Une nouvelle approche pour tester directement la gravité quantique

Paul M. Sutter est astrophysicien à SUNY Stony Brook et le Flatiron Institute, hôte de Demandez à un Spaceman et Radio spatiale, et auteur de Comment mourir dans l’espace. Il a contribué cet article à 45secondes.fr’s Voix d’experts: opinions et idées.

C’est le rêve ultime de la physique moderne, de réaliser ce que des générations de scientifiques n’ont pas réussi à faire depuis 100 ans: concocter une théorie quantique de la gravité.

Mais toute théorie devra faire face à des tests d’observation, et les tests d’observation de la gravité quantique sont difficiles à trouver, en raison des énergies incroyables nécessaires. Mais une équipe de physiciens a proposé une solution intelligente: affiner une technique séculaire, et l’utiliser pour sonder les plus petites échelles de l’univers.

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Mettre un tour dessus

En 1922, à l’époque glorieuse de l’élargissement de notre vision du monde quantique, Otto Stern et Walther Gerlach ont rapporté une nouvelle découverte passionnante qui a ébranlé les fondements de la physique. C’était une configuration assez simple: tirer des atomes avec une charge électrique globale (par exemple, des ions d’argent, mais à peu près tout fera l’affaire) dans un tube. Autour du tube se trouve une configuration particulière d’aimants de sorte que le champ magnétique dans le tube n’est pas parfaitement uniforme – il est plus fort en bas qu’en haut.

Si nous prétendons un instant que les atomes sont de minuscules petites boules de charge électrique en rotation, alors ces charges en rotation interagiront avec le champ magnétique. En fonction de la direction dans laquelle leurs spins pointent, le mince faisceau d’atomes devrait se répandre dans toutes sortes de directions. C’est l’électrodynamique de base.

Mais ils ne le font pas. Au lieu de cela, les ions d’argent se divisent en deux groupes uniformes. Un groupe est dévié vers le haut et l’autre est dévié vers le bas. Vous pouvez toujours considérer les atomes comme de minuscules petites boules de charge électrique en rotation, mais cette rotation ne pointe dans aucune direction aléatoire. Selon l’expérience de Stern-Gerlach, il n’y a que deux directions possibles pour la rotation: tout en haut ou en bas.

C’était l’introduction mondiale à spin quantique, qui est maintenant une pierre angulaire de notre compréhension des particules fondamentales. Cela a également complètement accéléré notre compréhension du monde quantique: sans une compréhension quantique complète du monde subatomique, vous ne pourriez pas expliquer les résultats de l’expérience de Stern-Gerlach.

Chemin de croisement

Et une compréhension quantique complète du monde subatomique est assez dingue. Lorsque vous tirez les ions d’argent dans le tube, ils ne savent pas exactement quelle rotation ils vont avoir – s’ils vont pointer vers le haut ou vers le bas. Au lieu de cela, dans la langue de mécanique quantique, on dit qu’ils existent dans une superposition d’états jusqu’à ce qu’ils soient observés (c’est-à-dire qu’ils frappent le mur à l’extrémité du tube). Les ions argent sont à la fois spin-up et spin-down, jusqu’à ce qu’ils fassent un « choix » lorsque l’expérience est menée.

Cela semble fou, mais les calculs tiennent le coup. En utilisant ce langage de superposition et de probabilités, les physiciens sont capables de faire des prédictions sur le comportement du monde subatomique.

La propriété ondulatoire de la matière ajoute à l’étrangeté. Il s’avère que vous pouvez utiliser les équations qui régissent le mouvement des vagues pour décrire le comportement de ces probabilités. En d’autres termes, les mathématiques développées à l’origine pour comprendre comment les vagues de l’océan se balançaient d’avant en arrière étaient parfaitement adaptées pour décrire comment une particule subatomique «déciderait» entre être spin-up ou spin-down.

Non, cela n’a aucun sens. Et oui, cela fonctionne totalement.

Nous pouvons profiter de cette propriété ondulatoire de la matière pour explorer encore plus profondément le monde quantique. Par exemple, les ondes peuvent interférer les unes avec les autres, soit en amplifiant (comme ce son de retour horrible lorsque vous approchez un microphone trop près d’un haut-parleur), soit en s’annulant (comme les écouteurs à réduction de bruit que vous utilisez pour obtenir un œil-de-biche bien nécessaire). sur les vols intercontinentaux).

J’ai utilisé des ondes sonores dans mes exemples, mais vous pourriez tout aussi facilement interférer avec les ondes d’eau, les ondes lumineuses et les ondes de matière.

Les chercheurs des années 1960 ont réalisé qu’ils pouvaient utiliser une configuration Stern-Gerlach pour construire un système où les ondes quantiques de spin pourraient interférer les unes avec les autres, permettant des mesures ultra-précises. Mais la configuration a été jugée peu pratique – vous auriez besoin d’un contrôle extrêmement exquis sur les champs magnétiques pour que la configuration fonctionne.

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Dans le royaume quantique

Mais ce n’est plus les années 1960, et une équipe de physiciens a pu faire interférer des ondes quantiques de spin, comme détaillé dans un article récemment paru dans le journal de pré-impression arXiv.

Cela fonctionne comme ça. D’abord, vous prenez des atomes et vous les refroidissez. Cela les rend plus faciles à manipuler. Ensuite, vous les envoyez dans une puce atomique, qui est un dispositif expérimental pour piéger et contrôler le flux d’atomes. Vous les soumettez ensuite à un champ magnétique, où la nature ondulatoire de leur spin quantique sort – les atomes sont maintenant dans un superposition des états de spin. Vous divisez le faisceau d’atomes, de sorte que différents atomes suivent des chemins différents, puis vous les recombinez.

Selon la façon dont vous ajustez les longueurs des deux chemins, vous pouvez obtenir des interférences constructives ou destructives. Parce que nous avons affaire à des pirouettes, soit vous obtenez un grand nombre d’un tour ou l’autre, soit un mélange uniforme où tout se résout.

Cette configuration vous permet de mesurer des différences extrêmement minimes. Si quelque chose change la longueur des chemins, ou si quelque chose perturbe la nature de rotation des atomes, vous pouvez regarder l’interférence qui en résulte se déployer.

Les physiciens n’ont pas encore mené d’expérimentation avec cet appareil – ils ont passé des années à faire fonctionner la chose. Mais maintenant que cela fonctionne, ils peuvent étudier une variété de processus physiques et éventuellement ouvrir la porte à gravité quantique.

Nous n’avons pas de théorie entièrement quantique de la gravité, qui est nécessaire pour expliquer la forte gravité à petites échelles. Mais ce type d’interféromètre de spin peut nous aider, car c’est un appareil facile à construire qui sonde directement le monde quantique. Par exemple, vous pouvez placer un objet massif (relativement parlant) à côté de l’un des chemins et utiliser le résultat de l’interférence pour mesurer la force de gravité à des échelles extrêmement minuscules. Comme autre exemple, l’interféromètre de spin pourrait être utilisé comme un minuscule onde gravitationnelle détecteur (car les ondulations dans l’espace-temps modifieraient les longueurs des trajets), fonctionnant à des fréquences très différentes de celles de la génération actuelle de détecteurs.

Quoi qu’il se passe dans le monde quantique, l’expérience Stern-Gerlach a été l’une des premières à le rendre accessible. Cet appareil, développé près d’un siècle plus tard, pourrait être la clé pour creuser encore plus profondément.

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