Deux nouvelles expériences confirment le principe de gravité d’Einstein à l’échelle quantique

Deux expériences indépendantes publiées cette semaine dans la revue Science Advances viennent consolider l'un des piliers majeurs de la relativité générale d'Einstein, en montrant que le principe d'équivalence, selon lequel la gravité agit de la même manière sur tous les objets, s'applique également au monde quantique.

Un objet quantique en chute libre

Dans la première expérience, des chercheurs de l'université Ben-Gourion du Néguev, de l'université d'Oxford et de l'université d'Ulm ont conçu un dispositif baptisé interféromètre quantique Galilée afin de réaliser la première mesure directe de la phase quantique accumulée par un paquet d'ondes atomiques en chute libre. L'équipe a refroidi des atomes de rubidium 87 jusqu'à obtenir un condensat de Bose-Einstein, puis a utilisé des impulsions micro-ondes pour diviser l'onde quantique de chaque atome en deux trajectoires : l'une maintenue immobile par rapport à la Terre grâce à des champs magnétiques, et l'autre laissée en chute libre sous l'effet de la gravité.thebrighterside+1

Lorsque les deux paquets d'ondes se sont recombinés, leur figure d'interférence a révélé une phase accumulée d'environ 80 radians sur plus de cinq heures de mesures, ce qui correspond exactement à la valeur prédite en appliquant le principe d'équivalence à la mécanique quantique. « Cette expérience repousse la mécanique quantique vers l'une de ses frontières les plus intrigantes, la gravité, et montre qu'une fois de plus, ses prédictions se vérifient », a déclaré Vlatko Vedral, physicien à l'université d'Oxford.interestingengineering+1

Des atomes en orbite

En parallèle, une équipe menée par Ming-Sheng Zhan à l'Institut de physique et de mathématiques de Wuhan a testé le principe d'équivalence faible à bord de la station spatiale chinoise. Les chercheurs ont refroidi deux isotopes du rubidium à une température proche du zéro absolu, puis les ont libérés à l'intérieur d'un interféromètre atomique, où des impulsions laser ont séparé chaque nuage en deux trajectoires quantiques avant de les recombiner. Après avoir recueilli des données pendant 280 jours en orbite, les scientifiques ont constaté que les isotopes accéléraient de manière identique à environ cinq parties pour 100 millions près, une précision environ trois ordres de grandeur supérieure à tous les tests atomiques antérieurs en microgravité.phys+1

L'environnement orbital a offert un avantage décisif : la chute libre continue autour de la Terre a permis d'observer les atomes bien plus longtemps que ne le permet aucun laboratoire terrestre.phys

Les questions en suspens

Aucune de ces expériences ne parvient à unifier la mécanique quantique et la relativité générale. Le résultat de l'équipe de Ben-Gourion confirme une relation de phase spécifique conforme au principe d'équivalence, sans toutefois prouver que la gravité elle-même possède des propriétés quantiques. De son côté, la mesure réalisée à bord de la station spatiale restreint la marge où une éventuelle violation du principe pourrait se dissimuler, sans la fermer totalement.thebrighterside+1

Les deux équipes préparent déjà de futurs travaux destinés à explorer des territoires encore plus exigeants. Le groupe de l'interféromètre quantique Galilée travaille sur des expériences avec des nanodiamants, des objets suffisamment massifs pour tester si un effondrement des superpositions quantiques lié à la gravité se produit, comme le suggère Sir Roger Penrose. L'équipe de Zhan estime pour sa part que des durées de chute libre plus longues et des plateformes plus stables permettraient d'améliorer encore la précision en orbite. Pour l'heure, le principe centenaire d'Einstein vient de passer deux nouveaux tests avec succès.phys+1