espace et le temps. Comme son nom l’indique, la théorie postule que toute la matière de l’univers est, au niveau le plus fondamental, constituée de minuscules cordes. Comme un violon, les cordes résonnent à différentes fréquences ou notes, chaque note correspondant à une particule unique telle qu’un électron ou un photon. On pense que l’une de ces notes correspond au graviton.
John Schwarz, professeur émérite de physique théorique Harold Brown, a été l’une des premières personnes à réaliser le pouvoir de la théorie des cordes pour combler le fossé entre le monde quantique et la gravité. Dans les années 1970, lui et son collègue Joël Scherk se sont efforcés d’utiliser les outils mathématiques de la théorie des cordes pour décrire la force nucléaire forte. Cependant, ils ont réalisé que les inconvénients de la théorie pouvaient être transformés en avantages s’ils changeaient de cap.
Hiroshi Ooguri. Crédit : Brandon Hook/Caltech
“Au lieu d’insister pour construire une théorie de la force nucléaire forte, nous avons pris cette belle théorie et avons demandé à quoi elle servait”, a déclaré Schwarz dans une interview de 2018. “Il s’est avéré qu’elle était bonne pour la gravité. Aucun de nous n’avait travaillé sur la gravité. Ce n’était pas quelque chose qui nous intéressait particulièrement, mais nous avons réalisé que cette théorie, qui avait du mal à décrire la force nucléaire forte, donnait naissance à la gravité. Une fois que nous avons réalisé cela, j’ai su ce que je ferais pour le reste de ma carrière.”
Il s’avère que, par rapport aux autres forces, la gravité est un phénomène étrange. “La gravité est la force la plus faible que nous connaissions”, explique Ooguri. “Je me tiens ici au quatrième étage du bâtiment Lauritsen, et la raison pour laquelle la gravité ne me tire pas à travers le sol est que, à l’intérieur du béton, il y a des électrons et des noyaux qui me soutiennent. Donc, le champ électrique l’emporte sur la force gravitationnelle.”
Cependant, alors que la force nucléaire forte s’affaiblit à des distances de plus en plus courtes, la gravité devient plus forte. “Les cordes permettent d’adoucir ce comportement de haute énergie”, explique Ooguri. “L’énergie se répartit dans une corde”.
Tests sur table de la gravité quantique
Le défi de la théorie des cordes ne consiste pas seulement à la rendre cohérente avec notre monde quotidien à faible énergie, mais aussi à la tester. Pour voir ce qui se passe aux échelles minuscules où l’espace-temps devient, selon la théorie, granuleux, il faudrait que les expériences sondent des distances de l’ordre de 10 km.de l’ordre de ce que l’on appelle la longueur de Planck, soit 10-35 mètres. Pour atteindre des échelles aussi extrêmes, les scientifiques devraient construire un détecteur tout aussi extrême. “Une solution serait de fabriquer un objet de la taille du système solaire et de rechercher les signatures de la gravité quantique de cette manière”, explique Adhikari. “Mais c’est très coûteux et cela prendrait des centaines d’années ! Au lieu de cela, dit Zurek, les chercheurs peuvent étudier les aspects de la gravité quantique en utilisant des expériences beaucoup plus petites. “Pour les expériences à faible énergie que nous proposons, nous n’avons pas besoin de toute la machinerie de la théorie des cordes”, explique-t-elle. “Les développements théoriques associés à la théorie des cordes nous ont fourni certains outils et une prise quantitative sur ce que nous attendons d’être vrai en gravité quantique.”
Les expériences proposées par Zurek, Adhikari et leurs collègues se concentrent sur les effets de la gravité quantique qui pourraient être observés à des échelles plus gérables de 10-18 mètres. C’est encore très petit, mais potentiellement réalisable en utilisant des instruments de laboratoire très précis.
“Un pixel d’espace-temps est si petit que si l’on agrandissait les choses pour qu’il ait la taille d’un grain de sable, alors les atomes seraient aussi grands que les galaxies”.
– Rana Adhikari
Ces expériences sur table seraient comme des mini LIGOs : Des interféromètres en forme de L qui envoient deux faisceaux laser dans des directions perpendiculaires. Les lasers rebondissent sur des miroirs et se retrouvent à leur point d’origine. Dans le cas de LIGO, les ondes gravitationnelles étirent et compriment l’espace, ce qui affecte le moment où les lasers se rencontrent. L’expérience de gravité quantique rechercherait un autre type de fluctuation de l’espace-temps, constitué de gravitons qui apparaissent et disparaissent dans ce que certains appellent la mousse quantique, ou espace-temps. (Les photons et autres particules quantiques apparaissent et disparaissent également en raison des fluctuations quantiques). Plutôt que de chercher les gravitons individuellement, les chercheurs recherchent des “corrélations à longue portée” entre des collections complexes de particules hypothétiques, qui se traduisent par des signatures observables. Zurek explique que ces connexions à longue portée sont comme de grandes ondulations dans la mer de l’espace-temps, par opposition à l’écume où résident les particules individuelles.
“Nous pensons qu’il existe des fluctuations de l’espace-temps qui peuvent perturber les faisceaux lumineux”, dit-elle. “Nous voulons concevoir un appareil où les fluctuations spatio-temporelles expulsent un photon du faisceau de l’interféromètre, puis nous utiliserions des détecteurs à photons uniques pour lire cette perturbation spatio-temporelle.”
Espace-temps émergent
“La gravité est un hologramme”, déclare Monica Jinwoo Kang, titulaire d’une bourse postdoctorale Sherman Fairchild en physique théorique à Caltech, en expliquant le principe holographique, un principe clé du modèle de Zurek. Ce principe, qui a été réalisé à l’aide de la théorie des cordes dans les années 1990, implique que des phénomènes en trois dimensions, comme la gravité, peuvent émerger d’une surface plane à deux dimensions. “Le principe holographique signifie que toutes les informations contenues dans un volume de quelque chose sont codées sur la surface”, explique Kang.
Plus précisément, on pense que la gravité et l’espace-temps émergent de la surface plane bidimensionnelle. intrication des particules qui se produisent sur la surface bidimensionnelle. L’intrication se produit lorsque des particules subatomiques sont connectées à travers l’espace ; les particules agissent comme une seule entité sans être en contact direct les unes avec les autres, un peu comme une volée d’étourneaux. “Les perspectives modernes de la gravité quantique inspirées par la théorie des cordes suggèrent que l’espace-temps et la gravité se matérialisent à partir de réseaux d’intrication. Dans cette façon de penser, l’espace-temps lui-même est défini par le degré d’intrication de quelque chose”, explique Kang.
“Nous serons perdus dans le désert si nous ne commençons pas à nous concentrer sur les moyens de relier la gravité quantique au monde naturel dans lequel nous vivons.”
– Kathryn Zurek
Dans l’expérience proposée par Zurek et Adhikari, l’idée serait de sonder cette surface bidimensionnelle, ou ce qu’ils appellent ” l’horizon quantique “, pour détecter les fluctuations des gravitons. La gravité et l’espace-temps, expliquent-ils, émergent de l’horizon quantique. “Notre expérience permettrait de mesurer le caractère flou de cette surface”, déclare Zurek.
Ce flou représenterait la pixellisation de l’espace-temps. Si l’expérience réussit, elle contribuera à redéfinir notre concept de gravité et d’espace aux niveaux les plus fondamentaux et les plus profonds.
“Si je laisse tomber ma tasse à café et qu’elle tombe, j’aimerais penser que c’est la gravité”, explique M. Adhikari. Mais, de la même manière que la température n’est pas “réelle” mais décrit la vibration d’un groupe de molécules, l’espace-temps pourrait ne pas être une chose réelle. Nous voyons des volées d’oiseaux et des bancs de poissons effectuer des mouvements cohérents en groupe, mais ils sont en réalité constitués d’animaux individuels. Nous disons que le comportement du groupe est émergent. Il peut êtreque quelque chose qui surgit de la pixellisation de l’espace-temps a simplement reçu le nom de gravité parce que nous ne comprenons pas encore ce que sont les entrailles de l’espace-temps.”
