Une théorie unifiée du tout est le Saint Graal de la physique, mais la gravité refuse d’en faire partie. Aujourd'hui, une théorie récemment proposée tente d'unifier la théorie de la gravité d'Einstein avec la mécanique quantique et, plus important encore, propose un moyen de la tester expérimentalement.
Au cours du siècle dernier, la physique quantique a accompli un travail remarquable en décrivant le monde microscopique des particules et des atomes. Il couvre trois des quatre forces fondamentales de l'univers : la force électromagnétique, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible. Mais malgré le travail de certains des esprits les plus brillants, les scientifiques ne parviennent tout simplement pas à introduire le quatrième pilier : la gravité.
À ce jour, le modèle le plus précis pour décrire la gravité est la théorie de la relativité générale d’Einstein. La théorie affirme que la force gravitationnelle que nous ressentons et observons est un effet secondaire de la structure de l’espace-temps et de la masse qui y repose. Pensez-y comme à un tapis de trampoline avec une boule de bowling posée dessus : le poids de la balle crée une dépression dans le tapis. Dans l'univers, le « tapis » est l'espace-temps, et la « boule de bowling » est constituée de corps célestes massifs tels que les étoiles. Si vous placez une balle plus petite sur un tapis, elle roulera le long des empreintes vers la balle plus grosse, de la même manière que nous ressentons la gravité. Ou, si vous faites rouler une balle de tennis assez vite, elle roulera autour de cette dépression de la même manière que la Terre tourne autour du soleil.
Au cours des 100 dernières années, cette théorie de la gravité a résisté à pratiquement tous les tests que les scientifiques ont mis à l’épreuve. D’ailleurs, de nouvelles découvertes continuent de confirmer ses prédictions, comme la détection d’ondes gravitationnelles en 2015.
Le problème est que cette histoire ne cadre pas bien avec les trois autres forces fondamentales. Chacune des forces fondamentales peut être décrite de manière assez succincte à l’aide de la mécanique quantique, avec des interactions médiées par des particules porteuses de force spécifiques. Par exemple, les photons sont les particules porteuses de la force électromagnétique. Par conséquent, les scientifiques ont étudié la théorie de la « gravité quantique » et recherché ses particules porteuses postulées (appelées « gravitons »), mais jusqu'à présent, toutes les expériences n'ont rien trouvé.
L'espace-temps lui-même doit également être « quantifié » ou décomposé en ses éléments constitutifs. C’est exactement ce que fait la fameuse théorie des cordes, tout comme la gravité quantique à boucles, qui est actuellement considérée comme la principale. Mais encore une fois, aucun des deux concepts ne semble aussi bien correspondre que la théorie d’Einstein.
Le professeur Jonathan Oppenheim de l'University College London (UCL) adopte le point de vue opposé dans une nouvelle étude : il propose que l'espace-temps suit après tout la physique classique et que c'est la théorie quantique qui doit être modifiée. Il appelle cela une « théorie post-quantique de la gravité classique ».
Essentiellement, Oppenheim a couplé des systèmes classiques et quantiques, préservant chaque système. Ainsi, par exemple, les systèmes classiques sont toujours protégés contre les signaux plus rapides que la lumière, tandis que le principe d'incertitude n'est toujours pas violé dans les systèmes quantiques. Einstein aimait que tout soit déterministe – c'est-à-dire que si vous disposez de suffisamment d'informations sur un système, vous pouvez utiliser son état actuel pour déduire n'importe quel état particulier dans son passé ou son futur. Ce n'est pas le cas avec la théorie hybride d'Oppenheim : vous ne pouvez calculer que la probabilité qu'un état particulier se produise dans le futur.
La théorie prédit des choses intéressantes qui pourraient offenser de nombreux physiciens. Par exemple, l’étude a révélé que les trous noirs peuvent détruire l’information quantique – ce qui est considéré comme impossible dans la théorie quantique et pourrait suffire à certains pour rejeter purement et simplement la théorie dans son ensemble.
Mais surtout, nous disposons de moyens de tester cette théorie post-quantique de la gravité classique. Si l’espace-temps était classique, il fluctuerait de manière aléatoire, entraînant une légère modification de la masse des objets au fil du temps. L'équipe suggère une expérience dans laquelle des mesures très précises d'un objet - comme le prototype international du kilogramme - pourraient révéler si l'espace-temps est classique ou quantique.
Zach Weller-Davies, co-auteur de l'étude, a déclaré : « Dans la gravité quantique et classique, l'espace-temps doit fluctuer de manière extravagante et aléatoire autour de nous, mais les fluctuations sont sur une échelle que nous ne pouvons pas encore détecter. Mais si l'espace-temps est classique, alors les fluctuations doivent être plus grandes qu'une certaine échelle, et cette échelle peut être déterminée par une autre expérience.
La nouvelle théorie ne sera probablement pas largement acceptée immédiatement, voire pas du tout, mais elle offre au moins une nouvelle façon intéressante de penser la gravité et l’espace-temps. Ces expériences pourraient bientôt l’exclure, l’ajoutant au vaste cimetière d’idées scientifiques étranges de l’histoire – ou bien elles pourraient prouver qu’elle est aussi fondamentale que la théorie d’Einstein.
La recherche a été publiée dans deux articles, l’un dans Physical Review X et l’autre dans Nature Communications.