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Depuis les travaux d'Einstein, la gravité est interprétée comme une déformation de l'espace-temps provoquée par la masse. En parallèle, la mécanique quantique décrit les interactions à l'échelle subatomique via des quanta, tels que le photon pour la force électromagnétique. L'hypothèse d'un graviton, particule médiatrice de la gravité, demeure spéculative en raison des difficultés extrêmes de détection.
Crédit: TU Darmstadt
Dans les années 1950, Richard Feynman a imaginé une expérience de pensée où un objet, comme une pomme, est placé en superposition quantique, existant dans plusieurs états simultanément. Il estimait que si cet objet interagissait gravitationnellement avec un autre, cela démontrerait la nature quantique de la gravité. Cette proposition a longtemps orienté les recherches sur l'unification des théories.
Joseph Aziz et Richard Howl, de l'Université de Londres, ont récemment bouleversé cette conception. Leurs calculs indiquent que l'intrication quantique entre des objets peut survenir même si la gravité est classique, sans recours à des gravitons. Ils évoquent des processus virtuels de matière qui, en interagissant avec le champ gravitationnel, permettent cette intrication. Leur approche élargit les perspectives sur les interactions fondamentales.
Dans ce modèle, des particules virtuelles, bien qu'éphémères, jouent un rôle clé en facilitant l'intrication via la gravité classique. Autorisés par les principes quantiques, ces entités temporaires créent des corrélations entre les objets, simulant partiellement les effets d'une gravité quantique. Toutefois, l'intensité de ces corrélations est moindre, ce qui pourrait aider à distinguer les deux scénarios dans des expériences futures.
La mise en œuvre pratique de l'expérience de Feynman représente un enjeu technique considérable, car les états de superposition sont hautement sensibles à la décohérence. Des groupes de recherche au Royaume-Uni, en Autriche et ailleurs tentent de surmonter ces obstacles, mais les progrès sont lents. La faisabilité repose sur l'isolement des systèmes quantiques des perturbations externes, une tâche exigeante avec les technologies actuelles.
Les résultats d'Aziz et Howl, publiés dans Nature, offrent des pistes novatrices pour explorer les liens entre gravité et quantum. Bien qu'ils ne rejettent pas l'éventualité d'une gravité quantique, ils mettent en lumière des mécanismes alternatifs d'intrication, enrichissant le débat scientifique sur l'harmonisation des lois physiques.
La superposition quantique
La superposition quantique est un principe fondamental où une particule ou un système existe dans multiple états simultanément jusqu'à ce qu'une mesure soit effectuée. Cet état est décrit par une fonction d'onde, qui représente les probabilités des différentes configurations possibles. Par exemple, un électron peut avoir un spin à la fois 'haut' et 'bas', et ce n'est qu'au moment de l'observation que l'une des possibilités se réalise. Ce phénomène défie l'intuition classique, où les objets ont des propriétés bien définies à tout instant.
L'idée de superposition remonte aux débuts de la mécanique quantique, avec des expériences comme celle du chat de Schrödinger, qui illustre les paradoxes liés à cet état. Dans la pratique, les superpositions sont observées dans des systèmes isolés, tels que les atomes froids ou les circuits supraconducteurs. Elles permettent des applications comme l'informatique quantique, où les qubits exploitent cette propriété pour effectuer des calculs parallèles. Cependant, maintenir la superposition nécessite un environnement très contrôlé pour éviter la décohérence.
La décohérence se produit lorsque le système quantique interagit avec son environnement, provoquant l'effondrement de la fonction d'onde et la perte de la superposition. Ce processus explique pourquoi les objets macroscopiques, comme une pomme, ne semblent pas être dans des états superposés dans la vie quotidienne. Les physiciens travaillent à minimiser ces interactions dans les laboratoires, utilisant des techniques de refroidissement et d'isolement pour préserver les états quantiques plus longtemps.
Comprendre la superposition est essentiel pour avancer dans des domaines comme la cryptographie quantique et les senseurs ultra-précis. Elle ouvre la voie à de nouvelles technologies tout en posant des questions philosophiques sur la nature de la réalité. Les recherches continuent pour explorer les limites de ce phénomène et son rôle dans l'univers à différentes échelles.
Le rôle des particules virtuelles
Les particules virtuelles sont des entités conceptuelles en physique quantique qui apparaissent brièvement lors des interactions, sans avoir une existence permanente. Elles sont permises par le principe d'incertitude de Heisenberg, qui autorise des fluctuations d'énergie sur de très courtes durées. Dans le cadre de la théorie quantique des champs, ces particules médient les forces fondamentales, comme l'électromagnétisme, où des photons virtuels facilitent l'interaction entre charges électriques.
Contrairement aux particules réelles, les virtuelles ne peuvent être directement détectées, car elles n'obéissent pas aux lois de conservation de l'énergie et de la masse sur de longues périodes. Leur présence explique des phénomènes comme l'effet Casimir, où elles créent une force attractive entre deux plaques métalliques proches. Elles expliquent également certaines propriétés du vide quantique, qui n'est pas vide mais rempli de fluctuations permanentes.
Concernant la gravité, si elle était quantique, des gravitons virtuels seraient supposés médier l'interaction. Cependant, les travaux récents suggèrent que même avec une gravité classique, on peut retrouver des effets similaires à l'intrication. Ces particules virtuelles interagissent avec les champs quantiques des objets, créant des corrélations sans nécessiter de gravitons. Cela élargit les possibilités d'interaction dans un cadre non quantique.
L'étude des particules virtuelles aide à comprendre des aspects profonds de la physique, comme le rayonnement de Hawking ou la matière noire. Bien que conceptuelles, elles ont des implications pratiques dans le développement de nouvelles théories et technologies. Les recherches se poursuivent pour mieux cerner leur nature et leur influence sur l'univers observable.