Des atomes en chute libre mesurent la phase quantique prédite par Einstein

Une équipe dirigée par Ron Folman a mesuré directement un décalage de phase quantique causé par la gravité terrestre dans des atomes de rubidium ultrafroids. Avec l’interféromètre quantique Galileo, les chercheurs ont comparé deux chemins cohérents d’une onde atomique : l’un presque immobile, maintenu par un champ magnétique, l’autre lancé vers le haut puis soumis à une chute libre. Au moment de réunir ces deux chemins, le signal d’interférence observé s’est révélé conforme à la phase attendue d’après le principe d’équivalence d’Einstein, dans les conditions de l’expérience. 24

Ce que les chercheurs ont mesuré

En mécanique quantique, une particule est aussi décrite par une onde. Au cours de son évolution, cette onde accumule une phase : une propriété qui n’est pas directement observable isolément. En revanche, lorsque deux ondes cohérentes sont recombinées, leur différence de phase modifie le motif d’interférence et peut ainsi être mesurée.

Ici, des impulsions micro-ondes ont créé une superposition de deux parcours atomiques à proximité d’une puce à atomes. Un champ magnétique compensait la gravité pour l’une des branches, tandis que l’autre suivait une trajectoire balistique : projetée vers le haut, elle retombait ensuite librement. La recombinaison des deux branches a converti leur différence de phase gravitationnelle en un signal d’interférence mesurable. 24

Le résultat essentiel est le suivant : le décalage de phase relevé est compatible, à la précision expérimentale près, avec la prédiction issue du principe d’équivalence. Ce principe, au cœur de la théorie d’Einstein, relie localement les effets de la gravité à ceux d’un référentiel en chute libre. 24

Pourquoi ce test compte

Il ne s’agit pas seulement de suivre la trajectoire classique d’un atome qui tombe. La gravité est ici testée dans un interféromètre, où l’objet pertinent est une onde de matière quantique cohérente empruntant deux chemins possibles à la fois.

L’expérience montre donc que, pour des atomes de rubidium ultrafroids soumis au faible champ gravitationnel terrestre, l’évolution quantique mesurée est conforme à ce que prévoit le principe d’équivalence. 24

C’est un point de contact expérimental utile entre deux cadres souvent présentés comme difficiles à concilier : la mécanique quantique décrit la superposition et les interférences de l’atome ; la gravité produit la différence de phase associée aux deux trajectoires.

Ce que l’expérience ne démontre pas

Ce résultat ne constitue pas une unification de la mécanique quantique et de la relativité générale. Il ne prouve pas que la gravité est quantifiée, ne détecte pas de gravitons et ne permet pas de trancher entre une gravité fondamentalement quantique et une gravité fondamentalement classique. 23

Une approche plus directe pour sonder le caractère quantique de la gravité consisterait à établir que celle-ci peut créer de l’intrication entre deux objets massifs suffisamment isolés. Des expériences proposées visent à placer des cristaux de taille micrométrique en superposition spatiale — éventuellement des nanodiamants contenant des systèmes de spin — puis à vérifier si leur interaction gravitationnelle engendre une intrication. 34

Où se situe l’hypothèse d’effondrement de Roger Penrose

Roger Penrose a proposé une autre possibilité : un objet suffisamment massif placé dans une superposition spatiale correspondrait à plusieurs géométries possibles de l’espace-temps, qui ne pourraient pas rester cohérentes indéfiniment. Dans les modèles apparentés de Diósi-Penrose, le temps de décroissance attendu dépend de la différence d’auto-énergie gravitationnelle entre les distributions de masse superposées. 36

Il s’agit d’une hypothèse sur une éventuelle limite de la mécanique quantique standard, et non d’une conclusion de l’expérience sur le rubidium. Un atome isolé n’est pas le type de système massif, séparé spatialement, où ces modèles devraient être les plus faciles à mettre à l’épreuve.

Les objets quantiques plus lourds, prochaine frontière

Les tests des modèles d’effondrement cherchent à créer des superpositions spatiales d’objets bien plus massifs que les atomes, puis à repérer une perte de cohérence qui ne pourrait pas être attribuée au bruit ordinaire de l’environnement. Les travaux de synthèse sur ces modèles identifient les superpositions spatiales d’objets massifs comme la stratégie la plus directe : certains de ces modèles interdisent en effet des superpositions que la théorie quantique usuelle autorise. 33

De futurs interféromètres utilisant des particules mésoscopiques — nanodiamants lévités ou autres petits cristaux — devraient préserver la cohérence tout en contrôlant rigoureusement la décohérence environnementale. Si les interférences persistaient au-delà du temps de décroissance prédit par un modèle, celui-ci serait contraint. À l’inverse, une perte de cohérence supplémentaire, reproductible et dépendant comme prévu de la masse, de la séparation et du temps, serait un indice à examiner — après avoir exclu le bruit expérimental et les explications non gravitationnelles. 333436

À ce stade, la conclusion la plus solide est précise : dans le régime étudié, une onde de matière quantique en chute libre a accumulé la phase gravitationnelle prédite par le principe d’équivalence d’Einstein. 24