When do quantum systems source gravity and how can we test it?

La gravité est la force qui maintient nos pieds au sol et maintient les planètes sur leurs orbites, mais elle est aussi le mystère le plus obstiné de la physique moderne. Depuis plus d'un siècle, les scientifiques tentent d'unifier deux grandes théories : la relativité générale, qui décrit la gravité comme la courbure lisse de l'espace et du temps par des objets massifs, et la mécanique quantique, qui décrit le comportement chaotique et probabiliste des particules les plus infimes. Le problème est que ces deux théories parlent des langues différentes. Lorsque les physiciens tentent de les combiner, les mathématiques s'effondrent souvent, produisant des valeurs infinies et des résultats absurdes. Cela a conduit beaucoup de gens à croire que la gravité elle-même doit être composée de petites particules discrètes, tout comme la lumière est composée de photons. Cependant, il existe une autre possibilité qui a longtemps été écartée : que la gravité reste une force classique et lisse, mais qu'elle ne s'« active » que lorsque les systèmes quantiques interagissent avec leur environnement d'une manière spécifique.

Francisco Pipa, chercheur à l'Université du Queensland, propose une nouvelle façon d'aborder ce puzzle. Ses travaux suggèrent que la gravité n'existe pas en tant que champ constant généré par chaque particule quantique à tout moment. Au lieu de cela, il soutient qu'un système quantique ne génère un champ gravitationnel — ce qui signifie qu'il ne crée une attraction gravitationnelle — que lorsqu'il participe à une chaîne spécifique d'interactions menant à un résultat défini. Dans le monde quantique, les particules existent souvent dans un état de superposition, où elles se trouvent en plusieurs endroits ou états à la fois. Pipa suggère que tant qu'une particule reste dans cet état isolé et superposé, elle ne génère pas de gravité. C'est seulement lorsqu'une particule interagit avec d'autres matières d'une manière qui provoque la « décohérence » — un processus où l'environnement force la particule à choisir un état unique et défini — qu'elle commence à agir comme une source de gravité. Cette idée remet en question la vision standard selon laquelle la masse crée toujours de la gravité, que cette masse soit isolée ou en interaction.

L'article expose un cadre où la gravité émerge d'une chaîne d'événements de cause à effet. Pipa appelle ces chaînes des « chaînes de détermination stables ». Imaginez une séquence où un système quantique interagit avec un autre, créant un enregistrement de cette interaction, ce qui permet ensuite à un troisième système d'interagir, et ainsi de suite. C'est uniquement au sein de ces chaînes, où l'information est transmise et des résultats définis sont établis, que le champ gravitationnel apparaît. Si un système est complètement isolé de telles chaînes, il évolue sans générer sa propre gravité, même s'il possède une masse. Cette approche évite la nécessité de quantifier la gravité en particules. Au lieu de cela, elle traite la gravité comme un phénomène conditionnel qui surgit de la manière dont la matière quantique se stabilise dans des états définis par l'interaction.

Pour tester cette idée radicale, Pipa propose plusieurs expériences qui permettraient de distinguer sa théorie des théories existantes. L'une des propositions majeures concerne l'expérience Bose-Marletto-Vedral, un dispositif conçu pour voir si la gravité peut enchevêtrer deux particules. Dans cette expérience, deux masses sont placées dans une superposition de différents lieux. Si la gravité est une force quantique, elle devrait être capable de lier les deux masses, créant un état quantique partagé. La théorie de Pipa propose l'énoncé de l'hypothèse nulle pour cette expérience : elle prédit que parce que les masses sont isolées et ne font pas partie d'une chaîne induisant la décohérence, elles ne devraient pas générer de champ gravitationnel du tout. Par conséquent, elles ne devraient pas s'enchevêtrer, et l'expérience ne devrait montrer aucun effet gravitationnel. Si l'expérience montre un enchevêtrement, la théorie de Pipa serait invalidée. Cependant, si les masses restent non enchevêtrées, cela soutiendrait l'idée que la gravité est conditionnelle.

L'article suggère également un test plus direct utilisant des circuits quantiques. Les chercheurs pourraient construire un circuit où ils contrôlent exactement quand un système entre dans une « chaîne de détermination ». En isolant un système, puis en lui permettant sélectivement d'interagir avec une chaîne d'autres systèmes, ils pourraient activer et désactiver le champ gravitationnel du système. Si la théorie est correcte, le système ne produira une attraction gravitationnelle mesurable que lorsqu'il fait partie activement de la chaîne. Cela permettrait aux scientifiques d'utiliser les ordinateurs quantiques pour contrôler l'acte même de générer de la gravité, une capacité qui n'a jamais été démontrée auparavant.

Le travail de Pipa aborde également la nature de l'univers à grande échelle. Si la gravité ne surgit que de ces chaînes d'interaction, alors le vide de l'espace, dépourvu de telles interactions, ne posséderait pas de champ gravitationnel propre. Cela mène à une nouvelle compréhension de la constante cosmologique, cette force mystérieuse qui pousse l'expansion de l'univers. L'article suggère que la valeur de cette constante pourrait ne pas être fixe, mais pourrait changer au fil du temps à mesure que le nombre d'interactions dans l'univers change. Cela pourrait expliquer pourquoi l'énergie noire devient progressivement plus faible, un phénomène que les théories actuelles peinent à expliquer.

La force de cette proposition réside dans sa capacité à résoudre des paradoxes de longue date sans inventer de nouvelles particules ou forces. Elle suggère que la « bizarrerie » de la mécanique quantique et la « fluidité » de la gravité ne sont pas en conflit ; la gravité est simplement le résultat de la manière dont les systèmes quantiques deviennent définis par l'interaction. L'article ne prétend pas avoir prouvé cette théorie pour le moment. Il fournit plutôt un ensemble clair de règles et de prédictions qui peuvent être testées en laboratoire. En proposant des expériences spécifiques, telles que le circuit quantique contrôlé et le dispositif Bose-Marletto-Vedral modifié, Pipa offre une voie à suivre pour que les scientifiques déterminent si la gravité est une force fondamentale qui existe partout, ou un effet conditionnel qui n'apparaît que lorsque le monde quantique interagit avec lui-même.

Les implications de ce travail sont profondes. Si la gravité est conditionnelle, cela signifie que le tissu de l'espace-temps n'est pas une scène statique sur laquelle les événements se jouent, mais une structure dynamique qui émerge des interactions de la matière. Cela suggère que l'univers n'est pas rempli d'un champ gravitationnel constant, mais plutôt que la gravité est un phénomène qui se propage à travers un réseau d'interactions, tel un signal passant à travers une chaîne de personnes. Cette vision pourrait résoudre le problème des singularités, ces points de densité infinie au centre des trous noirs. Si la gravité n'existe que là où les interactions ont lieu, alors dans le cœur le plus profond d'un trou noir, là où les interactions pourraient cesser, la gravité disparaîtrait simplement, laissant place à un espace plat et vide au lieu d'une singularité.

En fin de compte, cet article nous invite à repenser la relation entre le monde quantique et le cosmos. Il propose que la force qui façonne les étoiles et les galaxies n'est pas une présence de fond constante, mais une conséquence de la manière dont la matière se stabilise dans la réalité. En se concentrant sur les conditions dans lesquelles la gravité apparaît, Pipa offre une perspective nouvelle qui pourrait combler le fossé entre le très petit et le très grand. L'étape suivante consiste à construire les expériences qui pourront confirmer ou infirmer ces idées, transformant une possibilité théorique en une réalité physique.