La contradiction au c?ur de la physique
La mécanique quantique décrit ce qui tient le monde ensemble dans l'infiniment petit. La théorie de la relativité explique le monde à l'échelle cosmique. Le problème : les deux ne sont pas compatibles entre elles et une image unifiant le tout n'est pas en vue.
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![Sculpture posée sur un socle en marbre. Les courbures entourent un petit globe placé au centre.](/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2023/09/globe-widerspruch-im-herzen-der-physik/_jcr_content/articleLeadImage/image.imageformat.carousel.562569036.jpg)
Des lasers, microscopes électroniques et horloges atomiques à l'électronique moderne et ses semi-conducteurs en passant par les procédés d'imagerie médicale : sans la mécanique quantique, de nombreuses technologies seraient aujourd'hui impensables. Peu d'autres théories scientifiques ont été confirmées aussi souvent et avec autant de précision depuis leur fondation il y a 100 ans. Trois des quatre forces fondamentales de la physique qui maintiennent la cohésion du monde en miniature reposent sur des concepts de la physique quantique : l'électromagnétisme, responsable de phénomènes quotidiens tels que la lumière, l'électricité et le magnétisme, la force nucléaire forte, qui maintient les atomes ensemble, et la force nucléaire faible, qui provoque la désintégration radioactive des noyaux atomiques.
La quatrième force fondamentale de la physique, celle qui assure la cohésion de notre univers et explique le comportement des planètes, reste pourtant à ce jour une énigme pour la mécanique quantique : la gravitation. Autant la mécanique quantique explique bien l'interaction des particules à l'échelle microscopique, autant elle se heurte à ses limites lorsqu'il s'agit d'objets plus grands soumis à la gravité. "Malgré les nombreuses tentatives de sommités telles qu'Albert Einstein, Richard Feynman ou Stephen Hawking, on n'a pas encore réussi à expliquer la gravitation par la physique quantique", explique Renato Renner, professeur de physique théorique à l'ETH Zurich. Dans le monde macroscopique, une théorie qui, à l'instar de la mécanique quantique, a été confirmée par de nombreuses expériences depuis plus de 100 ans, reste valable : la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein. Sans elle, ni nos GPS ni nos horloges ne fonctionneraient avec précision.
Tout va bien au royaume de la physique, pourrait-on penser. Mais c'est loin d'être le cas : car la description du tout petit ne correspond pas à l'image du tout grand. "La théorie de la relativité générale n'est pas compatible avec les principes de la mécanique quantique", explique Renner. C'est pourquoi de nombreux physiciens rêvent depuis des décennies de réunir les deux théories en une image unifiée du monde physique. En vain jusqu'à présent.
Courbure de l'espace-temps
En 1915, Albert Einstein publie sa théorie de la relativité générale, ébranlant ainsi notre vision traditionnelle du monde. Contrairement à Isaac Newton près de 200 ans avant lui, il ne décrit plus la gravitation comme une force dépendant de la masse et de la distance entre deux planètes, mais introduit un nouveau concept dans la physique : l'espace-temps. "Einstein fusionne l'espace tridimensionnel que nous connaissons avec le temps en une entité mathématique quadridimensionnelle. Il explique la gravitation géométriquement par la courbure de l'espace-temps", explique le professeur Renner de l'ETH.
Selon cette image, les objets lourds comme les planètes créent des creux dans l'espace-temps. La géométrie de ces derniers détermine à son tour la manière dont les objets s'y déplacent. Pour simplifier, l'espace-temps est comme un trampoline sur lequel une balle lourde crée une bosse. Si l'on place une balle de tennis sur le bord, elle roule vers le bas de la courbe en direction de la boule lourde. Le concept d'espace-temps permet par exemple d'expliquer pourquoi les horloges tournent plus vite dans un avion que sur la Terre. De même, l'orbite particulière de la planète Mercure autour du Soleil n'est soudain plus un mystère gr?ce à la théorie d'Einstein.
Le flou du monde quantique
A peu près en même temps qu'Einstein, des physiciens comme Werner Heisenberg, Niels Bohr ou Erwin Schr?dinger bouleversent notre vision du monde à petite échelle. Là où les électrons, les protons et d'autres particules élémentaires sont constamment en mouvement, s'attirant et se repoussant, règnent leurs propres lois. Alors que les formules d'Einstein nous permettent de calculer les orbites des planètes avec autant de précision que si elles tournaient autour du soleil sur des rails, cette unicité ne s'applique plus aux objets du monde quantique. Dans le microcosme des atomes et des particules, de telles trajectoires n'existent pas, et des affirmations probabilistes remplacent le déterminisme de la physique classique. "Un électron ou un proton peut se trouver à plusieurs endroits en même temps. Ce n'est que lorsque nous le mesurons qu'il a un lieu précis. Pour celui-ci, nous ne pouvons plus déterminer au préalable qu'une distribution de probabilité", explique la professeure de l'ETH Anna Soter, qui fait de la recherche à l'Institut de physique des particules.
De telles imprécisions ne sont toutefois pas prévues dans la théorie de la relativité générale. En effet, si une particule se trouve simultanément à plusieurs endroits, il n'est plus possible de calculer où elle crée la bosse dans l'espace-temps. Et le fait que même les plus petits objets courbent l'espace-temps et influencent ainsi la gravitation est considéré comme indiscutable. Après tout, ils ont une masse, tout comme les objets plus grands. Comme la Terre est en fin de compte constituée de particules, de nombreux physiciens pensent que la théorie de la relativité générale devrait être intégrée à la mécanique quantique. Mais à ce jour, on ne sait toujours pas comment la gravitation peut résulter de ces particules et de leurs mouvements flous.
Scientifica 2023
- De la tentative de réunir le plus grand et le plus petit.page externeCourt cours magistral. Renato Renner, physique théorique, ETH..
- Une danse de la lumière et de la matière.page externeCourte conférence. Martin Frimmer, Photonics Laboratory, ETH.
- Mission Nano-MRI.page externeCourte conférence. Alexander Eichler, Institut de physique des solides, ETH..
- Un ordinateur composé de particules de lumière et de son.page externeStand d'exposition. Systèmes quantiques hybrides, ETH.
La gravitation comme information
Il existe un certain nombre de théories qui tentent d'expliquer la gravitation par la physique quantique. Il s'agit notamment de la théorie des cordes ou de la gravitation quantique à boucles. Une approche plus récente, suivie par la chaire du professeur de l'ETH Renato Renner, s'appelle "It from Qubit". Elle repose sur l'hypothèse selon laquelle les propriétés de l'espace-temps peuvent être décrites par des bribes d'informations imbriquées les unes dans les autres, appelées qubits. Il ne s'agit plus de géométrie pure, comme dans la théorie de la relativité d'Einstein, mais de la somme d'interconnexions.
"Contrairement aux théories existantes, nous laissons ouverte la question de savoir de quoi sont faits les qubits. Ce qui est déterminant, c'est plut?t la manière dont ils sont liés entre eux. Les qubits enchevêtrés correspondent à l'espace-temps courbe dans le monde macroscopique", explique Renner. Pour le physicien, la recherche de la gravitation quantique consiste avant tout à trouver les modèles d'enchevêtrement appropriés des qubits. Pour illustrer cela, nous pouvons nous représenter l'espace-temps comme le tissu tendu sur le trampoline, dont chaque fibre représente une relation entre les qubits. Le fait que cette approche soit à prendre au sérieux est surtout démontré par le fait qu'elle aboutit aux mêmes résultats que d'autres théories pour des grandeurs théoriques comme l'entropie du rayonnement des trous noirs.
Nouvelles expériences
Pour la physicienne expérimentale Anna Soter, les grandes théories ne manquent pas aujourd'hui. Mais ce qui manque, ce sont des expériences qui apportent de nouveaux éclairages sur la gravitation des plus petites particules. Car ni "It from Qubit" ni d'autres théories ne peuvent aujourd'hui être directement vérifiées expérimentalement.
Dans ses propres recherches, Soter emprunte donc une autre voie. Lorsque les physiciens argumentent que les particules ont une masse et devraient donc courber l'espace-temps, ils partent du principe que la masse inerte des particules qui s'entrechoquent correspond à leur masse lourde. Alors que la masse inerte décrit dans quelle mesure un objet résiste à un changement de mouvement, la masse lourde est une mesure de la force gravitationnelle d'un objet. L'hypothèse selon laquelle il n'y a pas de différence entre les deux est un élément central de la théorie de la relativité générale et est connue sous le nom de principe d'équivalence.
Mais pour Soter, dans le monde quantique, cela est encore loin d'être prouvé : "Alors que nous pouvons mesurer la masse inerte des atomes, personne n'a encore vu tomber une particule élémentaire composée uniquement de leptons et donc non déterminée par la force nucléaire forte", explique la professeure de l'ETH. Cela devrait bient?t changer. Soter veut observer si un jet horizontal d'atomes de myonium est tiré vers le bas par la gravitation de la même manière que l'eau qui jaillit d'un tuyau d'arrosage. Si c'est le cas, il y aurait un indice de plus pour expliquer pourquoi il faudrait unifier la mécanique quantique et la théorie de la relativité générale. "Mais si nous trouvons une anomalie et que l'atome de myonium ne tombe pas comme prévu, nous aurons un gros problème", explique la physicienne. Ce serait une petite sensation dans le monde de la physique des particules. Ce ne serait pas la première fois qu'une expérience nous inciterait à repenser notre vision du monde physique.
Vers les personnes
Renato Renner est professeur de physique théorique au Département de physique de l'ETH Zurich.
Anna Soter est professeure assistante en physique des particules de basse énergie au Département de physique de l'ETH Zurich.
"Globe" Ce qui tient le monde ensemble
![Globe 23/03 Couverture :](/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2023/09/globe-widerspruch-im-herzen-der-physik/_jcr_content/wide_content/greybox_1572653800/par/textimage_1479538209/image.imageformat.textdouble.1832845521.jpg)
Ce texte a été publié dans le numéro 23/03 de l'ETH Magazine. Globe est paru.