Un groupe de physiciens, incluant le prix Nobel de la physique Sir Roger Penrose, a observé pour la première fois l'effet de la gravité sur un objet quantique en chute libre.

Le laboratoire européen pour la physique des particules explore l’interface des couches géologiques sur le tracé de son futur collisionneur.

C’est leur façon de peser sur le débat public, qui prendra fin le 1er octobre 2026. Plus de 70 élus de Haute-Savoie, de Savoie, de l’Ain, et même Suisses, viennent de cosigner une tribune, réclamant «...

C’est leur façon de peser sur le débat public, qui prendra fin le 1er octobre 2026. Plus de 70 élus de Haute-Savoie, de Savoie, de l’Ain, et même Suisses, viennent de cosigner une tribune, réclamant « davantage de transparence » sur les impacts du projet de futur collisionneur du Cern.

**Un groupe de physiciens, incluant le prix Nobel de la physique Sir Roger Penrose, a observé pour la première fois l’effet de la gravité sur un objet quantique en chute libre. Si l’expérience ne constitue pas en soi une démonstration de la réunification tant convoitée de la mécanique quantique et de la relativité générale, elle démontre qu’un principe fondamental de cette dernière reste compatible avec le comportement de la matière au niveau quantique.** La mécanique quantique et la relativité générale constituent depuis plus d’un siècle les deux principaux piliers de la physique. La mécanique quantique décrit le comportement de la matière à l’échelle des atomes et des autres objets microscopiques, tandis que la relativité générale décrit la gravité et la structure de l’espace-temps. Les physiciens ignorent cependant encore comment les deux théories coexistent et s’articulent entre elles, qui ont notamment résisté à toute tentative de conciliation. La relativité générale permet notamment de décrire la gravité dans différents référentiels. Ainsi, pour tenter de concilier les principes de la relativité générale avec ceux de la mécanique quantique, il est essentiel de comprendre le phénomène de chute libre et le principe d’équivalence dans le domaine quantique, selon une nouvelle étude publiée le 3 septembre dans la revue _Science Advances._ « _Cet article est unique en ce sens qu’il associe une expérience rigoureuse à une interprétation théorique de grande portée concernant l’une des questions les plus fondamentales de la physique : comment unifier la gravité (décrite par la théorie de la relativité d’Einstein) et la théorie quantique en une seule compréhension de l’univers ?_ », explique dans un communiqué de l’Université d’Oxford, Ron Folman de l’Université Ben-Gourion du Néguev, le coauteur principal de l’étude. L’étude propose notamment une expérience visant à observer les modifications des propriétés quantiques des atomes en chute libre, et donc soumis à la gravité. « _Ces deux piliers de la physique moderne ont jusqu’à présent résisté à toutes les tentatives d’unification théorique, mais cette expérience complexe apporte de nouveaux éléments de réponse quant à la manière dont une telle unification pourrait être réalisée._ » ## Le principe d’Einstein mis à l’épreuve du monde quantique Le principe de l’équivalence, le concept reposant sur l’égalité de la masse inertielle (résistant au mouvement) et de la masse gravitationnelle (subissant la gravité), stipule que pour un observateur en chute libre, les effets locaux de la gravité peuvent être éliminés. Ainsi, par exemple, une personne en chute libre dans un ascenseur en mouvement ressentirait de l’apesanteur. Cependant, si ce principe a déjà été testé avec une très grande précision sur de la matière ordinaire, il restait difficile à éprouver expérimentalement avec des objets quantiques. Ces derniers peuvent en effet se comporter à la fois comme des ondes se propageant selon plusieurs trajectoires et comme des particules. Pour effectuer leur expérience, Folman et ses collègues ont utilisé un interféromètre quantique de Galilée, un dispositif permettant de scinder en deux l’onde quantique associée à un atome et d’en immobiliser une partie tout en laissant l’autre se propager librement. L’interféromètre réunit ensuite les deux composantes de l’onde pour observer comment la gravité influence la trajectoire de l’onde. ## Deux trajectoires pour une même onde Les chercheurs ont utilisé des nuages d’atomes de rubidium refroidis à des températures proches du zéro absolu, contrôlés près de la surface d’une puce atomique spécialement conçue pour l’expérience. Des impulsions micro-ondes ont été utilisées pour placer les atomes dans un état de superposition quantique, leur permettant ainsi de se déplacer simultanément selon deux trajectoires différentes. La puce atomique utilisée lors de l’expérience. Dans l’expérience, la puce était placée à l’envers et les atomes manipulés juste en dessous. © Université Ben-Gourion du Néguev La puce comportait des microfils électriques générant des champs magnétiques contrôlés. Une partie de l’onde atomique a été soumise à l’action de ce champ magnétique, permettant ainsi d’appliquer une force ascendante qui compensait avec précision l’attraction gravitationnelle. De ce fait, cette partie de l’onde était maintenue stationnaire par rapport au laboratoire. En revanche, l’autre partie était poussée vers le haut au moyen d’une impulsion magnétique contrôlée, puis basculée dans un état presque insensible au champ magnétique afin qu’elle puisse tomber en chute libre sous l’effet de la gravité. L’onde suivrait ainsi une trajectoire balistique, semblable à celle d’une balle lancée en l’air, selon les chercheurs. Puis, à la fin de la chute, une autre impulsion magnétique contrôlée a été utilisée pour réunir les deux parties de l’onde, qui ont alors interféré. Cette interférence a permis aux chercheurs de mesurer l’infime différence de phase quantique accumulée pendant la chute de l’une et l’immobilité de l’autre. D’après les chercheurs, la phase mesurée est conforme à celle prédite lorsque le principe d’équivalence d’Einstein est appliqué à cette onde quantique. Si des expériences antérieures ont déjà étudié les effets de la gravité sur les particules quantiques, celle de la nouvelle étude serait la première à mesurer directement la phase quantique prédite d’un objet en chute libre. « _Nous ne disposons d’aucune théorie cohérente expliquant pourquoi la physique quantique devrait échouer. Cette expérience pousse la mécanique quantique vers l’une de ses frontières les plus fascinantes, la gravité, et montre que, une fois de plus, ses prédictions se vérifient_ », affirme Vlatko Vedral du Département de physique de l’Université d’Oxford, également co-auteur de l’étude. Vue d’ensemble du dispositif expérimental. Au cœur du dispositif se trouve une chambre à vide où des conditions similaires à celles de l’espace permettent de maintenir les atomes immobiles. À gauche, un piège magnéto-optique bidimensionnel (MOT 2D) alimente la chambre scientifique en atomes, où est positionnée la puce atomique. Autour de la chambre se trouvent des antennes, des bobines et des fibres optiques, permettant de piéger et de refroidir les atomes, puis de les diriger vers deux trajectoires distinctes. Enfin, la phase relative entre les deux trajectoires est détectée. © Or Dobkowski À noter toutefois que les résultats de l’étude ne permettent pas de concilier ou d’unifier la mécanique quantique et la relativité générale, ni ne permettent de démontrer l’existence de la gravité quantique, ont précisé les physiciens. Ils permettent plutôt de prouver que le principe d’équivalence d’Einstein reste compatible avec la mécanique quantique dans le régime étudié. L’expérience ne vise pas non plus à remettre en question l’hypothèse de Penrose selon laquelle la mécanique quantique pourrait être mise en défaut pour des objets suffisamment massifs maintenus en superposition quantique pendant une durée suffisamment longue. L’équipe espère néanmoins utiliser cette technique dans de futures expériences avec des objets beaucoup plus lourds, notamment des nanodiamants. ##### Source : Science Advances

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