Résumé :
Pourquoi les atomes et les particules élémentaires peuvent-ils présenter d'étranges comportements quantiques, alors que les objets macroscopiques avec lesquels nous interagissons quotidiennement suivent des lois physiques classiques familières ? Les physiciens tentent depuis longtemps de résoudre ce mystère. Récemment, une nouvelle étude menée dans un laboratoire souterrain en Italie a testé rigoureusement une théorie proposée dans les années 1960. Les chercheurs ont mesuré en continu pendant 62 jours mais n’ont pas trouvé le faible signal de rayonnement prédit par la théorie, excluant ainsi ce modèle spécifique comme explication du mécanisme de disparition des phénomènes quantiques.
Cette recherche a été réalisée par des chercheurs concernés de l'Institut national italien de physique nucléaire, et les résultats de la recherche ont été publiés dans le « New Journal of Physics » le 19 juin 2026. L'article est intitulé « Exclusion expérimentale d'un modèle généralisé de décohérence induite par la gravité de Karoi-Hazy ». Les résultats de la recherche ne signifient pas qu’il n’y a aucun lien entre la gravité et la mécanique quantique, mais ils éliminent une voie théorique qui a attiré l’attention de la communauté physique afin de comprendre pourquoi le monde macroscopique ne présente pas d’effets quantiques évidents.
La recherche porte sur l'une des expériences de pensée les plus célèbres de la physique quantique : le chat de Schrödinger.
En 1935, le physicien autrichien Erwin Schrödinger a proposé une expérience de pensée : placer un chat dans une boîte fermée contenant des atomes radioactifs, des dispositifs à gaz toxiques, etc. Si les atomes se désintègrent, l'appareil libère un gaz toxique et le chat meurt ; si les atomes ne se désintègrent pas, le chat survit. Selon la description de l'ensemble du système par la mécanique quantique, le système peut être dans une superposition quantique de différents états avant que la mesure n'ait lieu, ce qui entraîne le fameux paradoxe d'un chat à la fois vivant et mort.
Schrödinger a proposé cette expérience de pensée non pas pour affirmer que les chats peuvent réellement vivre et mourir en même temps au sens quotidien du terme, mais pour révéler les problèmes profonds rencontrés lorsque la théorie quantique est appliquée au monde macroscopique.
Dans le monde microscopique, les particules peuvent se trouver dans une superposition de plusieurs états possibles et présenter des caractéristiques quantiques telles que l'interférence. Cependant, les objets de la vie quotidienne ne présentent pas le même phénomène évident. Les physiciens qualifient de « décohérence » le processus par lequel les caractéristiques d’interférence quantique deviennent de plus en plus difficiles à observer après qu’un système quantique interagit avec son environnement.
Les interactions environnementales peuvent expliquer pourquoi de nombreux objets macroscopiques semblent suivre les lois de la physique classique, mais quelle est la relation entre la mécanique quantique et la gravité, et si la gravité détruit également activement la superposition quantique, restent des questions ouvertes en physique fondamentale.
Dans les années 1960, le physicien théoricien hongrois Frijesh Karojhazy a proposé une théorie tentant d'expliquer ce problème. Il pense qu'il peut y avoir des fluctuations extrêmement faibles dans l'espace et le temps qui ne peuvent être complètement évitées, et que ces fluctuations peuvent progressivement détruire l'état de superposition du système quantique, rendant difficile pour les grands objets de continuer à présenter un comportement quantique.
Cette ligne de pensée tente d'établir un lien entre la mécanique quantique et la théorie de la relativité générale d'Einstein. La relativité générale décrit la gravité comme le résultat de la courbure de l'espace-temps, et la théorie de Karoljhazy va plus loin en imaginant qu'il puisse y avoir de minuscules incertitudes dans l'espace-temps lui-même, qui pourraient affecter l'évolution des systèmes quantiques.
Des décennies après que cette théorie ait été proposée, des chercheurs concernés l'ont reformulée et améliorée pour soumettre ses prédictions à des tests expérimentaux plus rigoureux. Les chercheurs espèrent déterminer expérimentalement si les fluctuations hypothétiques de l’espace-temps affectent réellement la matière de manière mesurable.
Le problème est que les fluctuations spatio-temporelles envisagées par la théorie sont extrêmement faibles et ne peuvent pas être mesurées directement et systématiquement. Cependant, si ces fluctuations existent et peuvent accélérer de manière aléatoire des particules chargées, celles-ci devraient alors produire un rayonnement électromagnétique extrêmement faible.
En d'autres termes, les chercheurs n'ont pas besoin d'observer directement l'espace-temps lui-même, mais simplement de rechercher les signaux de rayonnement prédits par la théorie, ce qui leur donne l'occasion de tester le modèle. Si le signal existe, il viendra étayer la théorie ; si la sensibilité expérimentale est suffisamment élevée mais que le signal attendu n’est jamais trouvé, les chercheurs peuvent limiter, voire exclure les paramètres et modèles théoriques correspondants.
Pour mener à bien cette expérience, l'équipe de recherche a choisi le Laboratoire national du Gran Sasso en Italie. Le laboratoire est situé à environ 1,4 kilomètres sous terre dans les montagnes du Gran Sasso et est l'un des plus grands laboratoires souterrains de recherche en physique fondamentale au monde.
Les formations rocheuses souterraines peuvent protéger une grande quantité de rayons cosmiques et d'autres rayonnements de fond, réduisant ainsi les interférences externes. Cette protection naturelle est importante lors de la recherche de signaux extrêmement faibles, car le rayonnement de l'environnement peut être bien plus puissant que le signal cible que les chercheurs espèrent capturer.
Dans cette expérience, les chercheurs ont utilisé un cristal de germanium de haute pureté comme composant central du détecteur, qui a à peu près la taille d'une tasse de café. Une structure de blindage multicouche en cuivre et plomb est également installée à l'extérieur du détecteur pour réduire davantage l'impact du rayonnement de fond.
L'équipe de recherche a collecté des données pendant 62 jours consécutifs, puis a analysé et soustrait le rayonnement de fond attendu des résultats de mesure, puis a vérifié si les données restantes contenaient le signal de rayonnement spécifique prédit par le modèle Karoljhazy.
En fin de compte, les chercheurs n'ont trouvé aucun signal correspondant aux prédictions du modèle.
Ce résultat signifie que le modèle de décohérence induite par la gravité de Karoyhazy, testé expérimentalement, ne peut pas être étayé par les résultats d'observation. Les chercheurs ont ainsi exclu cette version particulière de la théorie, imposant ainsi de nouvelles contraintes aux études futures tentant d’expliquer la relation entre la décohérence quantique et la gravité.
Catarina Curceanu, membre de l'équipe de recherche et directrice de recherche au Laboratoire national Frascati de l'Institut national italien de physique nucléaire, a souligné que l'absence du signal attendu est en soi un résultat scientifique important. En excluant un modèle représentatif et établi de longue date de décohérence induite par la gravité, les chercheurs pourraient affiner davantage leur recherche du mécanisme physique pertinent.
Cependant, cette étude ne prouve pas que la gravité ne pourra jamais affecter les systèmes quantiques, ni ne résout le problème plus vaste de la manière d'unifier la mécanique quantique et la relativité générale.
Différentes théories peuvent lier la gravité à la décohérence quantique par le biais d'autres mécanismes, et la véracité de ces mécanismes nécessite encore une vérification expérimentale plus approfondie. Ce que cette expérience a pu exclure, ce sont des modèles spécifiques qui ont été testés, et non toutes les idées sur la façon dont la gravité affecte le comportement quantique.
L'importance de la recherche réside également dans le fait qu'elle montre le processus des théories physiques fondamentales passant progressivement de la déduction mathématique à des tests expérimentaux précis. Dans le passé, certaines théories impliquant la structure de l’espace-temps et la gravité quantique reposaient principalement sur l’analyse mathématique et la recherche conceptuelle, ce qui rendait difficile la conception d’expériences capables de tester directement leurs prédictions. À mesure que la sensibilité des détecteurs continue de s’améliorer, certaines théories ont commencé à produire des prédictions concrètes qui peuvent être testées par rapport à des données expérimentales.
Les réflexions de Karoyhazy impliquent également une autre question importante : les humains peuvent-ils mesurer les distances et les positions dans l'espace et le temps avec une précision infinie ?
Dans le cadre de la physique classique, on peut généralement envisager de mesurer la position des objets avec une précision croissante. Cependant, dans les recherches théoriques visant à unifier la mécanique quantique et la gravité, la question de savoir si l’espace-temps possède encore des propriétés continues pouvant être mesurées avec une précision infinie à des échelles extrêmement petites a toujours attiré beaucoup d’attention. Certaines lignes de recherche sur la gravité quantique, notamment la théorie des cordes et la gravité quantique en boucle, impliquent de re-comprendre la structure de l'espace-temps à des échelles extrêmement petites, mais différentes théories traitent cette question différemment.
Le physicien quantique Christian Pischia, qui a participé à l'expérience, a souligné que de nombreuses idées dans la recherche sur la gravité quantique impliquent le concept d'échelles de longueur minimales liées à l'incertitude des mesures spatio-temporelles. Cependant, cette expérience ne prouve pas si la longueur minimale existe réellement, mais limite plutôt un modèle spécifique qui tente de lier l'incertitude spatio-temporelle à la décohérence quantique.
Les chercheurs pensent que les expériences de précision deviennent progressivement capables de tester certaines hypothèses physiques qui sont longtemps restées au stade de la spéculation théorique. À mesure que la technologie expérimentale se développe, les scientifiques devraient être capables de juger de manière plus rigoureuse quelles théories peuvent décrire le monde réel et quelles théories doivent être révisées ou abandonnées.
Du chat de Schrödinger aux fluctuations de l'espace-temps en passant par la gravité quantique, cette recherche ne révèle pas directement tous les secrets de la raison pour laquelle le monde macroscopique présente les lois de la physique classique, mais elle élimine une théorie que l'on pensait autrefois pouvoir expliquer ce phénomène. Il rappelle que la valeur des théories scientifiques réside non seulement dans leur capacité à proposer des explications convaincantes, mais également dans leur capacité à formuler des prédictions claires et testables qui peuvent être testées par des résultats expérimentaux.
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