Comment les lasers pourraient aider les scientifiques à répondre aux questions fondamentales sur la gravité

Sur la plus petite échelle, le monde est mystérieux et contre-intuitif. À ce niveau, les choses ne fonctionnent tout simplement pas comme vous vous y attendez, et la mécanique quantique est notre meilleure tentative d'application d'une théorie à cette étrangeté. C'est la branche de la physique qui traite de la façon dont les particules atomiques et subatomiques fonctionnent et se comportent, nous aidant à comprendre cette mystérieuse sphère de notre existence. La théorie des champs quantiques va plus loin et épouse la mécanique quantique avec le concept de champs. Ces champs, tout comme les champs électriques et magnétiques, sont mieux envisagés comme de vastes corps de changement de liquide et oscillant dans l'espace. Ils sont toujours présents, même si les vagues dans ces champs produisent les particules que nous considérons les éléments constitutifs fondamentaux de l'existence.

Dans la théorie du champ quantique, le modèle standard de la physique, qui décrit 12 particules élémentaires et quatre forces fondamentales, devient 16 champs: 12 pour la matière, quatre pour les forces. Ces forces sont des interactions électromagnétiques, faibles et fortes et de la gravité. Ensemble, selon la théorie des champs quantiques, ces champs de matière et de force créent essentiellement le monde dans lequel nous vivons. Par exemple, lorsque le champ électronique ondule, il crée une particule électronique. Mais la gravité n'a pas encore été entièrement adaptée à ce modèle.

L'une des percées d'Albert Einstein a été la théorie de la relativité générale, qui impliquait la découverte que le champ associé à la gravité était en fait l'espace et le temps lui-même. Cela pose un problème pour les théoriciens quantiques. La relativité générale concerne les masses et objets plus importants sur l'échelle des planètes et même des galaxies, tandis que la théorie quantique concerne des objets subatomiques beaucoup plus petits, et personne n'a pu combiner avec succès les deux. En effet, Einstein lui-même a été perplexe par le grand problème d'essayer de concilier la relativité générale avec la mécanique quantique. Mais une technique développée au MIT nous a maintenant rapproché de cet objectif.

Étant donné que les règles de la relativité générale se décomposent dans certaines situations, comme par rapport aux trous noirs, une nouvelle théorie de la gravité plus complète est nécessaire – celle qui combinerait les idées de la théorie quantique avec la relativité générale. Pour l'instant, cependant, il n'y a pas de théorie quantique entièrement complète ou cohérente de la gravité. Mais les chercheurs du MIT font des préparatifs pour des expériences qui peuvent tester la nature quantique de la gravité, et juste au cas où vous auriez besoin d'une telle idée révolutionnaire pour sonner encore plus fraîche, ces expériences utilisent des lasers.

Les chercheurs ont publié un article sur leur expérience initiale, qui n'a pas encore testé la gravité à un niveau quantique mais jette les bases de telles expériences à l'avenir. « Le refroidissement au laser actif d'un oscillateur de torsion à l'échelle des centimètres » a été publié dans la revue Optica, et il décrit comment l'équipe du MIT a démontré le refroidissement au laser d'un oscillateur de torsion d'un centimètre – un type d'instrument qui a longtemps été utilisé pour la recherche sur la gravité. Dans cet exemple, les lasers sont utilisés pour refroidir l'oscillateur de torsion de la température ambiante à 10 millikelvins (1/1 000e de Kelvin). Cela rend essentiellement un système mécanique suffisamment grand pour mesurer la gravité (l'oscillateur), tout en étant suffisamment quantique pour révéler comment la gravité interagit avec elle.

Ce qui rend ce dernier développement si intéressant – en plus du potentiel qu'il révèle pour tester la nature quantique de la gravité – c'est que les chercheurs ont essentiellement combiné deux techniques entièrement distinctes. Les lasers sont utilisés pour refroidir les gaz atomiques depuis un certain temps, mais c'est la première fois que cette technique est utilisée sur les oscillateurs de torsion, qui sont des outils extrêmement utiles pour mesurer la gravité.

Dans leur expérience, les chercheurs du MIT ont utilisé un levier optique en miroir. Les expériences traditionnelles de levier optique impliquent de briller un laser sur un miroir et de détecter de très légères changements dans l'inclinaison du miroir. Étant donné que de minuscules mouvements dans l'angle du miroir entraînent des mouvements plus importants sur le détecteur de faisceau laser réfléchi, les scientifiques sont capables de mesurer plus facilement des signaux qui autrement seraient trop petits pour confirmer. Cependant, il y a des problèmes avec cette approche. Tout à partir des courants d'air, de petites vibrations ou même des imperfections dans l'optique peut entraîner des problèmes avec le faisceau qui se lit à tort comme un mouvement sur le détecteur.

Pour contourner ce problème, l'équipe a utilisé une technique de niveau optique en miroir, qui utilise essentiellement une version en miroir du laser pour s'adapter aux mouvements indésirables généralement observés dans les expériences de levier optique. Lorsque les deux faisceaux se combinent au détecteur, vous obtenez un signal beaucoup plus précis de l'oscillateur grâce à la gigue annulée par le faisceau en miroir. Dans l'expérience du MIT, cette approche a réduit le bruit d'un facteur de mille, ce qui signifie essentiellement que les chercheurs pourraient détecter le mouvement dans l'oscillateur avec une précision sans précédent.

À ce stade, les chercheurs sont en mesure de détecter le mouvement avec une précision 10 fois mieux que les fluctuations quantiques de l'oscillateur. Mais il y a encore beaucoup de travail à faire avant de pouvoir tester réellement la nature quantique de la gravité. Ce travail aura lieu dans un avenir proche, en utilisant des interactions optiques qui ont été encore renforcées, ce qui pourrait potentiellement permettre des expériences où deux oscillateurs interagissent uniquement par gravité. Une telle expérience pourrait enfin répondre à la question de savoir si la gravité est quantique ou non.