Comment mesurer le champ gravitationnel d'un objet quantique

À la fin du XVIIIe siècle, le scientifique britannique Henry Cavendish mesure pour la première fois en laboratoire la force de gravité entre deux objets. Les objets en question étaient des balles de plomb, l'une de la taille d'une pastèque, l'autre de la taille d'une balle de baseball. La force entre eux, découvrit-il, était infime – à peu près le poids d'un grain de sable.

Depuis lors, les expériences sont devenues plus précises mais impliquent toujours généralement des objets relativement gros - le plus petit champ gravitationnel jamais mesuré était entre deux cylindres pesant 90 grammes. Mais les champs entre des masses plus petites sont si minuscules que personne n'a trouvé de moyen de les mesurer.

Cela semble sur le point de changer grâce au travail de Jonas Schmole et de ses amis de l'Université de Vienne en Autriche. Ils ont trouvé un moyen de mesurer l'attraction gravitationnelle d'objets à l'échelle millimétrique qui sont trois ordres de grandeur moins massifs que tout ce qui avait été mesuré auparavant.

Une telle expérience permettrait aux scientifiques de sonder la gravité à des échelles qui n'ont jamais été possibles auparavant et ouvre la porte à une nouvelle ère d'expériences qui explorent pour la première fois la relation entre la gravité et la mécanique quantique.

La nouvelle méthode de mesure des forces gravitationnelles est simple dans son principe. En son cœur, il exploite la façon dont de minuscules objets résonnent lorsqu'ils sont poussés à plusieurs reprises. Une façon d'y parvenir est de tailler de minuscules tremplins en silicium, de sorte que l'électronique nécessaire à leur surveillance puisse être intégrée dans une seule puce. Ces dispositifs dits microélectromécaniques sont devenus courants ces dernières années - ils sont la technologie derrière les airbags et les accéléromètres dans les smartphones, par exemple.

Maintenant, Schmole et co veulent les utiliser pour mesurer les forces gravitationnelles. Leur idée est de fabriquer un tremplin et de placer une sphère à l'échelle du milligramme au bout. C'est la masse d'essai dont ils espèrent mesurer le mouvement sous l'effet de la gravité.

En même temps, ils placent une autre sphère similaire à l'extrémité d'une barre qui peut être déplacée d'avant en arrière comme un piston. C'est la masse source qui génère un champ gravitationnel en mouvement.

Lorsque ces deux sphères sont placées à proximité l'une de l'autre, le champ gravitationnel résultant devrait créer une force d'attraction entre elles. Cela devrait tirer la masse d'essai sur le tremplin vers la masse source. Au fur et à mesure que la masse source s'éloigne, l'attraction diminue, permettant à la masse d'essai de chuter.

Cela fait vibrer le tremplin. Et si le mouvement de la masse de la source correspond à une certaine fréquence critique, le tremplin résonnera, et ce mouvement peut être mesuré en faisant rebondir un laser sur le tremplin.

Ajuster la façon dont la masse de la source se déplace d'avant en arrière permettra à Schmole et co d'explorer la façon dont la résonance se produit et de mesurer la force qui la provoque - l'attraction gravitationnelle entre les deux corps.

Et c'est tout : un moyen simple de mesurer la force gravitationnelle entre deux objets de la taille d'un milligramme, ce qui est possible aujourd'hui avec des dispositifs MEM à la pointe de la technologie.

Bien sûr, il y a quelques subtilités importantes dans l'expérience. Par exemple, la masse d'essai et la masse source doivent être isolées afin que le mouvement de l'une n'influence pas l'autre, sauf par attraction gravitationnelle. C'est un défi important. Une autre consiste à isoler l'ensemble de l'appareil des vibrations externes qui pourraient submerger le signal d'intérêt.

Mais Schmole et co disent que ceux-ci sont gérables et que l'expérience est tout à fait faisable. La technologie de pointe actuelle devrait permettre une démonstration de preuve de concept pour des objets à l'échelle des millimètres et des dizaines de milligrammes, ce qui améliore déjà la limite actuelle de détection du champ gravitationnel d'une petite masse source de trois ordres de grandeur, ils disent.

C'est un travail intéressant et pas seulement à cause des défis expérimentaux impliqués. Les objets à l'échelle millimétrique sont proches de l'échelle à laquelle les étranges lois de la mécanique quantique deviennent observables. Ceux-ci conduisent à un phénomène bizarre tel qu'un seul objet se trouvant à deux endroits en même temps.

L'opportunité passionnante à laquelle Schmole et co font allusion est la capacité de mesurer la force de gravité associée aux objets quantiques. Comment la force gravitationnelle se manifestera-t-elle lorsqu'elle est associée à un objet qui existe à deux endroits en même temps ?

C'est une question à laquelle de nombreux physiciens donneraient leur bras droit pour connaître la réponse. Ils n'auront peut-être pas longtemps à attendre !

Réf : arxiv.org/abs/1602.07539 : Une expérience micromécanique de preuve de principe pour mesurer la force gravitationnelle des masses en milligrammes

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