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Nouvelles approches expérimentales de la gravitation quantique
Jean-Paul Baquiast - 12/01/2015

Vous pouvez réagir à cet article sur le blog Philoscience

Un article récent de Michaël Brooks dans le NewScientist(1) décrit des dispositifs expérimentaux pouvant montrer comment des objets quantiques (q.bits) en superposition ou en cours de décohérence se comportent à l'intérieur d'un champ gravitationnel. Ceci pourrait permettre de faire apparaître un lien entre théorie quantique et relativité jusqu'à présent recherché en vain par les théoriciens de la gravitation quantique.

Il est inutile de revenir ici sur le fait, bien connu de nos lecteurs, que la mécanique quantique et les relativités restreinte et générale ne sont absolument pas compatibles en termes théoriques, tout en étant toutes deux vérifiées dans leurs domaines par des milliers de preuves expérimentales.

Le point nouveau important, souligné par l'article, est qu'aujourd'hui des physiciens autorisés, notamment l' "ancêtre" Roger Penrose, pensent que des dispositifs expérimentaux actuellement en cours de mise au point pourraient prochainement apporter quelques ouvertures tant en termes expérimentaux ultérieurement au plan théorique ultérieurement permettant de commencer à résoudre les grandes énigmes de la gravitation quantique.

Ainsi, en ce qui concerne la superposition, certains physiciens commencent à se demander si une particule qui se trouve en deux états superposés ne ressentirait pas l'effet de la gravité d'une façon différente au regard de l'un ou l'autre de ses états, quitte à retrouver un statut commun au regard de la gravité, lorsque cesse la superposition. En théorie, rien n'interdirait de transposer la solution à l'échelle de l'univers entier, où coexistent, par exemple dans les trous noirs, des phénomènes relevant simultanément de la physique quantique et de la gravité.

De même, en ce qui concerne la façon dont des atomes ou ensembles de particules ressentent l'effet du temps lorsqu'ils se déplacent dans des champs gravitationnels différents(2) d'autres de leurs collègues commencent à se demander si chacun des états d'un atome en état de superposition n'expérimenterait pas des temps différents, selon la vitesse à laquelle ils pourraient se déplacer dans des champs gravitationnels, avant de retrouver un temps identique en se recombinant.

La difficulté consistera évidemment à mettre au point des dispositifs permettant d'une part d'individualiser les états superposés d'une même particule quantique et d'autre part de les soumettre à des champs gravitationnels différents afin de mesurer leurs caractéristiques avant qu'ils ne retrouvent l'état d'une particule macroscopique unique.

La réduction de la fonction d'onde
Approche gravitationnelle de la mesure


La nouvelle génération d'instruments auxquels nous venons de faire allusion devrait également permettre d'étudier des situations où ce serait la gravitation qui provoquerait la décohérence d'une particule quantique, autrement dit entraineraient la réduction de sa fonction d'onde. Dans cette perspective, ce pourraient être des phénomènes induits par la gravitation au sein ou autour d'une particule quantique qui se comporteraient en "observateurs".

Dans l'expérience de l'interféromètre à double fente (fentes de Young), l'apparition de bandes d'interférence résulte du fait que des particules (voire des ensembles plus importants de quelques dizaines ou centaines de particules, peuvent passer simultanément par les deux fentes avant de se recombiner en particules uniques sur l'écran(3). Elles se comportent en effet à la fois comme des ondes et des particules. Or si l'on place un détecteur sur le chemin d'une de ces fentes celui-ci provoque la décohérence de la particule qui redevient uniquement une particule et cesse d'être à la fois une onde et une particule. Le détecteur tient le rôle de l'observateur facteur de décohérence dans la théorie quantique classique.

Or la pratique de l'expérience des fentes d'Young appliquée à des molécules de près de 800 atomes a montré que les atomes les composant peuvent vivre en superposition, mais décohèrent d'autant plus vite qu'ils constituent un ensemble composé d'un plus grand nombre d'atomes, c'est-à-dire pesant d'autant plus lourd. D'où l'hypothèse que la gravité a quelque chose à voir avec la décohérence.

Plus les ensembles de molécules sont lourds, comme le sont les corps de la physique macroscopique, y compris les êtres vivants, plus vite ils perdent les propriétés quantiques leur permettant de se comporter à la fois comme onde et comme particule. C'est la raison pour laquelle, jusqu'à présent, il n'a jamais été possible d'observer l'état quantique initial de corps macroscopiques composés d'un très grand nombre d'atomes. Ils se retrouvent, si l'on peut dire « observés » par la force gravitationnelle qui réduit presque instantanément leur fonction d'onde.

Pourrait-on tirer de ces conjectures une première suggestion concernant le processus par lequel des particules matérielles émergent dans le milieu quantique (le vide quantique?) ?
Ces particules matérielles s'inscrivent dans un monde où l'on peut parler de temps et d'espace, et donc de gravité, même si les contenus de ces « réalités » n'ont rien d'invariable. Le monde quantique ne reconnaît ni le temps ni l'espace. Nous sommes faits en ce qui nous concerne de particules matérielles (peut-être aussi de particules quantiques, mais la question n'est pas là). Compte tenu des hypothèses brièvement présentées ici, ne serait-il pas possible d'envisager que, dès qu'au cours des fluctuations du monde quantique, apparaissent des molécules composées d'un nombre suffisant de bits quantiques, c'est-à-dire suffisamment « lourdes », celles-ci, soumises au champ gravitationnel, se transforment quasi systématiquement en molécules matérielles ?
La gravité jouerait ainsi le rôle d'observateur dans la théorie quantique de la mesure.

Le mécanisme serait permanent, ce qui expliquerait l'abondance des particules matérielles dans l'univers observable. Bien sûr, cela ne permettrait pas pour autant d'expliquer l'existence simultanée du milieu quantique et de la gravitation. Il faudrait pour cela faire appel à des descriptions plus complexes de l'univers ou des multivers. Mais cela permettrait de mieux comprendre les interactions entre univers quantique et univers relativiste, objet des travaux de la gravitation quantique.

De nouveaux dispositifs expérimentaux

Cependant, aujourd'hui, dans le cadre de travaux intéressant la réalisation de calculateurs quantiques, les physiciens commencent à mettre au point des dispositifs comportant quelques dizaines voire à terme quelques centaines de q.bit maintenus en état de cohérence par des processus leur évitant d'interférer avec le monde macroscopique. Sur de tels objets, il pourrait devenir possible de tester l'effet de la gravité. Comme d'habitude sur ce site, nous n'essaierons pas de décrire ce que pourraient être de tels dispositifs, renvoyant le lecteur suffisamment informé aux publications des physiciens qui les imaginent(4).

En explorant le web, le lecteur trouvera de nombreuses références aux chercheurs et aux travaux s'intéressant aux nouvelles approches expérimentales permettant de mettre en évidence les relations entre la mécanique quantique et la gravité. Ceux-ci ne devraient pas aboutir très rapidement, mais certainement bien avant des recherches aujourd'hui embourbées dans les arcanes de la théorie, telles celles constituant la Théorie des Cordes. La science perd très vite sa pertinence si elle s'écarte trop durablement de l'expérience.

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Références

(1) Michaël Brooks. The secret Life of Reality

(2) Il s'agit du phénomène décrit sous le terme de "dilatation du temps".
(3) Wikipedia : Fentes d'Young
(4) Voir Physical Review, Cisco Gooding et George Unruh Self-gravitating interferometry and intrinsic decoherence
* Voir aussi le Caslav Brukner Group . Quantum foundations and quantum information theory
Notamment : Experimental Superposition of Orders of Quantum Gates
* Voir aussi Scientific American :Physicists Eye Quantum-Gravity Interface
* Voir aussi le Markus Arndt's group

Post scriptum au 24/01

Nous avons reçu de notre ami Michel Gondran les observations suivantes. Nous l'en remercions:

Cet article discute de plusieurs problèmes de physique
1. le rôle des qubit et des états superposés pour tester la gravité
2. rendre cohérent mécanique quantique et relativité générale
3. la réduction de la fonction d’onde dans l’expérience des fentes de Young avec des grosses molécules

Nous proposons quelques réflexions sur ces trois problèmes qui s’appuient
sur les interprétations de la mécanique quantique et de la relativité
que nous proposons dans le livre qui vient de paraitre:
“Mécanique quantique: et si Einstein et de Broglie avaient aussi raison?”

1. le rôle des qubit et des états superposés pour tester la gravité

Quelque soit le résultat que donnera l’expérience proposée dans l’article, la difficulté sera de bien l’interpréter. Or actuellement, il ya bien consensus sur les résultats de l’expérience EPR, mais non sur son interprétation.

AInsi, dès 1982 dans la dernière édition de” La Théorie quantique et le schisme en physique”, Karl Popper propose une interprétation réaliste des expériences d'Aspect qui venaient justes d’être réalisées :

“Je ne suis pas tout à fait convaincu que ces expériences sont interprétées de façon correcte ; mais si elles le sont, nous devons simplement admettre l’action à distance. Je pense (avec J.-P. Vigier) que cela serait, bien entendu, très important. Mais je ne pense pas un seul instant que cela ébranlerait, ou même toucherait, le réalisme. Newton et Lorentz étaient réalistes et admettaient l’action à distance ; et l’expérience d’Aspect serait la première expérience cruciale visant à trancher entre les interprétations lorentzienne et einsteinienne des transformations de Lorentz.”

Et il poursuit dans sa préface de 1982 :

“Cela signifierait que nous devons abandonner l’interprétation d’Einstein [de 1905] de la relativité restreinte et revenir à l’interprétation de Lorentz et, avec elle, à l’espace et au temps absolus de Newton. Il n’est pas nécessaire, dans ce cas, d’abandonner quelque formule de la théorie de la relativité restreinte. La relativité restreinte est en effet une interprétation d’un formalisme ; et le même formalisme peut être interprété
soit par la relativité restreinte, soit par la conception de Lorentz selon laquelle nous avons un espace et un temps absolus mais nous ne pouvons pas les détecter, pour des raisons qui sont révélées par le
formalisme. Alors que la théorie de la relativité restreinte, dans l’interprétation d’Einstein, dit que la simultanéité n’a pas de sens absolu ; que si nous n’avons aucun moyen de détecter l’espace et le temps absolus
– si leur détection est vraiment exclue par le formalisme – alors nous ne devrions pas supposer qu’ils existent. A cette époque naturellement, l’adhésion de Lorentz à l’idée d’un éther au repos et à celle de l’espace et du temps newtoniens était un peu choquante, tandis que l’interprétation relativiste du formalisme était simple, élégante et convaincante.”


C’est aussi le point de vue de Bell qui conclut ainsi en 1984 dans son article « Beables for quantum field theory », repris dans son livre de 1987 : « Comme dans la relativité avant Einstein, il y a un référentiel privilégié dans la formulation de la théorie […], mais il est expérimentalement indistinguable. Cela semble une manière excentrique de faire le monde. »

Ce point de vue est repris par Bricmont :”Si on veut penser en termes de cause et d’effets, je ne vois pas comment éviter de sérieux dommages collatéraux : ou bien on doit admettre des actions allant dans le passé (ce qui résulte de la combinaison entre actions allant plus vite que la lumière et invariante relativiste), ou bien introduire un « éther », c’est-à-dire un repère privilégié (mais inobservable) dans lequel les vrais relations causales ont lieu. On ne peut renoncer à penser en termes de cause et d’effets. Je ne nie pas que cela soit un sérieux problème ; je souligne simplement que le problème est là, indépendamment de toute considération sur le « réalisme » ou de tout attachement sentimental à la théorie de Bohm."

Or, l’interprétation de l’expérience EPR de Popper permet de rendre cohérent mécanique quantique et relativité générale comme nous le montrons dans le point suivant.

2. rendre cohérent mécanique quantique et relativité générale

Pour réconcilier les deux révolutions de la physique fondamentale du xxe siècle, la mécanique quantique et la relativité générale, il est nécessaire au minimum de les rendre cohérente entre elles.

On ne peut en effet se contenter de considérer comme simultanément valables deux théories qui ont des visions radicalement différentes sur le fonctionnement de l’univers : la relativité générale considère en effet le monde comme déterministe et réaliste, tandis que la mécanique quantique le considère comme non déterministe et non réaliste.

Surmonter cette contradiction nécessite le rapprochement de ces visions de l’univers, soit en rendant la relativité générale non déterministe et non réaliste, soit en rendant la mécanique quantique déterministe et réaliste. La plupart des approches actuelles pour construire la relativité quantique consistent à rendre non déterministe et non réaliste la relativité. Elles ont échoué pour le moment. Nous avons montré dans notre livre que l’autre alternative était possible : rendre déterministe et réaliste la mécanique quantique sans en changer les équations. Nous proposons en effet deux interprétations déterministes et réalistes possibles de la mécanique quantique: l'interprétation de " l'onde pilote de Broglie-Bohm" et la "théorie de la double interprétation" qui est une réponse à la "théorie de la double solution" que recherchait Louis de Broglie.

Pour construire une gravité quantique, il restait à montrer qu’il existait une interprétation de la relativité générale compatible avec nos deux interprétations déterministes et réalistes de la mécanique quantique. Nous montrons qu'une telle interprétation existe: c'est une interprétation de la relativité générale admettant un référentiel et un temps privilégiés et prolongeant l' interprétation de Lorentz-Poincaré de la relativité restreinte. Ce point de vue correspond au retour d'un certain éther pour la relativité générale et il est en accord celui d'Einstein de 1916, 1920 ("pour la relativité générale, l'existence d'un éther est nécessaire"), 1924 et avec l'interprétation de Popper de l'expérience EPR-B.

3. la réduction de la fonction d’onde dans l’expérience des fentes de Young avec des grosses molécules

L’expérience des fentes de Young, avec ou non de grosses molécules, s’explique très simplement dans l’interprétation de de Broglie-Bohm pour la quelle il existe simultanément la fonction d’onde, qui passe par les deux fentes, et la particule , qui passe par une seule fente. On peut alors montrer qu’il n’y a continuité entre le classique et le quantique: juste à la sortie des fentes, on retrouve le cas classique; on obtient progressivement les interférences quand ht/m augmente (h la constante de Planck, t le temps et m la masse de la particule).

On peut retrouver ces résultats dans:

A. Gondran, Fentes de Young: trajectoires d’élecrons? HAL-00656118 (2001-2012)

M. Gondran, A. Gondran, “Numerical simulation of the double-slit interference with ultracold atoms”, American Journal of Physics 73, 6, 2005

M. Gondran, A. Gondran, “Energy flow lines and the "spot of Poisson-Arago ”, American Journal of Physics 78, 6, 598-, 2010.

Fentes de Young Wikipedia

M. Gondran, A. Gondran, “Measurement in the de Broglie-Bohm interpretation: Double-Slit, Stern-Gerlach, EPR-B", Physics Research International, vol. 2014, Article ID 605908, 16 pages (2014).

M. Gondran, A. Gondran, “ A synthetic interpretation: the double preparation theory", Physica Scripta T163 (2014) 014029.

 

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