La nouvelle théorie quantique sépare la masse gravitationnelle et inertielle

Le principe d'équivalence est l'une des idées les plus fascinantes de la science moderne. Il affirme que la masse gravitationnelle et la masse inertielle sont identiques. Einstein l'a exprimé ainsi : la force gravitationnelle que nous ressentons sur Terre est identique à la force que nous ressentirions si nous étions assis dans un vaisseau spatial accélérant à 1 g. Newton aurait pu dire que le m dans F=ma est le même que le ms dans F=Gm1m2/r^2.

Cela semble éminemment sensé. Et pourtant ce n'est qu'une affirmation. Bien sûr, nous pouvons mesurer l'équivalence avec une précision toujours croissante, mais rien ne nous empêche de penser qu'à un moment donné, la relation va se rompre. En effet, plusieurs modifications de la relativité prédisent que ce sera le cas.

Une question importante est de savoir ce que la mécanique quantique a à dire à ce sujet. Mais les physiciens ont jusqu'à présent été incapables d'utiliser la théorie quantique comme levier pour distinguer le comportement de la masse inertielle et gravitationnelle.

Tout cela change aujourd'hui avec le travail extraordinaire d'Endre Kajari à l'université d'Ulm en Allemagne et de quelques copains. Ils montrent comment il est possible de créer des situations dans le monde quantique dans lesquelles les effets de masse inertielle et gravitationnelle doivent être différents. En fait, ils montrent que ces différences peuvent être arbitrairement grandes.

Leur réflexion commence par souligner la distinction importante entre la cinématique, qui concerne uniquement le mouvement et non la manière dont il se produit, et la dynamique qui se concentre sur l'origine du mouvement. Dans le monde classique, cela n'a aucune incidence sur les effets de la masse inertielle et gravitationnelle.

Cependant, dans le monde quantique, la façon dont les états sont préparés a une importance énorme. Ils soulignent, par exemple, que la fonction d'onde d'une particule dans une boîte ne dépend pas du tout de la masse alors que la fonction d'onde d'énergie d'un oscillateur harmonique dépend de la racine carrée de la masse.

Cela conduit à une idée intéressante : qu'il est possible de créer des combinaisons de boîtes et d'oscillateurs gravitationnels et électromagnétiques dans lesquels la masse inertielle et gravitationnelle jouent des rôles différents.

Il s'avère que les physiciens jouent déjà avec exactement ce genre de dispositif : le trampoline dit atomique, dans lequel une onde de matière tombe sous l'influence de la gravité mais est rebondie par une force électromagnétique. Ils calculent que les valeurs propres d'énergie de l'atome sont proportionnelles à la (masse gravitationnelle)^2/3 mais à la (masse inertielle)^-1/3.

C'est un résultat étonnant. Le type de spectroscopie d'énergie des atomes ou des condensats de Bose Einstein qui peut détecter cette différence devrait être réalisable, sinon maintenant, alors très bientôt dans les prochaines années.

En cas de succès, ces types d'enquêtes fourniront une toute nouvelle façon d'étudier la nature de la masse et, peut-être plus important encore, d'étudier la relation déroutante entre la relativité générale et la mécanique quantique.

Par exemple, les cosmologistes voudront savoir comment se comporte la masse inertielle et gravitationnelle dans les conditions les plus extrêmes de l'Univers, comme à l'intérieur des trous noirs.

Cela promet quelques années passionnantes à venir.

Réf : arxiv.org/abs/1006.1988 : Masse inertielle et gravitationnelle en mécanique quantique

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