Pour la première fois, des physiciens ont mesuré le minuscule déplacement quantique qu’un objet acquiert en tombant sous l’effet de la gravité terrestre – un effet de la relativité d’Einstein qui avait été prédit il y a près d’un siècle mais jamais observé.
Les chercheurs ont placé des atomes de rubidium ultrafroids dans une superposition, un état quantique dans lequel une seule particule emprunte deux chemins à la fois. Dans cette expérience, une trajectoire mettait l’atome en chute libre tandis que l’autre le maintenait immobile. La recombinaison des atomes a révélé une différence presque imperceptible entre les deux chemins.
La mesure, publiée le 2 septembre dans le journal Avancées scientifiquesmontre que le principe d’équivalence d’Einstein — l’idée au cœur de la théorie générale relativité – tient toujours lorsqu’il est poussé dans le monde quantique, créant un lien petit mais alléchant entre la relativité et mécanique quantique.
« Le principe dit que l’accélération et la gravité ne peuvent pas être distinguées localement », Vlatko Védralphysicien à l’Université d’Oxford et co-auteur de la nouvelle étude, a déclaré à Live Science par e-mail.
La pensée la plus heureuse d’Einstein
L’illustration classique du principe d’équivalence est une expérience de pensée connue sous le nom d’ascenseur d’Einstein. Une personne enfermée dans un ascenseur sans fenêtre ne peut pas dire si le sol appuie sur ses pieds parce que l’ascenseur est stationné immobile sur Terre ou parce qu’il accélère dans un espace vide. Einstein a qualifié cette réalisation de « pensée la plus heureuse » de sa vie et a construit la relativité générale autour d’elle.
Pour les objets lourds du quotidien, le principe d’équivalence a été testé avec une précision extraordinaire. Les objets quantiques sont une autre affaire. Ils se comportent comme des vagues, et chaque vague transporte une quantité appelée phase – essentiellement là où se trouvent ses crêtes et ses creux. La phase ne peut pas être vue directement, mais lorsque deux versions de la même particule sont recombinées, toute inadéquation entre leurs phases apparaît sous la forme d’un motif d’interférence. Les deux ondes se renforcent mutuellement à certains endroits et s’annulent à d’autres, modifiant ainsi les chances d’apparition de la particule.
La théorie dit qu’une vague en chute libre devrait accumuler une phase par rapport à une vague identique immobile et que cette phase devrait croître avec le cube du temps de chute. Par conséquent, doubler le temps de chute multiplie par huit l’effet. Charles Galton Darwin, petit-fils du célèbre naturaliste, et Earle Kennard ont tous deux documenté cette prédiction en 1927 – mais personne ne l’avait mesurée jusqu’à présent.
Un atome qui tombe et reste immobile à la fois
Pour capter l’effet, il fallait un instrument avec un bras véritablement au repos par rapport à la Terre et l’autre en véritable chute libre – ce qu’aucune expérience précédente ne pouvait fournir. Des expériences sur les ondes de matière remontant au interférométrie neutronique des années 1970 avait mesuré pesanteur d’une autre manière, mais jamais avec cette paire de trajectoires.
L’équipe derrière la nouvelle étude, dirigée par le physicien Ron Folman à l’Université Ben Gourion du Néguev en Israël, a refroidi environ 20 000 atomes de rubidium dans un état exotique de la matière appelé condensat de Bose-Einsteinles a libérés de leur piège magnétique et a fait passer l’interféromètre à environ 113 micromètres sous une « puce atomique » composée de fils d’or de seulement 2 micromètres d’épaisseur.
Les impulsions radio et micro-ondes placent chaque atome dans une superposition de deux états magnétiques. Un coup de pied magnétique propulsa l’un d’eux vers le haut, et une fraction de milliseconde plus tard, une seconde impulsion rendit cette moitié insensible aux champs magnétiques, de sorte qu’elle monta et descendit sous l’effet de la seule gravité. L’autre moitié est restée magnétiquement sensible et a ressenti une force réglée pour annuler exactement la gravité, la laissant suspendue en place.
Au sommet de l’arc, les deux moitiés d’un seul atome étaient espacées d’environ 7,5 micromètres – environ sept fois la largeur de l’onde atomique elle-même – avant que la séquence ne soit inversée pour les rapprocher. L’équipe a baptisé l’appareil l’interféromètre quantique de Galilée, en hommage au scientifique qui a été le premier à affirmer que tous les objets tombaient au même rythme.
« Deux accélérations différentes peuvent être superposées, zéro (l’accélération) et l’accélération gravitationnelle de la Terre, et l’interférence quantique qui en résulte mesurée », a déclaré Vedral.
Une phase prédite il y a près de 100 ans
Les chercheurs ont suivi le signal d’interférence tout en allongeant le temps de chute libre à environ 2,4 millisecondes. Au cours de 633 analyses sur 5,3 heures, ils ont enregistré 13 oscillations complètes, chacune représentant un cycle complet de phase construit entre les deux moitiés de l’atome. La croissance a suivi le cube du temps de baisse, correspondant au modèle théorique à environ 2,5 % près.
« La phase entre les deux éléments de la superposition, qui croît comme le cube de la durée de l’expérience et qui avait été prédite il y a longtemps, en 1927, a enfin été observée pour la première fois », a déclaré Vedral.
Le résultat est important car la même phase peut être dérivée de deux manières complètement différentes : l’une traite la gravité comme une force agissant sur une onde quantique ; l’autre se déplace dans le cadre descendant, où la gravité disparaît, et invoque le principe d’équivalence. Les deux donnent la même réponse, et c’est cet accord qui permet à la mécanique quantique et à la relativité générale de coexister.
« Ils nous disent qu’à ce niveau de précision, il n’y a pas de conflit entre la physique quantique et la gravité », a déclaré Vedral. « En d’autres termes, le principe d’équivalence est parfaitement conforme à la mécanique quantique. »
La difficulté de réunir les deux moitiés
La partie la plus difficile de l’expérience a été la recombinaison. Étant donné que les deux moitiés de l’atome finissent par se déplacer à des vitesses très différentes, il est extrêmement exigeant de les faire se chevaucher en termes de position et de mouvement. Les physiciens Marlan Scully, Berthold-Georg Englert et Julian Schwinger ont baptisé le problème « l’effet Humpty-Dumpty ». Les champs magnétiques se courbent également à travers le nuage atomique, déformant les deux moitiés de différentes manières.
Le contraste des franges d’interférence a commencé à 80 % pour les courtes séries et s’est atténué à 20 % pour les plus longues, fixant ainsi un plafond pratique sur la durée pendant laquelle l’expérience peut durer. Les auteurs ont également averti que leurs mesures n’excluent pas toutes les théories dans lesquelles le principe d’équivalence ne s’applique pas, car certaines de ces théories prédisent la même phase.
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L’équipe souhaite maintenant tester le principe d’équivalence dans des conditions plus générales, telles que « la même expérience dans un cadre tournant », a déclaré Vedral. « Plus intéressant encore, réaliser une expérience dans laquelle deux de ces systèmes sont superposés et peuvent s’influencer gravitationnellement » permettrait de tester davantage les résultats, a-t-il ajouté.
Cette dernière idée pointe vers l’une des questions ouvertes centrales du domaine. L’extension de la technique des atomes à des objets beaucoup plus lourds, tels que les nanodiamants, permettrait aux physiciens de se demander si la gravité elle-même suit les règles quantiques et ouvrirait la voie pour tester la conjecture – défendue par le co-auteur de l’étude et lauréat du prix Nobel Roger Penrose – selon laquelle la gravité est ce qui détruit les superpositions quantiques en premier lieu.
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