Des scientifiques mesurent pour la première fois l’effet de la gravité sur un objet quantique en chute libre

Une équipe internationale de physiciens a mesuré pour la première fois directement la manière dont la gravité affecte les propriétés quantiques d'un atome en chute libre, confirmant que le principe d'équivalence d'Einstein est valable dans le domaine quantique. Les résultats, publiés mercredi dans Science Advances, représentent une étape vers la compréhension de la manière dont la gravité et la mécanique quantique pourraient être réconciliées.thequantuminsider+1

Une version quantique de la tour de Galilée

L'expérience, menée par des chercheurs de l'université Ben Gourion du Néguev, de l'université d'Ulm et de l'université d'Oxford, a utilisé un appareil novateur appelé interféromètre quantique de Galilée. L'équipe, qui comprend le prix Nobel Sir Roger Penrose, a refroidi des nuages d'atomes de rubidium juste au-dessus du zéro absolu et les a placés en superposition quantique, permettant ainsi à chaque atome d'emprunter deux chemins à la fois.quantumzeitgeist+1

Une partie de l'onde quantique de chaque atome a été maintenue immobile à l'aide de champs magnétiques contrant la gravité, tandis que l'autre a été lancée vers le haut puis laissée en chute libre. Lorsque les deux trajectoires ont été réunies, le motif d'interférence résultant a révélé une infime différence de phase quantique, correspondant à la prédiction dérivée du principe d'équivalence d'Einstein.interestingengineering+1

"C'est un article unique, en ce sens qu'il combine une expérience rigoureuse avec une interprétation théorique de grande portée sur l'une des questions les plus fondamentales de la physique", a déclaré l'auteur principal, Ron Folman, de l'université Ben Gourion. Le co-auteur Vlatko Vedral, de l'université d'Oxford, a ajouté : "Cette expérience pousse la mécanique quantique dans l'une de ses frontières les plus intrigantes, la gravité, et montre qu'une fois de plus, ses prédictions tiennent la route".thequantuminsider+2

Ce qu'elle prouve et ce qu'elle ne prouve pas

Bien que des expériences précédentes aient utilisé des particules quantiques pour mesurer la gravité, les chercheurs affirment qu'il s'agit de la première mesure directe de la phase quantique prédite d'un objet en chute libre. Le résultat n'unifie pas la mécanique quantique et la gravité, et ne démontre pas non plus que la gravité elle-même est quantique. Il montre cependant que le cadre d'Einstein reste cohérent avec le comportement quantique dans les conditions testées.interestingengineering+2

L'étude n'exclut pas non plus l'hypothèse de Penrose selon laquelle la mécanique quantique pourrait s'effondrer pour des objets suffisamment massifs maintenus en superposition assez longtemps. L'expérience actuelle n'a pas atteint les masses ou les échelles de temps nécessaires pour tester cette idée, mais l'équipe travaille déjà sur des expériences de suivi utilisant des objets plus lourds, notamment des nanodiamants.thequantuminsider+1

Un pont encore en construction

Ces conclusions arrivent dans un contexte de regain d'intérêt pour la frontière entre la gravité et la physique quantique. Quelques jours plus tôt, des recherches distinctes ont rapporté que des atomes en chute libre à bord de la station spatiale chinoise Tiangong confirmaient le principe d'équivalence faible à l'échelle atomique avec une grande précision. Une autre étude théorique récente a averti que certaines signatures apparentes de la gravité quantique pourraient avoir des explications plus ordinaires.sciencenews+1

L'expérience de Ben Gourion apporte un ancrage empirique à un domaine longtemps dominé par la théorie. "Ces deux piliers de la physique moderne ont jusqu'à présent échappé à toutes les tentatives de cadre théorique unifié", a déclaré Folman, "mais cette expérience complexe donne plus d'indices sur la manière dont une telle unification pourrait être réalisée".thequantuminsider