Des scientifiques observent pour la première fois la superposition dans des atomes

Le fossé historique entre deux théories majeures de la physique

L’univers tel que nous le connaissons semble régi par deux principes fondamentaux. D’un côté, la mécanique céleste trouve son explication dans la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, qui établit la relation entre la masse et l’énergie. De l’autre, le monde subatomique est gouverné par les règles de la mécanique quantique.

Ce modèle universel se heurte toutefois à un obstacle majeur depuis près d’un siècle. Ces deux théories se révèlent incapables de fusionner, un point d’achoppement central demeurant l’explication de la gravité.

Albert Einstein conçoit la gravité comme un effet résultant de la courbure de l’espace-temps. Face à cette vision, les physiciens quantiques émettent l’hypothèse qu’un vecteur de force actuellement théorique, nommé graviton, servirait de médiateur à cette interaction gravitationnelle. Les chercheurs tentent sans relâche de trouver des preuves permettant d’unir ces deux grandes théories, un mariage qui est resté impossible jusqu’à présent.

Une confirmation expérimentale inédite

Une récente étude menée conjointement par des chercheurs des États-Unis et d’Australie vient de réaliser une première mondiale. L’équipe, issue de l’Australian National University (ANU) située à Canberra, de l’Université du Queensland et de l’Université de l’Oklahoma, a réussi à confirmer expérimentalement l’intrication de la quantité de mouvement des atomes.

Cet accomplissement n’avait auparavant été réalisé qu’avec des photons. L’intrication des atomes et celle de la quantité de mouvement des photons étaient documentées depuis des décennies. Cette première validation concernant spécifiquement la quantité de mouvement atomique apporte un élément crucial à la compréhension du phénomène, les résultats complets ayant été publiés dans la revue scientifique Nature Communications.

Yogesh Sridhar, auteur principal de l’étude et doctorant à l’ANU, a détaillé cette percée dans un communiqué de presse. « Ils montrent la non-localité dans le mouvement externe des atomes, plutôt que dans les degrés de liberté internes comme le spin », précise-t-il. Le chercheur poursuit son analyse : « Ces résultats renforcent notre confiance et notre compréhension de la théorie quantique et ouvrent la voie à la vérification des théories de la mécanique quantique avec des objets du monde réel encore plus grands. »

Le dispositif de haute précision imposé aux atomes

Afin de mener à bien cette mesure extrêmement complexe, Yogesh Sridhar, le chercheur principal Sean Hodgman de l’ANU et le reste de l’équipe ont manipulé trois nuages d’atomes d’hélium ultrafroids. Ces atomes étaient initialement maintenus en suspension à l’intérieur d’un piège magnétique.

Une fois les aimants désactivés, les atomes ont entamé une chute libre sous la seule influence de la gravité. Ils ont alors traversé une série d’impulsions laser formant un réseau de diffraction. Ce processus précis a généré différentes trajectoires le long desquelles les atomes pouvaient voyager avec une probabilité parfaitement égale.

Cette configuration sophistiquée constitue ce que l’on nomme un interféromètre Rarity-Tapster, un dispositif optique spécifiquement conçu pour mesurer la non-localité, ou l’intrication. Le montage s’inscrit rigoureusement dans le cadre d’un test des inégalités de Bell, une méthode servant à évaluer la nature non-locale des particules en opposition au réalisme local défendu autrefois par Albert Einstein.

Observer l’invisible à distance

La théorie de la physique avance depuis longtemps que la matière peut se trouver à plusieurs endroits simultanément, dans un certain sens, et interagir avec elle-même sur de grandes distances. Albert Einstein avait d’ailleurs qualifié ce concept d’une « action effrayante à distance ».

Ce n’est que lors des dernières années que les équipes scientifiques ont pu vérifier cette hypothèse avec précision. Les méthodes de contrôle et de mesure des atomes individuels ont en effet connu des avancées technologiques décisives, rendant ce type d’expérimentation envisageable en laboratoire.

Sean Hodgman insiste sur la portée de leurs observations lors de sa déclaration publique : « Pour deux atomes séparés qui sont intriqués, si vous modifiez l’un d’eux, cela affectera instantanément l’autre ». Le chercheur synthétise cette réalité physique par ces mots : « C’est un peu fou de penser que c’est ainsi que le monde fonctionne, mais nous avons montré que c’est la nature de la réalité. »

Ouvrir la voie à l’étude de la gravité quantique

La spécificité majeure de cette découverte repose sur la nature fondamentale des atomes. Contrairement aux photons, les atomes possèdent une masse, une caractéristique qui leur permet de réagir aux forces qui régissent notre monde macroscopique.

Cette masse ouvre une porte inédite pour la recherche en offrant la possibilité d’étudier conjointement les effets quantiques et les forces gravitationnelles au sein d’une seule et même expérience. Les chercheurs disposent désormais d’un outil expérimental tangible pour explorer ce qui restait jusqu’ici du domaine théorique.

Dans un communiqué, Sean Hodgman décrit cette perspective : « Imaginez des atomes se déplaçant sur des trajectoires différentes dans l’espace, ils peuvent subir des effets gravitationnels différents. Cependant, la mécanique quantique affirme que les atomes peuvent emprunter plusieurs trajectoires simultanément ». Le scientifique achève son explication en soulignant la prochaine étape de leurs travaux : « Ainsi, le fait que nous puissions maintenant montrer que ce type de systèmes est intriqué signifie que nous pourrions envisager de rechercher certains effets gravitationnels que nous pourrions tester avec eux. »

Selon la source : popularmechanics.com