Et si on laissait tomber un atome... qui existe à deux endroits à la fois ?

Voici une question qui donne le vertige.

Imaginez : vous tenez un atome dans votre main. Un seul atome, minuscule. Et vous le mettez dans un état où il existe en deux endroits simultanément. C'est ce qu'on appelle la superposition quantique. Ça paraît complètement fou — jusqu'à ce qu'on réalise que les atomes font exactement ça en permanence, dès qu'on ne les regarde pas.

Maintenant, lâchez-le.

Que se passe-t-il ?

Des physiciens viennent de répondre à cette question. Et honnêtement, leur réponse est à la fois logique et passionnante.

Les deux géants qui ne s'entendent pas

Commençons par comprendre pourquoi cette expérience est importante. Elle met en jeu deux théories monumentales de la science — et elles ne forment pas un couple heureux.

D'un côté, il y a la mécanique quantique. Celle qui explique comment se comportent les atomes et les particules minuscules. C'est bizarre, counterintuitive, et pourtant ça marche du tonnerre. Les particules peuvent exister dans plusieurs états à la fois. Elles peuvent traverser des murs. Elles peuvent être connectées d'une façon qui rendait Einstein himself nerveux (il parlait d'« action fantôme à distance »).

De l'autre côté, il y a la relativité générale d'Einstein. C'est elle qui explique pourquoi les objets tombent, comment les planètes tournent, et pourquoi le temps passe différemment selon votre vitesse ou votre distance par rapport à un objet massif. C'est élégant, ça a été prouvé mille fois, et ça décrit l'univers à grande échelle.

Le problème ? Ces deux théories ne s'aiment pas.

Je veux dire, elles ne se détestent pas vraiment — ça serait dramatique — mais les physiciens cherchent depuis près d'un siècle à les fusionner en une seule théorie unifiée. Et personne n'y est arrivé. Chacune fonctionne parfaitement dans son domaine. Mais dès qu'on essaie d'appliquer les deux en même temps, tout s'effondre.

C'est comme avoir deux amis qui sont chacun formidable séparément, mais qui transforment la pièce en chaos dès qu'ils sont ensemble.

Ce qu'ont fait ces scientifiques

L'expérience, publiée dans Science Advances, a été menée par des équipes de l'université Ben-Gourion du Néguev, de l'université d'Ulm et de l'université d'Oxford — dont le légendaire Roger Penrose, lauréat du prix Nobel.

Ils ont construit ce qu'ils appellent un interféromètre quantique de Galilée. Je sais, ça fait peur. Mais en version simple :

Ils ont pris des nuages d'atomes de rubidium, refroidis à quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Ensuite, ils ont séparé la fonction d'onde quantique de chaque atome en deux trajectoires. L'une est restée sur place, maintenue par des champs magnétiques. L'autre a été libérée — elle tombait librement, comme une balle qu'on lance en l'air.

Ensuite — et c'est là que ça devient intéressant — ils ont rapproché les deux trajectoires et observé comment les ondes interagissaient.

Imaginez deux pierres qu'on jette dans un étang à des moments légèrement différents. Les vagues se croisent, s'amplifient ou s'annulent. La différence entre ces vagues révèle ce qui s'est passé pour chaque pierre pendant sa chute.

Einstein passe à l'épreuve quantique

Revenons à Einstein.

Le principe d'équivalence est un pilier de sa théorie de la gravité. L'idée est étonnamment simple : on ne peut pas distinguer la gravité de l'accélération. Si vous êtes dans une pièce fermée, vous ne pouvez pas savoir si vous sentez votre poids parce que vous êtes sur Terre ou parce que la pièce est accélérée dans l'espace. Une personne en chute libre se sent weightless, quelle que soit sa masse.

Ce principe a été testé des centaines de fois avec des objets normaux. Et il tient toujours.

Mais la vraie question était autre : est-ce que ça marche encore quand votre « objet » n'est pas vraiment à un seul endroit ? Quand c'est une onde quantique qui existe simultanément sur deux trajectoires différentes ?

C'est exactement ce que ces chercheurs ont testé. Ils n'ont pas lâché une balle. Ils ont lâché quelque chose qui était, d'une certaine façon, métaphysiquement à deux places en même temps — et ils ont voulu savoir si la gravité traitait les deux chemins de la même façon.

Réponse ? Oui.

La phase quantique qu'ils ont mesurée — cette petite « signature » quantique laissée par l'onde qui tombe — correspondait exactement à ce qu'on prédit si on applique le principe d'équivalence d'Einstein à un objet quantique.

Pourquoi c'est important ?

D'accord, des scientifiques ont laissé tomber des atomes dans un montage élaboré et Einstein avait encore raison. Pas de quoi écrire à sa mère, non ?

Mais si, en fait.

On n'a toujours pas de théorie qui combine avec succès la mécanique quantique et la gravité. Il y a des candidates — la théorie des cordes, la gravité quantique à boucles — mais personne n'a trouvé la formule. Une des raisons : on manque cruellement de données expérimentales sur ce qui se passe à l'intersection de ces deux mondes.

Cette expérience nous offre un premier vrai aperçu de ce territoire. C'est comme si on arrivait enfin à mettre nos deux amis récalcitrants dans la même pièce — et à observer calmement comment ils interagissent.

Le professeur Ron Folman, qui a dirigé l'étude, l'a dit magnifiquement : « C'est un article unique, qui combine une expérience difficile avec une interprétation théorique ambitieuse, sur l'une des questions les plus fondamentales de la physique. »

Et le professeur Vlatko Vedral, d'Oxford, a ajouté : « Cette expérience pousse la mécanique quantique vers l'un de ses fronts les plus intrigants — la gravité — et montre que... »

La citation a été coupée, mais on devine la suite. La mécanique quantique ne s'effondre pas quand la gravité entre en jeu. Du moins pas dans ce régime.

Ce que ça signifie pour la suite

Je ne vais pas vous dire que cette expérience a tout résolu d'un coup. On est encore très loin d'une théorie du tout. Mais des expériences comme celle-ci sont les miettes de pain qui pourraient un jour nous guider jusqu'à la solution.

Chaque fois qu'on pousse la frontière entre quantique et classique, entre minuscule et massif, on apprend quelque chose de nouveau. Et pour l'instant, l'univers nous dit que nos deux « meilleures » théories contiennent chacune plus de vérité qu'on ne veut parfois l'admettre — même quand elles partagent la même pièce.

Alors la prochaine fois qu'on vous dit que la physique a tout compris, rappelez-leur qu'on n'arrive toujours pas à faire jouer Einstein et la mécanique quantique dans la même équipe.

Mais au moins, maintenant, on sait qu'ils veulent bien être dans la même pièce.