Comment mesurer la mousse quantique avec une expérience sur table

L'une des énigmes centrales de l'espace-temps est sa structure à la plus petite échelle.

Les équations de la relativité générale sont lisses, même aux plus petites échelles. Mais au début des années 1960, le physicien américain John Wheeler a souligné qu'en mécanique quantique, les propriétés ordinaires de l'espace-temps, telles que la position, la quantité de mouvement, etc., sont associées à une incertitude. Cela implique que spacetme doit aussi être incertain. Wheeler l'a décrit comme de la mousse quantique.

Les physiciens aimeraient beaucoup étudier cette mousse mais il y a un problème. L'espace-temps ne devient semblable à de la mousse qu'à l'échelle la plus petite, à des longueurs dites de Planck de 10^-35 mètres environ.

Sonder cette distance est évidemment difficile. Une façon de le faire est d'accélérer les particules à des énergies énormes, ce qui permet aux physiciens de déterminer leur position avec précision, sondant ainsi de très petits volumes d'espace.

Mais les énergies nécessaires sont d'environ 10^19 GeV, plusieurs ordres de grandeur plus élevés que les accélérateurs de particules actuels. Il n'y a aucune probabilité d'atteindre cette énergie sur Terre dans un avenir prévisible, donc les physiciens sont plus ou moins résignés à l'idée qu'ils ne mettront jamais la main sur la mousse quantique.

Ils peuvent changer aujourd'hui grâce à une idée fascinante de Jacob Bekenstein, physicien à l'Université hébraïque de Jérusalem en Israël. Bekenstein dit qu'il a trouvé un moyen de mesurer la structure de l'espace-temps à l'échelle de Planck en utilisant une expérience simple impliquant un peu plus qu'un bloc de verre et un laser.

En substance, l'expérience est simple. L'objectif de Bekenstein est de déplacer le bloc d'une distance à peu près égale à la longueur de Planck. Sa méthode est simple : zapper le bloc avec un seul photon.

Le photon transporte une petite quantité de moment et pousse par conséquent le bloc lorsqu'il pénètre dans le verre, lui donnant un certain élan. Lorsque le photon quitte le bloc, le bloc s'immobilise.

Le résultat du passage du photon est donc qu'il déplace le bloc sur une petite distance.

L'idée de Bekenstein est que si cette distance est inférieure à la longueur de Planck, alors le bloc ne peut pas se déplacer et le photon ne peut pas le traverser.

L'expérience consiste donc à mesurer le nombre de photons qui traversent le bloc. Si le nombre est inférieur à celui prédit par l'optique classique, cela prouve l'existence de la mousse quantique.

En fait, en modifiant la quantité de mouvement transmise par les photons, les physiciens devraient être en mesure de mesurer l'échelle à laquelle les effets de mousse quantique se produisent et peut-être de la quantifier d'autres manières également.

La beauté de cette expérience est qu'elle évite tous les problèmes habituels de sonder de petites échelles de longueur en utilisant des particules quantiques qui elles-mêmes subissent une incertitude quant à leur position.

Au lieu de cela, l'expérience de Bekenstein repose sur la conservation de la quantité de mouvement et le changement de position du centre de masse d'un bloc de verre macroscopique. Il montre que cela ne viole pas le principe d'incertitude. En effet, la seule mesure impliquée est un simple comptage de photons.

Mieux encore, cette expérience ne nécessite aucun appareil plus exotique qu'un laser et un réfrigérateur (le bloc doit être refroidi à près de zéro pour minimiser les perturbations thermiques). Rien à ce sujet n'est au-delà de l'état de l'art. En effet, le test pourrait être effectué aujourd'hui sur une table dans un laboratoire bien équipé.

Cela ne veut pas dire que ce sera facile. Bekenstein est un grand fromage dans le monde de la physique théorique, mais ses collègues voudront s'assurer que son argument est étanche avant de se lancer dans une telle expérience.

Si c'est le cas, alors l'expérience sur table de Bekenstein pourrait être opérationnelle dans un avenir très proche, offrant le premier aperçu potentiel de la mousse quantique.

Bien sûr, le fait de ne pas trouver de mousse quantique serait également intéressant. La dernière réflexion est que la gravité est un phénomène émergent à travers une sorte de processus thermodynamique. Cela ne nécessite pas de mousse quantique.

Ainsi, l'échec de la détection de la mousse quantique, bien qu'il ne s'agisse pas d'une preuve des théories émergentes de la gravité, serait certainement aussi une découverte extrêmement intéressante.

Quoi qu'il en soit, les physiciens pourraient s'amuser avec ça.

Réf : arxiv.org/abs/1211.3816 : Une recherche sur table de signaux à l'échelle de Planck est-elle faisable ?

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