Le physicien qui parie que la gravité ne peut pas être quantifiée | Quanta Magazine

La plupart des physiciens s'attendent à ce que lorsque nous zoomons sur le tissu de la réalité, l'étrangeté non intuitive de la mécanique quantique persiste jusqu'aux plus petites échelles. Mais dans ces contextes, la mécanique quantique se heurte à la gravité classique d'une manière résolument incompatible.

Ainsi, depuis près d'un siècle, les théoriciens ont tenté de créer une théorie unifiée en quantifiant la gravité, ou en la sculptant selon les règles de la mécanique quantique. Ils n'ont toujours pas réussi.

Jonathan Oppenheim, qui dirige un programme explorant les alternatives post-quantiques à l'University College de Londres, soupçonne que c'est parce que la gravité ne peut tout simplement pas être comprimée dans une boîte quantique. Peut-être, soutient-il, notre présomption selon laquelle il doit être quantifié est fausse. "Ce point de vue est enraciné", a-t-il déclaré. "Mais personne ne sait quelle est la vérité."

Les théories quantiques sont basées sur des probabilités plutôt que sur des certitudes. Par exemple, lorsque vous mesurez une particule quantique, vous ne pouvez pas prédire exactement où vous la trouverez, mais vous pouvez prédire la probabilité qu'elle se trouve à un endroit particulier. De plus, plus vous êtes certain de l'emplacement d'une particule, moins vous êtes certain de sa quantité de mouvement. Au cours du 20e siècle, les physiciens ont progressivement donné un sens à l'électromagnétisme et à d'autres forces en utilisant ce cadre. 

Mais lorsqu'ils ont essayé de quantifier la gravité, ils se sont heurtés à des infinis non naturels qu'il a fallu contourner par des astuces mathématiques maladroites.

 Les problèmes surviennent parce que la gravité est le résultat de l'espace-temps lui-même, plutôt que quelque chose qui agit au-dessus de lui. Donc, si la gravité est quantifiée, cela signifie que l'espace-temps est également quantifié. Mais cela ne fonctionne pas, car la théorie quantique n'a de sens que dans un contexte d'espace-temps classique - vous ne pouvez pas ajouter puis faire évoluer des états quantiques sur une base incertaine. 

Pour faire face à ce profond conflit conceptuel, la plupart des théoriciens se sont tournés vers la théorie des cordes, qui imagine que la matière et l'espace-temps émergent de minuscules cordes vibrantes. Une faction plus petite a cherché à boucler la gravité quantique, qui remplace l'espace-temps lisse de la relativité générale d'Einstein par un réseau de boucles imbriquées. Dans les deux théories, notre monde familier et classique émerge en quelque sorte de ces blocs de construction fondamentalement quantiques. 

Oppenheim était à l'origine un théoricien des cordes, et les théoriciens des cordes croient en la primauté de la mécanique quantique. Mais il est rapidement devenu mal à l'aise avec les acrobaties mathématiques élaborées que ses pairs exécutaient pour s'attaquer à l'un des problèmes les plus notoires de la physique moderne : la paradoxe de l'information sur les trous noirs. 

En 2017, Oppenheim a commencé à chercher des alternatives qui évitaient le paradoxe de l'information en prenant à la fois le monde quantique et le monde classique comme fondements. Il est tombé sur certains oubliés un article sur le classique quantique théories hybrides des années 1990, qu'il a été extension et les explorer depuis. En étudiant les relations entre les mondes classique et quantique, Oppenheim espère trouver une théorie plus profonde qui ne soit ni quantique ni classique, mais une sorte d'hybride. "Souvent, nous mettons tous nos œufs dans quelques paniers, alors qu'il y a beaucoup de possibilités", a-t-il déclaré. 

Pour faire valoir son point, Oppenheim a récemment fait un pari comprenant Geoff Penington et les Carlos Rovelli — leaders dans leurs domaines respectifs de la théorie des cordes et de la gravitation quantique des boucles. Les chances? 5,000 1 contre XNUMX. Si l'intuition d'Oppenheim est correcte et que l'espace-temps n'est pas quantifié, il a tout pour gagner des seaux de chips, du plastique coloré boules de bazinga, ou des coups d'huile d'olive, selon sa fantaisie - tant que chaque article coûte au plus 20 pence (environ 25 cents).

Nous nous sommes rencontrés dans un café du nord de Londres bordé de livres, où il a calmement déballé ses inquiétudes concernant le statu quo de la gravité quantique et a vanté la beauté surprenante de ces alternatives hybrides. "Ils soulèvent toutes sortes de questions remarquablement subtiles", a-t-il déclaré. "J'ai vraiment perdu pied en essayant de comprendre ces systèmes." Mais il persévère. 

"Je veux mes 5,000 XNUMX boules de bazinga."

L'interview a été condensée et éditée pour plus de clarté.

Pourquoi la plupart des théoriciens sont-ils si sûrs que l'espace-temps est quantifié ?

C'est devenu un dogme. Tous les autres champs de la nature sont quantifiés. On a le sentiment qu'il n'y a rien de spécial dans la gravité - c'est juste un champ comme un autre - et donc nous devrions le quantifier.

La gravité est-elle spéciale selon vous ?

Oui. Les physiciens définissent toutes les autres forces en termes de champs évoluant dans l'espace-temps. La gravité seule nous renseigne sur la géométrie et la courbure de l'espace-temps lui-même. Aucune des autres forces ne décrit la géométrie de fond universelle dans laquelle nous vivons comme le fait la gravité.

À l'heure actuelle, notre meilleure théorie de la mécanique quantique utilise cette structure de fond de l'espace-temps - que la gravité définit. Et si vous croyez vraiment que la gravité est quantifiée, alors nous perdons cette structure de fond.

Quels types de problèmes rencontrez-vous si la gravité est classique et non quantifiée ?

Pendant longtemps, la communauté a cru qu'il était logiquement impossible que la gravité soit classique car coupler un système quantique à un système classique conduirait à des incohérences. Dans les années 1950, Richard Feynman a imaginé une situation qui a éclairé le problème : il a commencé avec une particule massive qui se trouve dans une superposition de deux emplacements différents. Ces emplacements pourraient être deux trous dans une tôle, comme dans la célèbre expérience de la double fente. Ici, la particule se comporte également comme une onde. Il crée un motif d'interférence de rayures claires et sombres de l'autre côté des fentes, ce qui rend impossible de savoir par quelle fente il est passé. Dans les récits populaires, la particule est parfois décrite comme traversant les deux fentes à la fois.

Mais puisque la particule a une masse, elle crée un champ gravitationnel que nous pouvons mesurer. Et ce champ gravitationnel nous indique son emplacement. Si le champ gravitationnel est classique, nous pouvons le mesurer avec une précision infinie, déduire l'emplacement de la particule et déterminer par quelle fente elle est passée. Nous avons donc alors une situation paradoxale - le modèle d'interférence nous dit que nous ne pouvons pas déterminer par quelle fente la particule est passée, mais le champ gravitationnel classique nous permet de faire exactement cela.

Mais si le champ gravitationnel est quantique, il n'y a pas de paradoxe - l'incertitude s'insinue lors de la mesure du champ gravitationnel, et nous avons donc toujours une incertitude dans la détermination de l'emplacement de la particule.

Donc, si la gravité se comporte de manière classique, vous finissez par en savoir trop. Et cela signifie que les idées chéries de la mécanique quantique, comme la superposition, s'effondrent ?

Oui, le champ gravitationnel en sait trop. Mais il y a une faille dans l'argument de Feynman qui pourrait permettre à la gravité classique de fonctionner.

Quelle est cette échappatoire ?

Dans l'état actuel des choses, nous ne savons que le chemin emprunté par la particule car il produit un champ gravitationnel défini qui courbe l'espace-temps et nous permet de déterminer l'emplacement de la particule. 

Mais si cette interaction entre la particule et l'espace-temps est aléatoire - ou imprévisible - alors la particule elle-même ne dicte pas complètement le champ gravitationnel. Ce qui signifie que la mesure du champ gravitationnel ne déterminera pas toujours la fente traversée par la particule, car le champ gravitationnel peut être dans l'un des nombreux états. Le hasard s'insinue et vous n'avez plus de paradoxe.

Alors pourquoi n'y a-t-il pas plus de physiciens qui pensent que la gravité est classique ?

Eh bien, il est logiquement possible d'avoir une théorie dans laquelle on ne quantifie pas tous les champs. Mais pour qu'une théorie classique de la gravité soit cohérente avec tout le reste étant quantifié, alors la gravité doit être fondamentalement aléatoire. Pour beaucoup de physiciens, c'est inacceptable.

Pourquoi ?

Les physiciens passent beaucoup de temps à essayer de comprendre comment fonctionne la nature. Ainsi, l'idée qu'il existe, à un niveau très profond, quelque chose d'intrinsèquement imprévisible est troublante pour beaucoup.

Le résultat des mesures dans la théorie quantique semble être probabiliste. Mais de nombreux physiciens préfèrent penser que ce qui apparaît comme aléatoire n'est que le système quantique et l'appareil de mesure en interaction avec l'environnement. Ils ne le voient pas comme une caractéristique fondamentale de la réalité.

Que proposez-vous à la place ?

Ma meilleure supposition est que la prochaine théorie de la gravité sera quelque chose qui n'est ni complètement classique ni complètement quantique, mais quelque chose d'entièrement différent.

Les physiciens ne proposent que des modèles qui se rapprochent de la nature. Mais pour tenter une approximation plus proche, mes étudiants et moi avons construit une théorie entièrement cohérente dans laquelle les systèmes quantiques et l'espace-temps classique interagissent. Nous avons juste dû modifier légèrement la théorie quantique et modifier légèrement la relativité générale classique pour permettre la rupture de prévisibilité requise.

Pourquoi avez-vous commencé à travailler sur ces théories hybrides ?

J'étais motivé par le paradoxe de l'information sur les trous noirs. Lorsque vous lancez une particule quantique dans un trou noir et que vous laissez ensuite ce trou noir s'évaporer, vous rencontrez un paradoxe si vous pensez que les trous noirs préservent l'information. La théorie quantique standard exige que tout objet que vous jetez dans le trou noir soit renvoyé d'une manière brouillée mais reconnaissable. Mais cela viole la relativité générale, qui nous dit que vous ne pouvez jamais connaître les objets qui traversent l'horizon des événements du trou noir.

Mais si le processus d'évaporation du trou noir est indéterministe, alors il n'y a pas de paradoxe. Nous n'apprenons jamais ce qui a été jeté dans le trou noir parce que la prévisibilité s'effondre. La relativité générale est sûre.

Ainsi, le bruit dans ces théories hybrides quantiques-classiques permet de perdre des informations ?

Exactement. 

Mais la conservation de l'information est un principe clé de la mécanique quantique. Perdre cela ne peut pas s'asseoir facilement avec de nombreux théoriciens.

C'est vrai. Il y a eu d'énormes débats à ce sujet au cours des dernières décennies, et presque tout le monde en est venu à croire que l'évaporation des trous noirs est déterministe. Je suis toujours intrigué par ça.

Les expériences résoudront-elles un jour si la gravité est quantifiée ou non ?

À un moment donné. Nous ne savons encore presque rien de la gravité aux plus petites échelles. Il n'a même pas été testé à l'échelle du millimètre, encore moins à l'échelle d'un proton. Mais il y a des expériences passionnantes à venir en ligne qui feront cela.

Un est une version moderne de « l'expérience Cavendish », qui calcule la force de l'attraction gravitationnelle entre deux sphères de plomb. S'il y a du hasard dans le champ gravitationnel, comme dans ces hybrides quantiques classiques, alors lorsque nous essayons de mesurer sa force, nous n'obtiendrons pas toujours la même réponse. Le champ gravitationnel bougera. Toute théorie dans laquelle la gravité est fondamentalement classique a un certain niveau de bruit gravitationnel.

Comment savez-vous que ce caractère aléatoire est intrinsèque au champ gravitationnel et non à un bruit de l'environnement ?

Vous ne le faites pas. La gravité est une force si faible que même les meilleures expériences ont déjà beaucoup de secousses. Il faut donc éliminer au maximum toutes ces autres sources de bruit. Ce qui est excitant, c'est que mes étudiants et moi avons montré que si ces théories hybrides sont vraies, il doit y avoir une quantité minimale de bruit gravitationnel. Cela peut être mesuré en étudiant les atomes d'or dans une expérience à double fente. Ces expériences placent déjà des limites quant à savoir si la gravité est fondamentalement classique. Nous nous rapprochons progressivement du montant d'indétermination autorisé.

D'un autre côté, y a-t-il des expériences qui prouveraient que la gravité est quantifiée ?

Il y a expériences proposées qui recherchent l'intrication médiée par le champ gravitationnel. Comme l'intrication est un phénomène quantique, ce serait un test direct de la nature quantique de la gravité. Ces expériences sont très excitantes, mais probablement dans des décennies.